城市水务系统碳排放测算及减碳对策分析：以成都市为例_郑轶丽.pdf

文章栏目：面向减污降碳协同增效的污水处理系统运行管理研究与实践专题DOI10.12030/j.cjee.202210101中图分类号X703文献标识码A郑轶丽,马军,魏婷,等.城市水务系统碳排放测算及减碳对策分析：以成都市为例J.环境工程学报，2023,17(6):1778-1787.ZHENGYili,MAJun,WEITing,etal.Carbonemissionmeasurementandcarbonreductionstrategyanalysisofurbanwatersystem:AcasestudyofChengduwatersystemJ.ChineseJournalofEnvironmentalEngineering,2023,17(6):1778-1787.城市水务系统碳排放测算及减碳对策分析：以成都市为例郑轶丽1，马军2，魏婷1，王盼盼2，3，熊文兰4，游罗丹11.成都市市政工程设计研究院有限公司，成都610023；2.哈尔滨工业大学环境学院，城市水资源与水环境国家重点实验室，哈尔滨150090；3.哈尔滨工业大学重庆研究院城市水系统中心，重庆401151；4.成都市水务局，成都610000摘要城市水务系统是单位产值能耗较高且与各行各业联系紧密的行业。在“双碳”背景下，开展碳排放核算及减碳策略研究是水务系统高质量发展的重要内容。通过构建成都市水务系统碳排放框架，基于大量统计数据，对水务系统中各个环节(取、制、供、排等)产生的直接及间接碳排放进行统筹核算。结果显示，2019 年成都市水务系统碳排放总量约为 70.3 万吨(以 CO2计)，主要碳排放领域为污水处理系统，其中的污水处理及污泥处理处置环节的碳排放贡献最为突出。基于核算结果，对水务系统减污降碳目标及实现路径进行系统分析及定量测算，提出包括“节水优先、高效管网、源头提质、低碳工艺及能源回用”的五大策略推进水务系统减碳转型，为成都市及类似城市的“双碳”水务系统建设提供参考。关键词碳排放；双碳；水务；减碳措施据统计，世界范围内污水处理厂能耗占社会总能耗的 1%3%1。我国废水与固废处理碳排放量占全社会总量 1.6%2。尽管与能源、工业、建筑、交通等部门相比，水务行业产生的温室气体排放比重较小。但社会生产生活均与水相关，各行各业均需用水，能源行业的耗水量已占全世界用水量约 15%3。因此，探究水务系统碳排是节能减排的重要方向。国外学者对“水-能-碳”关系进行了深入研究，有对宏观尺度的城市水系统进行碳排放测算4-5，也有对微观尺度的水泵选型、地下水提升、自来水处理、污水处理工艺设计、管网布置等环节碳排放的定量化研究6-7。国内关于城市水系统碳排放的研究起步晚，但近年来发展迅速，已初步形成系列研究成果。在理论层面，已开展了针对能源强度、能源需求和碳排放量在内的城市水系统“水能”关系研究8-9。2022 年，由中国城镇供水排水协会出台城镇水务系统碳核算与减排路径技术指南，对厘清城镇水务系统碳排放核算边界规范活动数据获取与核算方法选用提供了指导。国内也有部分团队开展了针对水系统单个环节的能耗研究，包括取供水、用水与污水版块10-12。成都作为全面体现新发展理念城市首倡地、公园城市建设首提地和国家低碳试点城市，始终坚持生态优先和绿色发展，各领域各行业都在进行“双碳”相关课题的研究和试点工作。成都市水务部门率先在行业内开展碳排放核算，迈出了水务系统从低碳的定性分析向定量分析的重要一收稿日期：2022-10-21；录用日期：2023-03-26第一作者：郑轶丽(1979)，女，硕士，教授级高级工程师，；通信作者：魏婷(1988)，女，硕士，高级工程师，环境工程学报Chinese Journal ofEnvironmental Engineering第 17 卷 第 6 期 2023 年 6 月Vol.17,No.6Jun.2023http:/E-mail:(010)62941074步。同时，基于碳排放核算，梳理了水务系统内碳排放特征，可进一步探索水务系统减碳转型路径。本研究梳理总结水务系统碳排放核算方法，将水务系统碳排放由定性分析上升至定量分析；同时通过对核算数据的统计和分析，提出成都市水务系统“双碳”的转型策略，以期为我国类似地区开展水务低碳工作提供参考。1研究方法1.1核算对象及核算边界本研究的核算范围为成都市市域 14335km2，核算对象为成都市城市水务系统，对成都市水务局行政管理辖区内不同系统的水处理过程进行碳排放核算。参照城镇水务系统碳核算与减排路径技术指南，包含城市公用事业属性的市政给水、污水、再生水和雨水 4 个系统。其中，给水系统包括取水设施、给水处理厂、输配水管网和长距离输水 4 个模块；污水系统包括化粪池及污水管渠设施、污水处理厂和污泥处理处置 3 个模块；再生水系统包括再生水厂和输配水管网 2 个模块；雨水系统包括雨水管渠设施和以源头减量、过程控制与末端控制为主的雨水控制设施 2 个模块。核算边界为水务系统运行维护阶段。1.2核算方法及数据来源核算方法采用碳排放系数法。基于给水系统、污水系统、再生水系统、雨水系统运行规模。根据运行中电力及药剂消耗数据得出综合碳排放强度，求得各系统碳排放总量。核算数据主要涉及三类：1)运行规模数据，包括地下水供水量、自来水处理量、污水处理量、污水回用、雨水回用等，水量规模来自成都市水务局收集辖区运营企业的统计资料，部分缺失数据来自城市供水统计年鉴(2018)、城市排水统计年鉴(2018、成都市水资源公报(20152020 年度)；2)能耗、药耗数据，包括自来水处理厂、污水处理厂能耗、药耗数据，来自成都市水务运营企业监测、统计数据；3)能源类型的发热量值和碳排放系数，主要参考综合能耗计算通则(GB/T2589-2008)和参考国家发改委公布的2012 年省级电网平均二氧化碳排放因子中的四川省电力排放系数。其余部分缺失数据、单位能源消耗数据参考相关城市经验值13-14。2水务系统碳排放核算2.1给水系统的碳排放核算2.1.1碳排放核算机理给水系统主要包括取水、制水、市政供水系统，均为间接碳排（图 1（a）。取水系统包括从常规水资源(地下水、地表水等)处取水并输送至水厂，碳排放量来自取水泵站和送水泵站电能消耗；制水系统包括对水源地输水的原水进行处理(混凝、沉淀、过滤、消毒等)，生产出符合相关用水标准的自来水，碳排放量来自能耗和药耗；供水系统包括将水厂生产的自来水输送至用户端，碳排放量来自供水泵站和二次加压泵站（图 1（b）。能耗CO2能耗CO2药耗CO2能耗CO2原水原水取水及运输供水自来水供水用户常规水资源制水用水（地表水、地下水等）（混凝、沉淀、过滤、消毒）（生活、工业等）(a)碳排放环节给水系统取水制水供水地表取水地下取水间接排放间接排放电耗电耗电耗药耗电耗(b)碳排放分类图1给水系统碳排放示意图Fig.1Carbonemissionprocessandclassificationofwatersupplysystem第6期郑轶丽等：城市水务系统碳排放测算及减碳对策分析：以成都市为例17792.1.2各环节碳排放核算方法1)取水环节。给水系统取水环节的间接排放计算公式如式(1)。Q给水取水=Q1W0EF电(1)式中：Q给水取水表示给水取水环节间接排放的 CO2，ta1；W0为取水能量强度，参考文献 8 地表水取水耗能为 0.12kWhm3，水库取水耗能为 0.05kWhm3，地下水取水耗能为 0.09kWhm3；EF电为电力排放系数，参考国家发改委公布的2012 年省级电网平均二氧化碳排放因子中的四川省电力排放系数，取 0.2475kg(kWh)1。2)制水环节。给水系统制水环节电耗产生的间接排放量计算公式如式(2)。Q给水制水电=Q1W1EF电(2)式中：Q给水制水-电为制水电耗产生的 CO2碳排放量，ta1；W1为制水的能源强度，kWhm3，根据制水企业的工艺耗能情况折算。给水系统中药耗主要包括混(絮)凝剂和消毒剂。自来水厂采用的混(絮)凝剂一般为聚合氯化铝、聚合硫酸铜等无机物，制备工艺简单，且部分混凝剂可重复利用，综合碳排量相对较低，故仅对消毒剂为主对制水过程中的药耗碳排放进行分析。给水系统制水环节药耗产生的间接排放量计算公式如式(3)。Q给水制水药=Q1W2(3)式中：Q给水制水-药表示制水药耗产生的 CO2碳排放量，ta1；W2为单位制水药耗碳排强度，参考文献 15，取 1.4kgkg1，即生产每千克水消耗的药剂对应排放 1.4kgCO2；根据成都市自来水厂运营资料，单位制水消毒剂耗用量约为 1.6gm3。综上所述，在给水系统中，单位制水药耗碳排量约为 0.002kgm3。3)供水环节。给水系统供水环节电耗产生的间接排放量计算公式如式(4)。Q给水供水=Q1W3EF电(4)式中：Q给水供水表示供水电耗产生的 CO2碳排放量，ta1；W3为配水的能源强度，kWhm3，根据制水企业的泵站提升情况折算。2.1.3碳排放量测算及结果分析成都市建设有规模较大的主力供水厂 23 座，市域内总供水设计生产能力共 5.47106m3d1，2019 年成都市全年总供水量为 1.14109m3。供水管网漏损较为严重，中心城区漏损率约 9%，市域严重区域漏损率超过 12%。供水厂处理工艺多为传统的“混凝-沉淀-过滤-消毒”。给水系统各部分的能耗与年取(供)水总量呈正相关。近年(20152019 年)总取水量总体成上升趋势，各组分能耗与碳排也呈上升趋势，但随着技术的更新、系统的优化和管理的完善，制水、供水环节单位能耗逐年略有下降。2019 年，成都市给水系统总 CO2排放量约为 7.15104t。2015 至2019 年，成都给水系统的 CO2排放量如图 2所示。根据 20152019 年测算数据，给水系统中取水环节碳排放占给水系统总碳排放量的47%50%，原水、供水加压提升能耗是给水系统碳排放的主要组分。由于取水能耗采用估算值，取水环节能耗波动主要与不同取水051020152016201720182019碳排放量/(104ta1)年份取水制水供水图220152019 年成都市给水系统碳排放量分类统计Fig.2CarbonemissionfromdifferentprocessesofChengduwatersupplysystemfrom2015to20191780环境工程学报第17卷水源规模相关；制水环节碳排放占比为 28%30%。近年来，成都市制水环节无革新技术应用，主要通过精准调控等方式控制能耗，单位制水能耗由 2015 年 0.073kWhm3逐步降为0.067kWhm3；供水环节碳排放占比为21%24%，单 位 供 水 能 耗 总 体 呈 降 低 趋 势，由2015 年 0.058kWhm3逐步降为 0.056kWhm3（见图 3）。2.2污水系统的碳排放核算2.2.1碳排放机理污水系统的碳排放覆盖自小区化粪池或其他污水接入市政管网开始，至处理达标出水排入受纳水体为止的全部处理单元，主要包括污水收集输送、污水处理及污泥处理处置 3 个环节。在污水收集输送环节，化粪池与污水管网系统中有机物持续降解，直接排放 CH4和 CO2；同时部分污水输送到污水厂站过程中需泵站提升，产生电力消耗间接排放 CO2。在污水处理环节中，产生的碳排放一方面来自处理过程中生化反应产生的直接碳排放；另一方面来自设施运行的电力消耗及投加药剂产生的间接排放。污泥处理处置中的碳排放主要来自处理过程中直接排放的 CO2、CH4和 N2O，以及过程中能源消耗所对应产生的间接碳排放。污水系统碳排放核算边界和排放类型见图 4。2.2.2各环节碳排放核算方法1)污水收集输送环节。污水收集输送环节的直接排放采用产排系数法计算，计算公式如式(5)。Q污水收输直=GNP365106(5)式中：Q污水收输-直表示污水收集输送环节直接排放的 CO2，ta1；G 为温室气体排放系数(以每克COD 计的耗氧有机物排放温室气体的质量当量计)，gg1，参考文