城镇水务系统碳核算与减碳/降碳规划方法

中国“双碳”目标的提出对国内的经济发展提出了新的要求，城镇水务长期以来被冠以高能耗企业标签，科学规划减碳/降碳措施以及碳核算方法是城镇水务良性发展的低碳转型的关键保障。通过对发达国家水务系统碳中和规划梳理，总结出适合我国城镇水务系统低碳发展的路线，即“3C路线”。在此基础上，讨论分析了碳核算的发展及其在规划制定中的作用和意义；总结归纳了不同减碳/降碳工艺技术比选原则和方法，以期为我国水务行业制定减碳/降碳规划提供有价值的参考。

2020年，我国“双碳目标”时间节点发布，正式开启了碳减排路程，也被称为我国开启了碳中和元年。当然，行业层面的减碳降碳实际早已开始推进和实践，比如电力和钢铁行业等高碳排行业已实施碳排放配额以进行碳排放总量的控制。相比之下，我国水务行业的碳减排则迟缓很多，2020年提出的“双碳目标”开启后，水务行业仍然是偏居一隅，官方相关政策或指导文件也较为缺乏。但在此方面进行的相关探究和概念不仅较早，而且当下也如火如荼。正如有人提及，我国水务行业碳排放量占比较小，但确是行业中推进碳减排最为积极的领域。这可从两方面来理解：         

 1）水务行业，尤其是污水处理领域，由于污水资源能源载体的原因，其进行减碳降碳有天然的优势；

 2）碳减排或者说碳排放管理实现了“多合一”指标，将电能、药耗、出水水质指标等等的表征包含其中，更有助于可持续方向的推进。

但当下的事实是，水务行业践行减碳降碳的动力还不足、行动还不够。 基于目前的情况，文章在第一部分首先梳理了目前国外水务行业在减碳降碳方面的进程，以便知己知彼。如图1所示，个别国家的水务行业主管部门或行业协会早已确定了水业的碳中和时间表。作为活性污泥技术的发源地，英国水务行业协会UK Water确立了2030年实现碳中和的目标。而欧盟则相对较为保守，目标定在2050年实现水务行业的碳中和；当然，欧盟框架下的成员国则也有其自身的考量和计划，譬如，作为污水管理一直较为先进和发达的丹麦，确定了同英国相同的碳中和时间节点（2030年）。众所周知，丹麦在污水运营管理上早已在多座污水处理厂实现了能量中和，为其碳中和目标打下了良好的基础。另外，澳大利亚部分州区以及新西兰也都明确了水务行业碳中和的路线图。实际上，2030年实现碳中和似乎看起来非常激进，那为何英国等国家能够公开确立该目标呢？在此不得不提及

UK Water在2020年发布的《Net Zero 2030 Roadmap》，是世界上首部较为详细的梳理水务行业碳中和潜力和规划的报告书。从报告书中可知，英国水务行业早在2007年即已开始减碳降碳实践，在2011年已实现了50%的减排量。

图1   各国碳中和时间节点

另外，需要注意的是，水务行业碳中和并不能仅仅关注目标节点，更重要的是所定碳中和目标的边界。因此，文章也对以上发布水务行业碳中和国家所圈定的边界进行了梳理和总结。如图2所示，澳大利亚碳中和边界仅包括给水全过程、污水处理的直接碳排放和电力造成的间接碳排放，而英国在此基础上还添加了污泥处理的直接碳排放和运输产生的间接碳排放。丹麦的水务行业碳中和边界更为细致和广泛，拓展延伸至污水收集和排入自然水体的直接碳排放。相比之下，新西兰进行水务行业碳中和规划的碳排放活动更加全面，不仅考虑了运行阶段，还考虑了雨水收集过程和污泥处置产生的碳排。对于碳中和目标的实现，边界越大，则包含的碳排放活动越多，进行减碳的工作量就越大；因此，在具体工程实践中，分布实施、抓主要矛盾也是良策，当同时也应考虑工艺间的协同。无论边界如何，更重要的是因地制宜的进行碳减排规划。

图2   不同国家水务碳中和规划边界（来自原文）

文章通过梳理英国水务协会发布的路线图，结合丹麦等国家的水务减排实践，总结提出了水务碳中和规划制定方法，即，核算定线（碳足迹核算，Carbon accounting）→技术确定（Cluster of technologies）→方案实施（Carrying out）（见图 3），简称为“3C”流程。

第一步核算定线，主要分为两部分，一是计算污水处理厂碳排放量，提供排放构成、二是预测未来碳排放变化量，确定影响因素，定位减排重点。因此碳排放核算是阐明“减多少、减什么”的基础环节。核算贯穿整个规划和实施全过程，也正是目前我国水务企业所缺乏的，应予以重视和实践。

图3   水务碳中和规划流程与内容（来自原文）

第二步技术确定，通过第一步的核算，明确了所需要减排的重点后，接下来就是“如何减”的问题。技术确定原则包括“原理排序、综合比选、权责厘清”三部分。原理排序即是工艺选择原则；综合比选包含减排潜力、净现值和减排不确定性（图4），分别从年减排量、年收益额及应用不确定因素三方面来量化不同减碳工艺技术的可应用性；权责厘清则是全方位考虑各个部门作用，确定最终工艺组合。

图4   综合比选的三个维度

第三步方案实施，工艺技术按减排原理可分为源头减排、再生能源和耗碳补偿三类。选择优先度可用塔式等级图来表达（见图3），一般来说无额外投资或投资较少的减排方案要优先于投资较大的减排方案。减碳技术又可分为需求控制、技术提升、碳汇捕捉三类，（见表 3）通过三个维度对其评估，即，减排潜力、净现值（NPV）和不确定性来确定。

表1  城镇水务减碳降碳工艺技术 总工艺流程图（来自原文）

碳核算不仅作为量化排放量的基础手段，也是确定城镇水务碳中和方案的重要依据，通过碳核算可以厘清水务企业不同碳排放活动的碳排放量、贡献比例及变化趋势。英国之所以能够发布世界上首部水务行业碳中和规划，就与其较早进行碳核算实践是分不开的。因此，要想制定好的碳中和规划，进行碳核算的必要性不言而喻。目前世界范围内指导城镇水务企业碳核算的指南见图5。IPCC发布的《国家温室气体排放清单指南》，是国际上应用最为广泛的指导污水处理厂进行碳排放核算的指南文件，提供了污水处理直接碳排放量的核算方法；同时也是其他国家制定核算指南的参考文件。而英国则是最早制定行业核算指南的国家，早在2005年即已发布了首版指南文件。相比而言，新西兰和丹麦则在2021年才发布了自己的碳排放核算指南。

图5  世界范围内指导城镇水务企业碳核算指南封面图

上述提及的指南对水务系统进行碳核算均采用排放因子法，也就是说核算中采用固定的排放因子。而排放因子主要来源于文献整理或基于少量的实测数据。如表4所列，不同国家核算指南中对于污水处理厂N ₂ O排放量的核算采用的排放因子差异较大。最为广泛采用的是IPCC总结出的0.016 kgN ₂ O-N/kgN（进水N），而英国和丹麦则分别采用的是0.002和0.0084 kgN ₂ O-N/kgN，远低于IPCC推荐值。值得一提的是，IPCC总结的排放因子基于文献数据得来，但在数据整理过程中出现了一些引用错误，导致得出的因子偏大，这在新西兰发布的指南中予以了说明，即新西兰在IPCC基础上进行了部分修改，得到了0.01 kgN ₂ O-N/kgN的排放因子。2022年，中国城镇供水排水协会发布了《城镇水务系统碳核算与减排路径技术指南》  重磅出版 | 城镇水务系统碳核算与减排路径技术指南  ，对IPCC中N ₂ O排放因子进行修订并延伸，得到了0.0106 kgN ₂ O-N/kgN的因子，与新西兰推荐因子在同一水平。由于不同地区、环境、生活方式等多种因素的影响，用排放系数法估算碳排放量时产生某些不确定性。因此，加强污水处理厂实际监测对精确碳核算结果非常重要。实际监测法水务企业应积极监测收集相关数据，形成数据收集—结果反馈—政策指导的良性循环。

表2   各指南污水处理过程N ₂ O排放因子区别

污水作为资源与能源的载体，进行减碳降碳有天然的优势，碳核算和减碳工艺技术作为碳中和规划的基础和关键。水务企业应积极检测收集数据，将碳核算纳入日常管理，从而科学的制定适合自身发展的碳中和规划。将减碳/降碳压力转化为动力。水务企业可采取的减碳工艺技术类型，尤其是节能降耗、能源回收有效途径在《指南》中也已厘清。目前，最重要的是水务企业积极实践、核算并积累数据，形成“排放核算—数据反馈—技术评估—应用实施—减排反馈”的良性循环。