中美典型污泥处理处置工程能耗和碳排放比较分析
研究背景
“碳达峰、碳中和”战略背景下，中国污水处理行业节能降耗、低碳发展的需求日益突出。目前，中国拥有世界上最大的规模化污水处理厂数量和处理能力，据统计，截至2020年，全国城市污水处理厂2618座，处理能力为1.9亿m3/d。中国水处理行业消耗电量约184亿kW·h/a，在社会总能耗中的比例呈现逐年升高的趋势。从碳排放方面看，中国污水处理行业所产生的碳排放量占全社会总碳排放量的1%～2%，由于能耗引起的碳排放量约占污水厂总碳排放量的50%。在美国，全国污水处理量平均为1.2亿m3/d，污水处理设施运行能耗占全国电力需求的3%～4%。
城市污水厂污泥是污水处理过程中产生的副产物，具有含水率高、体积大、易腐败等特点，污泥的处理与处置成为污水厂建设和运行过程中重要组成部分。目前，中国城市污水处理厂基本上都配套了污泥浓缩、脱水设施，但污泥厌氧消化比例较低，全国只有约60座污水处理厂采用污泥厌氧消化工艺，其中运行良好的不足1/2。从污泥最终处置看，其中污泥深度脱水填埋和干化焚烧项目较多，污泥产物土地利用方式在中国的应用比例较低。美国污水处理厂的污泥厌氧消化处理相对较多，有超过1200座污水厂污泥处理采用厌氧消化技术，其中包括高温厌氧消化和中温厌氧消化，如洛杉矶的Hyperion污水处理厂和橙县OCSD污水厂。为了加强能源回收和提高污泥产物品质，Blue Plains污水厂采用了世界上最大规模的Cambi污泥热水解预处理技术，经高温热水解预处理厌氧消化或高温厌氧消化后可获得Class A污泥，脱水后的污泥产物处置方式多为农用。有研究表明，污泥处理处置产生的碳排放占污水厂总排放量的65%～76%，关于不同污泥处理处置技术路线的碳排放特征亦有报道，但由于处理规模、核算边界、碳排放单位等差异降低了结果的可比性，此外，关于国内外同类规模的大型污水厂污泥处理与处置的碳排放比较分析较少。
污泥的处理处置既是碳排放的贡献者，同时又具有巨大的碳减排效应，对污水厂碳排放表现有重要影响。本文通过实地调研中美6大典型污水处理厂的污泥处理设施和污泥处置路径，主要探讨中美两国不同典型的污泥处理处置工艺在能量回收和碳排放上的表现特征，以期为我国污泥管理低碳转型提供参考。
摘 要
中美两国污水处理规模大、碳排放基数高，污泥的处理与处置是污水处理厂碳排放的重要组成部分，合理的污泥管理策略是未来污水厂碳减排的关键。实地调研了中美6个大型典型污水处理厂的污泥处理设施和污泥处置路径，分析了中美两国不同典型的污泥处理处置工艺能量回收和碳排放的表现特征。结果表明：在不考虑碳补偿的情况下，中美6个污水处理厂中，华东A(中温厌氧消化+脱水+填埋/土地利用)、华东B(脱水+填埋/焚烧)、华东C(脱水+焚烧)、Hyperion(高温厌氧消化+脱水+农用)、OCSD(中温厌氧消化+脱水+农用)和Blue plains(热水解+中温厌氧消化+脱水+农用)的污泥处理处置路线的碳足迹分别为1410，1881，1914，471，402，405 kgCO2/t DS。考虑能源回收和资源化利用产生的碳补偿效果，中美6厂污泥处理处置的净碳排放分别为984，1681，1941，-183，-240，-315 kgCO2/t DS。中美6个污水厂碳补偿率分别为30.2%、10.6%、0%、138.9%、159.7%和177.9%。污泥厌氧消化和产物土地资源化利用是碳减排的关键，提升污泥有机质含量能够强化碳补偿效应，该研究结果可为我国污水处理厂低碳转型、污泥处理处置的无害化、减量化和低碳化提供参考。
01、材料与方法
1.污泥处理处置工艺概况
2013—2014年，本文调研了位于中国华东地区的3个大型城市污水处理厂，分别记为华东A污水厂、华东B污水厂和华东C污水厂。2017—2018年，现场调研了位于美国加州和华盛顿特区的3个大型城市污水处理厂，分别为洛杉矶Hyperion污水厂、橙县OCSD污水厂和华盛顿特区Blue Plains污水厂。本文所涉及的污水厂均有相对成熟的污泥处理处置技术路线，其污水处理工艺及污泥处理处置工艺流程简化如图1所示，污泥原泥的泥质情况见表1。
2.污泥处理能耗和能源回收分析
1）污泥浓缩、脱水等处理单元电耗。
污泥浓缩和脱水等处理单元的电耗主要用于污泥进料、出料和主要设备的驱动，主要设备产生的能耗宜采用行业基准值或者文献报道值进行估算，计算见式(1)：
污泥量和电量为实际调研统计所得。
2）污泥厌氧消化所需热量。
污泥厌氧消化所需热量由2部分组成，分别为污泥加热到消化温度所消耗的热量(HAD)和补充厌氧消化池池体损失的热量(HAD,abore+ HAD,under)，详见式(2)—(4)。
3）污泥厌氧消化能量回收。
污泥厌氧消化能量的回收来自沼气的回收和利用，其回收的沼气产生的能量计算见式(5)：
4）污泥填埋气能源回收。
运行管理完善的填埋厂有填埋气收集和利用设施，其回收填埋气的能量计算见式(6)：
3. 污泥处理与处置的碳排放分析
依据世界资源研究所(WRI)和地方政府操作规程(LGOP)，将本文污泥处理和处置工程运行的碳足迹核算划分3个范围：范围1指污泥处理处置过程中直接产生的温室气体挥发性排放，本文包括污泥厌氧消化产物甲烷收集过程的逃逸排放、污泥填埋碳元素转化为甲烷的排放、污泥焚烧和农用过程中氮元素转化过程产生的温室气体排放;范围2指污泥处理处置过程中由于能源消耗而间接产生的温室气体排放，包括污泥浓缩脱水、消化等处理设备运行的热能和电能消耗;范围3指污泥处理处置过程中由于污泥调理药剂消耗而间接产生的温室气体排放。碳补偿是指污泥厌氧消化沼气利用和填埋气收集利用产生的碳补偿，污泥产物土地利用产生的碳补偿。本文中碳排放单位为kgCO2/t DS，DS指污泥干基重量。碳排放的核算边界见图2，边界内各项碳排放量的计算方法是基于排放因子法，主要参考IPCC方法学和文献。
02、结果与讨论
1.污泥浓缩、脱水能耗比较
图3a为本研究中6个案例污水厂污泥浓缩处理的能耗强度，4种典型污泥浓缩方式的能耗强度顺序为离心浓缩＞气浮浓缩＞叠螺浓缩＞重力浓缩。重力浓缩能耗强度最低，为11.4kW·h/t DS，气浮浓缩和离心浓缩处理后污泥含固率在4.0%，处理效果略优于叠螺浓缩(出泥含固率在3.8%左右)。初沉污泥出泥含固率为4.0%左右。图3b为案例污水厂中3种污泥脱水方式下含固率的变化以及对应的能耗强度，3种脱水方式进泥含固率差异很小，基本上＜5%。经处理后的污泥的含固率差异较大，华东A和华东B污水厂采用的板框脱水，处理后污泥的含固率接近50%，离心脱水和带式脱水后的污泥含固率则在20%～30%。带式脱水、离心脱水和板框脱水3种污泥脱水方式的能耗强度分别为70.1，122.1，180.9kW·h/t DS。调研期间，华东A污水厂的污泥处置方式以填埋为主，根据我国针对污泥进入填埋场处置的管理规定，污泥的含固率不得＜40%，为满足这一处置要求，我国的城镇污水厂污泥通常采用板框压滤脱水的方式，使得污泥脱水的能耗高于美国典型的污泥脱水方式，美国大型污水厂的污泥处置方式以土地利用为主，土地利用对污泥的含水率无明确的要求，一般情况下，污水厂外运的污泥的含水率在70%～80%。
2. 污泥厌氧消化能耗比较
污泥厌氧消化是污泥稳定化处理的重要方式之一，选取了中美几个代表不同典型污泥厌氧消化工艺的污水厂，对污泥厌氧消化单元的能耗和产能进行分析，结果见图4。华东A和加州橙县OCSD污水厂采用中温厌氧消化，消化温度分别为35，36℃，污泥停留时间分别为24，22d;洛杉矶Hyperion污水厂采用高温厌氧消化，消化温度为53℃，污泥停留时间为14d;华盛顿特区Blue plains污水厂的污泥处理采用污泥热水解(Cambi技术)和中温厌氧消化，消化温度为35℃，污泥停留时间15d。从能耗上看，4个污水厂污泥厌氧消化处理的能耗主要来自于热量的消耗，这部分热量用于加热消化池的进料，使其维持稳定的消化温度，热量消耗占总能耗的比例在88%～94%。华盛顿特区Blue plains污水厂污泥采用热水解污泥预处理工艺，污泥在进行消化之前进行预脱水至含固率16%，然后进入热水解反应器，在160℃和620kPa下反应30min，随后冷却和稀释至含固率5.5%和温度35℃的污泥至厌氧消化反应器。经计算，Blue plains污水厂污泥热水解厌氧消化的能耗最高，为3460MJ/t DS，约为洛杉矶Hyperion高温厌氧消化的1.45倍，约为华东A和橙县OCSD污水厂污泥中温厌氧消化的1.58，2.45倍。
从产能上看，华东A和橙县OCSD污水厂2个中温厌氧消化设施，具有相似的温度和污泥停留时间，但在产能表现上存在较大差异，橙县OCSD污水厂污泥厌氧消化产生的能量为7860MJ/t DS，比华东A污水厂高60%，这主要是因为橙县OCSD污水厂污泥有机质含量(79%)远高于华东A污水厂(50%)，且有机质转化为甲烷的降解率(56%)高于华东A(45%)。Hyperion污水厂高温厌氧消化和Blue plains污水厂热水解+中温厌氧消化产能基本持平，平均约为8260MJ/t DS，略高于中温厌氧消化，由于高温和热水解的作用促使污泥细胞溶解和微生物分解速率的提升，二者的有机质分解率均高于华东A和橙县OCSD污水厂，分别为60%和58%。从净能量来看，4个厂的污泥厌氧消化单元均可实现能源自给，且有多余能量产生，美国3个案例污水厂的污泥厌氧消化净能量显著大于华东A污水厂，约为2倍，碳补偿效应突出。
图5为污泥处理过程中其蕴含的化学能向电能和热能转化示意，线宽与能量(MJ/m3污泥)成正比。输入污泥的有机质含量和含水率决定了污泥处理输入的化学能，可看出，OCSD、Hyperion和Blue plains污水厂处理每吨污泥输入的能量较高。从能量转化看，污泥中的化学能通过厌氧消化沼气的利用转化为电能和热能，产生的能量供厂内设施运行，美国大型污水厂的污泥沼气通常以热电联产的方式利用，我国的污水厂污泥沼气用于热电联产的较少。
3. 污泥处理与处置工艺碳排放比较
中美6大案例污水厂的污泥处理与处置各单元的碳排放量结果见表2，污泥系统中，污泥处理和污泥处置2部分的碳排放差异显著，对于华东3厂，污泥处理部分平均占比为17.7%，污泥处置部分平均占比为82.3%，污泥处置产生的碳排放远高于污泥处理。相反，对于美国3个污水厂，污泥处理部分平均占比为70.1%，污泥处置部分平均占比为29.9%，污泥处理产生的碳排放高于污泥处置。主要原因在于我国的污泥处理处置碳排放主要为污泥的填埋和焚烧，而美国污泥处理处置产生的碳排放则集中在厌氧消化处理单元。
选取华东A污水厂和洛杉矶Hyperion污水厂作为中美两种不同污泥管理策略，分析不同范围碳排放的特性以及能耗与能源结构对污泥处理处置碳排放的影响，见图6。由图6a可知，2个污水厂与范围1相对应的温室气体排放是主要碳排放贡献者，华东A污水厂和Hyperion污水厂污泥范围1碳排放量占碳排放总量比例分别为73%和74%，这与Garrido等的研究结果较为一致，其报道范围1直接碳排放可占传统污泥处理碳排放总量的70%～75%。结合表2可发现，对于华东A厂，污泥处理的甲烷排放为主要的温室气体排放源，对于洛杉矶Hyperion污水厂，污泥厌氧消化过程和土地利用为范围1主要排放单元。至于与电力消耗有关的范围2碳排放，2厂的排放量均较低，分别占整体总量的21%和18%。与物料消耗间接相关的范围3碳排放对2厂的碳排放总量的贡献较小，占比＜10%。
为了解不同的电网排放因子对范围2以及污泥处理处置整体碳足迹的影响，假设采用相同的电网排放因子情况进行比较。洛杉矶Hyperion污水厂使用的电网碳排放因子为0.26 kgCO2-eq/(kW·h)，比华东A厂使用的电网碳排放因子0.81 CO2-eq/(kW·h)低得多，这主要是因为加州核电、地热和天然气发电的比例高于华东地区，而华东地区对煤炭的依赖程度更高(图6b)。当2厂采用相同的电网排放系数时，范围2相应的排放量占比从21%下降到8%，污泥处理处置整体碳排放下降率约14%。
为了更好地评价污泥处理全过程的碳足迹，应考虑各项抵消排放，即碳补偿作用。污泥厌氧消化产生的沼气用于热电联产或其他利用方式，可部分抵消对电力和热能的需求。同样地，污泥处置阶段根据最终处置方式的不同也提供了进一步回收能源、资源利用的可能性，比如甲烷有可能在填埋场被收集并转化为能量、污泥焚烧炉中的余热回收，污泥产物作为有价值的农业肥料或土壤改良剂，有助于减少人工肥料的消耗。污泥中氮素回收利用可以避免通过Haber-Bosch工艺生产人工肥料，该工艺消耗了世界2%的能源用以固定空气中的氮。
中美6个典型污水处理厂的污泥处理处置的碳足迹结果见图7。在华东A污水厂的案例中，可以发现碳排放的抵消主要通过利用厌氧消化沼气锅炉燃烧以及收集到的垃圾填埋气体所产生的能量。华东B污水厂由于填埋气的回收利用也抵消一部分碳排放。从净碳排放看，华东C＞华东B＞华东A，即污泥焚烧产生的碳足迹大于污泥填埋，这主要是由于我国污泥焚烧能量缺口大，余热回收率低以及N2O排放，导致碳排放量高、碳补偿效应小。对于美国污水厂污泥系统，污泥厌氧消化沼气产量高，通过热电联产，可完全满足污泥系统的能源需求，多余的能量被用于其他用电或加热单元。以Hyperion污水厂为例，通过厌氧消化沼气利用，所产生的电力和热量分别抵消了每吨污泥处理370，242 kgCO2-eq/t DS的碳排放。此外，在农林土地上施用污泥处理产物利用营养物质所产生的碳补偿量为每吨污泥处理107 kgCO2-eq/t DS。整体上，受益于污泥厌氧消化沼气利用及产物资源化利用，美国污水厂污泥系统达到了碳中和，并且有多余的碳补偿量可以减少整个污水厂的碳足迹。从增加厌氧消化产能角度，建议华东A污水厂通过将污水中的有机质最大限度地转移到污泥中，或者通过添加外源餐厨垃圾等城市有机易腐废弃物与污泥进行协同消化等途径来改善能量回收。对于我国污水处理厂，现阶段碳减排的关键在于提高污泥厌氧消化稳定化率，在具备资源化条件的地区积极探索污泥土地利用方式。
03、结论
中美典型污水厂在污泥管理策略上存在较大差异，主要表现在中国以华东地区为例的大型污水厂污泥厌氧消化处理率较低，而美国一定规模的污水厂的污泥基本上都经厌氧消化处理，且厌氧消化工艺类型多。在污泥处置上，我国污泥以填埋为主，且在大城市呈现向以焚烧为主转变的趋势，美国的污泥以农业资源化利用为主。污泥处置方式的差异是美国污水厂污泥处理与处置碳排放小于我国的主要原因，污泥厌氧消化、土地利用、填埋沼气回收等途径具有碳补偿效应，提高污泥有机质和污泥厌氧消化率是污水厂污泥降低净碳排放的重要措施。在制定我国污水厂降碳策略时，应优先考虑提高污泥土地资源化利用率和改善污泥厌氧消化功效，其次是优化电力供应能源结构来降低电耗碳排放因子。
