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污泥处理处置路径碳排放分析

时间：2023-11-19 来源：浏览：

污泥处理处置路径碳排放分析

46危废

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来源：《工程建设标准化》费建志熊丽

· 摘要 ·

污泥是污水处理过程中产生的主要产物，是一种由有机质、微生物菌体、原生动物虫卵、无机颗粒和胶体等组成的极其复杂的非均匀体，含水率超过80%。污泥有机物含量高，容易腐化发臭，如果不经过处理处置，会对环境造成二次污染。基于此，文章重点就污泥处理处置路径碳排放展开论述。

引言

我国是全球碳排放量最高的发展中国家，并提出了在2030年实现碳达峰，在2060年实现碳中和的目标｡废弃物(包括污泥)处理是我国碳排放的重要来源，在碳中和背景下，需要对不同污泥处理路径的碳排放情况进行系统分析。

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污泥处理特性及处理处置应遵循原则

城镇生活污水污泥是污水处理厂在对污水进行处理过程中，由生物反应池中活性污泥产生在并二沉池中进行沉淀絮凝而成的。本文讨论的城镇污水厂污泥主要指有机污。主要包括少量初沉污泥，剩余活性污泥和腐殖污泥。污泥处理处置是生活污水处理主要内容，是污水处理全链条达标排放的重要指标。城镇生活污水污泥的处理处置应遵循减量化、稳定化、无害化、资源化的原则。无害化处理处置是判定污水综合治理成效的重要指标，有必要强化对有害有毒物质的源头管控，结合污泥特性和最终安全处置要求，采用技术可行、经济合理、安全有效的方式处理、处置污泥，并实施污泥处理、处置全过程管理，最终实现污泥处理处置能效的提升。

研究方法

为了便于不同污泥处理处置路径碳排放之间进行比较,本文统一以处理1t污水处理厂出厂脱水污泥(含水率80%)作为研究对象｡本文研究的六种污泥处理处置路径包括填埋､焚烧､热解､好氧堆肥､厌氧消化和湿式空气氧化,每种路径的常见工艺流程和主要碳排放单元如图1所示｡由于厌氧消化､湿式空气氧化对进泥含水率要求较高,将脱水污泥调质至含水率到90%｡不同污泥处理处置路径的净碳排放包括因气体泄露､土地利用等产生的直接碳排放,因能源､药剂消耗等产生的间接碳排放以及因污泥厌氧消化产沼气热电联产､好氧堆肥产品土地利用和污泥热解产物替代等产生的碳减排三个部分｡其中污泥因发酵､焚烧等生物成因CO2不计入碳排放｡污泥处理处置环节产生的其它温室气体如甲烷(CH4)､氧化亚氮(N2O)按100年全球增温潜势换算成二氧化碳排放当量核算｡

图1 污泥主要处理处置路径及碳排放单元

本文根据2006年IPCC出版的《国家温室气体清单指南》中给出的核算准则，依据全生命周期评价思路，采用质量平衡模型,评估了污泥处理处置路径碳排放｡污泥有机质含量作为对碳排放影响较大的敏感因子,设置40%､50%､60%和70%四个水平进行分析，此时污泥厌氧消化有机质降解率分别为20%､35%､40%和50%,沼气产率分别为80､175､240和350m3(tDS)-1 ，干基热值为8750､11250､13750和16250kJ(kgDS)-1｡污泥经热水解后,厌氧消化可降解的有机质增多，且污泥厌氧消化的有机物降解率和沼气产量提高｡本研究取有机质降解率提升20%,沼气产量提升30%计算,则有机质降解率分别提升至24%､42%､48%､60%,沼气产率分别提升至104､227.5､312､455m3(tDS)-1 。

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碳排放分析

污泥处理处置路径包括填埋､焚烧､热解､好氧堆肥､厌氧消化和湿式空气氧化的净碳排放分析计算结果如图2所示｡总体而言,对于有机质含量40%~50%的脱水污泥,净碳排放排序为填埋>焚烧>热解>厌氧消化>好氧堆肥>湿式空气氧化｡而对于有机质含量60%~70%以上的脱水污泥，净碳排放排序为填埋>焚烧>热解>好氧堆肥>湿式空气氧化>厌氧消化｡填埋属于高水平碳排放工艺,干化-焚烧､热解和好氧堆肥属于中-低水平碳排放工艺，而厌氧消化和湿式空气氧化工艺属于低-负水平碳排放工艺｡

图2 污泥有机质含量(40%､50%､60%和70%)对不同污泥处理处置路径碳排放影响

污泥有机质含量变化(VS/TS从40%增加至70%)会对不同污泥处理处置路径碳排放有不同程度的影响｡根据计算结果，当污泥有机质含量从40%增加至70%时，污泥填埋和好氧堆肥处理净碳排放增加,分别从410.45kg增加至662.45kg和47.15kg增加至51.29kg ，增幅分别为38.0%､8.1%｡而污泥有机质含量增加导致单位污泥热值､甲烷产量,污泥处理处置热电联产产量提升能够替代更多因能耗产生碳排放，其余污泥处理处置路径如焚烧､热解､厌氧消化和湿式空气氧化都呈现随污泥有机质含量增加净碳排放减少的结果,分别从217.84kg､184.58kg､73.52kg和38.90kg降低至107.41kg､101.62kg､-55.29kg和-24.27kg｡厌氧消化和湿式空气氧化工艺受污泥有机质含量变化波动较大，最大波动率分别是233.0%和260.3%,而焚烧和好氧堆肥波动较小，最小波动率分别是102.8%和8.1%｡因此,在控制污泥处理处置过程碳排放上,面对污泥有机质含量受季节､来源等因素变化大的区域,采用焚烧和好氧堆肥对于应对碳排放波动优势较为明显｡而利用厌氧消化､湿式空气氧化路径处理高有机质含量(≥60%)污泥可以实现污泥处理处置近零排放甚至是负碳排放,因此高有机质含量污泥优先选择这两条路径处理处置，而不应采取填埋｡低有机质污泥(≤50%)可以采用焚烧处置或好氧堆肥处理｡

除了有机质含量，还有一些工艺参数（例如干化能耗、药剂用量等）也会对污泥处理碳排放产生重要影响。因此，即使同类的污泥处理项目，也会由于所在区域、处理规模、工艺设备等的不同导致碳排放的显著差异。以厌氧消化为例，从图2可以看出，对于有机质含量60%的脱水污泥，当处理条件发生变化时，其单位碳排放可以在-50~20kg之间变化。因此，要减少污泥处理处置的碳排放，除了优选处理路径外，还需要提升处理效率，降低过程资源和能源的消耗。

不同环节的影响

对于不同有机质含量(VS/TS=40%､50%､60%和70%)的污泥，六种污泥处理处置路径包括填埋､焚烧､热解､好氧堆肥､厌氧消化和湿式空气氧化各环节进行直接排放､间接排放和碳减排的碳排放核算，结果如图3所示｡我国的污泥普遍经过深度脱水后直接填埋｡其中大多数为厌氧填埋场,无专门的沼气收集装置,导致大量温室气体无组织泄露是导致污泥填埋净碳排放最大的主要原因｡污泥有机质含量增大导致在厌氧环境中产生的温室气体增多｡在间接排放中,电耗和能源消耗(热量消耗､油耗､天然气消耗)占比较大,其次是药剂消耗，三者产生的碳排放总和占污泥处理处置总碳排放90%以上｡对于污泥焚烧､热解路径，污泥中化学能被充分利用,用于发电､提供热能来抵消一部分碳排放｡随着污泥有机质含量增大，有机质利用可抵消碳排放比例也增大｡但干化环节需要消耗大量的电力和热量，导致两种路径的净碳排放属于中等水平｡通过合理利用的燃煤电厂､水泥窑､焚烧厂等余热资源,能使得污泥干化环节的能耗降低，从而减少该路径处理处置污泥产生的碳排放｡对于污泥好氧堆肥路径，堆肥环节翻堆等需要的电耗是该路径碳排放的主要来源，但堆肥后的腐熟物氮元素含量高,可替代化肥回归土地｡根据现有的结果来算，该路径属于低水平碳排放工艺｡对于厌氧消化工艺，污泥加热保温所需的热量消耗和消化污泥脱水电耗和药耗是该路径碳排放主要来源，而污泥厌氧消化产生的甲烷通过热电联产可基本实现碳排放与减排平衡｡因此污泥厌氧消化属于低水平甚至是负排放水平污泥处理处置工艺｡对于湿式氧化工艺,高温高压体系能够矿化污泥中的有机质且提高污泥的脱水性能，因此无需额外添加药剂就能实现污泥脱水,填埋｡设备运行､脱水所需电耗和设备加热所需的能源消耗是该路径主要的碳排放来源｡通过换热器､闪蒸回收高温矿化污泥的热量能减低能耗，因此做好设备保温,减少热量损失是该路径节能减排的关键｡

图3 不同有机质含量（VS/TS=40%、50%、60%和70%）对污泥处理处置路径各环节碳排放的影响。

结语

综上所述，在全球气候变化及中国“碳中和”目标的背景下， 污泥处理处置路径碳排放将作为一个重要指标纳入综合评价当中 ｡此外还需明确碳排放并不是决策者引进污泥处理处置项目唯一衡量标准,应“因地制宜” ，充分考虑当地污泥泥质､土地资源､经济状况等综合因素，合理利用燃煤电厂､水泥窑､焚烧厂等余热资源实现污泥科学､妥善处理

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