本文基于IPCC的方法學(xué)原則，聚焦給水廠運行維護過程中的碳排放來源，構(gòu)建較為完整的碳排放核算方法，以上海某典型深度處理給水廠為對象，開展水廠常規(guī)處理和深度處理工藝中各個環(huán)節(jié)中運行水耗、能耗、藥耗和污泥處理等環(huán)節(jié)的綜合碳排放測算，尋找碳排放關(guān)鍵節(jié)點，探討給水廠碳減排路徑，并對供水企業(yè)實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展提出一些建議。

1.1 核算邊界

為保證碳排放核算結(jié)果的準確性和代表性，避免重復(fù)計算和漏算，關(guān)鍵在于確定系統(tǒng)的核算邊界，而核算邊界的確定一般需要參考各工藝流程以及處理設(shè)施等因素。本文選取給水廠核算邊界主要包括常規(guī)處理工藝、深度處理工藝、排泥水處理在內(nèi)的工藝流程碳排放跟蹤測算，不包括取水和供水過程中的碳排放。在時間范圍上，給水廠內(nèi)相關(guān)設(shè)施及構(gòu)筑物，從建造、功能發(fā)揮直至重置、拆除全部過程中，始終伴隨有碳排放活動，都會影響碳核算結(jié)果。本研究給水廠的核算范圍不包括給水廠的規(guī)劃建設(shè)和資產(chǎn)重置拆除階段，主要核算給水廠運行維護過程中產(chǎn)生的直接或間接溫室氣體排放。本研究水廠碳排放活動不包括化石燃料燃燒產(chǎn)生的直接排放，主要包括電力消耗間接排放，各類藥劑、材料消耗間接排放及其運輸過程間接排放和排泥水處理與處置過程所產(chǎn)生碳排放。

1.2 碳核算方法

供水廠核算溫室氣體排放量的基本步驟包括識別廠內(nèi)溫室氣體排放環(huán)節(jié)，確定排放源類別及氣體種類；選擇相應(yīng)溫室氣體排放量計算公式；獲取活動水平和排放因子數(shù)據(jù)；將收集數(shù)據(jù)代入計算公式得到溫室氣體排放量；按照規(guī)定格式描述、歸納溫室氣體排放量計算過程和結(jié)果。

1.2.1 識別碳源，制作溫室氣體排放清單

根據(jù)《溫室氣體核算體系》，可將企業(yè)層面溫室氣體排放分為3類。包括范圍1：歸屬或受控于核算主體自身活動導(dǎo)致的直接溫室氣體排放；范圍2：核算主體由于購買電力、蒸氣、熱/冷源導(dǎo)致的間接溫室氣體排放；范圍3：其他因核算主體活動導(dǎo)致的但在其核算邊界外的間接溫室氣體排放。給水廠的碳排放活動主要包括消耗化石燃料造成的直接排放，投藥、反沖洗等處理構(gòu)筑物消耗電力間接排放，材料消耗，運輸各類材料，排泥水處置過程導(dǎo)致的間接碳排放。以本文選取典型深度處理水廠為例，其碳排放系統(tǒng)如圖1。

圖1 案例給水廠碳排放系統(tǒng)

1.2.2 選擇碳排放量計算公式

給水廠部分機械設(shè)備若采用汽油，柴油等化石燃料，產(chǎn)生的直接碳排放量見式（1）：

式中 CESrl——化石燃料燃燒碳排放強度；kgCO2-eq/m³；

Mrl,i——消耗第i種化石燃料總量，kg/a；

EFrl,i——第i種化石燃料排放因子，kgCO2-eq/kg；

Q——評價年內(nèi)水處理量，m³/a，以達標水質(zhì)水量計。

電力消耗間接排放根據(jù)實際電量核算，式（2）各類設(shè)施皆可適用，結(jié)果準確度最高：

式中 CESd——運行維護消耗購入電力產(chǎn)生的碳排放強度，kgCO2-eq/m³；

Ed——評價年內(nèi)運行維護總耗電量，kWh/a；

EFd——該地區(qū)電力排放因子，kgCO2-eq/kWh。

水廠運行中消耗的各類材料，藥劑等在其生產(chǎn)階段已產(chǎn)生相應(yīng)碳排放，核算方法為消耗材料數(shù)量乘以該材料排放因子，再除以評價年內(nèi)總處理水量，見式（3）：

式中 CEScl——水廠運行過程中消耗的藥劑、材料等產(chǎn)生的間接碳排放強度，kgCO2-eq/m³；

Mcl,i——評價年內(nèi)第i種藥劑總消耗量，kg/a；

EFcl,i——第i種藥劑的排放因子，kgCO2-eq/kg；總計使用n種藥劑。

將購入的材料，藥劑等運入或?qū)a(chǎn)品，廢物進行外運的過程產(chǎn)生的碳排放強度也應(yīng)納入核算，如公式（4）：

式中 CESys——運輸過程產(chǎn)生的碳排放強度，kgCO2-eq/m³；

Mys,i,j——評價年內(nèi)第i次運輸中，使用第j種方式的運輸材料總量，t/a；

Lys,i,j——評價年內(nèi)第i次運輸中，使用第j種方式的運輸距離，km；

EFys,i,j——第j種運輸方式排放因子，kgCO2-eq/(t·km)。

總共進行n次運輸，l為第i次運輸中，總共采取了l種運輸方式。

排泥水包括沉淀池排水和濾池反沖洗排水。我國給水處理廠產(chǎn)生的排泥水主要以泥沙等無機顆粒為主，一般工藝為調(diào)質(zhì)（預(yù)處理）-濃縮-脫水-外運，本研究未考慮少數(shù)有機物引起的碳排放。排泥水處置所引起的碳排放按上述電力和材料消耗引起的間接碳排放進行計算。

1.3 活動水平和排放因子數(shù)據(jù)獲取

活動水平數(shù)據(jù)乘以排放因子是排放因子法的基本核算框架。但由于數(shù)據(jù)收集體系和標準的不完善，活動水平數(shù)據(jù)的獲取和排放因子的選取具有較大的自主權(quán)，這在一定程度上會影響核算結(jié)果的精確度和可比性。給水廠活動水平數(shù)據(jù)可以根據(jù)水廠能源消費記錄或熱力購售結(jié)算憑證/電網(wǎng)結(jié)算電表度數(shù)、水廠生產(chǎn)原始記錄、統(tǒng)計臺帳、統(tǒng)計報表、財務(wù)明細等進行獲取。

理論上，各類能源、材料的碳排放因子受到技術(shù)、管理等多方面影響，具有顯著的地域性差異，因此不同地區(qū)、企業(yè)、不同生產(chǎn)批次的能源或材料碳排放因子不盡相同。為方便計算和應(yīng)用，一般可在充分考慮數(shù)據(jù)來源、核算手段、地域特點、技術(shù)相關(guān)性和時效性等因素的前提下，采用權(quán)威機構(gòu)、部門及科研單位公布的碳排放因子，以及企業(yè)自行核算并經(jīng)認證的碳排放因子。

國際機構(gòu)發(fā)布的數(shù)據(jù)庫包括政府間氣候變化專門委員會（IPCC）發(fā)布的《國家溫室氣體清單指南》、IPCC在線因子數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)、Eco-invent生命周期清單數(shù)據(jù)、各國生命周期評價的清單數(shù)據(jù)庫等。同時我國相關(guān)部門發(fā)布的統(tǒng)計資料，國內(nèi)外一些專項、專題研究成果均可作為碳排放因子核算的參考依據(jù)。2022年新發(fā)布的《城鎮(zhèn)水務(wù)系統(tǒng)碳核算與減排路徑技術(shù)指南》（以下簡稱指南），對推動和引導(dǎo)水務(wù)行業(yè)實現(xiàn)碳中和具有指導(dǎo)意義，一般碳核算水廠建議采用指南給出的缺省值。隨著水務(wù)行業(yè)發(fā)展，可以制定排放因子監(jiān)測計劃，并按計劃實施，獲取實測排放因子，得到更貼近實情的溫室氣體排放報告。

2.1 收集碳源活動數(shù)據(jù)

核算給水廠設(shè)計水量20萬m³/d，2022年累計制水量5119.80萬m³，該水廠為深度處理水廠，其工藝為預(yù)處理-機械攪拌-折板絮凝-平流沉淀-砂濾-臭氧/生物活性炭-消毒。收集水泵、風(fēng)機運行及攪拌等設(shè)備運行使用電力引起的間接碳排放活動數(shù)據(jù)如表1，選用聚合氯化鋁混凝劑，用于消毒的次氯酸鈉、硫酸銨，用于污泥脫水的PAM，石英砂、顆?；钚蕴繛V料等耗材，運輸藥劑、污泥造成的間接碳排放活動數(shù)據(jù)如表2。

表1 案例水廠電力消耗碳排放活動

表2 案例水廠材料、給水污泥碳排放活動

2.2 選擇碳排放因子

給水廠電力碳排放因子采用2022生態(tài)環(huán)境部新發(fā)布的全國電網(wǎng)平均排放因子，運輸均采用載重8 t的中型柴油貨車，相關(guān)碳排放因子的選取主要根據(jù)廠家提供的電耗，并依據(jù)指南，相關(guān)數(shù)據(jù)來源見表3。

表3 案例水廠碳排放因子選取

2.3 碳排放核算結(jié)果

核算并整理該給水廠運行維護過程中產(chǎn)生的碳排放量，結(jié)果見表4。由表4可知，該給水廠的總排放強度為0.1463kg CO2-eq/m³，年排放量為7489.80 t CO2-eq，碳排放量主要集中在電力消耗和藥劑使用上，其中電力碳排放達到66% ，藥劑消耗部分的碳排放約為33%。因此，在降低給水廠運維過程中的碳排放水平時，應(yīng)著重減少設(shè)備運行電耗和藥劑投加使用量。

表4 案例水廠碳排放核算

跟蹤并測算給水廠全工藝流程碳排放來源可知，給水廠產(chǎn)生的碳排放量主要集中在水耗、電耗和藥耗上。促進水廠節(jié)能降耗，優(yōu)化水廠能源管理可作為給水廠實現(xiàn)碳減排的突破路徑，是推動自來水廠低碳升級，綠色轉(zhuǎn)型，往碳中和，甚至負碳方向持續(xù)推進的主要措施。

3.1 促進水廠節(jié)能降耗

（1）優(yōu)化工藝增效設(shè)備。泵和風(fēng)機是能源消耗的關(guān)鍵設(shè)備，根據(jù)核算結(jié)果增壓泵站碳排放量占比達到39.59%?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)水泵頻率、改變?nèi)~輪直徑、合理選型調(diào)試、增加清水池高水位、不同泵組并聯(lián)使用、優(yōu)化管路閥門等方法有效降低水泵機組運行能耗，保證水泵長時高效運行。

該水廠水處理設(shè)施電耗碳排放量占比23.66%，在水廠規(guī)劃建設(shè)時應(yīng)針對水源選擇適合的水處理工藝，運行過程中優(yōu)化工藝參數(shù)，實現(xiàn)高效運行。以降低水耗為例，自來水生產(chǎn)過程中水耗一般在3%~5%，主要包括沉淀池排泥水、濾池和炭濾池反沖洗水，該水廠水耗控制在1%左右。根據(jù)原水濁度和水質(zhì)，優(yōu)化沉淀池排泥周期，加強泥漿濃度控制，并通過自動化控制系統(tǒng)有效節(jié)水，提高排泥效率。同時對濾池反沖洗流程合理安排，合理設(shè)置濾池運行周期，沖洗時間和強度，適當(dāng)延長反沖洗周期，減少沖洗水耗。

為降低人力成本、提高生產(chǎn)效率，現(xiàn)代化水廠朝著數(shù)字化，智能化，無人化方向發(fā)展。集計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、通信技術(shù)為一體且可編程的PLC自動控制系統(tǒng)，操作簡便，安全可靠，可使水處理工藝各個環(huán)節(jié)更加精確化，提高供水質(zhì)量和生產(chǎn)效率。智慧水廠采用先進自動控制方案實時監(jiān)控分析水廠耗能指標，并對水廠生產(chǎn)經(jīng)營決策、管理、計劃、調(diào)度、過程優(yōu)化、故障診斷、數(shù)據(jù)建模分析等進行綜合處理，真正實現(xiàn)水廠的現(xiàn)代化管理，讓水廠達到更穩(wěn)定、更高效的運行狀態(tài)，并以更低的藥耗和能耗為用戶提供更優(yōu)質(zhì)的用水。

（2）強化源頭降低藥耗。根據(jù)核算結(jié)果藥劑消耗和運輸碳排放量合計占比33.59%，藥耗也是生產(chǎn)運行成本中的重要組成部分。給水廠常用藥劑包括混凝劑、助凝劑、消毒劑等常規(guī)處理藥劑和粉炭、高錳酸鉀等應(yīng)急投加藥劑，藥耗受水源水質(zhì)、藥劑種類、工藝、操作人員等多方面的影響。首先，應(yīng)確保選擇優(yōu)質(zhì)的水源，加強水源地保護。優(yōu)質(zhì)的水源可大大減少水處理難度和藥劑消耗。微污染水源具有較高的高錳酸鹽指數(shù)和氨氮濃度，嗅味明顯，只經(jīng)常規(guī)處理工藝處理難以達標，而且會大大增加藥耗和氯耗，存在生成副產(chǎn)物的風(fēng)險。推進飲用水水源地環(huán)境保護，有利于推動綠色供水，保障安全供水，進一步實現(xiàn)保障生態(tài)、環(huán)境、資源、安全的多元目標。

可通過開展小試或?qū)嵉販y驗的方法，選擇合適的水處理藥劑，優(yōu)化藥劑投加點與投加量，實現(xiàn)藥劑的精準投加。同時，推進藥劑投加系統(tǒng)往智能化、自動化方向改造，也可顯著降低藥劑投加量?？刂扑幒牟环τ行录夹g(shù)，新的管理措施出現(xiàn)。該水務(wù)企業(yè)在國內(nèi)首次二氧化碳調(diào)pH控鋁生產(chǎn)性試驗研究，該工藝通過pH的精準調(diào)控，達到穩(wěn)定有效的控鋁效果，有效降低相關(guān)制水藥劑的投加量，減少后續(xù)污泥的處置量。

3.2 優(yōu)化水廠能源管理

（1）綠色能源利用。雙碳目標的實現(xiàn)，必須逐步擺脫對化石燃料的依賴，高度重視節(jié)能降耗的同時也應(yīng)充分認識新能源建設(shè)的重要性。該水廠正著力推動光伏發(fā)電項目，利用太陽能發(fā)電具有清潔、高效、安全、可再生等優(yōu)勢助力水廠綠色轉(zhuǎn)型。發(fā)展光伏發(fā)電，給水廠有著獨特的優(yōu)勢。大面積的處理水池，往往需要加蓋遮陽網(wǎng)，抑制水中藻類生長。同時在池頂上方架設(shè)光伏組件，相當(dāng)于給池子加上蓋子，一方面提高了空間利用率，另一方面，可避免太陽光直照水池，減輕環(huán)境對水質(zhì)的影響。

（2）可持續(xù)資源回用。給水廠生產(chǎn)廢水主要包括沉淀池排泥水、砂濾池、炭濾池反沖洗水等，對生產(chǎn)廢水進行回用，不僅可以節(jié)約水資源，提高水廠的運營能力，還可減少廢水的排放量。濾池反沖洗水可處理后回用；沉淀池排泥水收集經(jīng)過專門處理后，上清液可回用至原水，或用作河道生態(tài)補水、園林景觀用水及部分工業(yè)用水。臭氧發(fā)生設(shè)備冷卻水等可直接回用。這些回用措施在一定程度上實現(xiàn)了給水廠的綠色循環(huán)。

給水廠污泥無機物質(zhì)含量高，缺少穩(wěn)定出路，資源化利用率不高，一般可在干化后進行填埋或制磚、水泥等建筑用材。給水污泥有效處理是水廠實現(xiàn)資源回用的重要環(huán)節(jié)，有不少關(guān)于給水污泥出路和資源化利用的研究，污泥的有效處理既要關(guān)注環(huán)境效益，又要關(guān)注經(jīng)濟效益，關(guān)鍵在于形成良性循環(huán)。給水廠應(yīng)重視給水污泥的處理，根據(jù)自身條件實施適合的污泥處理技術(shù)，并積極探索污泥低碳出路和資源化利用技術(shù)。

本文以城鎮(zhèn)供水臭氧/生物活性炭深度處理典型給水廠為核算對象，構(gòu)建了完整的給水廠碳排放核算方法，并探討了碳減排的路徑。該給水廠2022年排放強度為0.1463kg CO2-eq/m³，其中電力和藥耗碳排放占比分別為65.98%和33.23%，增壓泵站、藥劑消耗及給水處理設(shè)施為前三位碳排放活動。優(yōu)化工藝設(shè)備增效與強化源頭降低藥耗是給水廠碳減排的關(guān)鍵；優(yōu)化給水廠能源管理是實現(xiàn)給水廠碳減排的主要路徑。

“雙碳”目標戰(zhàn)略下，城鎮(zhèn)水務(wù)系統(tǒng)“雙碳”行動勢在必行。供水企業(yè)要實現(xiàn)節(jié)能降碳，應(yīng)開展全流程碳足跡排放核算，以探明制水各個環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵碳排放因素，從碳排放關(guān)鍵節(jié)點入手，尋求節(jié)能降耗技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用，制定適合企業(yè)自身的綠色轉(zhuǎn)型方案。供水企業(yè)應(yīng)逐步達成對碳排放核算邊界，碳核算方法和碳排放量的認知和共識，結(jié)合自身清單建立制水工藝的碳排放因子庫，確保核算的準確性和有效性。通過管理改革和科技創(chuàng)新，從設(shè)備節(jié)能，降低藥耗，能源管理等角度穩(wěn)步推進供水企業(yè)雙碳目標的實現(xiàn)。

微信對原文有修改。原文標題：典型給水廠運行碳排放核算與碳減排路徑；作者：李成、馬順君、賀鑫、張華軍、徐斌、唐玉霖；作者單位：同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 水利部長三角城鎮(zhèn)供水節(jié)水及水環(huán)境治理重點實驗室、上海南匯自來水有限公司。刊登在《給水排水》2023年第7期。