導(dǎo) 讀：近年來，“碳達(dá)峰”“碳中和”備受關(guān)注，“3060”碳目標(biāo)更是大大推進(jìn)了社會(huì)各界對(duì)碳減排路徑和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的深入研究。據(jù)歐盟統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，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(huì)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(jì)，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(dá)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(huì)總排放量的1%～2%。總的來說，污水處理是實(shí)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?yàn)榭梢陨烧託膺M(jìn)行能源回收利用而在歐美國家得到廣泛應(yīng)用。美國年產(chǎn)750萬t干污泥(dry sludge，DS)，建設(shè)了650座集中厭氧消化設(shè)施，58%的污泥進(jìn)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(gè)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(shè)施補(bǔ)短板強(qiáng)弱項(xiàng)實(shí)施方案》(發(fā)改環(huán)資﹝2020﹞1234號(hào))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(shè)、運(yùn)行和拆除階段的全生命周期的碳排放構(gòu)成，結(jié)果表明，污水處理廠運(yùn)營期內(nèi)碳排放比例最高，占整個(gè)生命周期的90%以上。因此，本文從污泥處理處置運(yùn)行角度出發(fā)，基于我國污泥泥質(zhì)特點(diǎn)，以濃縮污泥為起點(diǎn)，計(jì)算以上3種污泥處理處置技術(shù)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(shù)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(dòng)，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(dòng)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(yīng)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(jì)。污泥焚燒過程中會(huì)產(chǎn)生N2O，不完全焚燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生CH4，應(yīng)計(jì)入直接碳排放，但污泥干化焚燒項(xiàng)目中焚燒溫度高、湍流度高、煙氣停留時(shí)間長，一般不會(huì)產(chǎn)生CH4，因此，本文干化焚燒CH4排放量以0計(jì)。
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(xué)藥劑等引起的碳排放，這些能耗和物耗產(chǎn)生的碳排放應(yīng)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(dòng)或機(jī)制，其碳排放是負(fù)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(dāng)量計(jì))計(jì)算各個(gè)環(huán)節(jié)的碳排放總量。根據(jù)IPCC第四次評(píng)估報(bào)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(duì)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(yùn)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(shí)，假設(shè)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(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行計(jì)算。
本文計(jì)算的3種污泥處理處置技術(shù)路線的碳排放均以含水率為95%的濃縮污泥為處理對(duì)象，碳排放計(jì)算起點(diǎn)統(tǒng)一為污泥濃縮過程之后，計(jì)算如式(1)～式(12)，如表1所示。
1.3 碳排放因子
計(jì)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(jìn)行深度脫水，然后進(jìn)行填埋處置。
2.1.1 深度脫水的碳排放
根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(diào)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(jì)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(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》(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(jì)算碳排放。
2.1.3 運(yùn)輸?shù)奶寂欧?/p>
深度脫水后污泥長距離運(yùn)輸?shù)教盥顸c(diǎn)過程會(huì)由于車輛耗油產(chǎn)生碳排放。假設(shè)運(yùn)輸車輛耗柴油，滿載時(shí)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(diǎn)與污泥填埋點(diǎn)的距離為50 km，運(yùn)輸車輛滿載重量為10 t。按式(7)計(jì)算污泥填埋運(yùn)輸過程的碳排放。
2.1.4 填埋的碳排放
假設(shè)脫水后污泥有機(jī)質(zhì)(VS)含量為50%，填埋過程中實(shí)際分解的有機(jī)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(jì)算出填埋的CH4產(chǎn)量，再根據(jù)其全球變暖潛能值計(jì)算CO2排放當(dāng)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(dá)到90%以上；深度脫水后污泥運(yùn)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(huì)釋放出大量未經(jīng)收集利用的CH4氣體，碳排放達(dá)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(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染，應(yīng)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(jìn)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(guān)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(shí)脫水過程比能耗為28.3 kW·h/(t DS)，按式(5)計(jì)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(jì)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(dāng)VS為50%、污泥熱值為12 000 kJ/(kg DS)時(shí)，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(jì)算污泥干化焚燒的碳排放量。當(dāng)污泥VS降低，干化焚燒階段天然氣比能耗相應(yīng)增加。
2.2.4 污泥焚燒的N2O排放
污泥燃燒過程中會(huì)釋放N2O氣體，N2O的排放因子為990 g N2O/(t DS)，按式(11)計(jì)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(yīng)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(jī)灰分，其填埋不會(huì)再生成CH4氣體，故灰渣填埋的碳排放量忽略不計(jì)。填埋過程運(yùn)輸碳排放參照2.1.3小節(jié)計(jì)算。
2.2.6 建材利用碳減排
根據(jù)《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》(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(shí)，應(yīng)按其所替代的初生原料的碳排放的50%計(jì)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(dāng)VS含量為50%時(shí)，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(jìn)行碳排放計(jì)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(huì)再生成CH4氣體，填埋的碳排放主要來自運(yùn)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(dāng)，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(yīng)用于建材利用。
2.3 污泥厭氧消化+脫水+干化+焚燒+填埋或建材利用的碳排放
濃縮后的污泥依次進(jìn)行厭氧消化、脫水(含水率為80%)、干化焚燒，污泥的最終去向包括填埋或建材利用。
2.3.1 電能消耗產(chǎn)生的碳排放
厭氧消化的主要用電設(shè)備包括污泥泵(進(jìn)泥泵和循環(huán)泵等)和污泥攪拌設(shè)備等。以某工程污泥厭氧消化系統(tǒng)為例，污泥厭氧消化電耗為105 kW·h/(t DS)，電力排放因子取《2019年度減排項(xiàng)目中國區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子》電量邊界排放因子平均值[0.895 t CO2/(103 kW·h)]，按式(1)計(jì)算厭氧消化電能消耗產(chǎn)生的碳排放量。
2.3.2 污泥加熱產(chǎn)生的碳排放
按照式(2)和式(3)計(jì)算污泥加熱產(chǎn)生的碳排放，其中初始污泥溫度取平均值(15 ℃)，以中溫厭氧消化(37 ℃)條件進(jìn)行計(jì)算。K為水的比熱容，取值為4.2 kJ/(kg·℃)，鍋爐產(chǎn)熱的熱效率為90%，IPCC給出的天然氣碳排放因子缺省值為56.1 t CO2/TJ。
2.3.3 沼氣產(chǎn)能產(chǎn)生的碳匯
我國剩余污泥VS含量差異較大，一般在50%～65%。根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥厭氧消化技術(shù)規(guī)程》(T/CECS 496—2017)，污泥厭氧消化有機(jī)物降解率為35%～45%，本文取40%；沼氣產(chǎn)氣率為0.75～1.10 m3/(kg VS去除)，本文取0.93 m3/(kg VS去除)；沼氣綜合利用效率為0.95；根據(jù)《上海市溫室氣體排放核算與報(bào)告指南(試行)》，確定CH4熱值為38.93×103 kJ/m3。按照式(4)計(jì)算厭氧消化沼氣產(chǎn)能，再根據(jù)式(1)計(jì)算沼氣替代化石燃料的碳減排量。
以某工程厭氧消化+干化焚燒系統(tǒng)為例，VS取值為50%，污泥消化后干基熱值降低約20%，參照2.1小節(jié)和2.2小節(jié)的方法進(jìn)行碳排放計(jì)算。
由表5可知，污泥厭氧消化的電能和熱能碳排放為209.2 kg CO2/(t DS)，厭氧消化產(chǎn)生沼氣回收利用產(chǎn)生的碳匯為-385.9 kg CO2/(t DS)，則厭氧消化的碳排放為-176.7 kg CO2/(t DS)，即當(dāng)VS為50%，污泥進(jìn)行中溫厭氧消化可以實(shí)現(xiàn)能量自給自足，且產(chǎn)能高于耗能。脫水的碳排放為104.3 kg CO2/(t DS)，由于脫水程度不同，藥劑投加種類和劑量不同，脫水碳排放遠(yuǎn)低于2.2小節(jié)中深度脫水的碳排放。厭氧消化后污泥VS含量降至37.5%，污泥干重降至40 kg，污泥熱值降至約10 000 kJ/(kg DS)，天然氣比能耗增加到142 Nm3/(t DS)，污泥干化焚燒的間接碳排放(天然氣和電耗)為493.9 kgCO2/(t DS)，其中天然氣約占36%，電耗約占64%。干化焚燒的直接碳排放為236.0 kg CO2/(t DS)，干化焚燒總碳排放為729.9 kg CO2/(t DS)。厭氧消化+脫水+干化焚燒的總碳排放為657.5 kg CO2/(t DS)，比2.2小節(jié)中脫水+干化焚燒的碳排放[972.8 kg CO2/(t DS)]低約32%。
污泥焚燒后灰渣填埋碳排放為2.6 kg CO2/(t DS)，建材利用的碳匯為-45.9 kg CO2/(t DS)。因此，污泥厭氧消化+脫水+干化+焚燒+填埋的碳排放為660.1 kg CO2/(t DS)，污泥厭氧消化+脫水+干化焚燒+建材利用的碳排放為611.6 kg CO2/(t DS)。由2.2小節(jié)和2.3小節(jié)可知，厭氧消化+干化焚燒+填埋/建材利用比直接干化焚燒+填埋/建材利用的碳排放減少約30%。
三、污泥處理處置路線碳排放比較
根據(jù)上述碳排放方法計(jì)算，以上述某工程的厭氧消化和干化焚燒系統(tǒng)為例，可以計(jì)算出不同VS含量的濃縮污泥對(duì)應(yīng)的不同處理處置過程的碳排放。
當(dāng)干化焚燒進(jìn)泥含水率為80%，VS含量為50%、55%、60%、65%時(shí)，焚燒時(shí)天然氣比能耗分別為76.7、56.0、34.7、14.7 Nm3/(t DS)，電能比能耗為442 kW·h/(t DS)，不同處理工藝的碳排放如圖2所示。
隨著污泥脫水后含水率降低，第三種技術(shù)路線的碳排放相應(yīng)降低，這是因?yàn)槲勰喔苫贌哪芎碾S著污泥脫水后含水率的降低而降低，且當(dāng)污泥脫水后含水率降至一定程度時(shí)，焚燒爐不僅能自持燃燒，焚燒產(chǎn)生的蒸汽還能進(jìn)行回收利用產(chǎn)生碳匯。由圖4可知，當(dāng)濃縮污泥VS達(dá)到70%，污泥脫水后含水率達(dá)到55%時(shí)，厭氧消化+干化焚燒+建材利用的碳排放為負(fù)值，即污泥處理處置全流程達(dá)到碳中和。
結(jié)束語
以含水率為95%的濃縮污泥為起點(diǎn)，比較深度脫水+填埋、脫水+干化+焚燒+填埋/建材利用、厭氧消化+脫水+干化+焚燒+填埋/建材利用的碳排放量，結(jié)果如下。
1)污泥處理工藝中，當(dāng)濃縮污泥VS含量在50%～65%時(shí)，深度脫水的碳排放和厭氧消化+脫水+干化焚燒的碳排放相當(dāng)，脫水+干化焚燒的碳排放最高。深度脫水的主要間接碳排放是深度脫水的藥耗，脫水+干化焚燒的主要間接碳排放是干化焚燒的天然氣能耗和電耗，主要直接碳排放是N2O。
2)從污泥處理處置全流程碳排放來看，當(dāng)填埋處置時(shí)，隨VS升高，深度脫水后填埋的碳排放始終遠(yuǎn)高于干化焚燒后填埋的碳排放，前者為后者的5倍以上，直接干化焚燒和厭氧消化后再干化焚燒的碳排放量相當(dāng)。深度脫水后填埋為高碳排放處置方式，應(yīng)盡量避免。
3)結(jié)合污泥最終去向和工程實(shí)例，第三種污泥處理處置技術(shù)路線更具碳減排優(yōu)勢(shì)，且當(dāng)濃縮污泥VS含量和污泥脫水后含水率達(dá)到一定要求時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)污泥處理處置全流程碳中和，應(yīng)加快推廣應(yīng)用。
