減少碳排放——邁向綠色的中國計劃
編者按：由中國城鎮(zhèn)供水排水協(xié)會（中國水協(xié)）組織編寫的《城鎮(zhèn)水務系統(tǒng)碳核算與減排路徑技術指南》已于10月中旬由中國建筑工業(yè)出版社出版發(fā)行。該《指南》由北京建筑大學主編，聯(lián)合首創(chuàng)環(huán)保集團、北京排水集團、中建環(huán)能科技股份有限公司、中國市政工程中南設計研究總院有限公司和哈爾濱工業(yè)大學共同參編。2022年10月國際水協(xié)會刊the Source曾報道《指南》出版的消息。最近一期the Source（2022年12月）又詳細刊載了《指南》主要技術內容。我們將內容整理為中文，以供國內同行參考。
圖1 《城鎮(zhèn)水務系統(tǒng)碳核算與減排路徑技術指南》
作為城市基礎設施的重要組成部分，城鎮(zhèn)水務系統(tǒng)支撐著居民日常生活與經(jīng)濟良性發(fā)展，在城市可持續(xù)發(fā)展與社會福利中承擔著關鍵角色。自20世紀80年代以來，中國城鎮(zhèn)水務基礎建設逐步發(fā)展完善。根據(jù)最新數(shù)據(jù)，在十三五期間，中國城鎮(zhèn)區(qū)域供水率已達99.0%，污水處理率達97.5%，處理能力約1.9億m3/d。然而，中國城鎮(zhèn)水務系統(tǒng)同時也被刻上了高能耗與高溫室氣體排放的標簽，面臨著諸多挑戰(zhàn)。
減排之路
2022年7月，住房與城鄉(xiāng)建設部會同國家發(fā)展改革委聯(lián)合發(fā)布了《城鄉(xiāng)建設領域碳達峰實施方案》（下稱《方案》）�！斗桨浮纷鳛�“1+N”政策格局的重要組成部分，全力支持實現(xiàn)中國的“雙碳”目標�！斗桨浮诽岢�，2030年前城鄉(xiāng)建設領域碳排放將達到峰值。《方案》特別提出發(fā)展多種節(jié)能技術，在關鍵時間節(jié)點確定發(fā)展目標。作為城鎮(zhèn)基礎建設不可或缺的重要組成，水務系統(tǒng)亦被納入行動方案之中。同時，這也是中國第一次針對水務行業(yè)碳減排的官方宣告。
世界其它諸國也已陸續(xù)開始部署水務行業(yè)碳減排行動，部分國家已開展相關工作10年以上。2020年11月，英國水務公司率先宣布了計劃，將在2030年前為用戶構建起“零碳”排放供水與排水系統(tǒng)，這是世界上首個水務行業(yè)的承諾。丹麥、新西蘭及澳大利亞部分州也已訂立目標，其水務行業(yè)將實現(xiàn)碳中和與氣候中和。此外，不限于上述地區(qū)數(shù)十家供水及污水公司也加入了立志實現(xiàn)碳中和的“奔零”行動之中。
反觀中國，我們可以從這些雄心勃勃的碳中和路線圖和國際社會那里學到什么？首先必須意識到，水務行業(yè)碳減排行動中碳核算實踐所起到的關鍵作用。換句話說，這些發(fā)布水務行業(yè)碳中和藍圖的國家或企業(yè)同時也是碳核算方面的先驅。在英國，英國水務監(jiān)管機構Ofwat自2007年起便要求其水務企業(yè)量化并報告碳排放情況。然而，由于缺乏可靠的核算方法，中國水務行業(yè)在碳排放方面遠遠落后。
碳核算指南
鑒于此，2021年中國城鎮(zhèn)供水排水協(xié)會（中國水協(xié)）深謀遠慮，建議編制中國本土統(tǒng)一碳核算指南，從而統(tǒng)一水務系統(tǒng)碳核算方法。編制組由北京建筑大學郝曉地教授（Water Research區(qū)域主編/Editor）主持，同時匯集了多位來自科研與企業(yè)的各領域專家。成員單位包括北京首創(chuàng)環(huán)保集團，北京排水集團，中建環(huán)能科技有限公司，中國市政工程中南設計研究院，以及哈爾濱工業(yè)大學。
為了在碳減排實踐中，使指南與碳核算實際功能相聯(lián)系，其中還囊括并總結了水務系統(tǒng)可行的碳減排策略與路徑。經(jīng)過多輪審查與修訂，中國水協(xié)發(fā)布并出版了最終版本，書名為《城鎮(zhèn)水務系統(tǒng)碳核算與減排路徑技術指南》（下稱《指南》）�！吨改稀饭灿�10個篇章，包括總則、城鎮(zhèn)水務系統(tǒng)及其碳排放、碳排放核算原則與程序、規(guī)劃建設、運行維護、資產重置與拆除、城鎮(zhèn)水務系統(tǒng)碳減排路徑、數(shù)據(jù)獲取與管理、結果分析與報告及其附錄。這是中國第一部專門針對水務行業(yè)碳核算方法的所出版工具書，旨在提供統(tǒng)一的碳排放量化與報告方法。
編制組意識到與國際標準接軌的重要性，并接受國際核算方法的先進性。因此，《指南》中核算邊界、原則、與框架遵循已有的溫室氣體核算體系，如，《溫室氣體核算體系》、《溫室氣體——第一部：企業(yè)層面上溫室氣體排放和去除量化報告指南》（ISO 14064-1:2018）等，體現(xiàn)了科學共識。特別是該方法參考了IPCC指南，以及英國水業(yè)公司與新西蘭的碳排放核算方法等其它核算工具書。同時，《指南》也遵循了IPCC精度分級結構。但并非完全照搬，而是針對中國現(xiàn)實情況整理了適宜的活動、公式與排放因子。
《指南》的亮點之一是其碳核算方法涵蓋了水務行業(yè)的全部生命周期，包括（圖2）：
1、取水設施、給水處理廠、海水淡化廠、輸配水設施與長距離輸水；
2、污水管渠設施（包括化糞池）、污水處理與污泥處理；
3、再生水處理與輸配；
4、雨水管渠設施與雨水控制設施。
圖2 《指南》中水務系統(tǒng)/單元核算邊界
Ofwat在一份關于英國水業(yè)2030碳中和路線圖的報告中指出，水務公司不僅需要解決水務系統(tǒng)的運行碳排放，還需要解決嵌入式排放問題。《指南》中對于建設與拆除階段碳排放也提供了核算方法。根據(jù)“十四五”國家城市基礎建設規(guī)劃，給水與污水系統(tǒng)規(guī)模將隨城市化發(fā)展而持續(xù)增長。因此，需要將全生命周期概念嵌入核算方法之中，并在決策階段便考慮到綠色低碳的發(fā)展模式。此外，為了幫助企業(yè)量化嵌入式排放，《指南》還根據(jù)水務設施設計規(guī)�；蛲顿Y，提供了速查圖表。
《指南》也關注到來自下水管道，尤其是化糞池中的溫室氣體排放。雖然新版《室外排水設計規(guī)范》（GB 50014-2021）中要求已建有污水收集與處理設施的城市在分流制污水管網(wǎng)中禁用化糞池，但中國目前仍有數(shù)億座化糞池仍在使用中。據(jù)研究，化糞池中CH4的年總排放量估計約2 000~4 000萬t CO2/a。因此，在污水系統(tǒng)碳減排中，化糞池不應被忽視，需要為其與下水道建立核算方法。
在污水系統(tǒng)全部碳排放活動中，污水收集與處理單元產生的直接溫室氣體排放占有較大比例，尤其是污水生物處理過程中產生的CH4與N2O。由于其產生機制復雜、影響因素較多，因此，難以對其準確量化。因此，IPCC提供了3種層級的方法；其中，第2級與第3級方法建議應用特定國家排放因子，以提高精度。
然而，根據(jù)《國家溫室氣體排放清單報告》，大多數(shù)國家仍然使用第1級方法并應用IPCC默認排放因子。只有丹麥和日本等少數(shù)國家，在污水處理碳核算中應用了適合本國的排放因子。這些國家同時也是實現(xiàn)污水系統(tǒng)碳中和公認的先鋒。因此，編制組檢索與查閱了數(shù)十篇有關監(jiān)測中國境內CH4與N2O排放文獻，用以估算相應排放因子，并更新了IPCC指南（2019修訂版）中關于CH4與N2O排放因子數(shù)據(jù)，使其涵蓋最新發(fā)表的文獻。此外，《指南》也提供了不同處理工藝的CH4與N2O排放因子。
主要更新
現(xiàn)在普遍采用的污水處理中CH4與N2O排放因子是分別根據(jù)綜述文獻中14條與30條數(shù)據(jù)獲得（2019修訂版IPCC指南）。通過再次檢索原始文獻，發(fā)現(xiàn)在計算N2O排放因子中存在一些數(shù)據(jù)引用與單位轉換的小錯誤。此外，其所參考的文獻均發(fā)表于2019年之前。而近年來有大量相關科學著作發(fā)表。因此，《指南》綜述并更新了文獻范圍，計算了新的綜合排放因子，并分別為不同處理工藝計算了排放因子。
表1 污水處理CH4與N2O排放因子
圖3 不同活性污泥生物處理工藝N2O排放因子
《指南》另一處亮點是將非生物/化石碳排放納入核算。2019修訂版IPCC指南中對污水處理中潛在非生物源CO2排放進行了討論，但由于尚缺乏共識因而并未提供評估方法�！吨改稀穼Υ诉M行了一次“有益嘗試”，根據(jù)進水中化石碳比例來估計化石源CO2總量。值得注意的是，該方法需要未來進一步改進，需要未來更多文獻資料與國際共識。
水務系統(tǒng)碳減排與碳中和
水務系統(tǒng)碳核算的根本目的是引導碳減排。自英國水務公司每年報告溫室氣體排放后，他們已通過運行優(yōu)化與使用再生能源成功減少了將近50%的碳排放。碳核算為碳減排提供了強勁的動力。為了有助于市政企業(yè)積極發(fā)現(xiàn)溫室氣體減排機會，《指南》通過綜述水務系統(tǒng)中已有應用技術措施，匯總并分析了一系列減排措施。這些措施可分為5類：源頭控制、過程優(yōu)化、工藝升級、低碳能源與植物增匯。并從技術細節(jié)、減碳潛力、資產凈值以及不確定性等方面對各類技術進行了分析，以此希望引導市政企業(yè)選擇各自適宜措施，制定碳減排計劃藍圖。
相較于其它的高碳排行業(yè)，水務系統(tǒng)在實現(xiàn)碳中和方面有著獨特優(yōu)勢。這是因為污水中含有相當?shù)哪茉磁c資源。理論上，污水處理廠可回收的能源總量應足以支持其運行。澳大利亞與丹麥部分污水處理廠已經(jīng)實現(xiàn)了能源中和，甚至最大可產生80%的能源盈余，并向公共電網(wǎng)輸出。這些優(yōu)秀的成功案例鼓舞著我們繼續(xù)追求水務系統(tǒng)碳中和。事實上，中國水務系統(tǒng)已經(jīng)實行了數(shù)年的節(jié)能與能源回收舉措�，F(xiàn)在，我們應該更加全面、系統(tǒng)、科學地思考。《指南》是中國水務系統(tǒng)碳管理與碳減排的基石，它將成為水務系統(tǒng)獲取碳排放數(shù)據(jù)的基本工具，可以指導水務行業(yè)自身、乃至全生命周期的碳減排實踐。
有限的太陽能發(fā)展?jié)摿?/strong>
許多碳減排措施已在世界各地水務系統(tǒng)中施行，以期減少碳排放。這些案例，尤其是本地案例，可以為決策者在選擇適宜措施過程中提供許多有價值指導。因此，總結有用信息以此評價技術應用潛力也是《指南》的任務之一。以光伏發(fā)電為例，《指南》總結了中國22座自2014年后安裝光伏發(fā)電的給水與污水處理廠；其中，包括2座給水處理廠，20座污水處理廠。通過匯總與分析光伏發(fā)電安裝面積、發(fā)電量、處理能力與投資額，得出了應用光伏發(fā)電的碳減排潛力與投資回報率，以此加深對光伏發(fā)電情況的認識。由于發(fā)電量與廠區(qū)可用面積有關，而廠區(qū)面積又由處理能力所決定，因此，可將年發(fā)電量歸一化至單位處理水量發(fā)電量，用以表示應用潛力。污水處理廠應用光伏年均發(fā)電潛力為21.3 kWh/m3·a處理污水。采用光伏發(fā)電可以滿足約4%~37%的電力需求（平均15%，碳減排率9.7%），整體凈現(xiàn)值為正，平均投資回報率為5%。結合這些信息，可在水廠規(guī)劃光伏發(fā)電項目時進行評估。
圖4 案例污水處理廠年光伏發(fā)電量、總耗電量、反哺電力比與碳減排比
