减少碳排放——迈向绿色的中国计划
编者按：由中国城镇供水排水协会（中国水协）组织编写的《城镇水务系统碳核算与减排路径技术指南》已于10月中旬由中国建筑工业出版社出版发行。该《指南》由北京建筑大学主编，联合首创环保集团、北京排水集团、中建环能科技股份有限公司、中国市政工程中南设计研究总院有限公司和哈尔滨工业大学共同参编。2022年10月国际水协会刊the Source曾报道《指南》出版的消息。最近一期the Source（2022年12月）又详细刊载了《指南》主要技术内容。我们将内容整理为中文，以供国内同行参考。
图1 《城镇水务系统碳核算与减排路径技术指南》
作为城市基础设施的重要组成部分，城镇水务系统支撑着居民日常生活与经济良性发展，在城市可持续发展与社会福利中承担着关键角色。自20世纪80年代以来，中国城镇水务基础建设逐步发展完善。根据最新数据，在十三五期间，中国城镇区域供水率已达99.0%，污水处理率达97.5%，处理能力约1.9亿m3/d。然而，中国城镇水务系统同时也被刻上了高能耗与高温室气体排放的标签，面临着诸多挑战。
减排之路
2022年7月，住房与城乡建设部会同国家发展改革委联合发布了《城乡建设领域碳达峰实施方案》（下称《方案》）。《方案》作为“1+N”政策格局的重要组成部分，全力支持实现中国的“双碳”目标。《方案》提出，2030年前城乡建设领域碳排放将达到峰值。《方案》特别提出发展多种节能技术，在关键时间节点确定发展目标。作为城镇基础建设不可或缺的重要组成，水务系统亦被纳入行动方案之中。同时，这也是中国第一次针对水务行业碳减排的官方宣告。
世界其它诸国也已陆续开始部署水务行业碳减排行动，部分国家已开展相关工作10年以上。2020年11月，英国水务公司率先宣布了计划，将在2030年前为用户构建起“零碳”排放供水与排水系统，这是世界上首个水务行业的承诺。丹麦、新西兰及澳大利亚部分州也已订立目标，其水务行业将实现碳中和与气候中和。此外，不限于上述地区数十家供水及污水公司也加入了立志实现碳中和的“奔零”行动之中。
反观中国，我们可以从这些雄心勃勃的碳中和路线图和国际社会那里学到什么？首先必须意识到，水务行业碳减排行动中碳核算实践所起到的关键作用。换句话说，这些发布水务行业碳中和蓝图的国家或企业同时也是碳核算方面的先驱。在英国，英国水务监管机构Ofwat自2007年起便要求其水务企业量化并报告碳排放情况。然而，由于缺乏可靠的核算方法，中国水务行业在碳排放方面远远落后。
碳核算指南
鉴于此，2021年中国城镇供水排水协会（中国水协）深谋远虑，建议编制中国本土统一碳核算指南，从而统一水务系统碳核算方法。编制组由北京建筑大学郝晓地教授（Water Research区域主编/Editor）主持，同时汇集了多位来自科研与企业的各领域专家。成员单位包括北京首创环保集团，北京排水集团，中建环能科技有限公司，中国市政工程中南设计研究院，以及哈尔滨工业大学。
为了在碳减排实践中，使指南与碳核算实际功能相联系，其中还囊括并总结了水务系统可行的碳减排策略与路径。经过多轮审查与修订，中国水协发布并出版了最终版本，书名为《城镇水务系统碳核算与减排路径技术指南》（下称《指南》）。《指南》共计10个篇章，包括总则、城镇水务系统及其碳排放、碳排放核算原则与程序、规划建设、运行维护、资产重置与拆除、城镇水务系统碳减排路径、数据获取与管理、结果分析与报告及其附录。这是中国第一部专门针对水务行业碳核算方法的所出版工具书，旨在提供统一的碳排放量化与报告方法。
编制组意识到与国际标准接轨的重要性，并接受国际核算方法的先进性。因此，《指南》中核算边界、原则、与框架遵循已有的温室气体核算体系，如，《温室气体核算体系》、《温室气体——第一部：企业层面上温室气体排放和去除量化报告指南》（ISO 14064-1:2018）等，体现了科学共识。特别是该方法参考了IPCC指南，以及英国水业公司与新西兰的碳排放核算方法等其它核算工具书。同时，《指南》也遵循了IPCC精度分级结构。但并非完全照搬，而是针对中国现实情况整理了适宜的活动、公式与排放因子。
《指南》的亮点之一是其碳核算方法涵盖了水务行业的全部生命周期，包括（图2）：
1、取水设施、给水处理厂、海水淡化厂、输配水设施与长距离输水；
2、污水管渠设施（包括化粪池）、污水处理与污泥处理；
3、再生水处理与输配；
4、雨水管渠设施与雨水控制设施。
图2 《指南》中水务系统/单元核算边界
Ofwat在一份关于英国水业2030碳中和路线图的报告中指出，水务公司不仅需要解决水务系统的运行碳排放，还需要解决嵌入式排放问题。《指南》中对于建设与拆除阶段碳排放也提供了核算方法。根据“十四五”国家城市基础建设规划，给水与污水系统规模将随城市化发展而持续增长。因此，需要将全生命周期概念嵌入核算方法之中，并在决策阶段便考虑到绿色低碳的发展模式。此外，为了帮助企业量化嵌入式排放，《指南》还根据水务设施设计规模或投资，提供了速查图表。
《指南》也关注到来自下水管道，尤其是化粪池中的温室气体排放。虽然新版《室外排水设计规范》（GB 50014-2021）中要求已建有污水收集与处理设施的城市在分流制污水管网中禁用化粪池，但中国目前仍有数亿座化粪池仍在使用中。据研究，化粪池中CH4的年总排放量估计约2 000~4 000万t CO2/a。因此，在污水系统碳减排中，化粪池不应被忽视，需要为其与下水道建立核算方法。
在污水系统全部碳排放活动中，污水收集与处理单元产生的直接温室气体排放占有较大比例，尤其是污水生物处理过程中产生的CH4与N2O。由于其产生机制复杂、影响因素较多，因此，难以对其准确量化。因此，IPCC提供了3种层级的方法；其中，第2级与第3级方法建议应用特定国家排放因子，以提高精度。
然而，根据《国家温室气体排放清单报告》，大多数国家仍然使用第1级方法并应用IPCC默认排放因子。只有丹麦和日本等少数国家，在污水处理碳核算中应用了适合本国的排放因子。这些国家同时也是实现污水系统碳中和公认的先锋。因此，编制组检索与查阅了数十篇有关监测中国境内CH4与N2O排放文献，用以估算相应排放因子，并更新了IPCC指南（2019修订版）中关于CH4与N2O排放因子数据，使其涵盖最新发表的文献。此外，《指南》也提供了不同处理工艺的CH4与N2O排放因子。
主要更新
现在普遍采用的污水处理中CH4与N2O排放因子是分别根据综述文献中14条与30条数据获得（2019修订版IPCC指南）。通过再次检索原始文献，发现在计算N2O排放因子中存在一些数据引用与单位转换的小错误。此外，其所参考的文献均发表于2019年之前。而近年来有大量相关科学著作发表。因此，《指南》综述并更新了文献范围，计算了新的综合排放因子，并分别为不同处理工艺计算了排放因子。
表1 污水处理CH4与N2O排放因子
图3 不同活性污泥生物处理工艺N2O排放因子
《指南》另一处亮点是将非生物/化石碳排放纳入核算。2019修订版IPCC指南中对污水处理中潜在非生物源CO2排放进行了讨论，但由于尚缺乏共识因而并未提供评估方法。《指南》对此进行了一次“有益尝试”，根据进水中化石碳比例来估计化石源CO2总量。值得注意的是，该方法需要未来进一步改进，需要未来更多文献资料与国际共识。
水务系统碳减排与碳中和
水务系统碳核算的根本目的是引导碳减排。自英国水务公司每年报告温室气体排放后，他们已通过运行优化与使用再生能源成功减少了将近50%的碳排放。碳核算为碳减排提供了强劲的动力。为了有助于市政企业积极发现温室气体减排机会，《指南》通过综述水务系统中已有应用技术措施，汇总并分析了一系列减排措施。这些措施可分为5类：源头控制、过程优化、工艺升级、低碳能源与植物增汇。并从技术细节、减碳潜力、资产净值以及不确定性等方面对各类技术进行了分析，以此希望引导市政企业选择各自适宜措施，制定碳减排计划蓝图。
相较于其它的高碳排行业，水务系统在实现碳中和方面有着独特优势。这是因为污水中含有相当的能源与资源。理论上，污水处理厂可回收的能源总量应足以支持其运行。澳大利亚与丹麦部分污水处理厂已经实现了能源中和，甚至最大可产生80%的能源盈余，并向公共电网输出。这些优秀的成功案例鼓舞着我们继续追求水务系统碳中和。事实上，中国水务系统已经实行了数年的节能与能源回收举措。现在，我们应该更加全面、系统、科学地思考。《指南》是中国水务系统碳管理与碳减排的基石，它将成为水务系统获取碳排放数据的基本工具，可以指导水务行业自身、乃至全生命周期的碳减排实践。
有限的太阳能发展潜力
许多碳减排措施已在世界各地水务系统中施行，以期减少碳排放。这些案例，尤其是本地案例，可以为决策者在选择适宜措施过程中提供许多有价值指导。因此，总结有用信息以此评价技术应用潜力也是《指南》的任务之一。以光伏发电为例，《指南》总结了中国22座自2014年后安装光伏发电的给水与污水处理厂；其中，包括2座给水处理厂，20座污水处理厂。通过汇总与分析光伏发电安装面积、发电量、处理能力与投资额，得出了应用光伏发电的碳减排潜力与投资回报率，以此加深对光伏发电情况的认识。由于发电量与厂区可用面积有关，而厂区面积又由处理能力所决定，因此，可将年发电量归一化至单位处理水量发电量，用以表示应用潜力。污水处理厂应用光伏年均发电潜力为21.3 kWh/m3·a处理污水。采用光伏发电可以满足约4%~37%的电力需求（平均15%，碳减排率9.7%），整体净现值为正，平均投资回报率为5%。结合这些信息，可在水厂规划光伏发电项目时进行评估。
图4 案例污水处理厂年光伏发电量、总耗电量、反哺电力比与碳减排比
