畅谈未来 ｜ 被双碳战略串起来的城镇水务新产业链

在行业面临诸多不确定性的情况下，“双碳”成为一项重要的 “确定性”。业界能够越来越深刻感知到，城镇水务的碳达峰，碳中和实施路径，是城镇水务未来发展的核心战略，也是行业发展的分水岭和推动力。

未来新水务高度重视此方向，在首批未来新水务确立的四项课题中，将城镇水务碳排放路径规划作为重要研究方向。日前召开的“未来新水务专家组第三次会议”，重点研讨了该课题。专家组认为，“双碳”引发的行业变革与重构，或将牵引起水务行业面临的工艺优化、氧化亚氮、管网、余热回收、化粪池去留等诸多重要议题，开启更多新的工作界面。而这些议题，在碳减排的要求之外，实际上也是水务行业补齐短板、全面提升的必由之路。

未来新水务专家组专家、北京建筑大学教授郝晓地指出，城镇给水处理厂和污水处理厂运行阶段，碳排放活动主要包括给水处理厂取水、处理和输配水产生的电耗和药耗（包括运输），以及污水处理过程直接产生的非二气体排放（CH₄与N₂O）、电耗药耗（包括运输）、污泥外运等。其中，电耗与直接非二气体排放是当前影响最为显著的部分。

基于统计年鉴与行业数据，郝晓地团队核算了水务行业存量碳排放，并综合考虑用水总量、城镇人口、用水定额、管网漏损率、再生水利用率、排放标准提升等指标，预测了不同情景下行业30/60碳排放量。最后，通过措施减碳能力与投资成本评估，指出能耗、药耗与N₂O控制是水务行业践行低碳运行首要措施，而实现碳中和目标污水处理则需要考虑出水余温热能利用。

“电力+化石燃料”减排或将成为未来六七年内水务企业碳减排的主要抓手。根据新水务创新经理唐晓雪的计算，典型水务公司按照国家要求、以“2060碳中和”为目标的碳减排（不计电力因子变化时），电耗减排量将占到59%以上；而以“2030碳达峰”为目标，自身节能降耗及化石燃料清洁能源替代，将成为水务企业完成政治任务的主要手段。

企业碳减路径图-阶段研究成果

“自身工艺的优化，包括曝气节能、泵组优化等，能够较快上手；清洁能源发展的影响，对于行业来说更多是被动的，如果整个区域供电都是清洁能源，那水厂就可以‘躺平’，无压力实现碳达峰。”未来新水务专家组专家、国际水协会(IWA) 战略和发展总监李涛表示。

在能耗控制之外，也有专家提议，结合水源热泵手段，对污水处理厂出水余热进行能源挖潜，可打开负碳空间。“例如，北京市400多万吨/日的污水处理规模，通过5℃热交换，可以解决全市冬季15%供热、夏季10%制冷需要。这一潜在清洁能源可以帮政府排忧解难。”郝晓地表示。

管网是污水处理设施的重要外延，也是行业碳核算中不可避免的一部分。尽管“水务行业碳排只占总量1%”的观点声量较大，但如将管网纳入考虑范畴，这一数据将发生显著变化。另一方面，随着“全球甲烷承诺”倡议以及中国《甲烷排放控制行动方案》的发布，中国甲烷控排进入“新时代”，污水管网涉及的甲烷排放问题已开始引起重视。

未来新水务专家组专家、中国人民大学环境学院教授王洪臣提到：“美国一份统计报告显示，污水排水系统产生的CH₄，占到全社会CH₄排放量的5.4%。这还是在美国城市没有化粪池、管网流速0.9m/s的情况下产生的。美国仅有居住在乡村的七八千万人口使用化粪池，从而产生650万吨的CH₄。”将国内情况与之对照，可以发现潜在排放量要大得多：我国污水管网平均流速是0.2-0.3m/s，污水在管网中滞留时间更长；且城市中还有500万座化粪池，中国城市人口是美国乡村人口的十倍，简单计算可以发现，仅化粪池一项，产生的CH₄排放量就是千万吨级别，在全社会CH₄排放量中所占比例不容小觑。

“此前，在气候变化的大框架下，水务行业碳排放的重要性被大大低估了。而未来十年，CH₄是碳排放关注的重点，水务行业潜力巨大。”王洪臣表示。

郝晓地对此表示认同：“虽然当前大多碳排放核算结果尚未包含管网，但此前团队尝试进行模型计算，得出化粪池以及排水管网系统产生的CH₄量，与污水处理厂系统的整体碳排已相差无几，处于同一数量级（约2000万吨CO₂当量/年）。”对此，他认为逐步推动取消化粪池是有效控制管网系统CH₄排放的手段。

在计算之外，郝晓地指出，也需要关注管网CH₄逸散的问题及相关边界的确定。“最近我们在检测污水处理厂碳排放实践中发现，格栅间、沉砂池CH₄排放量非常之大。换而言之，污水处理厂进水口实际上成为排水管网产生CH₄的主要出口。这将带来一个新的认识问题——这部分CH₄如何界定？是算给排水管网，还是污水处理厂？”他认为，这一新问题界定对污水处理厂十分重要，否则将会加大污水处理厂碳排放。这就需要政府能高屋建瓴地加以界定。

“宏观上看，CH₄排放占人为碳排放量的15%，而N₂O（氧化亚氮）则高达40%。虽然当前减排重点是CH₄，但对于N₂O切不可掉以轻心。”郝晓地指出。此外，在11月15日中美两国发表的“关于加强合作应对气候危机的阳光之乡声明”中明确提出，两国计划就各自管理N₂O排放的措施将开展合作。对于N₂O减排的研究与措施已箭在弦上。

行业碳排放存量核算阶段研究结果

Royal Haskoning DHV公司发表的《Let's start with reducing nitrous oxide emissions today》白皮书指出，污水处理厂中N₂O来源已被广泛研究了至少20年。最新研究认为，低溶解氧(DO)、高氨氮峰值、亚硝酸盐积累和不足曝气会触发硝化过程中产生N₂O。在反硝化过程中，碳源不足会导致反硝化止于N₂O。在鹿特丹一座污水处理厂进行为期一年的在线监测中，已有类似现象发现。

唐晓雪、王文恺等北控研究团队，量化评估了进水浓度提升对水务企业碳排放的影响，结果显示在常规情景下随着电力因子的不断降低，非二气体对水厂碳排放影响逐步提升至2045年超过电力能耗带来的碳排放，而当发生高浓度情景时（即由于化粪池的取消及管网控制导致进水COD到2030年上升至250 mg/L；2060年上升至400mg/L），非二气体影响将被进一步强化，到2035年超过电力能耗带来的碳排放，成为水务企业最重要的碳排放源。

不同情景下企业碳排放核心影响因素迁移变化

对此，郝晓地认为，控制N₂O无需太大投资，关键在于运营控制思路的转变。“一方面，硝化过程的溶解氧需要控制在1.5 mg/L以上（一般教科书上是2.0mg/L），降低曝气量就会带来N₂O的风险。另一方面，碳源要充分给足。虽然外加碳源会带来CO₂排放问题，但N₂O全球变暖潜能值是CO₂的273倍，这个账应该能够算得过来。简而言之，按教科书要求控制曝气水平、实时投加碳源促进完全反硝化，一般来说可以有效抑制N₂O产生风险。”

此外，专家组也对水务行业“双碳”将引发的行业变革与产业重构展开讨论，认为水务行业减碳贡献远超1%，在供给侧结构性改革的浪潮推动下，水务行业具有较大的减碳潜力与负碳空间，将在未来中国深度降碳的历史进程中，作为最典型的减污降碳协同增效行业之一，不但实现水务行业补齐短板、全面提升，同时实现对其他行业的赋能，为国家碳中和目标实现贡献行业价值。