量化分析：给水厂运行碳排放核算与碳减排路径
导 读 Abstract
城镇供水行业碳减排往往被忽略，碳核算是城镇供水系统实施碳减排举措的首要条件，贯穿于碳减排全流程。以上海市某给水厂为研究对象，该水厂为深度处理水厂，工艺为预处理-机械搅拌-折板絮凝-平流沉淀-砂滤-臭氧/生物活性炭-消毒。首先，构建完整的给水厂碳排放核算方法，理清碳排放关键点；其次，对给水厂各工艺环节运行及维护过程中碳排放活动进行核算；最后，探明了典型给水厂可行的节能降碳路径。研究结果为给水厂的碳排放核算及碳减排研究提供技术指导和理论依据，为城镇供水企业节能降耗指明发展方向。
引用本文：李成，马顺君，贺鑫，等. 典型给水厂运行碳排放核算与碳减排路径［J］. 给水排水，2023，49（7）：1-7.
本文基于IPCC的方法学原则，聚焦给水厂运行维护过程中的碳排放来源，构建较为完整的碳排放核算方法，以上海某典型深度处理给水厂为对象，开展水厂常规处理和深度处理工艺中各个环节中运行水耗、能耗、药耗和污泥处理等环节的综合碳排放测算，寻找碳排放关键节点，探讨给水厂碳减排路径，并对供水企业实现绿色低碳发展提出一些建议。
01、碳核算边界、方法和取值
1.1 核算边界
为保证碳排放核算结果的准确性和代表性，避免重复计算和漏算，关键在于确定系统的核算边界，而核算边界的确定一般需要参考各工艺流程以及处理设施等因素。本文选取给水厂核算边界主要包括常规处理工艺、深度处理工艺、排泥水处理在内的工艺流程碳排放跟踪测算，不包括取水和供水过程中的碳排放。在时间范围上，给水厂内相关设施及构筑物，从建造、功能发挥直至重置、拆除全部过程中，始终伴随有碳排放活动，都会影响碳核算结果。本研究给水厂的核算范围不包括给水厂的规划建设和资产重置拆除阶段，主要核算给水厂运行维护过程中产生的直接或间接温室气体排放。本研究水厂碳排放活动不包括化石燃料燃烧产生的直接排放，主要包括电力消耗间接排放，各类药剂、材料消耗间接排放及其运输过程间接排放和排泥水处理与处置过程所产生碳排放。
1.2 碳核算方法
供水厂核算温室气体排放量的基本步骤包括识别厂内温室气体排放环节，确定排放源类别及气体种类；选择相应温室气体排放量计算公式；获取活动水平和排放因子数据；将收集数据代入计算公式得到温室气体排放量；按照规定格式描述、归纳温室气体排放量计算过程和结果。
1.2.1 识别碳源，制作温室气体排放清单
根据《温室气体核算体系》，可将企业层面温室气体排放分为3类。包括范围1：归属或受控于核算主体自身活动导致的直接温室气体排放；范围2：核算主体由于购买电力、蒸气、热/冷源导致的间接温室气体排放；范围3：其他因核算主体活动导致的但在其核算边界外的间接温室气体排放。给水厂的碳排放活动主要包括消耗化石燃料造成的直接排放，投药、反冲洗等处理构筑物消耗电力间接排放，材料消耗，运输各类材料，排泥水处置过程导致的间接碳排放。以本文选取典型深度处理水厂为例，其碳排放系统如图1。
图1 案例给水厂碳排放系统
1.2.2 选择碳排放量计算公式
给水厂部分机械设备若采用汽油，柴油等化石燃料，产生的直接碳排放量见式（1）：
式中 CESrl——化石燃料燃烧碳排放强度；kgCO2-eq/m³；
Mrl,i——消耗第i种化石燃料总量，kg/a；
EFrl,i——第i种化石燃料排放因子，kgCO2-eq/kg；
Q——评价年内水处理量，m³/a，以达标水质水量计。
电力消耗间接排放根据实际电量核算，式（2）各类设施皆可适用，结果准确度最高：
式中 CESd——运行维护消耗购入电力产生的碳排放强度，kgCO2-eq/m³；
Ed——评价年内运行维护总耗电量，kWh/a；
EFd——该地区电力排放因子，kgCO2-eq/kWh。
水厂运行中消耗的各类材料，药剂等在其生产阶段已产生相应碳排放，核算方法为消耗材料数量乘以该材料排放因子，再除以评价年内总处理水量，见式（3）：
式中 CEScl——水厂运行过程中消耗的药剂、材料等产生的间接碳排放强度，kgCO2-eq/m³；
Mcl,i——评价年内第i种药剂总消耗量，kg/a；
EFcl,i——第i种药剂的排放因子，kgCO2-eq/kg；总计使用n种药剂。
将购入的材料，药剂等运入或将产品，废物进行外运的过程产生的碳排放强度也应纳入核算，如公式（4）：
式中 CESys——运输过程产生的碳排放强度，kgCO2-eq/m³；
Mys,i,j——评价年内第i次运输中，使用第j种方式的运输材料总量，t/a；
Lys,i,j——评价年内第i次运输中，使用第j种方式的运输距离，km；
EFys,i,j——第j种运输方式排放因子，kgCO2-eq/(t·km)。
总共进行n次运输，l为第i次运输中，总共采取了l种运输方式。
排泥水包括沉淀池排水和滤池反冲洗排水。我国给水处理厂产生的排泥水主要以泥沙等无机颗粒为主，一般工艺为调质（预处理）-浓缩-脱水-外运，本研究未考虑少数有机物引起的碳排放。排泥水处置所引起的碳排放按上述电力和材料消耗引起的间接碳排放进行计算。
1.3 活动水平和排放因子数据获取
活动水平数据乘以排放因子是排放因子法的基本核算框架。但由于数据收集体系和标准的不完善，活动水平数据的获取和排放因子的选取具有较大的自主权，这在一定程度上会影响核算结果的精确度和可比性。给水厂活动水平数据可以根据水厂能源消费记录或热力购售结算凭证/电网结算电表度数、水厂生产原始记录、统计台帐、统计报表、财务明细等进行获取。
理论上，各类能源、材料的碳排放因子受到技术、管理等多方面影响，具有显著的地域性差异，因此不同地区、企业、不同生产批次的能源或材料碳排放因子不尽相同。为方便计算和应用，一般可在充分考虑数据来源、核算手段、地域特点、技术相关性和时效性等因素的前提下，采用权威机构、部门及科研单位公布的碳排放因子，以及企业自行核算并经认证的碳排放因子。
国际机构发布的数据库包括政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布的《国家温室气体清单指南》、IPCC在线因子数据查询系统、Eco-invent生命周期清单数据、各国生命周期评价的清单数据库等。同时我国相关部门发布的统计资料，国内外一些专项、专题研究成果均可作为碳排放因子核算的参考依据。2022年新发布的《城镇水务系统碳核算与减排路径技术指南》（以下简称指南），对推动和引导水务行业实现碳中和具有指导意义，一般碳核算水厂建议采用指南给出的缺省值。随着水务行业发展，可以制定排放因子监测计划，并按计划实施，获取实测排放因子，得到更贴近实情的温室气体排放报告。
02 、碳核算
2.1 收集碳源活动数据
核算给水厂设计水量20万m³/d，2022年累计制水量5119.80万m³，该水厂为深度处理水厂，其工艺为预处理-机械搅拌-折板絮凝-平流沉淀-砂滤-臭氧/生物活性炭-消毒。收集水泵、风机运行及搅拌等设备运行使用电力引起的间接碳排放活动数据如表1，选用聚合氯化铝混凝剂，用于消毒的次氯酸钠、硫酸铵，用于污泥脱水的PAM，石英砂、颗粒活性炭滤料等耗材，运输药剂、污泥造成的间接碳排放活动数据如表2。
表1 案例水厂电力消耗碳排放活动
表2 案例水厂材料、给水污泥碳排放活动
2.2 选择碳排放因子
给水厂电力碳排放因子采用2022生态环境部新发布的全国电网平均排放因子，运输均采用载重8 t的中型柴油货车，相关碳排放因子的选取主要根据厂家提供的电耗，并依据指南，相关数据来源见表3。
表3 案例水厂碳排放因子选取
2.3 碳排放核算结果
核算并整理该给水厂运行维护过程中产生的碳排放量，结果见表4。由表4可知，该给水厂的总排放强度为0.1463kg CO2-eq/m³，年排放量为7489.80 t CO2-eq，碳排放量主要集中在电力消耗和药剂使用上，其中电力碳排放达到66% ，药剂消耗部分的碳排放约为33%。因此，在降低给水厂运维过程中的碳排放水平时，应着重减少设备运行电耗和药剂投加使用量。
表4 案例水厂碳排放核算
03、给水厂碳减排路径思考探索
跟踪并测算给水厂全工艺流程碳排放来源可知，给水厂产生的碳排放量主要集中在水耗、电耗和药耗上。促进水厂节能降耗，优化水厂能源管理可作为给水厂实现碳减排的突破路径，是推动自来水厂低碳升级，绿色转型，往碳中和，甚至负碳方向持续推进的主要措施。
3.1 促进水厂节能降耗
（1）优化工艺增效设备。泵和风机是能源消耗的关键设备，根据核算结果增压泵站碳排放量占比达到39.59%。可通过调节水泵频率、改变叶轮直径、合理选型调试、增加清水池高水位、不同泵组并联使用、优化管路阀门等方法有效降低水泵机组运行能耗，保证水泵长时高效运行。
该水厂水处理设施电耗碳排放量占比23.66%，在水厂规划建设时应针对水源选择适合的水处理工艺，运行过程中优化工艺参数，实现高效运行。以降低水耗为例，自来水生产过程中水耗一般在3%~5%，主要包括沉淀池排泥水、滤池和炭滤池反冲洗水，该水厂水耗控制在1%左右。根据原水浊度和水质，优化沉淀池排泥周期，加强泥浆浓度控制，并通过自动化控制系统有效节水，提高排泥效率。同时对滤池反冲洗流程合理安排，合理设置滤池运行周期，冲洗时间和强度，适当延长反冲洗周期，减少冲洗水耗。
为降低人力成本、提高生产效率，现代化水厂朝着数字化，智能化，无人化方向发展。集计算机技术、自动控制技术、通信技术为一体且可编程的PLC自动控制系统，操作简便，安全可靠，可使水处理工艺各个环节更加精确化，提高供水质量和生产效率。智慧水厂采用先进自动控制方案实时监控分析水厂耗能指标，并对水厂生产经营决策、管理、计划、调度、过程优化、故障诊断、数据建模分析等进行综合处理，真正实现水厂的现代化管理，让水厂达到更稳定、更高效的运行状态，并以更低的药耗和能耗为用户提供更优质的用水。
（2）强化源头降低药耗。根据核算结果药剂消耗和运输碳排放量合计占比33.59%，药耗也是生产运行成本中的重要组成部分。给水厂常用药剂包括混凝剂、助凝剂、消毒剂等常规处理药剂和粉炭、高锰酸钾等应急投加药剂，药耗受水源水质、药剂种类、工艺、操作人员等多方面的影响。首先，应确保选择优质的水源，加强水源地保护。优质的水源可大大减少水处理难度和药剂消耗。微污染水源具有较高的高锰酸盐指数和氨氮浓度，嗅味明显，只经常规处理工艺处理难以达标，而且会大大增加药耗和氯耗，存在生成副产物的风险。推进饮用水水源地环境保护，有利于推动绿色供水，保障安全供水，进一步实现保障生态、环境、资源、安全的多元目标。
可通过开展小试或实地测验的方法，选择合适的水处理药剂，优化药剂投加点与投加量，实现药剂的精准投加。同时，推进药剂投加系统往智能化、自动化方向改造，也可显著降低药剂投加量。控制药耗不乏有新技术，新的管理措施出现。该水务企业在国内首次二氧化碳调pH控铝生产性试验研究，该工艺通过pH的精准调控，达到稳定有效的控铝效果，有效降低相关制水药剂的投加量，减少后续污泥的处置量。
3.2 优化水厂能源管理
（1）绿色能源利用。双碳目标的实现，必须逐步摆脱对化石燃料的依赖，高度重视节能降耗的同时也应充分认识新能源建设的重要性。该水厂正着力推动光伏发电项目，利用太阳能发电具有清洁、高效、安全、可再生等优势助力水厂绿色转型。发展光伏发电，给水厂有着独特的优势。大面积的处理水池，往往需要加盖遮阳网，抑制水中藻类生长。同时在池顶上方架设光伏组件，相当于给池子加上盖子，一方面提高了空间利用率，另一方面，可避免太阳光直照水池，减轻环境对水质的影响。
（2）可持续资源回用。给水厂生产废水主要包括沉淀池排泥水、砂滤池、炭滤池反冲洗水等，对生产废水进行回用，不仅可以节约水资源，提高水厂的运营能力，还可减少废水的排放量。滤池反冲洗水可处理后回用；沉淀池排泥水收集经过专门处理后，上清液可回用至原水，或用作河道生态补水、园林景观用水及部分工业用水。臭氧发生设备冷却水等可直接回用。这些回用措施在一定程度上实现了给水厂的绿色循环。
给水厂污泥无机物质含量高，缺少稳定出路，资源化利用率不高，一般可在干化后进行填埋或制砖、水泥等建筑用材。给水污泥有效处理是水厂实现资源回用的重要环节，有不少关于给水污泥出路和资源化利用的研究，污泥的有效处理既要关注环境效益，又要关注经济效益，关键在于形成良性循环。给水厂应重视给水污泥的处理，根据自身条件实施适合的污泥处理技术，并积极探索污泥低碳出路和资源化利用技术。
04、结论与展望
本文以城镇供水臭氧/生物活性炭深度处理典型给水厂为核算对象，构建了完整的给水厂碳排放核算方法，并探讨了碳减排的路径。该给水厂2022年排放强度为0.1463kg CO2-eq/m³，其中电力和药耗碳排放占比分别为65.98%和33.23%，增压泵站、药剂消耗及给水处理设施为前三位碳排放活动。优化工艺设备增效与强化源头降低药耗是给水厂碳减排的关键；优化给水厂能源管理是实现给水厂碳减排的主要路径。
“双碳”目标战略下，城镇水务系统“双碳”行动势在必行。供水企业要实现节能降碳，应开展全流程碳足迹排放核算，以探明制水各个环节中的关键碳排放因素，从碳排放关键节点入手，寻求节能降耗技术的创新和应用，制定适合企业自身的绿色转型方案。供水企业应逐步达成对碳排放核算边界，碳核算方法和碳排放量的认知和共识，结合自身清单建立制水工艺的碳排放因子库，确保核算的准确性和有效性。通过管理改革和科技创新，从设备节能，降低药耗，能源管理等角度稳步推进供水企业双碳目标的实现。
