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碳中和给水厂理论基础
1.1 碳中和相关定义
根据中国科学院大气物理研究所提出的定义，碳中和指国家、企业、产品、活动或个人在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量，通过节能减排、植树造林等形式，以抵消自身产生的二氧化碳或温室气体排放量，实现正负抵消，达到相对“零排放”；将这个定义引申到给水厂，即上述过程在给水厂内实现二氧化碳或温室气体达到相对“零排放”。碳中和给水厂判断标准是碳抵消比例达到100%以上，本文并将这个“一定时间内”限定在给水厂运营期，计算方式见式（1）：
式中 pof——碳抵消比例；
Cem——给水厂在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量,tCO2；
Cof——通过节能减排等形式，以抵消给水厂自身产生的二氧化碳或温室气体排放量,tCO2。
1.2 给水厂主要碳排放类型
给水厂碳排放主要为间接碳排放，主要来源包括企业净购入电力隐含的CO2排放（即电耗）、药品投加导致的CO2排放（即药耗）。经过对粤海水务其中25家给水公司数据分析，化石燃料燃烧等造成的碳排放占比在1‰以下，本文忽略不计，因此本文给水厂碳排放仅考虑电耗和药耗。
1.3 给水厂碳排放系数的确定
为计算给水厂的碳排放水平需明确电耗、药耗的碳排放系数。电耗产生的CO2排放可以通过发电时煤炭燃烧碳排放量和电能与标准煤之间的转化关系计算得出，2020年6 000 kW·h时及以上发电厂供电的标准煤耗已经低至305.5g/（kW·h) ，据此换算电耗的碳排放系数为0.814 kg/（kW·h）。对于某一特定区域的给水厂，电耗的碳排放系数参考《中国区域电网二氧化碳排放因子研究（2023）》中2020年的水平；相关计算参考《综合能耗计算通则》(GB/T 2589-2020)、《城镇水务系统碳核算与减排路径技术指南》指出自来水制水过程常见药剂的碳排放系数见表1。
表1 常见药剂碳排放系数
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水务企业碳抵消方法与分析
2.1 水务企业抵消给水厂碳排放主要实施方法
W水务抵消给水厂碳排放的主要举措：①100%使用清洁电力能源。2013年以来，通过与当地电力供应商签订专项供电协议，确保项目配套电力100%来自清洁能源。②降低管网漏损率。通过优化管网，降低了在输水过程中的能源消耗。截至2020年，项目供水管网效率超过90%，超过当地国家平均水平10个百分点。③实行数字化管理。通过智慧水务管理系统ServO实时优化整个供水流程，合理调度水资源，精确定位管网泄漏或设备恶化情况，有效降低项目运营的电耗，2021年用电量降低5.5%以上。④大规模植树造林。自2011年起，通过和当地水务局联合种植近40万棵树，抵消二氧化碳排放量3万t。
B水务抵消污水处理厂碳排放的主要措施有：①利用光伏能源。在污水处理厂布置分布式光伏设备，光伏最高可提供污水处理厂40%的电力。②探索使用地源热泵、水源热泵等。利用污水处理后的中水作为水源热泵热源，为厂区办公楼和生产生活区域提供采暖和制冷保障。③在碳汇领域，探索利用再生水回用、资源回收、污泥利用等方法。
BP水务抵消污水处理厂碳排放的主要措施有：①节能减排智慧运营，实现降碳。通过管理创新，提升系统综合效能通过实施优化“厂网一体化”运营调度、精细化运营管理、设备效能提升、智慧化管理模式，提升管理水平和效能。②应用新技术新能源，实现替碳。以科技创新为支撑，采用沼气热电联产、光伏发电、水源热泵、厌氧氨氧化、好氧颗粒污泥多种高效新技术手段，推进碳减排。③通过再生水和污泥资源化，实现固碳。大力推广再生水回用于工业用水、景观绿化、市政杂用、河道补水，间接减少城市自来水处理设施的投资和运行，实现碳抵消。生产高品质污泥营养土，推动污泥资源化利用，实现生态固碳。
Z水务以“水质永续、能源回收、资源循环、环境友好”为原则，建立污水处理概念厂样板。该厂总投资3.2亿元，污水处理规模2万m³/d。水质永续体现在较高的出水标准，出水达到《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）准Ⅳ类标准，严格控制出水氮磷浓度，满足当地较为敏感的水体环境。能源回收与资源循环体现在有机质能源的回收利用，包括一座有机质协同处理中心，处理规模100m³/d，包括25m³/d的厂内自产污泥和75m³/d外部有机废弃物，利用有机质厌氧消化产沼气，进而通过沼气发电满足水厂内用电需求，结合部分屋面光伏，每天发电量可达1.8万 kW·h，可满足概念厂电耗需求，沼渣通过好氧发酵成为生物质肥，形成资源循环。环境友好体现在环境优美和公众友好，该厂初沉池、生化池、二沉池等全部加盖除臭，杜绝臭气，设计融入大量绿植和景观，可作为科普和生态教育基地面向公众开放。该概念厂没有特别突出“碳中和”概念，而注重平衡水质、能源与资源3个关键，同时实现高标准出水、能源自给与资源循环再生。
污水中蕴涵着丰富的低品位热能资源，是污水中有机物化学能的近10倍。利用污水源热泵对约15%的出水进行冷/热交换，便可实现污水处理厂完全能源自给。芬兰污水处理厂目前是名副其实的能源工厂，其年能源回收/产生量是年能源消耗量的10倍之多，其中，高达9倍的能源均来自于回收的污水中热能，不仅满足了水厂100%能源自给，还满足了Turku市冬季14%的供暖需求及夏季100%的制冷需求。此外，促进全社会碳减排甚至碳中和的发展，可大幅降低社会碳排放水平，促进全社会碳减排甚至碳中和的发展。随着热能回收技术的逐渐成熟及政府相关优惠政策的保障，从污水中回收热能将实现污水处理厂完全能源自给，具有显著经济及社会效益。
2.2 碳抵消方法特点分析
通过上述水务企业碳抵消做法及行业实际情况，水务企业（自来水公司及污水公司）能够通过节能控漏、数字化转型等措施降低碳排放，能够通过光伏发电、水源热泵、沼气发电等措施抵消碳排放，可通过购买清洁能源指标、植树造林等措施最终实现碳中和。
相比污水处理厂具备丰富的热源和转化为能量的有机质，给水厂实现大幅度碳抵消的措施相对较少、实现碳中和的难度更高，同时存在以下问题：①受外界条件限制自身碳排放强度设计仍较高，如果自身碳排放强度较高会造成碳抵消任务较重难以实现碳中和；②最终实现碳中和依赖供水系统外的措施，在“厂外”购买碳指标及植树造林，对供水系统内潜能挖掘不足；③系统性欠缺，一般侧重考虑了给水厂和给水管网，而忽略了供水系统的原水系统部分；④部分措施因投资过大或降低了经济效益，在企业中推广应用存在一定障碍。
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碳中和给水厂实施路径设计
3.1 基本原则
设计碳中和给水厂的基本原则如下：低碳为先、厂内中和、系统筹划、兼顾效益。低碳为先，就是建设的供水系统运行中自身碳排放强度要低，要从规划设计阶段打造低碳水厂。厂内中和，即充分结合供水系统特点，挖掘系统内空间、物质、能量等的利用价值，运用节能减排新技术，在供水系统所属空间内实现碳中和。系统筹划，即将原水系统、给水厂、给水管网视为一个整体，综合考虑其碳排放因素和碳抵消措施。兼顾效益，即相关碳抵消措施要有合理的经济效益，有助于提高企业实施碳中和给水厂的积极性。
3.2 实施路径
给水厂碳中和拟按照“减碳、换碳、抵碳”三类举措予以实现。
（1）减碳。通过低碳水厂设计、节能减排、智慧管控等降低碳排放量，打造低碳水厂。由于给水系统中，取水系统和供水系统碳排放量占比较高，主要表现为泵站加压提升产生的电能耗能较高，可以通过重力流原水系统、重力流给水管网等方式最大限度地降低电耗；另外可以选择水质优良的原水、低药耗工艺，降低制水过程中的药品投加量。
（2）换碳。通过自发清洁电置换外购电，可利用富余水头发电、厂区内建设光伏发电，覆盖厂区内所有的生产、办公等用电。
（3）抵碳。通过自发清洁电上网销售抵消药耗等形成的不可避免的碳排放。
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碳中和给水厂案例实践
4.1 基本情况
大罗水厂是按照上述原则和路径设计、建设、运行的碳中和给水厂，主要建设内容包括14.26万m³/d原水输水系统、大罗水厂(一期5万m³/d)以及接入现有给水输配系统的供水管道。
原水取自八乡水库，水质整体达到《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅱ类水体标准，多数指标达到Ⅰ类水体标准。原水管道为DN1 000球墨铸铁管，原水系统设计为重力流运行，因管道长度仅有6 582m、八乡水库设计运行水位142.50 m、大罗水厂地面高程90 m，原水管道运行时末端有45 m左右的富余水头。
大罗水厂采用常规的网格絮凝-平流沉淀-V型滤池的水处理工艺，混凝剂为聚氯化铝（PAC），消毒剂为次氯酸钠。大罗水厂投产后，原有水厂主要处于备用状态。
4.2 碳中和主要措施
大罗水厂碳中和采用的主要措施有：
（1）低碳设计。优化大罗水厂选址，使得原水和自来水均实现重力流输配，极大地节约了供水系统电耗；选择的原水水质良好，能较好地降低制水药耗。
（2）水力发电。在实现原水和自来水重力流输配的基础上，尽可能提高原水管道末端水压，并利用原水富余水头发电供给水厂用电，经计算可在给水厂内安装250 kW的发电机组（按照富余水头45 m、发电机组效率80%、水厂均匀制水5万m³/d计算，发电机功率为208 kW）。
（3）光伏发电。在水厂建筑物屋顶和水处理构筑物上方安装分布式光伏，光伏布设总面积4844.5 m²，总装机容量587.19 kWp，光伏发电采用“自发自用，余电上网”模式。
（4）智慧管控。积极打造生产智能化、管理数字化、安防智慧化的“智慧水厂”，通过多重“智慧管控”大力推动降碳提效。研发应用智能加药系统，可根据进水水量、水质变化自动调节加药量，通过智能化、自动化，实现药剂配制、输送和投加全流程的减排降碳；通过供水管网压力分区技术、重力流配水压力动态调控技术等控制管网漏损；通过远程数智化统筹管理，实现“少人值守”，大大提高生产运行管理效能。
4.3 碳抵消比例设计值
按照上述方案，主要设计参数如下：全年PAC平均用量2.0 mg/L、次氯酸钠平均用量1.5 mg/L；水厂通水后平均日处理水量在4.0万~5.0万m³/d，综合电耗取值20 kW·h/km³（根据一座重力流给水厂实际用电估算而来）；考虑安装容量、太阳总辐射量、光伏阵列的运行方式、温度影响、线路损耗、逆变器等损耗等因素，第1年~第25年光伏电站累计衰减率考虑为2.5%~15.7%，光伏发电量经测算为69.50万（第1年）~60.09万kW·h（第25年），平均为64.8万kW·h/年；水力发电按照95%的时间运行；因水厂位于广东省，按文献碳排放系数取值0.445 kgCO2/（kW·h）。设计结果如表2所示。
由表2可知，大罗水厂在4万~5万m³/d运行时，按照式（1）计算设计碳抵消比例介于497%~531%，超过100%，可满足运营期碳中和设计要求。
表2 大罗水厂碳抵消比例设计值
4.4 运营期碳中和核算
大罗水厂于2023年7月正式运行，对2023年8月-2024年7月共12个月运行数据进行统计分析，1个年度共处理水量为1572.87万 t，综合电耗平均为16.57 kW·h/km³，PAC用量平均为1.11 kg/km³，次氯酸钠用量平均为1.64 kg/km³。如表3，碳排放系数取值0.445 kgCO2/(kW·h)，经核算1个运营年度碳排放量为150.78 t，碳抵消量为318.05 t，碳抵消比例为211%、远大于100%，大罗水厂运营期满足碳中和。
由表3可知大罗水厂实际碳抵消比例远低于设计值（497%~531%）,这主要是因为实际运行中不能自用的水力发电量暂未上网，导致仅启动了1台50 kW·h的管道水力发电机组、且基本处于20 kW·h的运行状态，从而水力发电量仅为设计值的十分之一左右。
表3 大罗水厂碳相对“零排放”核算
大罗水厂碳排放强度仅为0.00959 kgCO2/t，供水系统电耗（包括滤池反冲洗等生产、办公、生活用电）为16.57 kW·h/km³，仅为行业内平均水平（243.17 kW·h/km³）的6.81%。通过计算可知，仅光伏发电就可使碳抵消比例达到157%，这较国内绝大部分分布式光伏发电量不能满足水厂自用现状有很大突破，主要得益于水厂的低碳设计。
4.5 经济效益与可推广性分析
大罗水厂原水和自来水均按照重力流输配设计，较行业平均水平可节约93%以上的电耗，可大大降低运行电费、提高经济效益。
类似这种给水厂实现低碳排放与碳中和，首先水源地与用户要有足够的高程差，使原水与自来水可重力流输配甚至有一定的富余水头可供转换为绿电，其次厂区要有一定的光照资源。我国山区面积占全国国土总面积的69.1%，为低碳水厂设计提供了高程差条件；我国大部分地区有丰富的太阳能资源（全国各地太阳年辐射总量为3 282~7 708 MJ/m²，平均值为5 031 MJ/m²），在常规工艺设计的给水厂安装光伏有较好的碳抵消作用和经济效益。因此，本文设计的碳中和给水厂模式具有一定的推广条件，在广东省粤西、粤东、粤北等地区均有相关给水厂具备实施条件。
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结 语
在我国提出“双碳”战略目标背景下，实现给水厂碳中和是当前水务行业的热点课题，本文针对碳中和给水厂提出了低碳为先、厂内中和、系统筹划、兼顾效益”的设计原则，提出了减碳、换碳和抵碳的实施路径，并按照该原则和实施路径建成碳中和给水厂——大罗水厂。该水厂碳排放强度仅为0.00959 kgCO2/t，实现低碳运行，在供水系统内采用的碳抵消措施可将碳抵消比例达到211%以上，实现了给水厂碳中和并可额外贡献碳指标。
微信对原文有修改。原文标题：碳中和给水厂实施路径设计与实践；作者：郑成志、王晶惠、孙国胜、卢宝光、郑航桅、李旭宁、徐叶琴；作者单位：广东粤海水务股份有限公司、哈尔滨工业大学水资源国家工程研究中心有限公司、城市水资源开发利用（北方）国家工程研究中心、广东粤海控股集团有限公司。刊登在《给水排水》2025年第4期。
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