A3：科技智慧
01 概 况
随着全球气候的不断变化，自然环境和人类的生存发展都承受着巨大的影响，碳排放问题也引起了世界各国的重视。为应对气候变化，1992年联合国专门制订了《联合国气候变化框架公约》，该公约于同年在巴西城市里约热内卢签署生效。2015年，在第二十一届联合国气候变化大会上各国领导人签署了《巴黎协定》。2020年9月，习近平总书记在第七十五届联合国大会上提出“双碳”目标，2021年10月24日，国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》，制订了贯穿于经济社会发展全过程和各方面的“碳达峰十大行动”，推动2030年碳达峰目标的实现。
作为最大的碳排放国，中国的年排放量超过120亿t，2019年碳排放量占全球的30.7%。水作为人类赖以生存的重要物资，水系统的运行不仅能够保障人类的需求，也是城市经济社会发展的关键因素。在水系统的运行过程中伴随着能源的使用和碳排放的产生，因此促进水系统的的低碳运营对于可持续发展也具有重要意义。从生命周期分析的角度来看，城市水系统分为生产、分配、用水和废水处理过程。美国每年温室气体排放总量的约5%(2.9亿t)来自水务部门。英国的水务部门使用了全国约3%的总能源。其中供水系统作为城市的重要基础设施，也属于能源密集型行业，在能源使用的过程中也产生了大量的碳排放。世界上大约3%~5%的能源使用用于城市居民和工业的供水系统，供水、制水和用水在能源的使用中占有较大比例，且与处理工艺、技术水平等有较大联系，其产生的碳排放量也应引起我们的关注。
水资源短缺和碳排放问题与经济高速发展、城市协调进步联系紧密，因此如何促进供水系统低碳发展值得我们深入思考。本文基于供水系统的现状对存在的问题进行了分析，并对减排路径进行了探讨。
02 供水系统碳排放研究现状
2.1 供水系统运营过程中的碳排放分析
2020年中国人均水资源2239.8 m3，约占全球人均水平的1/4，且全国城镇供水系统碳排放量超过2200万t CO2。不断增长的人口和不断发展的经济需要消耗大量的水和能源，对环境造成了巨大的压力，关注供水系统碳排放的研究较少，如图1所示，仅占水系统碳排放研究的1/10左右。
图1 水系统和供水系统碳排放的出版趋势
注：数据来源“Web of Science”；时间框架为2013—2023年。
根据目前供水系统的运营状况可知，供水系统中的碳排放主要来源于供水过程中的电耗、药耗以及运输过程中的油耗等。根据《温室气体核算体系》，为了对水系统运行过程中的碳排放进行有效监测，通常会基于碳排放不同范围（范围1为直接碳排放，范围2为能源间接碳排放，范围3为其他间接碳排放）对碳排放进行核算，其中供水系统的碳排放主要来源于范围2和范围3，给水厂污泥有机质较低，且处置过程未形成厌氧发酵条件，故直接排放较少。
表1 供水系统碳排放来源分析
图2 供水系统从取水到用水的碳源识别
供水系统消耗的主要能源是电力，这些能耗产生于供水过程中电力设备的使用，其中最主要的来源是泵站。有关取水过程中碳排放现状的研究表明，地下水提升产生的碳排放相比于地表的江河湖泊取水产生的碳排放更高。近年来我国地下水源供水量也从缓慢增加转向持续减少态势。在地表水源中，我国跨水资源一级区调水量总体呈持续增加态势，如南水北调工程产生了高水平的碳排放，其中东线泵站群作为世界最大泵站群，产生了较大的能源消耗，青岛市在南水北调东线中取水能耗为0.76kW·h/m3。有学者对已有关于跨流域调水能源消耗的研究进行回顾发现，单位距离输水能耗强度为0.002~0.007 kW·h/(m3·km)，均值为0.0046 kW·h/(m3·km)。随着缺水地区水资源供需矛盾的加剧，高耗能的海水淡化、污水处理回用等非常规水利用量逐年增加，加剧了能源消耗与碳排放规模。不同的是，非常规水源中再生水回用和雨水集蓄利用的单位能耗反而比远程调水更低。研究表明水资源的供给消耗着全球2%~3%的能源，其中配水系统的能源消耗约占据了其中的70%，其碳排放来源主要为泵站加压提升以及管网漏损。
制水过程主要包括混凝、沉淀、过滤和消毒等流程，碳排放产生的来源主要为设备电耗以及药耗、运输产生的油耗等。在我国，各省制水系统平均耗能强度较为接近，约为0.3 kW·h/m3。通过江苏省84座臭氧活性炭深度处理水厂各工艺比能占比进行研究，得到全省取水、送水、常规工艺、深度处理和生产用电占比平均值分别为：23%、44%、6%、10%和17%，制水工艺比能占比约占1/3。通过对上海30余家给水厂的实地调研与分析得知，给水厂的药剂碳排放强度约为0.072 kg CO2/m3。伴随着水质标准的不断提升，制水过程中的能耗也在不断提升。同时水资源问题推动着污水回收利用、海水淡化技术等高能耗工艺的发展，对环境也会造成压力。研究表明，污水回用补充城市供水的碳排放强度比常规的自来水供给的碳排放强度大。在碳排放对环境造成的影响日益严重的同时，这些问题的产生也不断催促着工艺的进步和发展，促使供水企业朝着绿色转型、可持续发展的方向转变。
由水源处取得的原水在经过原水管网输送、水厂处理、供水管网输送后送入用水终端。当民用与工业建筑生活建筑饮用水对水压、水量的要求超出城镇公共供水或自建设施供水管网能力时，通过储存、加压等设施经管道供给用户或自用的供水方式称为二次供水。由于我国城镇供水系统采用低压制，3层以上住宅需要进行二次加压。从城市供水系统的整个生命周期来看，用水阶段的能源消耗和碳排放占供水系统的较大比例。从水源到水龙头的供水过程中，以20层楼的建筑为例，城市建筑物内二次供水能耗约占全过程总能耗的80%。在二次供水系统中泵组电耗约占整个二次供水系统的95%～98%。根据《中国水资源公报2020》，1997年以来全国用水总量总体呈缓慢上升趋势，2013年后基本持平，其中生活用水量呈现逐渐持续态势。且随着城市的发展，高层建筑几乎成为高密度城市的常态，而高层住宅能耗普遍较高，这导致住宅二次供水的能耗约占供水系统能耗的80%。
2.2 供水系统碳排放存在的问题
2.2.1 区域位置地理条件限制
我国是目前用水量最大的国家，但水资源分布极不均衡，南方地区水资源丰富，约占全国水资源总量的80%，而北方地区仅占20%，根据《2022城镇水务统计年鉴（供水）》中全国各地区取水量占比，华东地区（31.3%）和华南地区(25.4%)的原水取水量明显高于其他地区(华中地区14.2%、华北地区10.5%、西南地区6.9%、西北地区6.1%、东北地区5.5%)。在中国西部和北部地区，水资源稀缺，大多需要从外省引进。以黄河流域为例，黄河流域九省（区）地势由西向东逐级下降，黄河上游地区水资源储量相对丰富，但中下游地区城市和农业用水面临巨大压力。黄河流域降水主要集中在汛期（7—10月），非汛期流域干旱频发。自20世纪70年代起，黄河下游多次发生断流，严重破坏了流域生态系统。与此同时，人口与经济的快速发展使得华北地区地下水出现了严重超采。开采量由200亿m3增至2017年的363亿m3，超采量达55.1亿m3，引发了严重的环境问题。因此调水工程的实施对水资源优化配置起到了重要作用。但调水工程中泵站的加压会产生较高的电耗，因此碳排放量反而会持续增长。根据《2022城镇水务统计年鉴（供水）》，对全国送（配）水过程中499个有效数据进行统计，如图3所示，送（配）水能耗强度呈现出由南向北，由东向西逐渐增强的趋势（送水指是在水资源短缺的情况下，将水源运送到水的地区，配水指水源通过一系列设施设备分配到不同的用水地点进行供水的过程）。总体而言，送（配）水尤其是调水工程的碳排放问题仍需要进一步的研究。
图3 全国各地区送（配）水能耗强度对比
2.2.2 水处理工艺碳排放分析
有学者开发了一个综合数学模型用于比较传统和先进水处理厂的CO2碳排放量（处理水量设置为20万m3/d，传统和先进水处理厂中的“单元水处理工艺”作为系统边界，先进水处理厂为具有臭氧消毒的MF膜系统工艺的水厂），通过将制水过程中典型运行条件作为参数建立模型，发现先进水处理厂由于工艺技术更为先进，相比于传统水厂消耗了更多的电力。但由于化学品使用量降低，传统水厂用于化学药剂使用产生的二氧化碳排放强度［（0.152±0.00979）kgCO2-eq/m3］是先进水处理厂的2.16倍，其产生的碳排放量多于先进水厂由电耗增长带来的碳排放量。这证实了化学药剂的使用对二氧化碳排放作出了很大贡献，在减少制水碳排放时可作深入探究，同时也明确了减少电耗是水处理厂减少碳排放的重要途径。张静等对北方某深度处理水厂各工艺段电耗占比进行分析发现：预臭氧（31.78%）>后臭氧（25.67%）>紫外消毒（17.99%）>炭砂滤池（9.51%）>污泥处理（8.84%）。表2梳理了部分给水处理工艺的电耗碳排放强度，也反映出膜工艺、臭氧化工艺等先进水处理工艺相比于传统处理工艺的单位耗电量更高。除此之外，国外部分海湾地区为了解决水资源短缺问题采取的海水淡化工艺能耗也十分显著。因此，如何平衡技术发展和高碳排放之间的关系，减少设备能耗，值得深入思考。
表2 水处理工艺的电耗碳排放强度
同时，水处理过程中工艺参数的选取对于节省药耗、水耗具有要影响，包括调整混合工艺参数、反冲洗时间周期等，传统处理水厂对于工艺参数的选取并未过多考究，导致了药剂和水资源的浪费。以臭氧处理工艺为例，“单独预臭氧”和“预＋后臭氧”工况条件对CODMn的平均去除率分别为51.8%和51.2%，“单独后臭氧”和“无臭氧”条件下，CODMn的去除率分别为43.9%和42.1%（预臭氧起主要积极作用），但在相同处理条件下（月供水量为1.368×107m3、紫外强度为40×mJ/cm2、臭氧总投加量为0.4mg/L），单独预臭氧投加（0.1190 kW·h/m3）比“预+后臭氧”投加（0.0993 kW·h/m3，预臭氧投加量为0.3mg/L、后臭氧投加量为0.1mg/L）的能耗更高。
2.2.3 高能耗技术未转型升级
供水系统中存在的能耗部分来源于水处理设施设备能效低、能源浪费等问题。传统能源资源利用体系的不可持续性会给环境带来巨大的压力，在“双碳”背景下，推动能源节约、提高能源效率十分重要。在传统的设计中，水泵运行必须满足最不利情况下水量的供应，这必定导致机组工况适应性差，造成扬程冗余等。其他设备如加药泵、搅拌器、反冲洗泵等存在着设备精度不足、控制系统不完善、缺乏智能化控制等问题，也会导致设备能效低，能源浪费。这意味着改造水厂设施设备，降低能耗将是降低二氧化碳排放的重要举措。
03 国内外供水系统低碳运行案例
杭州闲林水厂邻近闲林水库，节省了管道建设费用，同时采用重力自流进出水，降低能源能耗。该水厂最高电耗19 kW·h/103 m3，平均电耗为15 kW·h/103 m3，电耗相比相同设计水量水厂降低15%。
2021年新加坡Tengeh水库将建设一个60 MW峰值的浮动太阳能光伏系统，共146 000块太阳能电池板，能够在提供电力的同时减少水分蒸发。并且其产生的电能可以为新加坡5个水处理厂供电，每年可减少碳排放量约32 000 t，该举措将使新加坡成为100%绿色供水系统的国家之一。
目前新加坡海水淡化工艺主要采用的是反渗透技术进行海水淡化，耗电量约3 500kW·h/103 m3，能耗较大。新加坡Tuas海水淡化厂占地仅3.5 hm2，其厂区内有超过一半的屋顶上安装了太阳能电池板进行再生能源利用，同时该厂利用电去离子技术和生物仿生技术来降低水厂运行能耗。其中电去离子技术能够实现了1 650 kW·h/103 m3的低能耗运行，约为常规反渗透技术所需能耗的一半。
表3 供水系统低碳运行案例
04 供水系统碳减排路径建议
4.1 提高水资源利用效率，坚持节水优先
根据住建部公布的数据，2021年全国城市和县城公共供水总量为742.16亿m3，漏损水量为94.08亿m3，综合漏损率为12.68%，产销差率15.34%，与国外先进水平相比仍有较大差距。漏损会导致大量的电能浪费，提高碳排放水平。因此，应以城镇供水管网改造为重点，从检漏技术、管网材质、修复工艺、分区计量和计量技术等多个方面实施全面的漏损控制研究，实施应用智能水表、无线传感器网络、压力管理以及进行泵和阀门的优化调度等举措，大力推进节水降损。同时优化供水系统实时调度系统，实现供水系统的合理调度。在治理漏损的同时，还应全面加强对社会公众节水行为的约束，建立有效监督和长时间的节水宣传教育，提高对于节水的思想认识，提高各领域用水效率，加强能源密集型产业的全过程管理，杜绝水资源浪费，减少能源消耗。
4.2 探索清洁能源使用，促进资源循环利用
使用清洁能源，优化能源结构，实现能源替代，既能实现环境保护，也有助于促进可持续发展。给水厂中可以利用的清洁能源主要包括太阳能、风能、水能等可再生能源。因地制宜地推动风能、太阳能等清洁能源替代，科学有序地实施能源消耗绿色低碳转型，能够助力绿色低碳供水，实现“双碳”目标。有研究针对不同发电技术间的电能碳排放差异进行对比发现，风能和太阳能发电技术的碳排放较小，为10~15 g/（kW·h），太阳能光伏发电为30~40 g/（kW·h），而火电高达950 g/（kW·h）。除此之外，生产废水回收利用，污泥的资源化、稳定化利用等，均有利于减少供水系统碳排放，实现低碳目标。如目前给水厂最普遍的生产废水利用方式之一就是澄清池排泥水和反冲洗废水的回用，不仅可以优化混凝效果，还可以在夏天节省33.33%的投药量，在冬季节省25%的投药量，对浊度，色度，有机质及金属铝等有显著的去除效果。给水厂的污泥可直接施用于盐碱地、沙化地和废弃矿场或改良后应用于园林绿化和农业种植，覆盖恢复土地环境，改良土地理化性质，还可以少量固存环境中的CO2，在一定条件下较填埋和干化焚烧处理处置方式减少约200kg CO2-eq/t碳排放量。将给水厂污泥与地聚物相结合制备免烧砖或作为混凝材料、沉淀材料、再生盐材料均可减少制作过程中的碳排放，有利于低碳目标的达成。
4.3 提升水泵运行效率，加快低碳技术研发
提升水泵运行效率，实施节能降耗，是供水过程中碳减排的有效方法。在泵组改造中可以通过控制泵站的能耗来降低整个供水系统的比能耗，如通过叶轮改造、使用高质量油漆和泵的自动控制进行泵改造或利用动态算法获得水泵的最优组合，从而优化泵站的运行。水泵的变频调节也起到节能优化的作用，主要通过调节水泵的转速已达到优化运行的作用。除此之外，应加快推进水处理低碳技术的研发和应用，对高能耗工艺技术进行替换，做到精准节能降碳，如表4所示。随着数字化时代的发展，供水企业顺应时代趋势积极推动产业转型升级，实现生产自动化。这也意味着智能化技术应该被充分运用在供水系统的各个环节以减少系统运行产生的碳排放。除了从运营设施设备进行减碳外，生态固碳、技术固碳也是供水系统碳中和的实现途径。墨西哥、哥伦比亚、塞内加尔等国通过植树造林抵消供水系统产生的4.5万t二氧化碳正是该类举措的有效案例。
表4 水处理低碳技术及减碳效果
4.4 完善低碳管理措施，落实节能减排工作
为尽快落实“双碳”目标，供水企业应积极推进低碳管理措施的发展，通过碳排放测算厘清减排重点，根据实际情况划定能耗标准，建立并完善低碳管理体系，由上至下将相应的职责落实到各部门。通过制定合理的考核指标，对企业生产运行进行有效约束。加强智能化管理，对各运行阶段的能耗问题进行实时监测，各部门及时做出协调解决方案。同时鼓励自主创新，企业内部进行自我调控和优化，运用自身知识储备，推动国内供水企业绿色发展。
05 结 论
供水系统中水资源的消耗以及温室气体的排放都是显著的，在“双碳”背景下，减少水资源浪费，提高能源效率是供水系统绿色发展的方向。本文主要通过对供水系统的研究现状进行分析，列举供水系统目前存在的问题并提出减排措施，为城市供水系统碳减排提供参考。在供水系统未来的发展中，应加快低碳技术研发，推动能源结构转变，完善低碳管理体系，在保障供水安全的同时，建设数字化、智慧化供水平台，减少能耗，提升供水效率。
（来源：给水排水）