基于碳減排的污水廠污泥處理處置全流程最佳技術路線分析
導 讀：近年來，“碳達峰”“碳中和”備受關注，“3060”碳目標更是大大推進了社會各界對碳減排路徑和能源結構轉型的深入研究。據歐盟統計局統計，2019年歐盟27國及英國、冰島的污水和固體廢物處理的碳排放量占全社會碳排放量的3.3%，是歐盟第四大碳排放部門。據美國環保局統計，2019年污水處理產生的CH4排放量約占全美國CH4排放量的2.8%，污水處理和污泥好氧發酵產生的N2O排放量達到了全美國的6.2%。我國碳排放量占全球總量的25%以上，是碳排放大國，其中污水處理行業碳排放量占社會總排放量的1%～2%。總的來說，污水處理是實現碳排放控制不可忽視的行業，而污泥的處理處置過程是影響污水處理行業碳排放的重要環節。
厭氧消化和焚燒是主流的污泥處理工藝。厭氧消化因為可以生成沼氣進行能源回收利用而在歐美國家得到廣泛應用。美國年產750萬t干污泥(dry sludge，DS)，建設了650座集中厭氧消化設施，58%的污泥進行了厭氧消化。相比而言，我國采用厭氧消化的污泥處理工程較少，厭氧消化普及率僅為3%。污泥焚燒由于減量化效果明顯，且安全徹底，在我國第十四個五年規劃中明確要求“推廣污泥集中焚燒無害化處理”。《城鎮生活污水處理設施補短板強弱項實施方案》(發改環資﹝2020﹞1234號)中明確“推廣將生活污泥焚燒灰渣作為建材原料加以利用”。
目前，城鎮污水處理廠的污泥濃縮后的處理處置路線較多，本文主要討論污泥深度脫水(含水率為60%)+填埋、污泥脫水(含水率為80%)+干化焚燒+填埋或建材利用、污泥厭氧消化+脫水(含水率為80%)+干化焚燒+填埋或建材利用3種路線。
有研究比較了污水處理廠建設、運行和拆除階段的全生命周期的碳排放構成，結果表明，污水處理廠運營期內碳排放比例最高，占整個生命周期的90%以上。因此，本文從污泥處理處置運行角度出發，基于我國污泥泥質特點，以濃縮污泥為起點，計算以上3種污泥處理處置技術路線的碳排放，通過定量分析我國污泥處理處置環節的碳排放量，提出適合于我國污泥處理處置的低碳減碳技術路線。
一、碳排放研究方法
1.1 碳排放核算邊界
碳排放是向大氣中釋放溫室氣體或溫室氣體前體物的過程或活動，可分為直接排放和間接排放兩種途徑。直接碳排放指污泥處理處置過程中排放的CO2、CH4和N2O。其中由各種生物活動引起的CO2排放是生物成因的碳排放，是大氣中已經存在的CO2通過循環過程再釋放到大氣中的過程，不納入國家碳排放總量，如污泥厭氧消化生成的CO2和焚燒生成的CO2，而CH4和N2O應納入國家碳排放總量，厭氧消化過程中生成的CH4一般被收集利用，CH4的排放量以0計。污泥焚燒過程中會產生N2O，不完全焚燒時會產生CH4，應計入直接碳排放，但污泥干化焚燒項目中焚燒溫度高、湍流度高、煙氣停留時間長，一般不會產生CH4，因此，本文干化焚燒CH4排放量以0計。
間接碳排放主要包括在污泥處理處置過程中消耗的電能、天然氣、化學藥劑等引起的碳排放，這些能耗和物耗產生的碳排放應納入國家碳排放總量。
碳匯是將溫室氣體或溫室氣體的前體物從大氣中清除出去的過程、活動或機制，其碳排放是負值。如厭氧消化過程中的沼氣產能、焚燒的熱能回收利用、土地利用替代N/P/K肥、建材利用替代水泥等原料產生的碳匯。
本文選取CO2、CH4和N2O的排放量(均以CO2排放當量計)計算各個環節的碳排放總量。根據IPCC第四次評估報告提供的參考，CO2的全球變暖潛能值為1，CH4和N2O的全球變暖潛能值分別為25和298。
本文碳排放核算邊界如圖1所示，核算對象為污泥處理處置全流程，污泥處理包括深度脫水、干化焚燒、厭氧消化+干化焚燒，污泥處置包括污泥填埋和建材利用。間接碳排放包括污泥處理處置全流程中能量輸入、藥劑投加和運輸等。直接碳排放包括污泥處理處置全流程中CO2、CH4和N2O的排放。碳匯包括厭氧消化生成的沼氣產能和污泥灰渣建材利用。核算時，假設填埋氣體全部得到回收，污泥厭氧消化工藝中產生的沼氣和沼氣燃燒產生的熱量全部得到回用。
1.2 碳排放核算方法
本文選用《2006年IPCC國家溫室氣體排放清單指南》提出的排放因子法，根據IPCC提供的排放因子和部分符合我國國情的排放因子，結合工程實例進行計算。
本文計算的3種污泥處理處置技術路線的碳排放均以含水率為95%的濃縮污泥為處理對象，碳排放計算起點統一為污泥濃縮過程之后，計算如式(1)～式(12)，如表1所示。
1.3 碳排放因子
計算中涉及的碳排放因子取值如表2所示。
二、濃縮后·污泥處理處置工藝的碳排放核算
2.1 污泥深度脫水（含水率為60%）+填埋的碳排放
濃縮后的污泥先進行深度脫水，然后進行填埋處置。
2.1.1 深度脫水的碳排放
根據相關標準規定，污泥填埋的含水率要求小于60%。以某污泥深度脫水工藝(投加FeCl3和生石灰藥劑調理并采用隔膜壓濾系統脫水)為例，污泥脫水后含水率為60%，過程的比能耗為50.5 kW·h/(t DS)。按式(5)計算深度脫水碳排放。
2.1.2 藥劑投加碳排放
采用2.1.1小節的深度脫水工藝，投加的藥劑為FeCl3(干污泥量的8%)和生石灰(干泥量的20%)，按照《建筑碳排放計算標準》(GB/T 51366—2019)和IPCC給出的參考值，生石灰的碳排放因子為1.19 kg CO2/kg，FeCl3的碳排放因子為8.3 kg CO2/kg，按式(6)計算碳排放。
2.1.3 運輸的碳排放
深度脫水后污泥長距離運輸到填埋點過程會由于車輛耗油產生碳排放。假設運輸車輛耗柴油，滿載時能耗取0.255 kg柴油/km，空返能耗取0.153 kg柴油/km，柴油的碳排放因子為3.186 kg CO2/kg。取污泥產生點與污泥填埋點的距離為50 km，運輸車輛滿載重量為10 t。按式(7)計算污泥填埋運輸過程的碳排放。
2.1.4 填埋的碳排放
假設脫水后污泥有機質(VS)含量為50%，填埋過程中實際分解的有機碳比例取IPCC推薦值50%，厭氧填埋的CH4修正因子可取100%，填埋氣體中的CH4體積比為50%。根據式(8)計算出填埋的CH4產量，再根據其全球變暖潛能值計算CO2排放當量。
由表3可知，深度脫水的藥耗和電耗的碳排放為947.2 kg CO2/(t DS)，其中藥耗碳排放比例較大，達到90%以上；深度脫水后污泥運輸過程中產生的碳排放量較小，為16.2 kg CO2/(t DS)，不是重要的碳排放源；污泥填埋會釋放出大量未經收集利用的CH4氣體，碳排放達到4 166.7 kg CO2/(t DS)，屬于高水平的碳排放工藝。脫水污泥填埋處置不僅占地面積大，且會對環境產生二次污染，應盡量避免。
2.2 污泥脫水（含水率為80%）+干化焚燒+填埋或建材利用的碳排放
濃縮污泥依次進行脫水(含水率為80%)、干化焚燒后，灰渣的最終去向包括填埋和建材利用。污泥干化焚燒包括干化系統、焚燒系統、煙氣處理系統及相關配套供輔系統。主要能耗和電耗包括天然氣(或蒸汽)、電能、藥耗等。
2.2.1 脫水碳排放
濃縮污泥含水率為95%，經脫水后含水率為80%，此時脫水過程比能耗為28.3 kW·h/(t DS)，按式(5)計算污泥脫水碳排放。
2.2.2 藥劑投加碳排放
污泥脫水過程消耗的藥劑主要是聚丙烯酰胺(PAM)，投加量為污泥干基的0.20%～0.50%，本文取0.35%，PAM生產的碳排放量為30 kg CO2/kg，按式(6)計算。
2.2.3 污泥干化焚燒碳排放
以某工程干化焚燒系統為例，當VS為50%、污泥熱值為12 000 kJ/(kg DS)時，干化焚燒階段天然氣比能耗為88.5 Nm3/(t DS)，天然氣的碳排放因子為1.98 kg CO2/m3。干化焚燒階段電能比能耗為442 kW·h/(t DS)。根據式(9)、式(10)計算污泥干化焚燒的碳排放量。當污泥VS降低，干化焚燒階段天然氣比能耗相應增加。
2.2.4 污泥焚燒的N2O排放
污泥燃燒過程中會釋放N2O氣體，N2O的排放因子為990 g N2O/(t DS)，按式(11)計算污泥焚燒的N2O排放，并根據其全球變暖潛能值得到相應的碳排放量。
2.2.5 灰渣填埋碳排放
若污泥焚燒充分，焚燒后只剩下無機灰分，其填埋不會再生成CH4氣體，故灰渣填埋的碳排放量忽略不計。填埋過程運輸碳排放參照2.1.3小節計算。
2.2.6 建材利用碳減排
根據《建筑碳排放計算標準》(GB/T 51366—2019)，使用污泥焚燒后灰渣作為再生原料生產建材時，應按其所替代的初生原料的碳排放的50%計算，普通硅酸鹽水泥的碳排放因子缺省值為735 kg CO2/(t水泥)。污泥焚燒灰渣可替代5%～20%的水泥礦物原材料，本文取15%。污泥焚燒后，灰渣重量為原污泥減去VS后剩余的干基重量，即當VS含量為50%時，灰渣重量為原污泥干基重量的50%，按照產生的灰渣全部用于建材再生原料，反算出水泥生產量，按式(12)進行碳排放計算。
由表4可知，污泥脫水的電耗和藥耗的累加碳排放為130.3 kg CO2/(t DS)。污泥干化焚燒的天然氣和電耗的累加碳排放為547.5 kg CO2/(t DS)，其中約72%為電耗碳排放；干化焚燒的直接碳排放為295.0 kg CO2/(t DS)，主要為N2O的碳排放，干化焚燒的總碳排放為842.5 kg CO2/(t DS)。因此，脫水+干化焚燒的總碳排放為972.8 kg CO2/(t DS)。
污泥焚燒后產物填埋不會再生成CH4氣體，填埋的碳排放主要來自運輸，僅為3.2 kg CO2/(t DS)，脫水+干化焚燒+填埋的總碳排放為976.0 kg CO2/(t DS)。污泥焚燒后灰渣如果能作為再生原料生產建材，可以替代建材礦物原材料生產產生的碳排放，產生的碳匯為-36.8 kg CO2/(t DS)，總碳排放為936.0 kg CO2/(t DS)。污泥干化焚燒后填埋或建材利用的碳排放基本相當，但灰渣建材利用可以產生碳匯，更利于碳減排。目前上海地區污泥焚燒灰渣已推廣應用于建材利用。
2.3 污泥厭氧消化+脫水+干化+焚燒+填埋或建材利用的碳排放
濃縮后的污泥依次進行厭氧消化、脫水(含水率為80%)、干化焚燒，污泥的最終去向包括填埋或建材利用。
2.3.1 電能消耗產生的碳排放
厭氧消化的主要用電設備包括污泥泵(進泥泵和循環泵等)和污泥攪拌設備等。以某工程污泥厭氧消化系統為例，污泥厭氧消化電耗為105 kW·h/(t DS)，電力排放因子取《2019年度減排項目中國區域電網基準線排放因子》電量邊界排放因子平均值[0.895 t CO2/(103 kW·h)]，按式(1)計算厭氧消化電能消耗產生的碳排放量。
2.3.2 污泥加熱產生的碳排放
按照式(2)和式(3)計算污泥加熱產生的碳排放，其中初始污泥溫度取平均值(15 ℃)，以中溫厭氧消化(37 ℃)條件進行計算。K為水的比熱容，取值為4.2 kJ/(kg·℃)，鍋爐產熱的熱效率為90%，IPCC給出的天然氣碳排放因子缺省值為56.1 t CO2/TJ。
2.3.3 沼氣產能產生的碳匯
我國剩余污泥VS含量差異較大，一般在50%～65%。根據《城鎮污水處理廠污泥厭氧消化技術規程》(T/CECS 496—2017)，污泥厭氧消化有機物降解率為35%～45%，本文取40%；沼氣產氣率為0.75～1.10 m3/(kg VS去除)，本文取0.93 m3/(kg VS去除)；沼氣綜合利用效率為0.95；根據《上海市溫室氣體排放核算與報告指南(試行)》，確定CH4熱值為38.93×103 kJ/m3。按照式(4)計算厭氧消化沼氣產能，再根據式(1)計算沼氣替代化石燃料的碳減排量。
以某工程厭氧消化+干化焚燒系統為例，VS取值為50%，污泥消化后干基熱值降低約20%，參照2.1小節和2.2小節的方法進行碳排放計算。
由表5可知，污泥厭氧消化的電能和熱能碳排放為209.2 kg CO2/(t DS)，厭氧消化產生沼氣回收利用產生的碳匯為-385.9 kg CO2/(t DS)，則厭氧消化的碳排放為-176.7 kg CO2/(t DS)，即當VS為50%，污泥進行中溫厭氧消化可以實現能量自給自足，且產能高于耗能。脫水的碳排放為104.3 kg CO2/(t DS)，由于脫水程度不同，藥劑投加種類和劑量不同，脫水碳排放遠低于2.2小節中深度脫水的碳排放。厭氧消化后污泥VS含量降至37.5%，污泥干重降至40 kg，污泥熱值降至約10 000 kJ/(kg DS)，天然氣比能耗增加到142 Nm3/(t DS)，污泥干化焚燒的間接碳排放(天然氣和電耗)為493.9 kgCO2/(t DS)，其中天然氣約占36%，電耗約占64%。干化焚燒的直接碳排放為236.0 kg CO2/(t DS)，干化焚燒總碳排放為729.9 kg CO2/(t DS)。厭氧消化+脫水+干化焚燒的總碳排放為657.5 kg CO2/(t DS)，比2.2小節中脫水+干化焚燒的碳排放[972.8 kg CO2/(t DS)]低約32%。
污泥焚燒后灰渣填埋碳排放為2.6 kg CO2/(t DS)，建材利用的碳匯為-45.9 kg CO2/(t DS)。因此，污泥厭氧消化+脫水+干化+焚燒+填埋的碳排放為660.1 kg CO2/(t DS)，污泥厭氧消化+脫水+干化焚燒+建材利用的碳排放為611.6 kg CO2/(t DS)。由2.2小節和2.3小節可知，厭氧消化+干化焚燒+填埋/建材利用比直接干化焚燒+填埋/建材利用的碳排放減少約30%。
三、污泥處理處置路線碳排放比較
根據上述碳排放方法計算，以上述某工程的厭氧消化和干化焚燒系統為例，可以計算出不同VS含量的濃縮污泥對應的不同處理處置過程的碳排放。
當干化焚燒進泥含水率為80%，VS含量為50%、55%、60%、65%時，焚燒時天然氣比能耗分別為76.7、56.0、34.7、14.7 Nm3/(t DS)，電能比能耗為442 kW·h/(t DS)，不同處理工藝的碳排放如圖2所示。
隨著污泥脫水后含水率降低，第三種技術路線的碳排放相應降低，這是因為污泥干化焚燒的能耗隨著污泥脫水后含水率的降低而降低，且當污泥脫水后含水率降至一定程度時，焚燒爐不僅能自持燃燒，焚燒產生的蒸汽還能進行回收利用產生碳匯。由圖4可知，當濃縮污泥VS達到70%，污泥脫水后含水率達到55%時，厭氧消化+干化焚燒+建材利用的碳排放為負值，即污泥處理處置全流程達到碳中和。
結束語
以含水率為95%的濃縮污泥為起點，比較深度脫水+填埋、脫水+干化+焚燒+填埋/建材利用、厭氧消化+脫水+干化+焚燒+填埋/建材利用的碳排放量，結果如下。
1)污泥處理工藝中，當濃縮污泥VS含量在50%～65%時，深度脫水的碳排放和厭氧消化+脫水+干化焚燒的碳排放相當，脫水+干化焚燒的碳排放最高。深度脫水的主要間接碳排放是深度脫水的藥耗，脫水+干化焚燒的主要間接碳排放是干化焚燒的天然氣能耗和電耗，主要直接碳排放是N2O。
2)從污泥處理處置全流程碳排放來看，當填埋處置時，隨VS升高，深度脫水后填埋的碳排放始終遠高于干化焚燒后填埋的碳排放，前者為后者的5倍以上，直接干化焚燒和厭氧消化后再干化焚燒的碳排放量相當。深度脫水后填埋為高碳排放處置方式，應盡量避免。
3)結合污泥最終去向和工程實例，第三種污泥處理處置技術路線更具碳減排優勢，且當濃縮污泥VS含量和污泥脫水后含水率達到一定要求時，可以實現污泥處理處置全流程碳中和，應加快推廣應用。
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