给水系统中碳排放核算及减碳路径分析

2023-12-25唐振兴莒县给排水安装工程公司

节能与环保 2023年10期

唐振兴莒县给排水安装工程公司

随着我国城镇化程度的提高，人们对水质安全的要求日益增加，给水系统的能耗和碳排放量将持续走高。目前给水系统中碳排放活动复杂且繁多，缺乏统一的核算边界，又由于现场测试难度高、投入大，因此采取排放因子的方法计算更加便捷。本文确定了碳排放的核算边界，并基于核算边界给出了给水系统碳排放的核算方式，进一步进行了减碳路径分析，提出可行的减碳实施措施，为实际工程的碳排放核算及减碳措施的选用提供了理论基础和方法参考。

1 给水系统中碳排放核算

1.1 给水系统碳排放核算边界

给水系统的碳排放核算边界覆盖自取水水源起、至用户为之的全部设施单元，包含长距离输水管渠和泵站、水质处理设施，以及输水至用户的输配水管网和泵站等附属设施。具体碳排放活动和排放类型总结如表1 所示。

1.2 取水设施碳排放计算

取水设施是指通过收集地表水水源或地下水水源输送至给水处理厂的装置以及设施。地下水取水时，主要能耗为水位提升；地表水取水时，主要能耗为原水加压输送。

电力消耗产生的碳排放强度如式(1)。

式中CESd—运行维护消耗电力产生的碳排放强度，kg CO2-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，kg CO2-eq/kWh；Q—年内总处理水量，m3/a，给水处理厂以达标水质水量计，输配水管网以总转输水量计。

1.3 给水处理厂碳排放计算

1.3.1 电力消耗间接排放

给水处理厂的电力消耗间接排放强度计算公式同式（1）。

1.3.2 材料消耗间接排放

给水处理厂运行维护因材料消耗产生的间接碳排放强度计算如式（2）。

式中CEScl—水系统运行中所消耗药剂及材料等所产生的间接碳排放强度，kg CO2-eq/kg；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，kg CO2-eq/kg；n—总计使用n 种药剂；Q同式（1）。

1.3.3 运输过程间接排放

给水处理厂运行维护在运输过程中需要将外部购入材料、药剂等等产品运入水厂，同时产生的废物及产物需向外部运输，过程中产生的间接碳排放强度计算如式(3)。

式中CESys—因运输材料使用产生的碳排放强度，kg CO2-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,j—第i 种药剂的排放因子，kg CO2-eq/kg；n—评价年内，总计进行n 次运输；l—第i 次运输中，总计采用了l 种运输方式；Q同式(1)。

1.3.4 排泥水处置

排泥水包括沉淀池及滤池反冲洗排水。

给水处理厂产生的排泥水主要以泥沙等无机颗粒为主，有机物成分较少，一般不予考虑极少数有机物引起的碳排放，若给水水源中有机物含量高，则应考虑因污泥填埋造成有机物厌氧发酵差生的CH4 气体，强度计算如下式：

式中CESCH4-sl—卫生填埋CH4排放强度，kg CO2-eq/m3；Mss—进行处理的污泥干重(以SS 计)，kg 干污泥/a；DOC—污泥中可降解的有机碳含量，kg C/kg 污泥；DOCf—可分解的DOC 比例，%，卫生填埋中可取50%；MCF—CH4修正因子，可取IPCC 推荐值(厌氧填埋)，1；F—填埋产期气中CH4浓度(体积分数)，可取IPCC 推荐值，50%；OX—CH4释放前被氧化比例，可取IPCC 推荐值，0.1(管理良好并覆盖透气材料)或0(处理不善时)；Q—评价年内处理水量，给水处理厂以达标水质水量计，m3/a。

1.4 输配水管网碳排放计算

输配水管网的碳排放量主要来源于运维产生的电力消耗，因此其碳排放强度计算同式（1）。

1.5 长距离输水碳排放计算

长距离输水是当地某地水资源无法满足长期需水量时，通过其他水资源丰富的地方输送、调取水资源的方法。其主要碳排放量来源于运输过长中的电能消耗，计算方式同式（1）。

1.6 海水淡化厂碳排放计算

1.6.1 化石燃料直接排放

海水淡化一般采用蒸馏法原理工作，所以因化石燃料消耗导致的碳排放强度核算，方法为化石燃料热值与对应排放因子相乘，计算如式（5）。

式中CESrl—运行维护中由化石燃料燃烧产生的碳排放强度，kg CO2-eq/m3；A—淡化单位体积海水所消耗的热能，Gj/m3；EFrl,i—第i 种化石燃料排放因子，kg CO2-eq/Gj；Ri—使用第i 种燃料的比例；n—共使用n 种化石燃料。

1.6.2 其他间接排放

海水淡化厂运维因电力消耗产生的间接碳排放量，计算同式(1)；材料消耗间接碳排放计算同式(2)；运输过程间接碳排放计算同式(3)。

2 给水系统中直接减碳路径分析

给水系统运行维护产生的直接碳排放主要来自电能消耗，而各类材料及药剂消耗均属于间接碳排放。因此提高给水系统运行过程中的管理水平及优化处理技术是减少电能消耗、减少碳排放的关键。

2.1 源头控制

源头控制主要是指通过用水用户节约用水、强化用水量计算、梯度计价、水源保护等措施来降低用水需求，从而减少取水设施、输配水管网、给水处理的工作负荷，进而降低碳排放。

通过强制计量水表的安装范围，加强用水监测，合理制定建筑用水效率标准和梯度及计价方案，宣传教育强化，节水行为约束，水源地保护，减少周围污染物的输入，均可降低给水处理厂的污染物去除负荷，从而减少电能或化学药剂的消耗，实现减碳。

使用源头控制的方法成本低，但需要建立有效监督和长时间的节水宣传教育。实践表明强制用水计量可使每人每天用水量减少6 L。同时水源地保护属于系统性工程，涉及多部门联合行动，且随着气候变化和极端天气的增加，保护也将更加具有挑战性。

2.2 过程优化

过程优化是指通过给水系统运营企业采取多种技术措施来减少碳排放量，主要集中在提高水泵运行效率和水资源利用效率，包括管网漏损检测技术、变频调速泵和滤池反冲洗优化等技术应用。

具体操作为根据生活用水量适时调节水泵扬程，实现所需即所供。在特定管段位置安装传感器，实时采集管网系统的流量、压力等指标并通过网络传输给电脑端，快速反馈异常管段现象及位置。各给水处理厂和海水淡化厂，很多工艺存在进一步优化的潜力，如滤池的反冲洗频次、增加膜法的前处理工艺，均可降低其能源消耗量，实现减碳。

通过过程优化不仅可减少碳排放量，还可以提升水资源利用效率，标准化成本投资平衡核算，提升该方案实施的动力。工程实践表明，变频水泵相比于传统水泵可减少约50%的能耗和碳排放量。同时可使异常管段数据可视化，检修迅速、精准，减少水资源流失，从而减少供水用电造成的碳排放量，实践表明，可减少约40%的管网漏水水量。过程优化与所处理水质有很大的关系，依赖于实时信息的采集和决策。

2.3 工艺升级

工艺升级是指给水系统新型供水方式和高效处理工艺技术开发，如分区域水压控制模式，以及研究较为集中的低能耗海水淡化等革新技术，通过选用效率更高、能耗更少的新式设备，来减少传统技术的能源消耗和碳排放量，但该方法仅适用于沿海城市给水系统。

2.4 低碳能源

在低碳能源方面，给水系统可以施行的行动策略包括热能提取、势能回收等。但需要注意的是，任何减碳计划制定和实施均应该避免影响水质和水压。主要实施方式包括采用微型涡轮机发电、热能提取、清洁能源淡化系统、清洁能源使用等。

3 给水系统中间接减碳路径分析

给水系统中，除直接减少碳排放的方式外，还可通过潜能回收或利用新型清洁能源的方式，减少化石燃料的消耗，达到间接减碳的目的。

3.1 水能回收技术

水是一种蕴含多种能源的能量载体，包括外在加压带来的势能及本身所含的热能。如果可以进行潜能回收则可以减少给水系统的运行能耗，从而降低化石能源消耗，实现间接减少碳排放的目的。

管网中的水所含势能可以采用微型涡轮机发电技术进行回收，在不增加水损的前提下，水流管道中安装微型涡轮机进行发电，发电量高达上百万千瓦时，可作为系统智能化监测装置的替代电源使用。

管网的水由于温度较低且较恒定，通过承接室内的过多的热能，借助水源热泵技术可以进行制冷。同时，城镇建筑均连接输配水管网，可以保持24 h 供给，保障了制冷源的稳定性。通过水源热泵技术，使用给水处理厂进水的交换冷量，进行夏季制冷，所得的冷量属于清洁能源，在提升水资源价值及减少给水系统碳排放中有着极高的潜力。