城镇水务系统碳减排路径|给水与再生水系统

2021年10月24日，国务院印发了《2030年前碳达峰行动方案》（国发〔2021]23号)，为实现2030年前碳达峰目标，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”，统筹开展“碳达峰”工作。该文件明确提出的目标之一是“低碳发展模式基本形成”。2022年6月13日印发的《减污降碳协同增效实施方案》(环综合〔2022〕42号)明确了污水资源化利用对降碳的贡献，鼓励污水处理厂积极实施节能降耗、清洁能源利用，推动开展城镇污水处理和资源化利用碳排放测算，降低污水处理设施能耗和优化碳排放管理。对于我国城镇水务系统而言，随着人口增长和生活水平提高，用水量和污水量都将持续增长。此外，由于极端天气增加，城镇雨水控制与转输负担也越来越重。唯有通过碳减排实施降低城镇水务系统碳排放强度，才能在处理水量持续增加情况下完成“碳达峰”目标，即碳排放核算并不是目的和终点，而是将碳排放核算作为工具，引导城镇水务系统逐步融入减污降碳协同理念，推动城镇水务系统可持续优化发展。

1.1碳减排路径分析

基于给水系统碳排放核算和文献调研分析，给水系统运行维护所排放的温室气体主要来源于电能消耗，其他可能排放源还包括各类材料和药剂消耗，即均归属于间接碳排放。其中，长距离输水设施、取水设施和输配水管网温室气体近乎100%来自于提升水泵电能消耗；而以地下水、地表水为水源的给水处理厂和以海水为水源的海水淡化厂（反渗透等工艺）温室气体排放总量中，电能消耗也分别占95%、82%和98%。因此，给水系统进行碳减排计划制订的关键在于提高管理水平及优化处理技术，以减少电能消耗。从碳减排计划4类行动策略（表1-2）角度，总结了给水系统可进行减排优化的位点和可用的减排技术方案，如图1-1所示。

图1-1 给水系统碳减排路线图 

在源头控制方面，通过用户节约用水、强化用水量计量、梯度计价、水源保护等措施可降低用水量需求，降低取水设施、输配水管网、给水处理的工作（水量和污染物处理)负荷，从而降低温室气体排放量。实际上，再生水系统通过污水再生回用至作物灌溉、绿地浇水或冲厕等措施，同样可等量减少长距离输水、取水设施的工作负荷，其实是一种在系统层面进行源头控制实现碳减排的策略。在过程优化方面，给水系统运营企业也可采取多种技术措施来降低碳排放量，主提源用效包网技、和滤池反冲洗优化等技术应用。

在工艺升级方面，主要指给水系统信息供水方式和高处理工艺技术开发，如分区域水压控制模式，以及研究较为集中的低能耗海水谈化等革新技术，这样可显著降低能耗消耗和碳排放水平。

在低碳能源方面，给水系统也有可实施的行动策略，包括热能提取、势能回收等但需要注意的碳划制订和实施均应避免影响用水安全（水质）和用水舒适度（水压），具体可采取行动策略的内容和实施特点见表1-2。

表1-2 给水系统碳减排技术行动策略

1.2减碳路径

1.2.1管网漏损检测

相关标准规范中，城市供水管网平均漏损率不应高于10%。《中国城乡建设统计年鉴》(2020年)数据显示，2020年全国城市和县城供水管网综合漏损率为13.26%,部分城市漏损率甚至超过25%。这不仅造成了水资源巨大浪费，也导致给水系统能耗和碳排放量增加。无疑，实施有效管网漏损检测技术有助于及时监测漏损事故，并定位漏损点及时修复，从而通过提高水资源利用效率降低给水系统碳排放强度。实际上，管网漏损技术探究和开发一直是水业重要课题，目前已获得实际应用，例如，借助互联网自动采集与无线传输实现数据分析与反馈，可实现水资源信息实时监控与处理，可对输配水管网水压、水量及水漏损等项目进行实时监测并及时修复，完成运行现况与实时数据同步传输与反馈。工程经验显示，通过智能流量检测、泄露传感与修复等检测和控制手段建设6个配水系统，为15万用户供给1.2×10⁵m3水，12年间共减少了4.7×10⁴tCO2-eq排放，避免了2.0×10⁸m3水资源漏损。根据管网漏损智能监测与反馈，及时实施分区域供压控制、老旧设施改造等措施，加快供水管网智能化建设工程，以推进2025年国家建设供水管网漏损治理试点工作。

1.2.1新型海水淡化技术

海水化作为一种非传统，可解决水量型缺水问题。但无论是蒸馏法，还是工艺其生产程中常常需大量碳等化石燃料，新的海水淡化技术可减少碳排放总量其中，深海化技术和高效吸收式蒸气压缩系统(AB)工艺碳减排优势明显，前者将海水淡化装置于海底，利用自然静水压力作为“膜前压力淡化机组通过一条管廊与海岸建立联系，管廊连接电力、通信电缆和处理完成的淡化水，可减少运行维护阶段40%以上的间接碳排放量；后者通过重复利用最终产生的蒸汽，减少对外部加热蒸汽的需求，从而减少煤炭消耗，可降低运行维护阶段约73%的间接碳排放量。

1.3替碳路径

1.3.1水能回收技术

水作为一种能量载体，其中蕴含了多种形式丰富的能源，包括加压而来的势能和自身蕴含的热能。如果能够进行潜能回收则可反哺给水系统运行能耗，从而减少化石燃料消耗，达到替碳、减排的目的。管网中水的势能可采用微型涡轮机发电技术进行回收，在不增加水头损失的前提下，水流管道中安装微型涡轮机发电，年发电量可高达上百万千瓦时，可用作系统智能化监测装置的替代电源。

另外，管网中的水由于温度较低且较为恒定，可承接室内过多的热能，用于建筑制冷极具潜力，借助于水源热泵技术可完全实现。而且，城镇建筑均连接输配水管网，且能保证24h供给，保证了作为制冷源的稳定性。借助水源热泵技术，利用给水处理厂进水交换冷量用作夏季制冷应该是一种提升水资源价值和致力于城镇水务系统碳中和的有效手段。所交换出的冷量属于清洁能源，向社会输出可形成负碳效果。

1.3.2新型海水淡化技术

基于替碳原理，一些利用清洁能源的新型海水淡化技术被开发，替代原本化石燃料，实现碳减排。例如，大型聚光太阳能海水淡化技术，通过建设巨大玻璃穹顶聚光加热海水，使海水沸腾，并附带储能设备（超过4GW能源储存）用于夜间或阴天生产。巨大玻璃穹顶附带导热钢轨，使得热量分布更加均匀、提高热能利用率。其运行维护完全不需额外能量投入，因此，不会造成碳排放。