净水技术 | 翁晓姚：碳达峰与碳中和目标下供水企业绿色低碳发展的思考
摘要：文中通过解读碳达峰碳中和目标，分析供水企业碳排放主要来源，提出供水企业实现绿色低碳发展的3项关键工作：推进设备节能措施，提升能源利用效率，探索可再生能源使用，减少碳排放；开展节水技术研究，加强水源地保护，从源头上控制药耗；促进水和污泥资源化利用，建立并完善能源管理体系，形成能源管理新模式。并展望了实现双碳目标的路径。
积极应对气候变化是我国实现可持续发展的内在要求，也是负责任大国应尽的国际义务和应有的历史担当。习近平总书记于2020年9月在联合国大会上提出我国“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的庄严承诺。之后，我国发布了《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和《2030年前碳达峰行动方案》等，表明坚定不移走生态优先、绿色低碳的高质量发展道路的决心，碳达峰、碳中和成为了国内能源、建筑、交通乃至水务行业的热门词汇。供水企业提高能源利用效率，在生产环节中减少温室气体排放，寻求绿色低碳发展新路径，成为新形势下必须解决的重要课题。本文基于双碳背景，对供水企业实现绿色低碳发展提出一些想法供同行参考。
1、供水行业双碳工作关键
根据《京都议定书》中规定，需控制的温室气体有二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化合物、全氟碳化合物和六氟化硫共6种。对全球升温的贡献百分比来说，二氧化碳所占的比例最大，约为25%。目前全世界每年共排放约400亿t二氧化碳，中国大约占1/4，约为100亿t，年度人均排放超过全球人均水平。
碳达峰是指二氧化碳排放量在某个时间达到峰值，其核心是碳排放增速持续降低至负增长。碳中和是指排放量与固碳量相等，就是人类可以排放一定数量的二氧化碳，但这个排放量中的一部分被自然过程吸收而固定，余下部分则通过人为努力而固定(比如把二氧化碳收集后转为工业品或封存于地下)。碳达峰并不意味着将峰值调高，以后再减排，而是应尽量把峰值压低，实现2060年碳中和目标。
2001年世界资源研究所和世界可持续发展商业理事会提出碳排放3个范围，用于测量和报告与其业务相关的温室气体排放量：范围一(直接排放)是指煤炭、天然气、石油等化石能源燃烧活动和工业生产过程等产生的温室气体排放；范围二(间接排放)是指因使用外购的电力和热力等所导致的温室气体排放；范围三(延伸责任排放)是指生产采购的原料、产品使用、外包的活动、废物处置以及员工公务旅行产生的温室气体排放。
对于供水企业而言，碳排放主要来自间接和延伸责任排放范围。据估计，世界能源2%～3%用于城市引水、地区原水的提升、城市饮用水处理及输配供应，可见城市供水在城市地区的能源消耗总量中占很大比例。东京市能源率在国际上已经处于较为领先的水平，东京市供水系统从取水、送水、净水、输水配水至供水的全流程的年用电量约8亿kW·h，为东京城市总年度用电量的1%左右。因此，双碳目标下供水企业责任重大，要实现企业绿色低碳发展，笔者认为关键做好以下3项工作：推进设备节能措施，提升能源利用效率，探索可再生能源应用，减少碳排放；开展节水技术研究，加强水源地保护，从源头上控制药耗；促进水和污泥资源化利用，建立并完善能源管理体系，构建能源管理新模式。
2、节能增效新技术
2.1 推进设备节能增效
与供水企业有关的碳排放主要来源于电力消耗，自2000年以来，我国用于饮用水供应的电力消耗增长了1倍多，泵、电机、风机、变压器等设备是高能耗的重点。如何在满足工况条件下提高水泵和电机运行效率，是设备节能的关键，供水企业应加大对该方面的投入和研究，通过对设备运行工况进行分析和能效评价，按照节能潜力分析逐步落实节能改造项目，推动能源利用效率的不断提高。
目前，行之有效的节能措施有：采用变频技术改造、电机高效节能再制造、机泵叶轮切削等，以全面提升能效标准；加强对管网系统需求变化、机泵特性曲线与实际运行情况之间的匹配程度分析，对匹配情况差异性较大的进行重新设计改造，寻求最佳泵组效率组合；变配电系统优化升级，尽量将变压器运行负荷控制在经济运行区间内，减少线路布置，降低变配电系统的电力损耗；在满足供水量前提下以能耗最低为原则，统筹考虑水厂和供水水库泵站一体化调度运行模式；在新建、技改等项目中优先采用环保型、节能型电气和设备，逐步淘汰高能耗、低能效设备。
有些企业已利用数字化技术建立原水和供水智能调度管理信息系统，对输配系统日常运行及调度进行管理。某原水系统智能调度平台运用全系统高精度水力仿真模型，结合调度运行实际需求建立智能调度决策模型，自动执行能耗最优方案，实现原水调度从人工经验向智能决策的转变，系统上线后原水供应累计电耗降低5%，有效保障原水供应安全、高效、经济。某水厂通过水平衡控制及数字孪生仿真系统，对真实水厂进行数字映射，实现“能效”和“稳态”两种模式调度，在运维管理升级的同时带来显著的碳减排优势。2021年，该水厂制水用电单耗下降4%。
2.2 探索新能源应用
化石燃料是工业革命以来人类得以发展进步的重要物质基础，如何逐步摆脱对化石燃料的依赖，真正向低碳社会转型，将是一项十分严峻的挑战。可再生能源发展速度之快“超乎想象”，现已超过煤炭成为全球最大新增电能来源。2021年，我国可再生能源新增装机1.34亿kW，占全国新增发电装机的76.1%；可再生能源发电量稳步增长，达到2.48万亿kW·h，占全社会用电量的29.8%。
太阳能光伏发电以其清洁、高效、安全、可再生等优势，成为环境友好的替代能源之一。太阳能发电成本的大幅下降和政策的支持，推动了光伏市场的蓬勃发展。2016年可再生能源发电占全球净新增电力容量的近2/3，其中太阳能光伏发电增长了50%，首次超过了煤电的净增长。太阳能电力容量增加超过了74 GW，其中近1/2来自中国。
近年来，国内一些供水企业引入光伏技术，在技术角度、经济角度、安全角度对可再生能源的建设进行系统评估基础上，探索屋顶分布式光伏电站、水面漂浮式光伏电站和太阳能路灯的建设。光伏发电项目可以利用水厂既有建筑物的屋顶，也可在水池上安装，起到遮光的效果，抑制水池内部藻类的生长。当然，水池和屋面是否能承受光伏系统增加的荷载，需事先做好评估。上海、北京和江西等水厂已陆续在清水池、沉淀池上方、屋顶建设分布式光伏电站，实现全容量并网发电。某水厂光伏项目于2016年实现并网发电，利用水厂清水池和沉淀池，装机容量为4.6 MW，为厂区节省13%～15%的电量。
光伏技术在供水企业中应用已较为成熟，供水企业可排摸安装光伏等可再生能源潜力，利用用电负荷高且生产运行连续不间断的特点，通过扩大太阳能光伏建设规模，增加可再生能源的使用比例，进一步优化企业能源结构。
3、节水降耗新举措
3.1 加强节水技术研究
随着联合国可持续发展目标和理念的不断推进，水与能源之间的相互依存性和制约性也得到了更为广泛的认知和重视，节水即节能的概念应运而生。供水管网的漏损控制管理是城市水资源管理以及节水管理中的重要环节：对灰口铸铁管、镀锌钢管、UPVC、混凝土管等老旧管网更新改造，优化管网结构；通过对各管网独立计量区域(DMA)分区管理内的流量和压力节点实时监测，可及时发现管网供水异常，测算出区域的漏损情况并辅助查找漏点，有效降低管网漏损率。
有些供水企业开展管网态势感知研究，在重要路段、市政给水管道材质变化点、深基坑施工处等薄弱处安装漏失监测仪进行实时监测，应用Sahara-系缆式管道检漏及视频检查技术、智能球、CCTV等检测，掌握管网真实运行状况。
东京都水道局对管网漏损率控制值得借鉴，从硬件改造、管理加强以及技术开发等全方位措施来降低漏损率。从1994年起有计划地对供水管道(含配水管道和用户管道)进行替换和管材改良。2003年，球墨铸铁的配水管、不锈钢的用户管道占比分别达到97%、99%，同年度管道漏损率为4.7%，相较1983年下降70%。在更换管材和安装抗震接头的同时，东京都水道局也通过例行巡检、泄漏测算和管道泄漏排查等预防方式，对地上和地下的早期管网泄漏进行预查和修复，并开发适用于不同施工要求和作业场合的管道防漏控制相关设备技术，有效控制漏损率。
3.2 强化源头控制药耗
水处理过程中消耗的药剂在生产和运输过程中会排放温室气体，因此，控制水处理过程中的药剂加注量，可间接减少生产运行过程中的碳排放量。
优质的水源可大大减少饮用水处理难度和药耗。以水库或湖泊为水源时，应更重视入湖(库)河流水质控制，特别是磷及其他营养物质，以免发生由于富营养化引起的嗅味和藻毒素问题。我国在流域水质保护方面相对较欠缺，以长江为例，其流经多个省市，上游城市的排污口位于下游城市饮用水源的上游，对下游水源水质势必会有影响。我们可借鉴国外流域治理方面成功经验，莱茵河途经欧洲多个国家，由巴塞尔城市州IWB公司、康斯坦茨湖-莱茵河区供水商协会(AWBR)、莱茵河集水区国际水厂协会(IAWR)和Regiosuisse(瑞士经济事务总局推动地区发展的全国性网络)4个国际组织开展合作，通过签署莱茵河国际预警与警报方案、莱茵河高度预警方案和The TRINAT协议，巴塞尔城市州、法国和德国勒拉赫地区内一旦发生水污染等类似事件，将协同预警并通知各方。因此，加强源头管控，发挥流域管理机构或组织的协同作用，要求沿线不同省份、不同地域减少排放污染物，保护水源地，建立并完善水源水质预警系统，这对于后续处理工艺和药耗控制至关重要。
当原水pH高时，有些水厂会采取增加混凝剂的加注量以达到控制出厂水铝指标的目的，这样药耗必然显著上升。原水中加二氧化碳精准调pH技术已在某些水厂中应用，该工艺可实现pH的精准调控，达到稳定、有效的控铝效果。相较于原工艺，二氧化碳投加系统的使用，能够降低药剂的投加量，并减少后续污泥处置量。以水量为16万m3/d计，可降低水厂药耗约为15%。
4、能源管理新模式
4.1 促进资源可持续利用
水厂污泥出路一直困扰着供水企业。水厂排泥水经离心或板框脱水处理后，产生干泥量较多，含固率为25%～40%。水厂污泥主要成分为二氧化硅、氧化铝和氧化铁等无机物质，约占到80%。由于投加了混凝剂和助凝剂，且缺少稳定的出路，水厂污泥资源化效益得不到充分发挥。国家已制定五十余项与城市污水处理厂污泥有关标准，但水厂污泥处理处置及资源化利用方面缺乏相关标准规范。目前，上海市地方标准《自来水厂污泥处理处置技术规范》正在编制中。相信随着标准的出台，将进一步规范水厂污泥处置和资源化利用的方式和途径。
水厂污泥通常的去向是填埋或建材利用(如制砖、水泥、陶粒、路基等)。这些技术已有研究，关键还是最终出路能否形成良性循环。因此，积极开展水厂污泥低碳利用技术应用研究，控制水厂污泥含固率，走出水厂污泥资源化利用之路，将助力企业绿色低碳发展。
部分生产废水如能有效回用，也是资源化利用的另一途径。国内研究表明，砂滤池反冲洗水和仪表取样水可以回用，此部分占水厂供水量的1%～2%。周期性检修、维护时的池体排空水，主要是反应区、沉淀池、清水池等区域的排空水，排放中段的水优于原水，这些可以利用。当然必须指出的是，当原水水质突变时，如藻类暴发期等，滤池反冲洗水不宜回用。
4.1 建立能源管理体系
当前资源节约型和环境友好型社会的建设，给供水企业的节能管理工作提出了更高要求。构建企业能源管理体系，不断提升企业节能管理能力，将有利于推动企业制度的发展和完善。企业可根据《能源管理体系 要求及使用指南》(GB/T 23331—2020)，制定能源管理方针和目标，明确能源管理职责，通过实施一套完整的标准、规范，在供水企业内建立起一个完整有效的能源管理体系，以完善能源管理架构。并通过例行节能监测、能源审计、能效对标、内部审核、组织能耗计量与测试、组织能量平衡统计、管理评审、自我评价、节能技改、节能考核等措施，不断提高能源管理体系持续改进的有效性，实现能源管理方针和承诺，并达到预期的能源消耗或目标，逐渐构建标准化的能源管理模式。
随着信息化手段的不断深入，改革传统的节能管理方式，通过采集主要耗能系统能耗指标和运行参数，完善能源计量、监测、统计和能效对标管理，建设企业能源管理信息化平台，对企业能源系统的生产、输配和消耗环节实施扁平化的动态监控和数字化管理，并辅助运行人员分析能耗问题，优化控制策略，实现节能效果最优化。
供水企业还可响应国家《中国制造2025》和《绿色制造工程实施指南(2016—2020年)》的战略规划，根据国家级绿色工厂的定义和要求，从基础设施、管理体系、能源与资源投入、产品、环境排放、环境绩效等方面进行分析、总结和优化，以创建成功的绿色工厂为标杆，提升先进示范引领效应，提高企业绿色化发展水平。
5、结语
在双碳目标约束下，减碳工作任重道远。供水企业要在摸清碳排放家底下，开展碳足迹核算，测算能耗和碳排放增量需求和减量潜力，通过智能化综合分析和监测预警手段，寻求节能降耗技术的研发与应用，制定出适合企业发展的碳达峰、碳中和施工图和路线图，设计分阶段实施方案，助力双碳目标实现。
