基于碳减排的污水厂污泥处理处置全流程最佳技术路线分析
导 读：近年来，“碳达峰”“碳中和”备受关注，“3060”碳目标更是大大推进了社会各界对碳减排路径和能源结构转型的深入研究。据欧盟统计局统计，2019年欧盟27国及英国、冰岛的污水和固体废物处理的碳排放量占全社会碳排放量的3.3%，是欧盟第四大碳排放部门。据美国环保局统计，2019年污水处理产生的CH4排放量约占全美国CH4排放量的2.8%，污水处理和污泥好氧发酵产生的N2O排放量达到了全美国的6.2%。我国碳排放量占全球总量的25%以上，是碳排放大国，其中污水处理行业碳排放量占社会总排放量的1%～2%。总的来说，污水处理是实现碳排放控制不可忽视的行业，而污泥的处理处置过程是影响污水处理行业碳排放的重要环节。
厌氧消化和焚烧是主流的污泥处理工艺。厌氧消化因为可以生成沼气进行能源回收利用而在欧美国家得到广泛应用。美国年产750万t干污泥(dry sludge，DS)，建设了650座集中厌氧消化设施，58%的污泥进行了厌氧消化。相比而言，我国采用厌氧消化的污泥处理工程较少，厌氧消化普及率仅为3%。污泥焚烧由于减量化效果明显，且安全彻底，在我国第十四个五年规划中明确要求“推广污泥集中焚烧无害化处理”。《城镇生活污水处理设施补短板强弱项实施方案》(发改环资﹝2020﹞1234号)中明确“推广将生活污泥焚烧灰渣作为建材原料加以利用”。
目前，城镇污水处理厂的污泥浓缩后的处理处置路线较多，本文主要讨论污泥深度脱水(含水率为60%)+填埋、污泥脱水(含水率为80%)+干化焚烧+填埋或建材利用、污泥厌氧消化+脱水(含水率为80%)+干化焚烧+填埋或建材利用3种路线。
有研究比较了污水处理厂建设、运行和拆除阶段的全生命周期的碳排放构成，结果表明，污水处理厂运营期内碳排放比例最高，占整个生命周期的90%以上。因此，本文从污泥处理处置运行角度出发，基于我国污泥泥质特点，以浓缩污泥为起点，计算以上3种污泥处理处置技术路线的碳排放，通过定量分析我国污泥处理处置环节的碳排放量，提出适合于我国污泥处理处置的低碳减碳技术路线。
一、碳排放研究方法
1.1 碳排放核算边界
碳排放是向大气中释放温室气体或温室气体前体物的过程或活动，可分为直接排放和间接排放两种途径。直接碳排放指污泥处理处置过程中排放的CO2、CH4和N2O。其中由各种生物活动引起的CO2排放是生物成因的碳排放，是大气中已经存在的CO2通过循环过程再释放到大气中的过程，不纳入国家碳排放总量，如污泥厌氧消化生成的CO2和焚烧生成的CO2，而CH4和N2O应纳入国家碳排放总量，厌氧消化过程中生成的CH4一般被收集利用，CH4的排放量以0计。污泥焚烧过程中会产生N2O，不完全焚烧时会产生CH4，应计入直接碳排放，但污泥干化焚烧项目中焚烧温度高、湍流度高、烟气停留时间长，一般不会产生CH4，因此，本文干化焚烧CH4排放量以0计。
间接碳排放主要包括在污泥处理处置过程中消耗的电能、天然气、化学药剂等引起的碳排放，这些能耗和物耗产生的碳排放应纳入国家碳排放总量。
碳汇是将温室气体或温室气体的前体物从大气中清除出去的过程、活动或机制，其碳排放是负值。如厌氧消化过程中的沼气产能、焚烧的热能回收利用、土地利用替代N/P/K肥、建材利用替代水泥等原料产生的碳汇。
本文选取CO2、CH4和N2O的排放量(均以CO2排放当量计)计算各个环节的碳排放总量。根据IPCC第四次评估报告提供的参考，CO2的全球变暖潜能值为1，CH4和N2O的全球变暖潜能值分别为25和298。
本文碳排放核算边界如图1所示，核算对象为污泥处理处置全流程，污泥处理包括深度脱水、干化焚烧、厌氧消化+干化焚烧，污泥处置包括污泥填埋和建材利用。间接碳排放包括污泥处理处置全流程中能量输入、药剂投加和运输等。直接碳排放包括污泥处理处置全流程中CO2、CH4和N2O的排放。碳汇包括厌氧消化生成的沼气产能和污泥灰渣建材利用。核算时，假设填埋气体全部得到回收，污泥厌氧消化工艺中产生的沼气和沼气燃烧产生的热量全部得到回用。
1.2 碳排放核算方法
本文选用《2006年IPCC国家温室气体排放清单指南》提出的排放因子法，根据IPCC提供的排放因子和部分符合我国国情的排放因子，结合工程实例进行计算。
本文计算的3种污泥处理处置技术路线的碳排放均以含水率为95%的浓缩污泥为处理对象，碳排放计算起点统一为污泥浓缩过程之后，计算如式(1)～式(12)，如表1所示。
1.3 碳排放因子
计算中涉及的碳排放因子取值如表2所示。
二、浓缩后·污泥处理处置工艺的碳排放核算
2.1 污泥深度脱水（含水率为60%）+填埋的碳排放
浓缩后的污泥先进行深度脱水，然后进行填埋处置。
2.1.1 深度脱水的碳排放
根据相关标准规定，污泥填埋的含水率要求小于60%。以某污泥深度脱水工艺(投加FeCl3和生石灰药剂调理并采用隔膜压滤系统脱水)为例，污泥脱水后含水率为60%，过程的比能耗为50.5 kW·h/(t DS)。按式(5)计算深度脱水碳排放。
2.1.2 药剂投加碳排放
采用2.1.1小节的深度脱水工艺，投加的药剂为FeCl3(干污泥量的8%)和生石灰(干泥量的20%)，按照《建筑碳排放计算标准》(GB/T 51366—2019)和IPCC给出的参考值，生石灰的碳排放因子为1.19 kg CO2/kg，FeCl3的碳排放因子为8.3 kg CO2/kg，按式(6)计算碳排放。
2.1.3 运输的碳排放
深度脱水后污泥长距离运输到填埋点过程会由于车辆耗油产生碳排放。假设运输车辆耗柴油，满载时能耗取0.255 kg柴油/km，空返能耗取0.153 kg柴油/km，柴油的碳排放因子为3.186 kg CO2/kg。取污泥产生点与污泥填埋点的距离为50 km，运输车辆满载重量为10 t。按式(7)计算污泥填埋运输过程的碳排放。
2.1.4 填埋的碳排放
假设脱水后污泥有机质(VS)含量为50%，填埋过程中实际分解的有机碳比例取IPCC推荐值50%，厌氧填埋的CH4修正因子可取100%，填埋气体中的CH4体积比为50%。根据式(8)计算出填埋的CH4产量，再根据其全球变暖潜能值计算CO2排放当量。
由表3可知，深度脱水的药耗和电耗的碳排放为947.2 kg CO2/(t DS)，其中药耗碳排放比例较大，达到90%以上；深度脱水后污泥运输过程中产生的碳排放量较小，为16.2 kg CO2/(t DS)，不是重要的碳排放源；污泥填埋会释放出大量未经收集利用的CH4气体，碳排放达到4 166.7 kg CO2/(t DS)，属于高水平的碳排放工艺。脱水污泥填埋处置不仅占地面积大，且会对环境产生二次污染，应尽量避免。
2.2 污泥脱水（含水率为80%）+干化焚烧+填埋或建材利用的碳排放
浓缩污泥依次进行脱水(含水率为80%)、干化焚烧后，灰渣的最终去向包括填埋和建材利用。污泥干化焚烧包括干化系统、焚烧系统、烟气处理系统及相关配套供辅系统。主要能耗和电耗包括天然气(或蒸汽)、电能、药耗等。
2.2.1 脱水碳排放
浓缩污泥含水率为95%，经脱水后含水率为80%，此时脱水过程比能耗为28.3 kW·h/(t DS)，按式(5)计算污泥脱水碳排放。
2.2.2 药剂投加碳排放
污泥脱水过程消耗的药剂主要是聚丙烯酰胺(PAM)，投加量为污泥干基的0.20%～0.50%，本文取0.35%，PAM生产的碳排放量为30 kg CO2/kg，按式(6)计算。
2.2.3 污泥干化焚烧碳排放
以某工程干化焚烧系统为例，当VS为50%、污泥热值为12 000 kJ/(kg DS)时，干化焚烧阶段天然气比能耗为88.5 Nm3/(t DS)，天然气的碳排放因子为1.98 kg CO2/m3。干化焚烧阶段电能比能耗为442 kW·h/(t DS)。根据式(9)、式(10)计算污泥干化焚烧的碳排放量。当污泥VS降低，干化焚烧阶段天然气比能耗相应增加。
2.2.4 污泥焚烧的N2O排放
污泥燃烧过程中会释放N2O气体，N2O的排放因子为990 g N2O/(t DS)，按式(11)计算污泥焚烧的N2O排放，并根据其全球变暖潜能值得到相应的碳排放量。
2.2.5 灰渣填埋碳排放
若污泥焚烧充分，焚烧后只剩下无机灰分，其填埋不会再生成CH4气体，故灰渣填埋的碳排放量忽略不计。填埋过程运输碳排放参照2.1.3小节计算。
2.2.6 建材利用碳减排
根据《建筑碳排放计算标准》(GB/T 51366—2019)，使用污泥焚烧后灰渣作为再生原料生产建材时，应按其所替代的初生原料的碳排放的50%计算，普通硅酸盐水泥的碳排放因子缺省值为735 kg CO2/(t水泥)。污泥焚烧灰渣可替代5%～20%的水泥矿物原材料，本文取15%。污泥焚烧后，灰渣重量为原污泥减去VS后剩余的干基重量，即当VS含量为50%时，灰渣重量为原污泥干基重量的50%，按照产生的灰渣全部用于建材再生原料，反算出水泥生产量，按式(12)进行碳排放计算。
由表4可知，污泥脱水的电耗和药耗的累加碳排放为130.3 kg CO2/(t DS)。污泥干化焚烧的天然气和电耗的累加碳排放为547.5 kg CO2/(t DS)，其中约72%为电耗碳排放；干化焚烧的直接碳排放为295.0 kg CO2/(t DS)，主要为N2O的碳排放，干化焚烧的总碳排放为842.5 kg CO2/(t DS)。因此，脱水+干化焚烧的总碳排放为972.8 kg CO2/(t DS)。
污泥焚烧后产物填埋不会再生成CH4气体，填埋的碳排放主要来自运输，仅为3.2 kg CO2/(t DS)，脱水+干化焚烧+填埋的总碳排放为976.0 kg CO2/(t DS)。污泥焚烧后灰渣如果能作为再生原料生产建材，可以替代建材矿物原材料生产产生的碳排放，产生的碳汇为-36.8 kg CO2/(t DS)，总碳排放为936.0 kg CO2/(t DS)。污泥干化焚烧后填埋或建材利用的碳排放基本相当，但灰渣建材利用可以产生碳汇，更利于碳减排。目前上海地区污泥焚烧灰渣已推广应用于建材利用。
2.3 污泥厌氧消化+脱水+干化+焚烧+填埋或建材利用的碳排放
浓缩后的污泥依次进行厌氧消化、脱水(含水率为80%)、干化焚烧，污泥的最终去向包括填埋或建材利用。
2.3.1 电能消耗产生的碳排放
厌氧消化的主要用电设备包括污泥泵(进泥泵和循环泵等)和污泥搅拌设备等。以某工程污泥厌氧消化系统为例，污泥厌氧消化电耗为105 kW·h/(t DS)，电力排放因子取《2019年度减排项目中国区域电网基准线排放因子》电量边界排放因子平均值[0.895 t CO2/(103 kW·h)]，按式(1)计算厌氧消化电能消耗产生的碳排放量。
2.3.2 污泥加热产生的碳排放
按照式(2)和式(3)计算污泥加热产生的碳排放，其中初始污泥温度取平均值(15 ℃)，以中温厌氧消化(37 ℃)条件进行计算。K为水的比热容，取值为4.2 kJ/(kg·℃)，锅炉产热的热效率为90%，IPCC给出的天然气碳排放因子缺省值为56.1 t CO2/TJ。
2.3.3 沼气产能产生的碳汇
我国剩余污泥VS含量差异较大，一般在50%～65%。根据《城镇污水处理厂污泥厌氧消化技术规程》(T/CECS 496—2017)，污泥厌氧消化有机物降解率为35%～45%，本文取40%；沼气产气率为0.75～1.10 m3/(kg VS去除)，本文取0.93 m3/(kg VS去除)；沼气综合利用效率为0.95；根据《上海市温室气体排放核算与报告指南(试行)》，确定CH4热值为38.93×103 kJ/m3。按照式(4)计算厌氧消化沼气产能，再根据式(1)计算沼气替代化石燃料的碳减排量。
以某工程厌氧消化+干化焚烧系统为例，VS取值为50%，污泥消化后干基热值降低约20%，参照2.1小节和2.2小节的方法进行碳排放计算。
由表5可知，污泥厌氧消化的电能和热能碳排放为209.2 kg CO2/(t DS)，厌氧消化产生沼气回收利用产生的碳汇为-385.9 kg CO2/(t DS)，则厌氧消化的碳排放为-176.7 kg CO2/(t DS)，即当VS为50%，污泥进行中温厌氧消化可以实现能量自给自足，且产能高于耗能。脱水的碳排放为104.3 kg CO2/(t DS)，由于脱水程度不同，药剂投加种类和剂量不同，脱水碳排放远低于2.2小节中深度脱水的碳排放。厌氧消化后污泥VS含量降至37.5%，污泥干重降至40 kg，污泥热值降至约10 000 kJ/(kg DS)，天然气比能耗增加到142 Nm3/(t DS)，污泥干化焚烧的间接碳排放(天然气和电耗)为493.9 kgCO2/(t DS)，其中天然气约占36%，电耗约占64%。干化焚烧的直接碳排放为236.0 kg CO2/(t DS)，干化焚烧总碳排放为729.9 kg CO2/(t DS)。厌氧消化+脱水+干化焚烧的总碳排放为657.5 kg CO2/(t DS)，比2.2小节中脱水+干化焚烧的碳排放[972.8 kg CO2/(t DS)]低约32%。
污泥焚烧后灰渣填埋碳排放为2.6 kg CO2/(t DS)，建材利用的碳汇为-45.9 kg CO2/(t DS)。因此，污泥厌氧消化+脱水+干化+焚烧+填埋的碳排放为660.1 kg CO2/(t DS)，污泥厌氧消化+脱水+干化焚烧+建材利用的碳排放为611.6 kg CO2/(t DS)。由2.2小节和2.3小节可知，厌氧消化+干化焚烧+填埋/建材利用比直接干化焚烧+填埋/建材利用的碳排放减少约30%。
三、污泥处理处置路线碳排放比较
根据上述碳排放方法计算，以上述某工程的厌氧消化和干化焚烧系统为例，可以计算出不同VS含量的浓缩污泥对应的不同处理处置过程的碳排放。
当干化焚烧进泥含水率为80%，VS含量为50%、55%、60%、65%时，焚烧时天然气比能耗分别为76.7、56.0、34.7、14.7 Nm3/(t DS)，电能比能耗为442 kW·h/(t DS)，不同处理工艺的碳排放如图2所示。
随着污泥脱水后含水率降低，第三种技术路线的碳排放相应降低，这是因为污泥干化焚烧的能耗随着污泥脱水后含水率的降低而降低，且当污泥脱水后含水率降至一定程度时，焚烧炉不仅能自持燃烧，焚烧产生的蒸汽还能进行回收利用产生碳汇。由图4可知，当浓缩污泥VS达到70%，污泥脱水后含水率达到55%时，厌氧消化+干化焚烧+建材利用的碳排放为负值，即污泥处理处置全流程达到碳中和。
结束语
以含水率为95%的浓缩污泥为起点，比较深度脱水+填埋、脱水+干化+焚烧+填埋/建材利用、厌氧消化+脱水+干化+焚烧+填埋/建材利用的碳排放量，结果如下。
1)污泥处理工艺中，当浓缩污泥VS含量在50%～65%时，深度脱水的碳排放和厌氧消化+脱水+干化焚烧的碳排放相当，脱水+干化焚烧的碳排放最高。深度脱水的主要间接碳排放是深度脱水的药耗，脱水+干化焚烧的主要间接碳排放是干化焚烧的天然气能耗和电耗，主要直接碳排放是N2O。
2)从污泥处理处置全流程碳排放来看，当填埋处置时，随VS升高，深度脱水后填埋的碳排放始终远高于干化焚烧后填埋的碳排放，前者为后者的5倍以上，直接干化焚烧和厌氧消化后再干化焚烧的碳排放量相当。深度脱水后填埋为高碳排放处置方式，应尽量避免。
3)结合污泥最终去向和工程实例，第三种污泥处理处置技术路线更具碳减排优势，且当浓缩污泥VS含量和污泥脱水后含水率达到一定要求时，可以实现污泥处理处置全流程碳中和，应加快推广应用。
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