趙 剛，唐建國，徐竟成

(1.上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院<集團(tuán)>有限公司，上海 200125；2.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

污水處理廠污泥的處理和處置已經(jīng)是世界范圍內(nèi)水務(wù)行業(yè)面臨的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境挑戰(zhàn)。污泥厭氧消化是最重要的污泥穩(wěn)定化和無害化的技術(shù)之一，厭氧消化的產(chǎn)物包括沼氣和消化污泥，均具有較高的資源化價(jià)值。近年來，污泥高溫厭氧消化在國外發(fā)展迅速，國內(nèi)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界也在做深入的研究和應(yīng)用。工程上的污泥高溫厭氧消化一般運(yùn)行溫度為50～55 ℃，與常規(guī)的中溫厭氧消化(37 ℃)相比，有助于提高顆粒有機(jī)物的溶解性和降解率，從而產(chǎn)生更多的沼氣[1]。此外，高溫處理可以達(dá)到更好的病原菌消毒效果[2]。Hyperion污水處理廠自2003年運(yùn)行污泥高溫厭氧消化至今，運(yùn)行效果穩(wěn)定，本文分析其運(yùn)行模式和特點(diǎn)，對于我國污泥厭氧消化的設(shè)計(jì)和運(yùn)行有借鑒意義。同時(shí)，在我國“雙碳”的背景下，研究污泥高溫厭氧消化+土地利用的碳足跡，有利于挖掘污泥高溫厭氧消化和產(chǎn)物利用的低碳和生態(tài)價(jià)值。

1 工程運(yùn)行

1.1 污水處理廠概況

洛杉磯Hyperion污水處理廠為美國西海岸規(guī)模最大的污水處理廠之一，服務(wù)污水管道長度為1萬km，服務(wù)人口約為500萬，旱天污水處理流量平均為130萬m3/d，雨天約為300萬m3/d。污水處理工藝(圖1)采用純氧曝氣傳統(tǒng)活性污泥法，進(jìn)水BOD5質(zhì)量濃度為314 mg/L，SS質(zhì)量濃度為406 mg/L，出水BOD5質(zhì)量濃度為22 mg/L，SS質(zhì)量濃度為23 mg/L，出水經(jīng)消毒后排海，排放距離為10 km。污泥產(chǎn)量(以濕污泥計(jì))約為初沉污泥8 176 m3/d、剩余污泥27 500 m3/d。污泥的處理主要采用高溫厭氧消化技術(shù)，沼氣利用方式為熱電聯(lián)產(chǎn)，污泥處理產(chǎn)物處置方式為土地利用。

圖1 Hyperion污水處理廠工藝流程Fig.1 Process Flow of Hyperion WWTP

1.2 污泥處理工程

1.2.1 污泥處理工藝

2003年以前，Hyperion污水處理廠的污泥一直采用中溫厭氧消化處理工藝，污泥處理產(chǎn)物處置方式主要為土地利用。2003年以后，洛杉磯縣禁止了B級污泥(美國503法規(guī))的土地利用途徑，為了應(yīng)對更加嚴(yán)格的污泥處置要求，Hyperion污水處理廠將污泥中溫厭氧消化轉(zhuǎn)換為高溫厭氧消化運(yùn)行至今，污泥處理后獲得A級產(chǎn)物，產(chǎn)物繼續(xù)維持土地利用方式。

圖2 Hyperion污水處理廠污泥處理處置Fig.2 Sludge Treatment and Disposal of Hyperion WWTP

目前，Hyperion污水處理廠共運(yùn)行20座消化池(圖2)，池體形狀為卵形，單個(gè)池體容積為9 500 m3，最大直徑為25.6 m，高度為33.4 m。消化池分為3組，為D1組、D2組和E組。其中D1組和D2組為污泥消化的第一階段，采用連續(xù)運(yùn)行方式，污泥平均停留時(shí)間為13 d，消化池內(nèi)平均溫度為53.7 ℃。E組為污泥消化的第二階段，又稱為消毒階段，采用序批式運(yùn)行，污泥停留時(shí)間為16 h，池內(nèi)平均溫度為53.4 ℃。E組污泥消化池的序批運(yùn)行模式如表1所示。污泥消化前加入FeCl2溶液，主要目的是遏制鳥糞石在污泥管道中的形成以及減少硫化氫的生成。污泥經(jīng)消化及消毒處理后，過0.1 mm篩，去除毛發(fā)、纖維、粗砂等雜質(zhì)，過篩后的污泥經(jīng)化學(xué)調(diào)理后進(jìn)入離心脫水單元，調(diào)理劑為聚丙烯酰胺(PAM)。離心脫水后的污泥產(chǎn)物含水率約為75%，污泥進(jìn)入污泥料倉，然后由卡車運(yùn)到處置場地進(jìn)行農(nóng)用。值得注意的是，在厭氧消化上游污泥中添加FeCl2以及消化污泥過篩設(shè)施在我國污泥厭氧消化工程中鮮有應(yīng)用，文獻(xiàn)報(bào)道我國污泥厭氧消化工程運(yùn)行中常發(fā)生嚴(yán)重的鳥糞石結(jié)垢問題和硫化氫濃度過高問題。白龍港污水處理廠曾嘗試在污泥厭氧消化前進(jìn)行過篩除渣，篩網(wǎng)孔徑為0.4 mm，可去除90%以上的雜質(zhì)[3]。

表1 污泥消化第二階段運(yùn)行模式Tab.1 Operation Mode of Sludge Anaerobic Digestion in the Second Stage

1.2.2 高溫厭氧消化

(1)進(jìn)泥泥質(zhì)

由表2可知，Hyperion污水處理廠污泥高溫厭氧消化進(jìn)泥的含固率在3.1%～4.4%，進(jìn)泥的平均有機(jī)質(zhì)含量約為84.0%。從進(jìn)泥含固率看，與上海白龍港中溫厭氧消化(平均值為4.1%)水平相當(dāng)，低于北京高安屯含熱水解預(yù)處理的中溫厭氧消化(進(jìn)泥平均含固率為7.3%)；從進(jìn)泥有機(jī)質(zhì)看，Hyperion污水處理廠進(jìn)泥明顯高于上海白龍港污水處理廠的58.4%和北京高安屯污泥處理廠的68.5%[4-5]。

圖3 Hyperion污水處理廠污泥高溫厭氧消化的連續(xù)運(yùn)行數(shù)據(jù)Fig.3 Continuous Operation Data of Sludge High Temperature Anaerobic Digestion in Hyperion WWTP

表2 厭氧消化進(jìn)泥泥質(zhì)Tab.2 Inflow Sludge Quality of Anaerobic Digestion

(2)運(yùn)行情況

2017年3月，Hyperion污水處理廠污泥高溫厭氧消化的連續(xù)運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖3所示。揮發(fā)酸和堿度是消化池穩(wěn)定運(yùn)行的重要判定參數(shù)，一般認(rèn)為應(yīng)控制揮發(fā)酸與堿度比值在0.2以下[6]。圖3(a)顯示了Hyperion污泥高溫厭氧消化過程中的揮發(fā)酸和堿度值，揮發(fā)酸質(zhì)量濃度在322～284 mg/L，堿度在3 813～4 069 mg/L。揮發(fā)酸/堿度平均為0.08，可知高溫厭氧消化過程運(yùn)行穩(wěn)定。

沼氣的產(chǎn)量與污泥有機(jī)質(zhì)含量和有機(jī)質(zhì)降解率有關(guān)，由圖3(b)可知，Hyperion污水處理廠高溫厭氧消化污泥有機(jī)質(zhì)降解率在55.7%～70.1%，平均值為61.5%。沼氣產(chǎn)量為13.8萬～27.5萬m3/d，平均為19.3萬m3/d，經(jīng)計(jì)算，沼氣產(chǎn)率約為19.5 m3沼氣/(m3進(jìn)泥)。污泥有機(jī)負(fù)荷可反映厭氧消化工程處理污泥的效率，Hyperion污水處理廠消化設(shè)施整體有機(jī)負(fù)荷為18.5～40.5萬kg VS/d，平均值為31.3萬kg VS/d，折算成有機(jī)容積負(fù)荷率為1.64 kg VS/(m3·d)。我國污水處理廠污泥厭氧消化停留時(shí)間普遍較長，進(jìn)泥的含固率較高，然而污泥有機(jī)質(zhì)含量普遍較低，導(dǎo)致我國污泥厭氧消化系統(tǒng)的有機(jī)質(zhì)降解率不高。另外，研究報(bào)道高溫厭氧消化對減少污泥停留時(shí)間和提高有機(jī)質(zhì)降解率起著重要作用[7]，因此，Hyperion污水處理廠高溫厭氧消化呈現(xiàn)停留時(shí)間短和有機(jī)質(zhì)降解率高的特點(diǎn)。

2 碳足跡評價(jià)

2.1 核算邊界

依據(jù)世界資源研究所(WRI)和地方政府操作規(guī)程(LGOP)，將本文污泥處理和處置工程運(yùn)行的碳足跡核算劃分3個(gè)范圍：范圍1(scope 1)指污泥處理處置過程中直接產(chǎn)生的溫室氣體揮發(fā)性排放，此工程包括污泥厭氧消化產(chǎn)物CH4收集過程的逃逸排放、污泥運(yùn)輸過程中燃料燃燒排入大氣中的溫室氣體排放和污泥農(nóng)用過程中氮元素轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生的溫室氣體排放；范圍2(scope 2)指污泥處理處置過程中由于能源消耗而間接產(chǎn)生的溫室氣體排放，包括污泥脫水、消化等處理設(shè)備運(yùn)行的熱能和電能消耗；范圍3(scope 3)指污泥處理處置過程中由于物料消耗而間接產(chǎn)生的溫室氣體排放，主要是用于污泥調(diào)理的藥劑消耗。本文中碳足跡的單位以kg CO2/(t DS)計(jì)，DS指污泥干基重量。碳足跡的核算邊界如圖4所示。

圖4 污泥處理處置碳排放核算邊界Fig.4 System Boundary for Carbon Emission Calculation of Sludge Treatment and Disposal

2.2 清單和計(jì)算方法

2.2.1 范圍1排放

(1)污泥高溫厭氧消化CH4逸散排放

《聯(lián)合國氣候變化框架公約》(UNFCCC)認(rèn)為，采用鋼質(zhì)或內(nèi)襯混凝土消化池(卵形消化池)和氣體儲(chǔ)存系統(tǒng)，CH4的逸散量占總產(chǎn)量的2%，計(jì)算如式(1)。

ETAD,meth=QTAD×Fmeth×Wmeth×Dmeth×25

(1)

其中：ETAD,meth——CO2排放當(dāng)量，kg CO2-eq/d；

QTAD——高溫厭氧消化產(chǎn)生的沼氣量，m3/d，可采用理論估算值或?qū)崪y值，本文采用實(shí)測值，為19.3萬m3/d；

Fmeth——逸散比例，取UNFCCC推薦值，為2%[8]；

Wmeth——CH4占沼氣的體積分?jǐn)?shù)，本文采用實(shí)測值，為60.8%；

Dmeth——CH4密度，CH4在20 ℃和105Pa壓力下的密度為 0.67 kg/m3；

25——CH4的全球增溫潛勢。

(2)污泥處置運(yùn)輸產(chǎn)生的溫室氣體排放

本文以汽車和火車兩種污泥運(yùn)輸方式為例，計(jì)算方法如式(2)～式(3)。

ETC=EFTC,CO2+25×EFTC,CH4+298×EFTC,N2O

(2)

ETR=EFTR,CO2+25×EFTR,CH4+298×EFTR,N2O

(3)

其中：ETC、ETR——每噸污泥每公里汽運(yùn)、火車的碳排放量，kg CO2-eq/(t·km)；

EFTC,CO2、EFTR,CO2——汽運(yùn)、火車的CO2排放因子，kg CO2-eq/(t·km)，采用美國EPA推薦值，分別為0.179、0.018 kg CO2-eq/(t·km)；

EFTC,CH4、EFTR,CH4——汽運(yùn)、火車的CH4排放因子，kg CH4/(t·km)，采用值分別為0.018×10-4、0.013×10-4kg CH4/(t·km)；

EFTC,N2O、EFTR,N2O——汽運(yùn)、火車的N2O排放因子，kg N2O/(t·km)，采用值分別為0.049×10-4、0.005×10-4kg N2O/(t·km)[8]；

298——N2O的全球增溫潛勢。

表3為污泥產(chǎn)物的運(yùn)輸與處置情況匯總。

表3 Hyperion污水處理廠污泥產(chǎn)物處置運(yùn)輸情況Tab.3 Transportation of Sludge Product for End-Use of Hyperion WWTP

(3)污泥土地利用產(chǎn)生的溫室氣體排放

參考《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南 》第4卷“農(nóng)業(yè)、林業(yè)和其他土地利用”第11章第11.2節(jié)：“源自管理土壤的N2O排放，將污泥產(chǎn)物應(yīng)用到農(nóng)田中，土壤中氮的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化引起N2O的排放”。計(jì)算方法如式(4)。

(4)

其中：ELD——污泥產(chǎn)物土地利用產(chǎn)生的CO2排放當(dāng)量，kg CO2-eq/d；

TNLD——污泥產(chǎn)物的含氮質(zhì)量比，本文采用實(shí)測值，為5.7%；

EFNLD——土地利用污泥產(chǎn)物中的N生成N2O的轉(zhuǎn)化因子，采用文獻(xiàn)報(bào)道值，為0.5%[9]；

44/28——N2O和N2的摩爾質(zhì)量比。

2.2.2 范圍2排放

由污泥處理設(shè)備消耗電能產(chǎn)生的CO2排放計(jì)算如式(5)。

EELE=EUNIT×QSL×EFGRID

(5)

其中：EELE——污泥處理設(shè)備電耗產(chǎn)生的CO2排放當(dāng)量，kg CO2-eq/d；

EUNIT——污泥處理單元的能耗強(qiáng)度，kW·h/m3，本文采用現(xiàn)場調(diào)研值；

QSL——每天處理的污泥量，m3/d；

EFGRID——當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的碳強(qiáng)度，kg CO2-eq/(kW·h)，本文采用美國加州電網(wǎng)的碳排放因子，為0.26[8]。

2.2.3 范圍3排放

由于污泥處理藥劑消耗產(chǎn)生的CO2排放計(jì)算如式(6)。

ECHE=QCHE×DCHE×MCHE×EFCHE

(6)

其中：ECHE——污泥化學(xué)調(diào)理產(chǎn)生的CO2排放當(dāng)量，kg CO2-eq/d；

QCHE——每天的投加液體積，m3/d；

DCHE——投加液的體積質(zhì)量, kg/m3；

MCHE——藥劑所占的質(zhì)量比；

EFCHE——藥劑消耗的CO2排放因子，kg CO2/kg，本污泥處理項(xiàng)目所用的藥劑為FeCl2和PAM溶液，CO2排放因子分別為0.33 kg CO2/kg和4.25 kg CO2/kg[10]。

2.2.4 碳補(bǔ)償

(1)污泥厭氧消化沼氣利用產(chǎn)生的碳補(bǔ)償

污泥高溫厭氧消化單元產(chǎn)生的沼氣進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)所產(chǎn)生的碳補(bǔ)償量計(jì)算如式(7)。

OETAD=(QBG×Fmeth×Wmeth×HV× 0.8)/3.6×EFGRID

(7)

其中：OETAD——沼氣利用產(chǎn)生的碳補(bǔ)償量，kg CO2/d；

QBG——污泥高溫厭氧消化產(chǎn)生的沼氣量，m3；

HV——甲烷的體積熱值，取37 MJ/m3；

0.8——熱轉(zhuǎn)化效率；

3.6——熱能至電能的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

(2)污泥產(chǎn)物土地利用產(chǎn)生的碳補(bǔ)償

由于污泥中含有一定量的N、P營養(yǎng)物質(zhì)，農(nóng)用過程中可為植物提供養(yǎng)分。假設(shè)污泥中的N、P均為植物可利用的成分，則污泥提供的N、P可相應(yīng)地減少生產(chǎn)化肥N、P所消耗的能源，由此而產(chǎn)生的碳補(bǔ)償計(jì)算如式(8)。

OELU=MSL×(WN×SN+WP×SP)

(8)

其中：OELU——污泥產(chǎn)物土地利用產(chǎn)生的碳補(bǔ)償量，kg CO2/d；

MSL——污泥土地利用的量，以干重計(jì)，kg/d；

WN、WP——污泥產(chǎn)物的N、P質(zhì)量分?jǐn)?shù)，本文取5.1%和3.5%；

SN、SP——N、P替代肥料產(chǎn)生的CO2補(bǔ)償量，kg/kg，取文獻(xiàn)報(bào)道值，分別為3.6、4.9 kg/kg[9]。

2.3 污泥處理處置碳足跡特點(diǎn)

2.3.1 污泥處理處置單元能耗和碳排放

圖5 污泥處理處置單元能耗和碳排放(未考慮碳補(bǔ)償)Fig.5 Energy Consumption and Carbon Emission for Sludge Treatment Unit (Without Considering the Carbon Offset)

Hyperion污水處理廠污泥處理各單元的能耗強(qiáng)度和碳排放如圖5所示，高溫厭氧消化單元的能耗強(qiáng)度約為800 kW·h/(t DS)，且以熱量消耗為主，明顯高于其他處理單元。范圍1的碳排放特點(diǎn)為污泥處置大于污泥處理，污泥農(nóng)用和運(yùn)輸是主要組成部分。污泥運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放主要受運(yùn)輸工具類型、運(yùn)輸距離和運(yùn)輸容量等因素影響，Hyperion污水處理廠污泥產(chǎn)物運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放占范圍1總排放的22.2%。范圍2的碳排放與污泥處理能耗直接相關(guān)，同樣，高溫厭氧消化單元的碳排放強(qiáng)度高于其他污泥處理單元，為209.5 kg CO2/(t DS)，這里未考慮碳補(bǔ)償。范圍3為污泥濃縮和脫水消耗藥劑的碳排放強(qiáng)度，由于采用了低碳排放因子的藥劑，且離心脫水工藝藥劑消耗較少，范圍3的碳排放強(qiáng)度占整體碳排放的比例較低。

由圖6可知，高溫厭氧消化單元所消耗的熱能為270.2 MJ/(t DS)，占總能耗的94%，而產(chǎn)生的沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)可產(chǎn)電和熱共853.4 MJ/(t DS)，凈能耗為-563 MJ/(t DS)，沼氣利用產(chǎn)生的碳補(bǔ)償量為615 kg CO2/(t DS)，明顯高于污泥土地利用所產(chǎn)生的碳補(bǔ)償量[140 kg CO2/(t DS)]。整體來看，Hyperion污水處理廠污泥處理處置產(chǎn)生的碳排放為595.4 kg CO2/(t DS)，碳補(bǔ)償為-794.2 kg CO2/(t DS)，凈碳排放為-179 kg CO2/(t DS)。因此，可以認(rèn)為Hyperion污水處理廠的污泥處理處置處于碳中和水平，且可以進(jìn)一步抵消污水處理部分所產(chǎn)生的碳排放，污泥高溫厭氧消化在碳減排方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

圖6 高溫厭氧消化能量平衡及污泥處理處置 碳足跡(考慮碳補(bǔ)償)Fig.6 Energy Balance and Carbon Footprint of Sludge Treatment and Disposal (With Considering the Carbon Offset)

2.3.2 污泥運(yùn)輸碳足跡特點(diǎn)

由上文分析可知，污泥產(chǎn)物運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放量不可忽視，圖7為洛杉磯Hyperion污水處理廠汽車運(yùn)輸污泥產(chǎn)物產(chǎn)生的碳排放同距離之間的關(guān)系，以及同等碳排放量下火車運(yùn)輸?shù)木嚯x。采用汽車運(yùn)輸方式，每噸污泥(以濕泥計(jì)，本文污泥產(chǎn)物含水率為75%)每50 km所產(chǎn)生的碳排放為10.3 kg CO2，運(yùn)輸250 km可產(chǎn)生51.5 kg CO2。若采用低碳的火車運(yùn)輸方式，則分別可運(yùn)輸560 km和2 800 km，與汽車運(yùn)輸相比，火車具有較強(qiáng)的污泥運(yùn)送能力和更低的燃料消耗排放因子。因此，遠(yuǎn)距離采用火車運(yùn)輸污泥是較為低碳的運(yùn)輸方式。

圖7 運(yùn)輸距離與碳排放關(guān)系Fig.7 Relationship between Transport Distance and Carbon Emission

3 結(jié)論

美國污泥厭氧消化從中溫發(fā)展為高溫的驅(qū)動(dòng)首先是為了獲得高品質(zhì)的污泥固體產(chǎn)物，其次是沼氣產(chǎn)量的提升。高溫厭氧消化處理污泥運(yùn)行穩(wěn)定，揮發(fā)酸/堿度小于0.1，污泥有機(jī)質(zhì)降解率高，沼氣產(chǎn)量主要受益于污泥的有機(jī)質(zhì)含量高。污泥高溫厭氧消化兩級運(yùn)行模式具有較短的污泥停留時(shí)間和較好的污泥消毒效果等優(yōu)點(diǎn)，消化污泥過篩有助于提升污泥固體產(chǎn)物質(zhì)量，滿足高標(biāo)準(zhǔn)的土地利用要求。

污泥高溫厭氧消化為高能耗單元，同時(shí)也是能源回收單元，通過沼氣利用可降低消化單元的凈能耗，產(chǎn)生相應(yīng)的碳補(bǔ)償量。同樣地，污泥產(chǎn)物土地利用產(chǎn)生的碳補(bǔ)償也可抵消其產(chǎn)生的碳排放。總體而言，污泥高溫厭氧消化+土地利用的處理處置方式為低碳處理工藝，碳足跡為-179 kg CO2/(t DS)。