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            凈水技術 | 翁曉姚:碳達峰與碳中和目標下供水企業綠色低碳發展的思考

            慧聰水工業網 2022-06-02 09:51 來源: 凈水技術

             摘要:文中通過解讀碳達峰碳中和目標,分析供水企業碳排放主要來源,提出供水企業實現綠色低碳發展的3項關鍵工作:推進設備節能措施,提升能源利用效率,探索可再生能源使用,減少碳排放;開展節水技術研究,加強水源地保護,從源頭上控制藥耗;促進水和污泥資源化利用,建立并完善能源管理體系,形成能源管理新模式。并展望了實現雙碳目標的路徑。

            積極應對氣候變化是我國實現可持續發展的內在要求,也是負責任大國應盡的國際義務和應有的歷史擔當。習近平總書記于2020年9月在聯合國大會上提出我國“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和”的莊嚴承諾。之后,我國發布了《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》和《2030年前碳達峰行動方案》等,表明堅定不移走生態優先、綠色低碳的高質量發展道路的決心,碳達峰、碳中和成為了國內能源、建筑、交通乃至水務行業的熱門詞匯。供水企業提高能源利用效率,在生產環節中減少溫室氣體排放,尋求綠色低碳發展新路徑,成為新形勢下必須解決的重要課題。本文基于雙碳背景,對供水企業實現綠色低碳發展提出一些想法供同行參考。

            1、供水行業雙碳工作關鍵

            根據《京都議定書》中規定,需控制的溫室氣體有二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化合物、全氟碳化合物和六氟化硫共6種。對全球升溫的貢獻百分比來說,二氧化碳所占的比例最大,約為25%。目前全世界每年共排放約400億t二氧化碳,中國大約占1/4,約為100億t,年度人均排放超過全球人均水平。

            碳達峰是指二氧化碳排放量在某個時間達到峰值,其核心是碳排放增速持續降低至負增長。碳中和是指排放量與固碳量相等,就是人類可以排放一定數量的二氧化碳,但這個排放量中的一部分被自然過程吸收而固定,余下部分則通過人為努力而固定(比如把二氧化碳收集后轉為工業品或封存于地下)。碳達峰并不意味著將峰值調高,以后再減排,而是應盡量把峰值壓低,實現2060年碳中和目標。

            2001年世界資源研究所和世界可持續發展商業理事會提出碳排放3個范圍,用于測量和報告與其業務相關的溫室氣體排放量:范圍一(直接排放)是指煤炭、天然氣、石油等化石能源燃燒活動和工業生產過程等產生的溫室氣體排放;范圍二(間接排放)是指因使用外購的電力和熱力等所導致的溫室氣體排放;范圍三(延伸責任排放)是指生產采購的原料、產品使用、外包的活動、廢物處置以及員工公務旅行產生的溫室氣體排放。

            對于供水企業而言,碳排放主要來自間接和延伸責任排放范圍。據估計,世界能源2%~3%用于城市引水、地區原水的提升、城市飲用水處理及輸配供應,可見城市供水在城市地區的能源消耗總量中占很大比例。東京市能源率在國際上已經處于較為領先的水平,東京市供水系統從取水、送水、凈水、輸水配水至供水的全流程的年用電量約8億kW·h,為東京城市總年度用電量的1%左右。因此,雙碳目標下供水企業責任重大,要實現企業綠色低碳發展,筆者認為關鍵做好以下3項工作:推進設備節能措施,提升能源利用效率,探索可再生能源應用,減少碳排放;開展節水技術研究,加強水源地保護,從源頭上控制藥耗;促進水和污泥資源化利用,建立并完善能源管理體系,構建能源管理新模式。

            2、節能增效新技術

            2.1 推進設備節能增效

            與供水企業有關的碳排放主要來源于電力消耗,自2000年以來,我國用于飲用水供應的電力消耗增長了1倍多,泵、電機、風機、變壓器等設備是高能耗的重點。如何在滿足工況條件下提高水泵和電機運行效率,是設備節能的關鍵,供水企業應加大對該方面的投入和研究,通過對設備運行工況進行分析和能效評價,按照節能潛力分析逐步落實節能改造項目,推動能源利用效率的不斷提高。

            目前,行之有效的節能措施有:采用變頻技術改造、電機高效節能再制造、機泵葉輪切削等,以全面提升能效標準;加強對管網系統需求變化、機泵特性曲線與實際運行情況之間的匹配程度分析,對匹配情況差異性較大的進行重新設計改造,尋求最佳泵組效率組合;變配電系統優化升級,盡量將變壓器運行負荷控制在經濟運行區間內,減少線路布置,降低變配電系統的電力損耗;在滿足供水量前提下以能耗最低為原則,統籌考慮水廠和供水水庫泵站一體化調度運行模式;在新建、技改等項目中優先采用環保型、節能型電氣和設備,逐步淘汰高能耗、低能效設備。

            有些企業已利用數字化技術建立原水和供水智能調度管理信息系統,對輸配系統日常運行及調度進行管理。某原水系統智能調度平臺運用全系統高精度水力仿真模型,結合調度運行實際需求建立智能調度決策模型,自動執行能耗最優方案,實現原水調度從人工經驗向智能決策的轉變,系統上線后原水供應累計電耗降低5%,有效保障原水供應安全、高效、經濟。某水廠通過水平衡控制及數字孿生仿真系統,對真實水廠進行數字映射,實現“能效”和“穩態”兩種模式調度,在運維管理升級的同時帶來顯著的碳減排優勢。2021年,該水廠制水用電單耗下降4%。

             2.2 探索新能源應用

            化石燃料是工業革命以來人類得以發展進步的重要物質基礎,如何逐步擺脫對化石燃料的依賴,真正向低碳社會轉型,將是一項十分嚴峻的挑戰??稍偕茉窗l展速度之快“超乎想象”,現已超過煤炭成為全球最大新增電能來源。2021年,我國可再生能源新增裝機1.34億kW,占全國新增發電裝機的76.1%;可再生能源發電量穩步增長,達到2.48萬億kW·h,占全社會用電量的29.8%。

            太陽能光伏發電以其清潔、高效、安全、可再生等優勢,成為環境友好的替代能源之一。太陽能發電成本的大幅下降和政策的支持,推動了光伏市場的蓬勃發展。2016年可再生能源發電占全球凈新增電力容量的近2/3,其中太陽能光伏發電增長了50%,首次超過了煤電的凈增長。太陽能電力容量增加超過了74 GW,其中近1/2來自中國。

            近年來,國內一些供水企業引入光伏技術,在技術角度、經濟角度、安全角度對可再生能源的建設進行系統評估基礎上,探索屋頂分布式光伏電站、水面漂浮式光伏電站和太陽能路燈的建設。光伏發電項目可以利用水廠既有建筑物的屋頂,也可在水池上安裝,起到遮光的效果,抑制水池內部藻類的生長。當然,水池和屋面是否能承受光伏系統增加的荷載,需事先做好評估。上海、北京和江西等水廠已陸續在清水池、沉淀池上方、屋頂建設分布式光伏電站,實現全容量并網發電。某水廠光伏項目于2016年實現并網發電,利用水廠清水池和沉淀池,裝機容量為4.6 MW,為廠區節省13%~15%的電量。

            光伏技術在供水企業中應用已較為成熟,供水企業可排摸安裝光伏等可再生能源潛力,利用用電負荷高且生產運行連續不間斷的特點,通過擴大太陽能光伏建設規模,增加可再生能源的使用比例,進一步優化企業能源結構。

            3、節水降耗新舉措

            3.1 加強節水技術研究

            隨著聯合國可持續發展目標和理念的不斷推進,水與能源之間的相互依存性和制約性也得到了更為廣泛的認知和重視,節水即節能的概念應運而生。供水管網的漏損控制管理是城市水資源管理以及節水管理中的重要環節:對灰口鑄鐵管、鍍鋅鋼管、UPVC、混凝土管等老舊管網更新改造,優化管網結構;通過對各管網獨立計量區域(DMA)分區管理內的流量和壓力節點實時監測,可及時發現管網供水異常,測算出區域的漏損情況并輔助查找漏點,有效降低管網漏損率。

            有些供水企業開展管網態勢感知研究,在重要路段、市政給水管道材質變化點、深基坑施工處等薄弱處安裝漏失監測儀進行實時監測,應用Sahara-系纜式管道檢漏及視頻檢查技術、智能球、CCTV等檢測,掌握管網真實運行狀況。

            東京都水道局對管網漏損率控制值得借鑒,從硬件改造、管理加強以及技術開發等全方位措施來降低漏損率。從1994年起有計劃地對供水管道(含配水管道和用戶管道)進行替換和管材改良。2003年,球墨鑄鐵的配水管、不銹鋼的用戶管道占比分別達到97%、99%,同年度管道漏損率為4.7%,相較1983年下降70%。在更換管材和安裝抗震接頭的同時,東京都水道局也通過例行巡檢、泄漏測算和管道泄漏排查等預防方式,對地上和地下的早期管網泄漏進行預查和修復,并開發適用于不同施工要求和作業場合的管道防漏控制相關設備技術,有效控制漏損率。

            3.2 強化源頭控制藥耗

            水處理過程中消耗的藥劑在生產和運輸過程中會排放溫室氣體,因此,控制水處理過程中的藥劑加注量,可間接減少生產運行過程中的碳排放量。

            優質的水源可大大減少飲用水處理難度和藥耗。以水庫或湖泊為水源時,應更重視入湖(庫)河流水質控制,特別是磷及其他營養物質,以免發生由于富營養化引起的嗅味和藻毒素問題。我國在流域水質保護方面相對較欠缺,以長江為例,其流經多個省市,上游城市的排污口位于下游城市飲用水源的上游,對下游水源水質勢必會有影響。我們可借鑒國外流域治理方面成功經驗,萊茵河途經歐洲多個國家,由巴塞爾城市州IWB公司、康斯坦茨湖-萊茵河區供水商協會(AWBR)、萊茵河集水區國際水廠協會(IAWR)和Regiosuisse(瑞士經濟事務總局推動地區發展的全國性網絡)4個國際組織開展合作,通過簽署萊茵河國際預警與警報方案、萊茵河高度預警方案和The TRINAT協議,巴塞爾城市州、法國和德國勒拉赫地區內一旦發生水污染等類似事件,將協同預警并通知各方。因此,加強源頭管控,發揮流域管理機構或組織的協同作用,要求沿線不同省份、不同地域減少排放污染物,保護水源地,建立并完善水源水質預警系統,這對于后續處理工藝和藥耗控制至關重要。

            當原水pH高時,有些水廠會采取增加混凝劑的加注量以達到控制出廠水鋁指標的目的,這樣藥耗必然顯著上升。原水中加二氧化碳精準調pH技術已在某些水廠中應用,該工藝可實現pH的精準調控,達到穩定、有效的控鋁效果。相較于原工藝,二氧化碳投加系統的使用,能夠降低藥劑的投加量,并減少后續污泥處置量。以水量為16萬m3/d計,可降低水廠藥耗約為15%。

            4、能源管理新模式

            4.1 促進資源可持續利用

            水廠污泥出路一直困擾著供水企業。水廠排泥水經離心或板框脫水處理后,產生干泥量較多,含固率為25%~40%。水廠污泥主要成分為二氧化硅、氧化鋁和氧化鐵等無機物質,約占到80%。由于投加了混凝劑和助凝劑,且缺少穩定的出路,水廠污泥資源化效益得不到充分發揮。國家已制定五十余項與城市污水處理廠污泥有關標準,但水廠污泥處理處置及資源化利用方面缺乏相關標準規范。目前,上海市地方標準《自來水廠污泥處理處置技術規范》正在編制中。相信隨著標準的出臺,將進一步規范水廠污泥處置和資源化利用的方式和途徑。

            水廠污泥通常的去向是填埋或建材利用(如制磚、水泥、陶粒、路基等)。這些技術已有研究,關鍵還是最終出路能否形成良性循環。因此,積極開展水廠污泥低碳利用技術應用研究,控制水廠污泥含固率,走出水廠污泥資源化利用之路,將助力企業綠色低碳發展。

            部分生產廢水如能有效回用,也是資源化利用的另一途徑。國內研究表明,砂濾池反沖洗水和儀表取樣水可以回用,此部分占水廠供水量的1%~2%。周期性檢修、維護時的池體排空水,主要是反應區、沉淀池、清水池等區域的排空水,排放中段的水優于原水,這些可以利用。當然必須指出的是,當原水水質突變時,如藻類暴發期等,濾池反沖洗水不宜回用。

            4.1 建立能源管理體系

            當前資源節約型和環境友好型社會的建設,給供水企業的節能管理工作提出了更高要求。構建企業能源管理體系,不斷提升企業節能管理能力,將有利于推動企業制度的發展和完善。企業可根據《能源管理體系 要求及使用指南》(GB/T 23331—2020),制定能源管理方針和目標,明確能源管理職責,通過實施一套完整的標準、規范,在供水企業內建立起一個完整有效的能源管理體系,以完善能源管理架構。并通過例行節能監測、能源審計、能效對標、內部審核、組織能耗計量與測試、組織能量平衡統計、管理評審、自我評價、節能技改、節能考核等措施,不斷提高能源管理體系持續改進的有效性,實現能源管理方針和承諾,并達到預期的能源消耗或目標,逐漸構建標準化的能源管理模式。

            隨著信息化手段的不斷深入,改革傳統的節能管理方式,通過采集主要耗能系統能耗指標和運行參數,完善能源計量、監測、統計和能效對標管理,建設企業能源管理信息化平臺,對企業能源系統的生產、輸配和消耗環節實施扁平化的動態監控和數字化管理,并輔助運行人員分析能耗問題,優化控制策略,實現節能效果最優化。

            供水企業還可響應國家《中國制造2025》和《綠色制造工程實施指南(2016—2020年)》的戰略規劃,根據國家級綠色工廠的定義和要求,從基礎設施、管理體系、能源與資源投入、產品、環境排放、環境績效等方面進行分析、總結和優化,以創建成功的綠色工廠為標桿,提升先進示范引領效應,提高企業綠色化發展水平。

            5、結語

            在雙碳目標約束下,減碳工作任重道遠。供水企業要在摸清碳排放家底下,開展碳足跡核算,測算能耗和碳排放增量需求和減量潛力,通過智能化綜合分析和監測預警手段,尋求節能降耗技術的研發與應用,制定出適合企業發展的碳達峰、碳中和施工圖和路線圖,設計分階段實施方案,助力雙碳目標實現。


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