污泥处理处置路径碳排放分析

王 琳,李德彬,刘子为,李 欢

污泥处理处置路径碳排放分析

王 琳,李德彬,刘子为,李 欢*

(清华大学深圳国际研究生院,广东 深圳 518055)

根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)提供的核算准则,结合生命周期评价(LCA),对我国常见的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进行了碳排放核算,并对敏感因子污泥有机质含量进行了影响分析.结果表明,对于有机质含量40%～50%的脱水污泥(含水率80%),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%的脱水污泥,排序为填埋>焚烧>热解>好氧堆肥>湿式空气氧化>厌氧消化.对不同污泥处理处置组合路径进一步分析表明, 独立焚烧相对于污泥水泥窑协同处置和燃煤电厂混烧碳排放更低.水解-厌氧消化-土地利用组合路径因提高有机质利用率而降低碳排放.1t脱水污泥处理处置全生命周期碳排放分析的结果表明,当污泥有机质含量低于60%时,上述路径都会产生2.07～494.45kg CO2eq/t不等的碳排放;当污泥有机质含量达到60%时,热水解-厌氧消化-土地利用组合路径可以实现负碳排放,为-37.91kg CO2eq/t,厌氧消化及湿式空气氧化路径接近于零碳排放;当有机质含量达到70%时,湿式空气氧化､厌氧消化及组合路径均可以实现负碳排放.

污泥处理处置；碳排放；生命周期评价；有机质含量

污泥是污水处理过程中的主要副产物.近年来,由于城镇化快速发展及污水提标改造,我国城镇污水处理厂污泥产量逐年递增.据住建部发布的报告显示,2020年全国年污泥产量约6000万t (以含水率80%计)[1].我国大多数污泥采用填埋处置,同时好氧堆肥、厌氧消化、焚烧等资源化技术也已经逐步应用推广.不同工艺各有优劣,可以不同程度地实现污泥资源化,但同时也会消耗大量能源药剂等,产生不同程度的碳排放.废弃物(包括污泥)处理是我国碳排放的重要来源,考虑到我国可持续发展和“碳达峰,碳中和”目标,污泥处理处置过程的碳排放大小也是评估污泥处理处置路径效果的一个重要指标.

使用LCA的分析方法可以对不同污泥处理路径的碳排放情况进行系统评估和比较,还具备从全流程分析不同环节碳排放贡献量的优势,数据结果可对路径碳减排改进等具有参考意义[2-4].目前,国内外已有学者对污泥处理处置路径碳排放进行研究评价.研究内容侧重于对现有污泥处理处置路径的碳排放计算和比较,以及通过引入新的替代技术或改进污泥处理路径实现污泥资源化利用,减少环境影响并提升碳减排效益[5-7].Piippo等[8]针对芬兰北部的经济,环境和污泥产生状况,评估了不同污泥处理处置路径(包括堆肥、厌氧消化和焚烧)的碳排放.结果表明厌氧消化工艺在所有工艺中碳排放最低,其次是无热干化环节的污泥焚烧,堆肥,最后是利用化石燃料热干化污泥后焚烧.若仅考虑污泥厌氧消化的环境影响,消化污泥直接土地利用综合环境影响最低,但对农田土壤的污染风险较大,而添加后续热处理(焚烧、水热炭化、热解)工艺可以减少污泥运输带来的环境负担并提高污泥资源回收率[3].针对我国典型污泥处理处置路径碳排放的研究,污泥厌氧消化和土地利用同样具有低碳排放效应特征,可作为污泥处理处置低碳发展的优选模式[9].

污泥有机质含量(VS/TS)影响污泥热值,沼气产率等性质.我国污泥有机质含量较国外偏低,且受时空变化波动较大,因此污泥有机质含量差异在处理处置碳排放核算过程中应作为一个重要敏感因子纳入考量[10].本文根据IPCC给出的核算准则,结合生命周期评价,对6种常见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及其各类组合工艺进行直接排放、间接排放和碳减排的全面核算,并针对敏感因子污泥有机质含量进行了影响分析.本研究将得出不同污泥处理处置路径碳排放情况,污泥有机质含量对处理路径碳排放影响,研究结果可为城市处理处置路径选择和优化提供参考.

1 研究方法

1.1 研究对象和范围

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6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3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100a全球增温潜势换算成CO2排放当量核算.

图1 污泥主要处理处置路径及碳排放单元

污泥有机质含量作为对污泥处理影响较大的敏感因子,研究设置40%,50%,60%,70%4个水平分析,此时污泥厌氧消化有机质降解率分别为20%, 35%,40%,50%,沼气产率分别为80,175,240,350m3/(t DS),干基热值为8750,11250,13750和16250kJ/(kg DS)[11].污泥经热水解后,厌氧消化可降解的有机质增多,且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[10],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/(t DS).此外,本文还着重讨论了厌氧消化工艺耦合前端热水解工艺和后端焚烧工艺碳排放变化.

1.2 计算方法和主要参数

1.2.1 直接排放 (1)填埋气体泄露:污泥脱水后填埋产生的CH4直接逸散至大气中.此部分产生的碳排量如式(1).

(2)好氧堆肥局部厌氧:污泥好氧堆肥情况与污泥有机质含量、堆肥条件等因素有关.因局部厌氧产生的CH4泄露.此部分产生的碳排放量如式(2).

(3)厌氧消化沼气泄露:污泥厌氧消化产生的甲烷泄漏.此部分产生的碳排放量如式(3).

(4)土地利用:污泥无害化处理后土地利用存在CH4和N2O释放,如式(4).

1.2.2 间接排放 (1)电耗:电力消耗产生的碳排放如式(5).

(2)药耗:药剂消耗产生的碳排放如式(6).

(3)热量消耗:因不同污泥处理处置环节如污泥干化、加热等热量消耗产生的碳排放量统一按标准煤供热如式(7).

(4)燃料消耗:因填埋、焚烧使用柴油、天然气等燃料产生的碳排放量如式(8).

(5)污水处理:处理处置过程产生的废水需回流至污水处理厂处理,该部分产生碳排放如式(9)

(6)运输:污泥经处理处置后因外运产生的碳排放如式(10).

间接排放计算涉及的主要参数见表1.

表1 间接排放计算涉及的主要参数

注:脱水污泥为含水率80%的污泥;调质污泥为因污泥处理设备需求将脱水调质至含水率90%;1为热解污泥比热容,1.51kJ/(kg×℃);PY为污泥热解温度,500℃;S为污泥干化温度,80℃;1为脱水污泥比热容,3.51kJ/(kg×℃);1为进泥温度5～30℃;2为热水解温度,90℃.2为调质污泥比热容,4.01kJ/(kg×℃),3为中温消化温度35℃;假定厌氧消化池为理想圆柱形,高度30m,地上部分25m,地下部分5m,直径16m.为污泥消化池的散热面积,m2;为消化池导热系数,为简化计算,统一取2.5kJ/(m2×h×℃);A为池外介质温度,年平均气温5～30℃,土壤平均温度10～25℃.

1.2.3 碳减排 (1)热量替代

焚烧:污泥焚烧产生的热量可回收抵消其他环节需要的热量.回收的热量需根据入炉热量及出炉热量出炉计算[28].其中,对于未燃烧完全的气体和固体、焚烧炉热损失、烟气和灰渣带走的热量等造成的综合热量损失损失按输入热量的15%[14]计算,回收热量替代的碳减排按标煤替代计算,如式(11)～(13).

式中:e为辅助燃料热量,kJ;NG为天然气热值, 38931kJ/m3[29].

水泥窑、燃煤电厂混烧:污泥混烧后产生的热量可回收,如式(14).

式中:为综合热利用效率,水泥窑为60%[30],燃煤电厂为36%～41%.

热解:污泥热解反应的能量输入in包括污泥化学能和污泥发生目标热解反应所需的能量,能量输出out包括热解产物能量(热解气、油、热解炭),污泥热解反应自身能量∆和热能损失,产物又回用至热解炉中.根据能量分析,污泥热解能够回收热量为污泥化学能、热解产物能量.对于污泥热解的综合热损失按35%计算[31],如式(15).

式中:∆为不同热解工况的反应热,取10MJ/kg DS.

热水解换热:污泥经过热水解后,为满足后续厌氧消化需求,换热冷却至40℃.热量差能回收形成碳减排,如式(16).

式中:THP为热水解热回收率,通过板式换热器等方式回收高温污泥热量,但换热后热能较难利用,且考虑热量损失,取35%[32].

厌氧消化:沼气燃烧热电联产,热量可用于污泥加热,以标准煤供热计算,如式(17).

式中:沼气为厌氧消化沼气产量,m3;沼气为沼气热值, 21520MJ/m3;AD为沼气热能回收率,45%[33].

湿式空气氧化氧化:湿式氧化为放热反应,能将污泥中的化学能转化成热能,高温污泥可通过换热,闪蒸回用热量替代能源消耗.在合适的工况下处理1t调质污泥根据污泥热值含量不同可回收热量不同,如式(18).

式中:E为焚烧发电的热量利用率,一般为14%～ 22.5%,典型值取19%;发电煤耗为供电标准煤耗,根据《常规燃煤发电机组产品能源消耗限额》(GB21258-2017)[20]的数据显示,常规燃煤发电机组单位产品供电标准煤耗为在273～352g/kW×h,计算取295g/kW×h.

(2)发电替代

燃煤电厂:污泥干化后不能直接燃烧发电,但与煤混烧后的热值可被利用,如式(19).

式中:WAO为污泥湿式空气氧化化学能利用率,取平均值70%[27].

厌氧消化:污泥厌氧消化产生的沼气可燃烧发电,如式(20).

式中:2为沼气发电产率, 2kW×h/m3[14].

(3)肥料替代

消化污泥脱水泥饼、污泥好氧堆肥腐熟产品可回用至土地替代化学肥料利用,如式(21).

式中:N,i为不同土地利用物氮元素质量分数,消化污泥脱水泥饼按4.2%[34],污泥好氧堆肥腐熟物按5%[35]计算;EF尿素为尿素碳排放因子.

湿式空气氧化:污泥湿式空气氧化处理后的固相产物总磷含量约3.6%～4.6%(以P2O5计),取4%[36],其可替代化石磷肥(替代量按磷元素计算).

(4)产品替代

水泥窑:根据国家标准《水泥窑协同处置污泥工程设计规范》(GB50757-2012)[37],假定污泥高温煅烧过程中有机质彻底分解,灰渣计入熟料产量.

碳排放因子见表2.

表2 碳排放因子

2 结果与讨论

2.1 碳排放分析

如图2所示,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%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.戴晓虎等[43]得出了类似的研究结果.

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%,污泥填埋和好氧堆肥处理净碳排放增加,分别从410.45kg和47.15kg增加至662.45kg和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、沼气产量提升,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的碳排放都呈现随污泥有机质含量增加而减少,分别从217.84, 184.58, 73.52和38.90kg降低至107.41,101.62, -55.29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,在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,湿式空气氧化处理高有机质含量(³60%)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,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.不同路径运行阶段涉及到其它较多因素,诸如实际工艺、处理规模、设备能耗等都会不同程度影响最终碳排放结果.因此,需不断优化工艺降低污泥处理处置碳排放.

图2 污泥有机质含量对不同污泥处理处置路径碳排放影响

2.2 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,6种污泥处理处置路径各环节直接排放、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,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.有机质含量增大导致污泥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,污泥中化学能被用于发电、提供热能,可以抵消一部分碳排放.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能源,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,能够使污泥干化环节的能耗降低,从而减少相应路径产生的碳排放.对于污泥好氧堆肥路径,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沼气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降低能耗,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.

2.3 污泥厌氧消化工艺优化策略

通过前文的研究,厌氧消化作为一种低碳排放甚至是负碳排放的污泥处理处置路径在碳中和背景下具有较好的碳减排潜力.因此本研究还着重讨论了厌氧消化工艺耦合前端热水解工艺和后端焚烧工艺碳排放变化,结果如表3所示.在厌氧消化工艺前端耦合热水解工艺因增加了污泥有机质的降解率,提高沼气产量,从而提高单位污泥发电产能效率,同时减少后续机械脱水所需的电耗和药耗,实现净碳排放降低.厌氧消化工艺后端耦合焚烧工艺因污泥干化单元需要消耗大量热量,且焚烧单元需要消耗大量电力,反而使得净碳排放增加,但污泥经焚烧后仅剩少量无机组分,污泥处理处置稳定性更高.从未来发展的角度看,通过前端耦合热水解工艺优化污泥厌氧消化处理处置路径,能充分发挥该路径低碳节能优势,既实现“能源中和”又实现“碳中和”.如果在污泥处理厂中充分利用例如燃煤电厂、水泥窑等余热资源降低能耗,后端耦合焚烧环节也能提高污泥消纳处理率.

表3 污泥热水解,厌氧消化,焚烧工艺系统碳排放(kg CO2eq/t)

3 结论

3.1 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%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,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.

3.2 当污泥有机质含量从40%增加至70%,污泥填埋和好氧堆肥路径碳排放增加,而焚烧、热解、厌氧消化和湿式空气氧化路径碳排放减少.污泥好氧堆肥和焚烧路径碳排放随污泥有机质变化波动小.

3.3 厌氧消化作为一种低碳排放甚至是负碳排放的污泥处理处置路径,通过前端耦合热水解工艺进行优化,既能进一步提高污泥利用率,还能发挥该路径处理处理污泥低碳节能优势,是厌氧消化路径未来发展的趋势.

3.4 在全球气候变化及中国“碳达峰”和“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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Analysis on carbon emission from sludge treatment and disposal.

WANG Lin, LI De-bin, LIU Zi-wei, LI Huan*

(Tsinghua Shenzhen International Graduate School, Tsinghua University, Shenzhen 518055, China)., 2022,42(5)：2404～2412

Carbon emission from sludge landfill, incineration, pyrolysis, aerobic composting, anaerobic digestion, and wet air oxidation in China were calculated referring to the guideline provided by Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) and life cycle analysis (LCA) method. In addition, sludge organic content was discuss as a key sensitive impact factor of carbon emission. The results show that for dewatered sludge with organic content of 40%～50% and water content of 80%, the sequence of the total carbon emission from sludge treatment is: landfill > incineration > pyrolysis > anaerobic digestion > aerobic composting > wet air oxidation. While sludge organic content is 60%～70%, the sequence changes to: landfill > incineration > pyrolysis > aerobic composting > wet air oxidation > anaerobic digestion. A further analysis on different integration routes indicates that sludge incineration has lower carbon emission than co-processing in cement kilns or co-combustion in coal-fired power plants. The integration of thermal pretreatment, anaerobic digestion and land use can reduce carbon emission due to improved organic content utilization. A LCA analysis on carbon emission from 1t dewatered sludge treatment demonstrates that all the sludge treatment routes release 2.07～494.45kg CO2eq/t when sludge organic content is lower than 60%. When sludge organic content reaches 60%, the integration of thermal hydrolysis, anaerobic digestion, and land use achieved a negative carbon emission of -37.91kg CO2eq/t, and anaerobic digestion and wet air oxidation realize almost zero carbon emission. When sludge organic content reaches 70%, wet air oxidation, anaerobic digestion and its combination routes can cause negative carbon emission.

sludge treatment；carbon emission；life cycle analysis；organic matter content

X705

A

1000-6923(2022)05-2404-09

王 琳(1999-),女,广东梅州人,清华大学硕士研究生,主要从事固体废弃物控制及资源化利用研究.

2021-10-18

深圳市可持续发展科技专项(KCXFZ202002011008-44824)

* 责任作者, 副教授, li.huan@sz.tsinghua.edu.cn