專家觀點 | 北京排水集團綠色低碳發展規劃與實踐
“新質生產力賦能浙江城鄉水務高質量發展”研討會暨浙江省城市水業協會2024年年會于2024年9月4-6日在浙江寧波舉辦。會議精心邀請60余位行業專家與會交流，來自浙江省水務企業、高等院校、設計院、研究院、政府部門及國內友好交流單位等近千位水務同仁、專家、學者參加了此次會議。
雙碳背景下北京排水集團
綠色低碳發展規劃與實踐
葛勇濤
北京城市排水集團有限責任公司通惠河流域分公司黨總支書記兼總經理、北京北排環境檢測公司董事長、教授級高級工程師
2020年9月，習近平主席在參加第75屆聯大會議上指出“雙碳”戰略——中國要在2030年前碳達峰，在2060年前實現碳中和。在“雙碳”戰略目標的引領下，污水處理行業如何發展才能實現綠色低碳發展和碳中和呢？分享給大家一些北排的做法。
一、北京排水集團
基本情況
北京排水集團是市屬公共服務類一級企業，主要負責中心城區雨污水收集、污水處理、再生水回用、污泥處理處置各項工作，集團培育發展了以創新為主導，集水環境治理投融資、設計研發、工程建設、裝備制造、設施運營于一體的全產業鏈能力。
在中心城區一共有17座污水廠，污水處理能力為430萬噸/天；在全國大概有幾十座污水廠，有600萬噸的處理能力；污泥處理中心有五座，處理能力是6128噸/天，為了解決污泥出入和路徑的問題，排水集團處理著整個北京市的污泥。
運營管理理念
以前認為污水處理廠是一個灰色的、高耗能的企業，但現在逐漸在向未來水廠方向發展，是一個綠色低碳的企業，曲院士、王洪臣教授等六位專家提出了概念污水廠的理念，在宜興和河南睢縣已經建成了，其實北排也在探索往這方面的發展。相比較于傳統污水處理廠，資源、能源、低碳再生廠有社會友好和環境友好的特點，具體體現在以下幾個方面：
第一方面是再生水回用。北京市是一個嚴重缺水的城市，除了雨水之外，沒有地表水，目前的飲用水都來自南水北調，每年為北京市提供10~12億立方米的再生水，就是丹江口水庫的水。北京中心城區生活飲用水的用量一年大概在12億立方米左右。目前北京市的四條河流（清河、壩河、通惠河、涼水河）都是青石綠岸，魚翔淺底了，不少市民都下河游泳或釣魚。
第二方面是臭氣。以前有鄰壁效應，現在的自來水廠基本都是半地下式或者全地下式，都會進行臭氣的處理，保證空氣清新。
第三方面是營養土。以前污泥一直是污水處理中很難處理的一個重要因素，現在我們把所有的污泥進行了熱水解，制成營養土回歸土地。上海所有的水廠建了污泥焚燒，日本可能也做污泥焚燒，但是如果從污泥的循環利用的角度來考慮，應該把污泥進行消化，處理之后要回歸土地，這是一個綠色的循環的過程。把消化池產生的沼氣用來發電，恢復全廠的電能，實現了沼氣的熱電聯產。還有水源熱泵，中心城區所有的水廠用的都是水源熱泵，提取水的能量，夏天用來制冷，冬天用來供暖。
最后是光伏，把有條件的水廠全部建設光伏系統。
廠網一體化
北京排水集團是在全國第一個實現廠網一體化運營調度的集團公司，即北京市一萬多公里的管網，包括18座再生水廠都是由一個集團公司來進行運行管理和調度的。這樣可以實現水量的預調，最大程度減少河流的污染，還可以實現經濟運行。
廠網一體化它是如何實現的？在2017年，把中心城區的17座水廠分為清河、壩河、通惠河、涼水河這四個領域進行管理，這些河流的水廠和管網由一個公司來進行管理，就實現了源廠網一體化。現在環保部關注的是夏季下雨時河流斷面是否達標。在旱季不下雨時北京的四個斷面是達標的，沒有溢流，汛期時有合流制溢流污染，此時就是考驗能力的時候。我們通過提前騰空管網、通過一些調蓄池的建設、通過一個流域之內幾個水廠之間的運行調度最大能力地減少合流制溢流污染的發生，現在基本斷面都是達標的，而且鄰域之間是可以調水的。第一個流域是清河流域，第二個流域是壩河流域，第三個是通惠河流域，第四個是涼水河流域。壩河，通惠河和涼水河是可以互相調水的。
舉個例子，高碑店再生水廠和定福莊水廠之間可以互相調動，高碑店可以向定福莊水廠調20萬噸水，定福莊水廠可以向高碑店水廠調10萬噸水。如果高碑店處于高負荷運行時，就從定福莊廠調水，實現兩個廠的水量均衡。第二個優勢是經濟運行，高碑店的運行成本高于定福莊30%~50%，因為高碑店再生水廠有污泥消化，定福莊水廠就是一個A2O工藝，所以在枯水季的時候讓定福莊水廠滿負荷運行，其他的水量用高碑店運行。這樣做可以讓經濟達到最優，運行成本最低。
污泥處理“151”模式
“151”是什么？第一個1是一條工藝路線——熱水解+厭氧消化+板框脫水，后續加厭氧氨氧化處理工藝；5是五個污泥處理中心，6128噸的污泥處理能力；最后一個1是資源化利用的方向。
二、碳中和規劃
全球碳排放的情況
2022年，全球的碳排放量大概是在405億噸左右，我國碳排放大概130億噸，占全球的30%。這就是歐洲，北約和美國等國家認為中國碳排放量大的原因。但我國人口基數大，有14億人口，而美國只有3.5億人口，在人均碳排放量上，我國只占全世界的第七位，最高的是美國，美國才是碳排放大戶。
對于各行業碳排放的情況，電力、鋼鐵、建材、石化、化工、有色金屬、環保、造紙、航空領域的碳排放量占了80%。而環保行業，特別是污水處理行業包括自來水，碳排放量只占1%左右，全年總量是1~2億噸，雖然只占1%~2%，但是碳中和或減污降碳的潛力非常大。因為2020年提出了雙碳目標，后來進入了生態文明的基本架構，上升為國家戰略。
那么污水廠應該怎么辦？在2021年的1月份到6月份，半年時間，集團所有的部門由生產部牽頭，做全集團公司的碳中和。6月份發布了碳中和規劃和實施方案，基本分三步走戰略，第一步就是在2025年，碳排放量和強度下降20%；第二步是到2035年碳排放量和強度下降40%；第三步是到2050年基本實現碳中和。
北排綠色低碳發展路徑的
三大創新、十項舉措
三個創新就是管理創新、技術創新和生產服務創新。
其中，舉措包括廠網一體化運營調度、精細化運營管理、設備設施的提升，以及智慧化的運營管理。
技術創新很重要，包括熱電聯產、光伏、水源熱泵，還有北排自己研發的厭氧氨氧化和好氧顆粒污泥工藝，這兩項工藝在全球是領先的。而且厭氧氨氧化在8月加拿大多倫多舉行的IWA水務創新獎中獲得了金獎。
生態服務創新就是再生水需要回用、污泥回歸土地。
三、碳中和實施路徑與實踐
如何做到碳中和？
首先是降碳——管理創新、提升系統綜合效能。
污水處理廠一年四季，包括每一天的污染物負荷都不一致，污染物負荷最高的時間點在每年的3月~5月之間。有很多人會問為什么不是汛期？汛期水量是最大的，但是汛期的COD、污泥濃度、進水濃度是非常低的，所以負荷最高的時候就是3月~5月。
北排集團做了17個水廠十年加權平均的污染物濃度分析圖，根據人類活動和用水規律做了水質模型、水量模型和污染物模型，讓它自動運行。還有對高碑店水廠的全流程描述，包括從凈水到出水，特別是生物系統、污水處理系統和再生水系統之間如何實現多點配水？如何實現控制中末端溶解氧？如何控制回流比？如何控制ORP等。只有ORP足夠低的情況下才能實現有效的脫氮和除磷。北排有個大數據模型對這些進行優化和精確控制，設備和設施效能必須要發揮到最大，凈水泵要在最優參數內運行；給鼓風機做了一個精確曝氣系統，是自動調節，可以實現精確控制，能將溶解氧穩定控制在1~1.5mg/L，這就節省了很多的電能，鼓風機節電一年就可以達到15%以上。
北排集團建立了三級運營調度平臺，就是剛才向專家們介紹的智能控制系統，分為三級，第一級是在集團總部的大廳，所有的管網的數據、所有水廠的數據，包括進水水量，水質，抽升情況，溢流情況等都一目了然，同時，北排集團也是北京市的防汛的調度中心，在下雨的時候，整個橋區的情況，淹泡的情況都能看見；第二級是流域分公司，有四個流域分公司，每個流域分公司都有一個控制系統；第三級就是17個再生水廠。
其次是替碳——技術創新，多點高效推進碳排放。
（1）早期的熱電聯產：北京排水集團有五個污泥處理中心，分別是高碑店廠、小紅門廠、槐房廠、清河二廠和高安屯廠。這五個中心處理能力是6128噸/日，不僅處理自己的污泥，還包括北京市其他集團的污泥，承擔社會責任。把五個中心都建了沼氣發電機組，總容量25.6MW，一開始預計一年的產沼氣量8000萬立方米，發電量8000萬度。目前，高碑店廠和高安屯廠加起來發電量達到5000多萬度，這就說明對于污水處理廠的綠色低碳和碳中和來說，消化系統至關重要，沒有消化，綠色低碳就無從談起。因為把全廠裝入光伏板之后，只能替代全廠電能的10%左右，如果建了污泥消化，在后續加了參數協同就會產生大量的沼氣，這個沼氣可以回補，高安屯廠就可以實現電能的百分之百自給，一年的用電量是在4000萬度左右，但發電量可以達到4800萬度。
（2）目前在六個水廠安裝了光伏板，像清河廠、酒仙橋廠，高安屯廠、定福莊廠、小紅門廠都建光伏，發電量可以達到一年達到4000萬度。
（3）水源熱泵的工作原理像冰箱，也像空調，冰箱用的是空氣，把空氣的熱能進行了轉化。而水源熱泵其實是把水的熱能進行轉化，冬天時污水處理廠的水溫高于環境的溫度。夏天時水溫低于環境的溫度，把熱量差提出來后用來制冷和供暖。
（4）好氧顆粒污泥技術。北排在吳家村廠8萬噸和閥頭廠10萬噸，建了兩個好氧顆粒污泥中心，這兩個水廠已經運行了非常穩定，這是一個綠色低碳耗能的工藝，節能50%以上。
（5）厭氧氨氧化技術，也就是紅菌。紅菌培養難度極大，從沒有到培養成功需要一年的時間，生長周期很長，一旦培養成功繁殖速率很快，因為不需要碳源、需要極少的電能，可以省電50%以上，碳源基本是零投加。北排建成了全球最大的厭氧氨氧化處理中心，五個污泥中心都使用厭氧氨氧化技術。430萬噸的水產生的污泥，消化的濾液全部通過它來處理，是全球最大的。這個工藝在8月份加拿大的國際水協會議獲了創新金獎，也是亞洲唯一的金獎。
最后是固碳——生態服務創新，不斷實現碳抵消中和。
（1）再生水回用：北京市一年的用水量是40億立方米左右，其中30億立方米是用于農業，10億立方米是生活用水，每年產生大概12億立方米的再生水，占水源的25%，這部分全部用來回用，這是北京市中水回用利用率最高的，因為北京市缺水。我以前經常去圓明園，圓明園由清河補給，一天補給的水量是5萬立方米；而頤和園是用地表水來補給的，是用南水北調的水，一天只允許用5000噸，這個差別就出來了。圓明園野生的魚類很多，水深在3~4米，清澈見底，最早有兩只黑天鵝，現在已達到幾十只，繁殖的很快，因為黑天鵝對水質要求是非常高的，說明水質沒問題。
（2）污泥資源化利用：目前圓明園、翠湖濕地公園、包括礦山修復污泥都在使用，是一個非常好的肥料。北排在這方面也獲得了一些獎項，像北京市的首都頭部企業；小紅門廠和清河二廠被全國評為了綠色低碳的標桿；住建部和環保部在2022年做了一個選拔，北排也是唯一一個入選的水務行業的綠色低碳的企業；參加了去年迪拜的COP28全球氣候峰會，當時丁薛祥副總理也去了，還獲得了幾個獎項；兩次獲得了IWA的金獎，第一次是2018年，第二次是今年好氧顆粒污泥工程，是全球唯一一個在IWA上獲過兩次金獎的環保企業；在2022年，在由全球水務智庫（GWI）主辦，在西班牙馬德里召開的全球水峰會上獲得“全球水務行業最佳領導者”金獎，等。
四、水表安裝進行維修
綠色低碳發展之路依然很漫長，基于不同的地域、不同的集團公司、不同的資金背景等，還有許多工作需要完成。北京排水集團積極踐行國家生態文明建設發展戰略，響應國家碳達峰碳中和總體布局，深入實施《北京排水集團碳中和規劃》，秉持綠色低碳、開放融合、深化合作、共創共贏的理念，在水務行業碳減排碳中和工作中發揮示范和引領作用，為生態文明建設做出更大貢獻。綠色低碳發展，碳中和之路一定會實現，希望大家可以一起交流，促進北排集團和中國的高質量發展。
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