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(jù)歐盟統(tǒng)計局統(tǒng)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(jù)美國環(huán)保局統(tǒng)計，2019年污水處理產(chǎn)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(fā)酵產(chǎn)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(yè)碳排放量占社會總排放量的1%～2%?？偟膩碚f，污水處理是實現(xiàn)碳排放控制不可忽視的行業(yè)，而污泥的處理處置過程是影響污水處理行業(yè)碳排放的重要環(huán)節(jié)。

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(chǎn)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(guī)劃中明確要求“推廣污泥集中焚燒無害化處理”?！冻擎?zhèn)生活污水處理設施補短板強弱項實施方案》(發(fā)改環(huán)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(zhèn)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(fā)，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(huán)節(jié)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(jīng)存在的CO2通過循環(huán)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(chǎn)生N2O，不完全焚燒時會產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(huán)節(jié)的碳排放總量。根據(jù)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?shù)?。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(chǎn)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(chǎn)生的沼氣和沼氣燃燒產(chǎn)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(jù)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(tǒng)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(jù)相關標準規(guī)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(tǒng)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(jié)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，F(xiàn)eCl3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?shù)奶寂欧?/strong>

深度脫水后污泥長距離運輸?shù)教盥顸c過程會由于車輛耗油產(chǎn)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(chǎn)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(jù)式(8)計算出填埋的CH4產(chǎn)量，再根據(jù)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(chǎn)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(jīng)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(huán)境產(chǎn)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(tǒng)、焚燒系統(tǒng)、煙氣處理系統(tǒng)及相關配套供輔系統(tǒng)。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(jīng)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(chǎn)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(tǒng)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(jù)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(jù)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(jié)計算。

2.2.6 建材利用碳減排

根據(jù)《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(chǎn)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(chǎn)生的灰渣全部用于建材再生原料，反算出水泥生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)建材，可以替代建材礦物原材料生產(chǎn)產(chǎn)生的碳排放，產(chǎn)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(chǎn)生碳匯，更利于碳減排。目前上海地區(qū)污泥焚燒灰渣已推廣應用于建材利用。