A3：科技智慧
01 研究背景
在“碳达峰”与“碳中和”的目标下，减少各行各业的碳排放至关重要。城市给水、污水处理涉及能源密集型活动，给水厂和污水处理厂需要采用各种传统或改进的水处理工艺，如混凝、沉淀、消毒、海水淡化、超滤等，来处理水中的污染物，确保其安全饮用或达标排放。这些工艺过程需要消耗大量能源，这些能源的使用往往伴随着温室气体尤其是二氧化碳的排放。如图1所示，在2019-2023年的研究中，涉及温室气体排放及其对气候变化影响的研究在水系统相关研究中仅占不到10%，而关于供水系统温室气体排放的研究更是屈指可数，仅占不到1%。图1中数据来自“Web of Science Core Collection”中的 publication years 分类;术语“water system ”用来收集与水系统相关的文献；术语“Greenhouse gas emissions or Climate change or Carbon emissions”用来收集水系统相关文献中与温室气体排放及其对气候变化影响的相关文献；术语“water supply system”用来收集温室气体排放及其对气候变化影响的相关文献中与供水系统相关的文献。这类研究的缺失使得水厂在碳减排相关的规划设计中缺乏充分的数据和理论支持。此外，目前关于水厂碳排放特性的研究大多依赖模型进行估算，基于实测数据的研究则相对较少，且大多忽视了给水厂在实际运行中的特异性及工况波动。因此，现有研究无法有效揭示碳排放的动态变化及其真实影响因素。
图1 温室气体与气候变化的相关文献在水系统相关文献里的占比趋势
对于城市供水系统能源消耗导致碳排放增加的问题，系统运用全生命周期评估（Life cycle assessment，LCA）核算给水厂温室气体排放，可作为低碳排放水厂规划设计的参考。
ZHANG等估算了城市供水系统在开采和生产、采购材料，或使用销售产品和服务过程中产生的温室气体排放，发现这些环节的排放往往未被充分关注。其中，金属制品的制造、塑料及其他化学品的投入使用、水泥和石灰的生产、轧钢的碳排放对总碳排放清单的建立具有重要意义。因此，给水厂不仅需要关注其运行过程中的直接能耗与物耗，还必须重视建设阶段材料、设备、机械采购及生产过程中可能被低估碳排放。
随着水源水质复杂性的增加和用水品质的提高，城市饮用水处理技术不断发展，水处理工艺也在不断演进和完善。在“混凝-沉淀-过滤-消毒”常规水处理工艺基础上，增加“臭氧-活性炭”或“膜过滤”的深度处理工艺越来越普遍。
本研究对北方城市某给水厂进行核算。该水厂采用臭氧-活性炭及超滤深度处理工艺，处理规模为15万m3/d，水源为南水北调水，在选择水处理工艺时，需考虑到南水北调来水在夏季高温高藻期和冬季低温低浊期的特殊水质特性。夏季高温高藻期，水质可能出现微污染问题，如色、嗅、味等，而冬季低温低浊期则可能导致絮凝效果不佳，这些问题均会对水厂的运行产生不利影响。在此背景下，深度处理工艺中的臭氧接触池和活性炭滤池发挥着重要作用。臭氧接触池能够有效去除水中的有机物和微污染物，提高水质的稳定性和安全性；活性炭吸附池则进一步吸附有机物、异味物质和色度物质，确保出厂水质的清洁和卫生。然而，考虑到许多北方地区水厂在采用臭氧-活性炭工艺后，出水中仍可能存在微生物及藻类进入管网的问题，该水厂通过采用常规处理-臭氧活性炭-膜过滤的全流程处理工艺，有效应对南水北调水源的特殊时期水质变化，保障出厂水质的稳定和高品质。其工艺流程见图2。
图2 水处理工艺流程
因此，基于该给水厂的设计建设及运行维护数据进行碳核算研究，分析深度处理工艺建设、运行阶段的实际碳排放情况，明确深度处理工艺在建设阶段材料、设备和机械的碳排放比例以及在运行阶段物料与能源消耗的碳排放，将为给水工程规划设计方案的制定提供理论支撑，并为采用深度处理工艺的给水厂制定减排措施提供数据支持。
02 碳排放量计算与分析方法
2.1 数据来源
结合该给水厂建设过程的工程量清单及通水运行后水厂的能源、物料消耗清单，梳理给水工程建设阶段（2020 年开工建设，工期1年，数据来源于水厂竣工验收报告）深度处理工艺相关构筑物的设备购置与安装、机械租用、材料消耗等活动数据，及运行阶段（2022年1-12月，数据来源于水厂2022年运行能耗报表）的耗电量、药剂用量等实际运行数据，对其建设阶段、运行阶段的碳排放进行准确计算。
2.2 核算依据与方法
2.2.1 标准/指南
给水厂温室气体排放核算的依据，包括国内外相关企业温室气体核算报告研究成果和实践经验、政府间气候变化专门委员会发布的《2006 IPCC 国家温室气体清单指南》及国家发展改革委办公厅印发的《省级温室气体清单编制指南》，以及《工业其他行业企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）》和《工业企业温室气体排放核算和报告通则》等国家标准和指南。
2.2.2 碳排放因子法
本研究中的碳核算采用排放因子法。其基本计算见式（1）：
C=Ef×A （1）
式中：
C——碳排放总量，tCO2；
Ef——排放因子，tCO2/单位活动水平；
A——活动水平，如t、m3、kW·h等与碳排放相关的具体活动量。
在确定排放因子数值时，优先使用中国产品全生命周期温室气体排放系数库（CPCD）。其次，利用碳排放计算分析软件。此外，研究将参考中国碳排放数据库（CEADs）提供的国家级、省级及城市级的能源数据。同时，利用中国供水排水协会发布的行业标准和指南，以保证碳排放计算的准确性和一致性，在国内数据不足的情况下，国际气候变化专门委员会（IPCC）的排放因子数据库（EFDB），及欧盟环境署和美国环境保护署（EPA）提供的排放因子数据库等，为本研究的碳排放计算提供数据补充和数据对比。
2.3 核算边界
碳排放核算过程中可将给水工程全生命周期分为建设、运行、拆除回收三大阶段。深度处理工艺全生命周期的碳排放核算范围，应当包括全部相关设施、设备的整个生命周期，即从原材料开采、运输、建造、运行直到服务期限结束的拆除回收。本研究仅核算该给水厂深度处理工艺在建设、运行阶段所产生的碳排放，而不包括拆除回收阶段。该核算范围具体包括水厂厂区内所有与深度处理工艺相关的设施设备，即臭氧-活性炭工艺（包括活性炭翻板滤池、提升泵房、反冲洗泵房、后臭氧接触池、臭氧发生车间、臭氧系统、液氧站系统）及膜工艺（膜车间、提升泵、膜系统）的建设、运行过程，如图3所示。核算内容涵盖了1年建设期内从原材料的开采、制造、运输到建设施工在内的过程，至工艺调试完成并通水运行1年内所产生的碳排放。
给水厂深度处理工艺建设阶段的碳排放涉及建设过程中的材料、设备及机械，包括建设所需材料的采购、运输、仓储，设备的采购、运输、安装与调试，机械的租用与维护等。材料包括金属、木材、混凝土、砖瓦等建筑材料以及管道、配件、附件等。设备可以分为公用设备和专用设备，公用设备主要包括空调、取暖器、电脑等，而专用设备则是水处理工艺设施所需的提升设备、搅拌设备、加药设备等。机械则主要以台班为单位租用。其建设阶段碳排放总量见式（2）：
Cconst=Cm+Ce+Cmch （2）
式中：
Cconst——建设阶段总碳排放量，tCO2-eq；
Cm——所有材料的总碳排放量，tCO2-eq；
Ce——所有设备的总碳排放量，tCO2-eq；
Cmch——所有机械的总碳排放量，tCO2-eq。
图3 碳排放核算边界
供水工程深度处理工艺运行阶段的碳排放涉及能源消耗和物料消耗。能源消耗主要来自电力、燃料和热力。物料消耗主要来自化学品等消耗性材料，如膜清洗液、活性炭、膜组件、液氧等的更换与补充。计算中只考虑运行过程中连续性消耗所产生的碳排放，即电力消耗（能源）及液氧消耗（物料）产生的碳排放量。计算见式（3）：
Coper=Cen+Cmat （3）
式中：
Coper——运行阶段总碳排放量，tCO2-eq；
Cen——运行阶段能源消耗所产生的碳排放量的总和，tCO2-eq；
Cmat——运行阶段物料消耗所产生的碳排放量的总和，tCO2-eq。
03 结果与讨论
3.1 建设阶段碳排放量
3.1.1 碳排放量构成
计算该水厂深度处理工艺建设阶段设备、材料、机械的碳排放及建设费用，结果如表1所示。
表1 深度处理工艺碳排放量及建设费用
由表1可知，在建设期内，该给水厂深度处理工艺的材料、设备、机械的总碳排放量为6.95×104tCO2-eq。其中，材料、设备和机械的碳排放占总排放量的比例分别为39.32%、51.37%和9.31%。可见，由于深度处理工艺涉及设备较多，如超滤系统、液氧站系统、臭氧系统等，是深度处理工艺建设阶段碳排放的主要来源，其次是材料，最后是机械。
3.1.2 工艺类型对碳排放量的影响
表2显示了该给水厂深度处理工艺建设阶段的碳排放情况，其中臭氧-活性炭工艺和超滤膜工艺的碳排放量分别为3.34×104tCO2-eq和3.61×104tCO2-eq，分别占该给水厂深度处理工艺建设阶段总碳排放的48.12%和51.88%，说明两种工艺建设期碳排放量相当。对该给水厂所有已建工程建设阶段的碳排放量分析表明，深度处理工艺建设碳排放量占整个水厂建设总碳排放量（29.01×104tCO2-eq）的23.96%，其中臭氧-活性炭工艺占11.53%，超滤膜工艺占12.43%。这表明深度处理工艺对整个水厂建设阶段的能源和资源消耗影响较大。
表2 深度处理工艺建设阶段碳排放数据分析
结合表1可知，超滤膜工艺建设阶段设备采购与安装产生的碳排放显著高于臭氧-活性炭工艺，而臭氧-活性炭工艺建设阶段所涉及的材料、机械的碳排放则高于超滤膜工艺。总体而言，采用臭氧-活性炭工艺比臭氧-活性炭与超滤膜共用的工艺碳排放量约低50%，主要体现在设备碳排放减少83.66%，材料碳排放减少6.04%，机械碳排放减少70.27%，且建设费用可减少31.79%。表明深度处理工艺类型的选择对给水厂碳排放的影响显著，采用臭氧-活性炭深度处理工艺在碳减排方面具有相对优势。
3.1.3 构筑物体积对碳排放量的影响
该给水厂深度处理工艺构筑物总体积为120125.91m3，其中臭氧-活性炭工艺构筑物（包括活性炭翻版滤池、提升泵房、反冲洗泵房、后臭氧接触池、臭氧发生车间、液氧站）体积为79 458.66m3，超滤膜工艺构筑物（即膜车间）体积为40667.25m3。
为进一步量化工艺构筑物体积与碳排放量的关系，计算了单位体积构筑物的碳排放量。臭氧-活性炭工艺构筑物单位体积碳排放量：420.34kgCO2-eq/m3，超滤膜工艺构筑物单位体积碳排放量：887.69kgCO2-eq/m3。
从计算结果可见，超滤膜工艺构筑物的单位体积碳排放量显著高于臭氧-活性炭工艺（高出111.18%），尽管其总体积约为臭氧-活性炭工艺的一半，其建设期碳排放量却接近臭氧-活性炭工艺的107.80%。这种差异主要源于超滤系统建设所需能耗较高，其建设期碳排放占超滤膜工艺总碳排放量的81.04%，导致单位体积碳排放量远高于传统臭氧-活性炭工艺。由此说明，超滤系统的高能耗设备使超滤膜整体工艺的建设碳排放显著高于传统处理方式。在相似的体积条件下，采用膜技术的处理方式比传统臭氧-活性炭工艺导致更高的建设碳排放。
深度处理工艺构筑物的体积不仅与水厂设计规模相关，还受设计、运行参数的影响。如活性炭吸附池的体积受到设计滤速、活性炭层厚度及承托层厚度等影响，这些因素进一步影响构筑物建设产生的碳排放。提升滤速可有效减小滤池容积，从而降低建设该构筑物产生的碳排放。但过高的流速会影响出水水质，可能需要增加滤层厚度以确保充分接触时间。此外，选择不同种类的活性炭，如柱状炭和破碎炭等煤质活性炭，会带来所需滤层厚度的差异。因此在活性炭吸附池的设计阶段，除了考虑设计水量、出水水质等关键参数，还要兼顾滤料种类、滤速、运行方式等的合理选择，经过综合分析与评估，尽可能降低构筑物体积，从而确定更可持续的水处理方案。
3.2 建设阶段减碳路径
虽然臭氧-活性炭-超滤膜的工艺组合可以有效截留活性炭池中泄露的微生物，提升出水水质，但从碳排放的角度看，全流程处理工艺并非最优选择。为减少给水厂碳排放，可以考虑除超滤膜工艺外的其他工艺形式控制微生物泄露。
随着用水需求的提高，建设新水厂或扩展现有水厂是有必要的。传统水厂一般采用钢筋混凝土建设，设施庞大且各池分开建立，占地面积多，管道连接复杂，阀门多，导致建设需要的碳排放量高。装配式一体化设备水厂集合絮凝、沉淀、过滤工艺于一体，布局紧凑，其占地面积仅为常规土建给水厂的1/3，建设过程中主要采用钢板焊接或型材整体组装的施工方式，可减少水厂建设期内碳排放。在运行过程中，装配式一体化设备水厂易于实现智控全自动运行，在运行维护阶段能够有效控制能源消耗和水资源浪费。在拆除回收阶段，其可搬迁性使得水厂停用后可拆卸搬迁，废弃钢板材料可重新利用，符合绿色水厂的设计理念。成功运用此类水厂的项目包括杭州临安龙岗（15万m3/d）、长沙洋湖（5万m3/d）、临安高虹水厂一期（1万m3/d）、临安龙门寺水厂（800m3/d）等，也被引入南水北调相关水厂项目中，显示出其处理规模的灵活性和广泛适用性，能够满足不同规模水厂的需求。
3.3 运行阶段碳排放量
基于给水厂2022年1-12月期间的物料及能源消耗记录，结合式（1），得出2022年该水厂深度处理工艺的碳排放清单，如表3所示。
表3 深度处理工艺运行阶段碳排放量
在给水厂深度处理工艺的运行阶段，其年碳排放量为879.62tCO2，占该厂当年运行阶段总碳排放量（0.34×104tCO2）的25.87%，表明其对给水厂碳排放的贡献显著。如果考虑该工艺 50 年的设计寿命，则其建设阶段碳排放约占生命周期（建设+运行）碳排放总量的61%［6.95/(6.95+0.0879×50)］。因此，尽管给水工程项目的运行阶段在整个生命周期中所占时间最长，但是建设阶段的碳排放量是不容忽视的，只强调运行阶段减碳而忽视建设阶段是不合理的。
给水厂深度处理工艺运行阶段的碳排放主要来源于工艺中水泵加压、臭氧制备、超滤系统等设备运行的电力消耗，占总量的97.31%。可见，专用生产设备的优化运行在供水工程碳减排中至关重要。充分利用可再生能源，如光伏发电，可以减少给水厂对化石燃料的依赖，降低运行时的碳排放。目前，我国给水厂和污水处理厂的光伏发电技术仍处于发展阶段，但已有研究表明，光伏发电在许多水厂的应用已实现经济效益和环境效益的双赢。此外，应优化设备的选型，尽量选用可变频控制的设备，如变频水泵、变频风机等，以提升设备使用效率，降低电力消耗。
3.4 运行阶段减碳路径
南水北调水在感官指标和一般化学指标上优于一般的地表水源，但春夏季藻类数量明显高于一般江河水。由于南水北调水源水厂通常需要季节性与本地水源切换，以实现多水源间的互备，故在水厂运行阶段，可根据不同时期的水源变化选择处理单元的适度跨越。秋冬季节，南水北调水的藻类数量与本地水源相近，而在春夏季藻类高发期，通过加强预氧化可有效控制藻类生长。因此，在使用本地水源或南水水质较好时，应避免膜工艺的启用，以降低超滤膜工艺的能耗，减少膜组件清洗和更换等过程的碳排放。
臭氧制备的氧源有空气源和液氧源两类。空气源臭氧发生器产出的臭氧浓度低，需增加设备才能生产相同量的臭氧，这将导致电耗增加。因此，不宜考虑直接用空气制臭氧，而应尽可能采用液氧作为氧源。
04 结 论
以给水厂规划建设时期的碳减排为目标，开展了以北方某给水厂为例的碳排放核算，分析了采用臭氧-活性炭及超滤膜深度处理工艺的建设阶段及运行阶段碳排放构成及其影响因素，得出如下结论：
（1）在建设阶段和运行阶段，深度处理工艺的碳排放分别占该给水厂建设阶段碳排放的23.96%和运行阶段碳排放25.87%。考虑50年设计寿命，深度处理工艺建设阶段碳排放约占该段工艺建设、运行总排放的61%。因此，在给水厂规划设计阶段，应坚持生命周期理念，综合考虑水质安全与碳减排的双重目标。
（2）处理工艺的选择对给水厂建设阶段碳排放的影响显著。深度处理工艺建设阶段碳排放量占整个水厂建设阶段总排放量的23.96%，其中臭氧-活性炭工艺占11.53%，超滤膜工艺占12.43%。对于以地表水为水源的给水厂，在工艺选择时应充分论证复杂处理工艺的必要性，优先采用常规处理工艺或预处理-常规处理工艺；在增加深度处理工艺时，优先考虑臭氧-活性炭或超滤膜工艺，水质限制情况下再采用臭氧-活性炭-超滤膜组合工艺。
（3）案例水厂的建设阶段碳排放不容忽视，故在给水厂规划设计阶段构筑物空间体量的控制是给水厂生命周期碳排放控制的重要环节。通过缩短水处理流程、采用下向流活性炭工艺以及装配式一体化设计等措施，可有效节省占地面积和构筑物总体积，减少给水厂建设阶段碳排放，促进其全生命周期的绿色低碳。
（4）在给水厂运行阶段，水厂设备运行带来的电力消耗是导致运行过程中碳排放的重要因素，占97.31%。对于老旧水厂，建议强化节能降耗，及时更换高效能的泵、鼓风机等专用设备；对于新建水厂，应尽可能采用高效设备并考虑绿电应用，利用厂区建筑屋顶、清水池顶等空旷的区域或者其他废弃场地，设置光伏发电设施，降低水厂运营过程电力消耗产生的碳排放。运行过程中给水厂应灵活控制深度处理工艺，在给水厂水源处于藻类高发期时加强预氧化和水质检验，尽量减少膜工艺的启用以减少运行阶段碳排放，促进实现负碳排放目标。
（来源：给水排水）