不同污泥干化焚燒技術路線全鏈條碳足跡分析

次瀚林，王先愷，董 濱

(1. 上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434；2.同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092；3.中國長江三峽集團有限公司，北京 100038;4.同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092)

隨著經濟的發展和對環保的日益重視，污水處理廠數量和處理能力逐年攀升，污泥作為污水處理的必然產物，其產量也逐年增加。根據2019年城鄉建設統計年鑒，全國城鄉和縣城共產生市政污泥6 766萬t(含水率為80%)，這一數值還將持續增加。污水處理過程即是污染物從水向泥轉移的過程。污泥中富集著大量的污染物，如果不經過妥善處理，會造成二次污染。因此，污泥處理處置是污水處理的最后環節，不可缺少。但是，目前僅有30%～50%的污泥進行無害化處理處置[1]，甚至還有大量污泥未經處理直接堆放[2]，造成嚴重污染。

現階段我國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、強度低、污染物含量高，直接填埋會為填埋場帶來安全和環保風險，目前已不鼓勵污泥直接填埋，世界各國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準的制約，土地消納的處置方式并沒有得到廣泛推廣。而污泥焚燒、飛灰建材利用或填埋，可以最大程度地實現污泥減量化和無害化，日趨成為市政污泥處理處置的主流路線[4]。

污泥焚燒前需要經過深度脫水和干化，降低污泥含水率。脫水和干化過程會消耗大量藥劑、熱量、電力，因此，污泥焚燒屬于高能耗行業[5]。碳足跡分析是目前國際上常用的技術能耗評估和資源優化配置的方法[6]。主要通過核算系統全過程溫室氣體排放，將能源、物料消耗折算成CO2當量，量化技術的能源成本，識別過程中的高能耗單元，并以此為依據提出節能減排措施。對污泥焚燒全鏈條碳排放進行分析，即核算污泥從濃縮脫水到最終飛灰填埋整個過程的碳排放，從降低碳排放的角度對工藝技術路線提出優化建議，符合當前綠色低碳發展的理念。

目前，基于污泥焚燒的主流技術路線包括污泥干化-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《國家溫室氣體清單指南》提供的方法，對以上3種技術路線進行碳足跡分析，提出針對焚燒處置的碳減排策略和優化建議。

1 碳足跡分析方法及參數選擇

碳足跡分析是指核算產業或工藝全過程碳排放總量的分析方法[7]。碳排放核算方法參考IPCC《國家溫室氣體清單指南》提供的方法，核算污泥處理處置全過程產生的碳排放，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，以及過程中能量回收產生的碳匯(假設能量完全回收利用)，不包括設施建設、設備生產等過程產生的碳排放[8]。其中，藥劑消耗、電力消耗、熱量和燃料消耗產生的碳排放屬于能量源碳排放，污泥生物處理或焚燒過程中產生的碳排放為生物源碳排放[9]。根據IPCC方法，污泥生物處理或焚燒若不是用于發電，則產生的CO2不計入碳排放總量。因此，生物源碳排放只計入CH4、N2O產生量[10]。根據IPCC提供的溫室氣體增溫潛勢(GWP)，CH4的GWP為21，N2O的GWP為296，按照GWP數值將CH4、N2O核算成CO2當量計入碳排放量中。

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——使用藥品產生的CO2排放量，kg；

Kmi——i藥品消耗量，kg；

EFmi——i藥品CO2排放系數，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，轉化為能量單位GJ；

EFhi——燃料產熱引起的碳排放因子,kg CO2/GJ。

為了計算結果的統一性和可比性，文中熱量均按天然氣供熱計算。

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——厭氧消化過程中CH4不可控泄露產生的碳排放量，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量，m3；

ψ——沼氣中CH4的體積分數，按65% 計；

16/22.4——CH4質量與CH4體積的換算系數，kg/m3；

21——CH4溫室氣體增溫潛勢。

(2)焚燒如式(5)。

Ein,CH4=Ms×EFCH4×21

(5)

其中：Ein,CH4——焚燒過程中產生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——焚燒過程中產生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，發熱或發電；焚燒產熱，熱量利用。計算方法參考熱量消耗和電力消耗碳排放進行核減。

1.2 碳排放核算參數

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種技術路線碳足跡。1.1節提供的計算公式中用到的相關參數如表1和表2所示。表1統計了以上3種技術路線各工藝環節的能耗、物耗參數。表2列出了CO2排放因子，數據來源于IPCC缺省值或文獻資料。

表1 污泥處理處置過程中能源、物料消耗參數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”技術路線碳足跡分析

“干化-焚燒”技術路線產生碳排放(圖1)的環節：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；灰渣填埋運輸柴油消耗、填埋場電力消耗。其中，污泥焚燒產熱，熱量利用可產生碳匯。

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

根據計算結果(圖2)，干化環節碳排放量最高，主要是熱量消耗產生的碳排放，其次是焚燒環節，焚燒碳排放主要由電力消耗和直接碳排放構成。根據熱平衡計算，蒸發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。干化后污泥焚燒產生熱量，作為燃料替代，約可產生9 000 MJ熱量，不足以彌補干化所消耗的熱量，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的50%，且不含水分，減量效果好，外運灰渣量少，灰渣填埋運輸油耗較低。產生碳匯的主要環節是污泥焚燒熱量利用。該技術路線全過程凈碳排放量為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%，減少干化蒸發水量。“深度脫水-干化-焚燒”技術路線產生碳排放(圖3)的環節：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；灰渣填埋運輸柴油消耗。其中，污泥焚燒產熱利用可產生碳匯。

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

該技術路線深度脫水過程碳排放量最高，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。深度脫水過程中，添加的石灰、FeCl3等藥劑屬于不燃物，導致污泥熱值降低，產熱量減少20%以上，且灰渣量略有增加。但總體上看，焚燒產熱可以覆蓋干化所需熱量，無需外加熱源，甚至還有熱量剩余。該技術路線總碳排放量為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，從處理處置全過程的角度講，比起“干化-焚燒”技術路線而言，“深度脫水-干化-焚燒”凈碳排放量并沒有減少(圖4)。

圖4 “深度脫水-干化-焚燒”技術路線碳排放量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”技術路線碳足跡分析

“厭氧消化-深度脫水-干化-焚燒”技術路線產生碳排放(圖5)的環節：污泥濃縮脫水電力、藥劑消耗；污泥厭氧消化保溫熱量消耗、攪拌等機械電力消耗、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；灰渣填埋運輸柴油消耗、填埋場電力消耗。其中，沼氣利用、污泥焚燒產熱利用可產生碳匯。

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

經過厭氧消化，污泥得到減量，按照污泥有機物含量為50%、有機物降解率為50%計算，厭氧消化后干物質量減少25%，減少了后續各處理環節的能源物料消耗。該技術路線有2個可以產生碳匯的環節，為厭氧消化沼氣利用和污泥焚燒產熱。該技術路線全過程凈碳排放量為1 133 kg/(t DS)，略高于“干化-焚燒”技術路線。雖然厭氧產沼氣可產生碳匯，但無法彌補厭氧消化造成的能源消耗。碳排放量最多的仍然是脫水環節(圖6)。

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

2.4 污泥焚燒碳足跡對比分析

根據碳排放方式，將其分為生物源CO2、能量源CO2和碳匯。3種污泥焚燒技術路線不同碳排放方式的碳排放量統計如圖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程使用化學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，不經過深度脫水的污泥直接”干化-焚燒”，無法實現熱量自持，需要外加熱源，但考慮處理處置全鏈條的能源物質輸入，該技術路線總的凈碳排放量是最低的。“深度脫水-干化-焚燒”技術路線凈碳排放量最高。污泥深度脫水到含水率為60%，在熱平衡計算中，污泥可以自持燃燒，干化時無需外加熱源，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，仍然會造成較高的碳排放。“厭氧消化-深度脫水-干化-焚燒”技術路線，本質上是通過污泥減量減少后續處理流程的能源物質消耗，同時通過厭氧消化沼氣利用，發電、產熱由此產生碳匯，減少凈碳排放量。但是，由于我國市政污泥有機質含量偏低，污泥單獨厭氧消化，產氣量處于較低水平，產生的沼氣并不能覆蓋該過程中的能源消耗。

研究認為，污泥直接“干化-焚燒”比厭氧消化后“干化-焚燒”在能量平衡和運行成本方面更具優勢[24]。但不可否認，厭氧消化是提取污泥中蘊含能量的重要方式，如果在此基礎上提高厭氧消化的產氣效率，厭氧消化環節仍然可以成為能量供給單元，具有較強的碳減排潛力。采用文中的計算方法，按照污泥單獨厭氧產氣220 m3/DS[14]計算，如果厭氧消化產氣率提升23%以上，“厭氧消化-深度脫水-干化-焚燒”路線的碳減排優勢就可以體現。已有研究表明，污泥與有機質含量較高的餐廚垃圾協同厭氧可以有效提高系統的產氣能力和運行穩定性，具有“1+1>2”的能量轉換效應[25-26]。王永會等[27]研究發現，污泥與餐廚垃圾協同厭氧消化沼氣產率比污泥單獨消化提高23%，且沼氣中CH4含量更高。美國希博伊根污水廠已通過剩余污泥與餐廚垃圾協同厭氧，產生較多的沼氣提供電熱，從而實現水廠的“碳中和”運行。此外，植物渣、甘蔗渣、中藥渣等有機固廢與污泥協同厭氧消化也可以大大提升沼氣產率[28]。在倡導資源能源回收、低碳綠色發展的今天，污泥與城市其他有機固廢高效協同厭氧消化將成為今后技術發展的方向。

3 結論

本文通過分析“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路線全鏈條碳足跡，得到以下結論。

(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程中產生碳排放的主要過程，包括污泥干化、深度脫水。雖然經過深度脫水的污泥可實現熱量自持，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過程的碳排放，且厭氧消化沼氣利用也產生碳匯，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厭氧消化本身的能量消耗。

針對以上技術路線的碳排放特征，提出以下碳減排策略。

(1)優化污泥干化熱源及熱利用效率，利用其他工業產生的廢熱煙氣、提高系統的熱利用效率，都可以實現較好的碳減排效果。

(2)開發高效節能脫水技術，研發綠色環保脫水藥劑。

(3)推行污泥高效(協同)厭氧消化，將有機質含量較高的城市有機固廢與污泥共同厭氧，提升消化產氣效率，增加系統能量回收能力。