次瀚林，王先愷，董 濱

(1. 上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434；2.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；3.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司，北京 100038;4.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和對(duì)環(huán)保的日益重視，污水處理廠數(shù)量和處理能力逐年攀升，污泥作為污水處理的必然產(chǎn)物，其產(chǎn)量也逐年增加。根據(jù)2019年城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒，全國(guó)城鄉(xiāng)和縣城共產(chǎn)生市政污泥6 766萬(wàn)t(含水率為80%)，這一數(shù)值還將持續(xù)增加。污水處理過(guò)程即是污染物從水向泥轉(zhuǎn)移的過(guò)程。污泥中富集著大量的污染物，如果不經(jīng)過(guò)妥善處理，會(huì)造成二次污染。因此，污泥處理處置是污水處理的最后環(huán)節(jié)，不可缺少。但是，目前僅有30%～50%的污泥進(jìn)行無(wú)害化處理處置[1]，甚至還有大量污泥未經(jīng)處理直接堆放[2]，造成嚴(yán)重污染。

現(xiàn)階段我國(guó)市政污泥處置方法包括土地消納、建材利用、焚燒、填埋。污泥含水率高、強(qiáng)度低、污染物含量高，直接填埋會(huì)為填埋場(chǎng)帶來(lái)安全和環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，目前已不鼓勵(lì)污泥直接填埋，世界各國(guó)污泥填埋的比例也在逐漸降低[3]。受到土地資源的限制和政策標(biāo)準(zhǔn)的制約，土地消納的處置方式并沒(méi)有得到廣泛推廣。而污泥焚燒、飛灰建材利用或填埋，可以最大程度地實(shí)現(xiàn)污泥減量化和無(wú)害化，日趨成為市政污泥處理處置的主流路線[4]。

污泥焚燒前需要經(jīng)過(guò)深度脫水和干化，降低污泥含水率。脫水和干化過(guò)程會(huì)消耗大量藥劑、熱量、電力，因此，污泥焚燒屬于高能耗行業(yè)[5]。碳足跡分析是目前國(guó)際上常用的技術(shù)能耗評(píng)估和資源優(yōu)化配置的方法[6]。主要通過(guò)核算系統(tǒng)全過(guò)程溫室氣體排放，將能源、物料消耗折算成CO2當(dāng)量，量化技術(shù)的能源成本，識(shí)別過(guò)程中的高能耗單元，并以此為依據(jù)提出節(jié)能減排措施。對(duì)污泥焚燒全鏈條碳排放進(jìn)行分析，即核算污泥從濃縮脫水到最終飛灰填埋整個(gè)過(guò)程的碳排放，從降低碳排放的角度對(duì)工藝技術(shù)路線提出優(yōu)化建議，符合當(dāng)前綠色低碳發(fā)展的理念。

目前，基于污泥焚燒的主流技術(shù)路線包括污泥干化-焚燒、污泥深度脫水-干化-焚燒、污泥厭氧消化-深度脫水-干化-焚燒等。本文采用IPCC《國(guó)家溫室氣體清單指南》提供的方法，對(duì)以上3種技術(shù)路線進(jìn)行碳足跡分析，提出針對(duì)焚燒處置的碳減排策略和優(yōu)化建議。

1 碳足跡分析方法及參數(shù)選擇

碳足跡分析是指核算產(chǎn)業(yè)或工藝全過(guò)程碳排放總量的分析方法[7]。碳排放核算方法參考IPCC《國(guó)家溫室氣體清單指南》提供的方法，核算污泥處理處置全過(guò)程產(chǎn)生的碳排放，包括間接碳排放(藥劑消耗、電力消耗、熱量燃料消耗等)、直接碳排放，以及過(guò)程中能量回收產(chǎn)生的碳匯(假設(shè)能量完全回收利用)，不包括設(shè)施建設(shè)、設(shè)備生產(chǎn)等過(guò)程產(chǎn)生的碳排放[8]。其中，藥劑消耗、電力消耗、熱量和燃料消耗產(chǎn)生的碳排放屬于能量源碳排放，污泥生物處理或焚燒過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放為生物源碳排放[9]。根據(jù)IPCC方法，污泥生物處理或焚燒若不是用于發(fā)電，則產(chǎn)生的CO2不計(jì)入碳排放總量。因此，生物源碳排放只計(jì)入CH4、N2O產(chǎn)生量[10]。根據(jù)IPCC提供的溫室氣體增溫潛勢(shì)(GWP)，CH4的GWP為21，N2O的GWP為296，按照GWP數(shù)值將CH4、N2O核算成CO2當(dāng)量計(jì)入碳排放量中。

1.1 碳排放核算方法

1.1.1 間接碳排放

(1)藥劑消耗如式(1)。

Em,CO2=∑Kmi×EFmi

(1)

其中：Em,CO2——使用藥品產(chǎn)生的CO2排放量，kg；

Kmi——i藥品消耗量，kg；

EFmi——i藥品CO2排放系數(shù)，kg CO2/kg。

(2)電力消耗如式(2)。

Ee,CO2=∑Kei×EFei

(2)

其中：Ee,CO2——耗電造成的碳排放量，kg；

Kei——耗電量，kW·h，耗電量可以通過(guò)比能耗×脫水DS得到；

EFei——電力引起的碳排放因子,kg CO2/(kW·h)。

(3)熱量或燃料消耗如式(3)。

Eh,CO2=∑Khi×EFhi

(3)

其中：Eh,CO2——熱量消耗造成的碳排放量，kg；

Khi——能源燃燒量或所需熱量，轉(zhuǎn)化為能量單位GJ；

EFhi——燃料產(chǎn)熱引起的碳排放因子,kg CO2/GJ。

為了計(jì)算結(jié)果的統(tǒng)一性和可比性，文中熱量均按天然氣供熱計(jì)算。

1.1.2 直接碳排放

(1)厭氧消化如式(4)。

Ea,CH4=η×QCH4×ψ×16/22.4×21

(4)

其中：Ea,CH4——厭氧消化過(guò)程中CH4不可控泄露產(chǎn)生的碳排放量，kg；

η——沼氣收集管路中CH4不可控泄漏量，取5%；

QCH4為污泥厭氧消化沼氣產(chǎn)量，m3；

ψ——沼氣中CH4的體積分?jǐn)?shù)，按65% 計(jì)；

16/22.4——CH4質(zhì)量與CH4體積的換算系數(shù)，kg/m3；

21——CH4溫室氣體增溫潛勢(shì)。

(2)焚燒如式(5)。

Ein,CH4=Ms×EFCH4×21

(5)

其中：Ein,CH4——焚燒過(guò)程中產(chǎn)生CH4造成的碳排放量，kg；

EFCH4——污泥焚燒CH4排放因子，IPCC參考值為0.024 25 kg/(t DS)。

Ein,N2O=Ms×EFN2O×296

(6)

其中：Ein,N2O——焚燒過(guò)程中產(chǎn)生N2O造成的碳排放量，kg；

EFN2O——污泥焚燒N2O排放因子，IPCC參考值為0.99 kg/(t DS)。

1.1.3 碳匯

碳匯主要指厭氧消化沼氣利用，發(fā)熱或發(fā)電；焚燒產(chǎn)熱，熱量利用。計(jì)算方法參考熱量消耗和電力消耗碳排放進(jìn)行核減。

1.2 碳排放核算參數(shù)

本文分析干化-焚燒、污泥深度脫水-干化-焚燒、污泥厭氧消化-深度脫水-干化-焚燒這3種技術(shù)路線碳足跡。1.1節(jié)提供的計(jì)算公式中用到的相關(guān)參數(shù)如表1和表2所示。表1統(tǒng)計(jì)了以上3種技術(shù)路線各工藝環(huán)節(jié)的能耗、物耗參數(shù)。表2列出了CO2排放因子，數(shù)據(jù)來(lái)源于IPCC缺省值或文獻(xiàn)資料。

表1 污泥處理處置過(guò)程中能源、物料消耗參數(shù)Tab.1 Energy and Material Consumption Parameters in Sludge Treatment and Disposal Process

表2 CO2排放因子Tab.2 Emission Factors of CO2

2 碳足跡分析

2.1 “干化-焚燒”技術(shù)路線碳足跡分析

“干化-焚燒”技術(shù)路線產(chǎn)生碳排放(圖1)的環(huán)節(jié)：污泥濃縮脫水電力、藥劑消耗；污泥干化電力、熱量消耗；污泥焚燒爐電力消耗、焚燒N2O、CH4直接碳排放；灰渣填埋運(yùn)輸柴油消耗、填埋場(chǎng)電力消耗。其中，污泥焚燒產(chǎn)熱，熱量利用可產(chǎn)生碳匯。

圖1 “干化-焚燒”技術(shù)路線碳排放核算邊界Fig.1 Carbon Emission Boundary of “Drying-Incineration” Technology Route

根據(jù)計(jì)算結(jié)果(圖2)，干化環(huán)節(jié)碳排放量最高，主要是熱量消耗產(chǎn)生的碳排放，其次是焚燒環(huán)節(jié)，焚燒碳排放主要由電力消耗和直接碳排放構(gòu)成。根據(jù)熱平衡計(jì)算，蒸發(fā)每噸水消耗的熱量為2 960.84 MJ，污泥含水率從80%降至30%，需要消耗熱量約為1×104MJ。干化后污泥焚燒產(chǎn)生熱量，作為燃料替代，約可產(chǎn)生9 000 MJ熱量，不足以彌補(bǔ)干化所消耗的熱量，因此，污泥“干化-焚燒”路線通常需要外加熱源。焚燒后灰渣約只有干物質(zhì)的50%，且不含水分，減量效果好，外運(yùn)灰渣量少，灰渣填埋運(yùn)輸油耗較低。產(chǎn)生碳匯的主要環(huán)節(jié)是污泥焚燒熱量利用。該技術(shù)路線全過(guò)程凈碳排放量為1 053 kg CO2/(t DS)，主要碳排放方式是能量源碳排放。

圖2 “干化-焚燒”技術(shù)路線碳排放量Fig.2 Carbon Emission of “Drying-Incineration” Technology Route

2.2 “深度脫水-干化-焚燒”技術(shù)路線碳足跡分析

污泥脫水到含水率為80%后直接干化，消耗的熱量較多。為了降低熱量消耗，在干化前將污泥深度脫水至含水率為60%，減少干化蒸發(fā)水量?！吧疃让撍?干化-焚燒”技術(shù)路線產(chǎn)生碳排放(圖3)的環(huán)節(jié)：污泥濃縮脫水電力、藥劑消耗；污泥干化電力、熱量消耗；污泥焚燒爐電力消耗；焚燒N2O、CH4直接碳排放；灰渣填埋運(yùn)輸柴油消耗。其中，污泥焚燒產(chǎn)熱利用可產(chǎn)生碳匯。

圖3 “深度脫水-干化-焚燒”技術(shù)路線碳排放核算邊界Fig.3 Carbon Emission Boundary of “Deep Dewatering- Drying-Incineration” Technology Route

該技術(shù)路線深度脫水過(guò)程碳排放量最高，主要是藥品消耗造成的碳排放。深度脫水后，污泥含水率降低到60%，干化所需熱量減少了60%以上。深度脫水過(guò)程中，添加的石灰、FeCl3等藥劑屬于不燃物，導(dǎo)致污泥熱值降低，產(chǎn)熱量減少20%以上，且灰渣量略有增加。但總體上看，焚燒產(chǎn)熱可以覆蓋干化所需熱量，無(wú)需外加熱源，甚至還有熱量剩余。該技術(shù)路線總碳排放量為1 456 kg CO2/(t DS)。

“深度脫水-干化-焚燒”路線可以減少熱量消耗，但由于深度脫水消耗大量藥劑，從處理處置全過(guò)程的角度講，比起“干化-焚燒”技術(shù)路線而言，“深度脫水-干化-焚燒”凈碳排放量并沒(méi)有減少(圖4)。

圖4 “深度脫水-干化-焚燒”技術(shù)路線碳排放量Fig.4 Carbon Emission of “Deep Dewatering-Drying- Incineration” Technology Route

2.3 “厭氧消化-深度脫水-干化-焚燒”技術(shù)路線碳足跡分析

“厭氧消化-深度脫水-干化-焚燒”技術(shù)路線產(chǎn)生碳排放(圖5)的環(huán)節(jié)：污泥濃縮脫水電力、藥劑消耗；污泥厭氧消化保溫?zé)崃肯?、攪拌等機(jī)械電力消耗、CH4逸散直接碳排放；污泥干化電力、熱量消耗；污泥焚燒爐電力消耗、焚燒N2O、CH4直接碳排放；灰渣填埋運(yùn)輸柴油消耗、填埋場(chǎng)電力消耗。其中，沼氣利用、污泥焚燒產(chǎn)熱利用可產(chǎn)生碳匯。

圖5 “厭氧消化-深度脫水-干化-焚燒”技術(shù)路線碳排放核算邊界Fig.5 Carbon Emission Boundary of “Anaerobic Digestion-Deep Dewatering-Drying-Incineration” Technology Route

經(jīng)過(guò)厭氧消化，污泥得到減量，按照污泥有機(jī)物含量為50%、有機(jī)物降解率為50%計(jì)算，厭氧消化后干物質(zhì)量減少25%，減少了后續(xù)各處理環(huán)節(jié)的能源物料消耗。該技術(shù)路線有2個(gè)可以產(chǎn)生碳匯的環(huán)節(jié)，為厭氧消化沼氣利用和污泥焚燒產(chǎn)熱。該技術(shù)路線全過(guò)程凈碳排放量為1 133 kg/(t DS)，略高于“干化-焚燒”技術(shù)路線。雖然厭氧產(chǎn)沼氣可產(chǎn)生碳匯，但無(wú)法彌補(bǔ)厭氧消化造成的能源消耗。碳排放量最多的仍然是脫水環(huán)節(jié)(圖6)。

圖6 “厭氧消化-深度脫水-干化-焚燒”技術(shù)路線碳排放量Fig.6 Carbon Emission of “Anaerobic Digestion-Deep Dewatering-Drying-Incineration” Technology Route

2.4 污泥焚燒碳足跡對(duì)比分析

根據(jù)碳排放方式，將其分為生物源CO2、能量源CO2和碳匯。3種污泥焚燒技術(shù)路線不同碳排放方式的碳排放量統(tǒng)計(jì)如圖7所示。碳排放量較大的均為能量源CO2，主要是由于污泥焚燒過(guò)程使用化學(xué)藥劑或熱量去除污泥中水分造成的能源和物料消耗較大。

圖7 污泥焚燒碳排放量匯總Fig.7 Summary of Carbon Emission of Different Technologies

從凈碳排放量角度分析，“干化-焚燒”的碳排放最低。雖然從熱量消耗的角度分析，不經(jīng)過(guò)深度脫水的污泥直接”干化-焚燒”，無(wú)法實(shí)現(xiàn)熱量自持，需要外加熱源，但考慮處理處置全鏈條的能源物質(zhì)輸入，該技術(shù)路線總的凈碳排放量是最低的?！吧疃让撍?干化-焚燒”技術(shù)路線凈碳排放量最高。污泥深度脫水到含水率為60%，在熱平衡計(jì)算中，污泥可以自持燃燒，干化時(shí)無(wú)需外加熱源，但從處理處置全鏈條的角度分析，深度脫水需要添加大量藥劑，仍然會(huì)造成較高的碳排放?！皡捬跸?深度脫水-干化-焚燒”技術(shù)路線，本質(zhì)上是通過(guò)污泥減量減少后續(xù)處理流程的能源物質(zhì)消耗，同時(shí)通過(guò)厭氧消化沼氣利用，發(fā)電、產(chǎn)熱由此產(chǎn)生碳匯，減少凈碳排放量。但是，由于我國(guó)市政污泥有機(jī)質(zhì)含量偏低，污泥單獨(dú)厭氧消化，產(chǎn)氣量處于較低水平，產(chǎn)生的沼氣并不能覆蓋該過(guò)程中的能源消耗。

研究認(rèn)為，污泥直接“干化-焚燒”比厭氧消化后“干化-焚燒”在能量平衡和運(yùn)行成本方面更具優(yōu)勢(shì)[24]。但不可否認(rèn)，厭氧消化是提取污泥中蘊(yùn)含能量的重要方式，如果在此基礎(chǔ)上提高厭氧消化的產(chǎn)氣效率，厭氧消化環(huán)節(jié)仍然可以成為能量供給單元，具有較強(qiáng)的碳減排潛力。采用文中的計(jì)算方法，按照污泥單獨(dú)厭氧產(chǎn)氣220 m3/DS[14]計(jì)算，如果厭氧消化產(chǎn)氣率提升23%以上，“厭氧消化-深度脫水-干化-焚燒”路線的碳減排優(yōu)勢(shì)就可以體現(xiàn)。已有研究表明，污泥與有機(jī)質(zhì)含量較高的餐廚垃圾協(xié)同厭氧可以有效提高系統(tǒng)的產(chǎn)氣能力和運(yùn)行穩(wěn)定性，具有“1+1>2”的能量轉(zhuǎn)換效應(yīng)[25-26]。王永會(huì)等[27]研究發(fā)現(xiàn)，污泥與餐廚垃圾協(xié)同厭氧消化沼氣產(chǎn)率比污泥單獨(dú)消化提高23%，且沼氣中CH4含量更高。美國(guó)希博伊根污水廠已通過(guò)剩余污泥與餐廚垃圾協(xié)同厭氧，產(chǎn)生較多的沼氣提供電熱，從而實(shí)現(xiàn)水廠的“碳中和”運(yùn)行。此外，植物渣、甘蔗渣、中藥渣等有機(jī)固廢與污泥協(xié)同厭氧消化也可以大大提升沼氣產(chǎn)率[28]。在倡導(dǎo)資源能源回收、低碳綠色發(fā)展的今天，污泥與城市其他有機(jī)固廢高效協(xié)同厭氧消化將成為今后技術(shù)發(fā)展的方向。

3 結(jié)論

本文通過(guò)分析“干化-焚燒”、“深度脫水-干化-焚燒”、“厭氧消化-深度脫水-干化-焚燒”3種基于焚燒的污泥處理處置技術(shù)路線全鏈條碳足跡，得到以下結(jié)論。

(1)污泥“干化-焚燒”是碳排放最低的處理處置方式。

(2)去除污泥中的水分是污泥處理處置過(guò)程中產(chǎn)生碳排放的主要過(guò)程，包括污泥干化、深度脫水。雖然經(jīng)過(guò)深度脫水的污泥可實(shí)現(xiàn)熱量自持，但深度脫水消耗的藥劑仍然造成大量碳排放，總體的凈碳排放量并未降低。

(3)污泥厭氧消化減量可以減少后續(xù)過(guò)程的碳排放，且厭氧消化沼氣利用也產(chǎn)生碳匯，但從處理處置全鏈條的角度分析，以上碳減排量并未能彌補(bǔ)厭氧消化本身的能量消耗。

針對(duì)以上技術(shù)路線的碳排放特征，提出以下碳減排策略。

(1)優(yōu)化污泥干化熱源及熱利用效率，利用其他工業(yè)產(chǎn)生的廢熱煙氣、提高系統(tǒng)的熱利用效率，都可以實(shí)現(xiàn)較好的碳減排效果。

(2)開(kāi)發(fā)高效節(jié)能脫水技術(shù)，研發(fā)綠色環(huán)保脫水藥劑。

(3)推行污泥高效(協(xié)同)厭氧消化，將有機(jī)質(zhì)含量較高的城市有機(jī)固廢與污泥共同厭氧，提升消化產(chǎn)氣效率，增加系統(tǒng)能量回收能力。