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江南,同济大学 戴晓虎 等：碳中和背景下污泥处理处置与资源化发展方向思考
时间：2023-12-23
焦点提醒：戴晓虎等：碳中和布景下污泥处置措置与资本化成长标的目的思虑
污泥处置措置是我国污水处置的短板，同时也是打赢污染防治攻坚战的主要使命。基在污泥特征与处置措置手艺特点，污泥处置措置进程碳排放首要包罗能耗药耗酿成的能量源碳排放、逸散性温室气体排放，和能量资本收受接管和产品操纵构成的碳抵偿。现有污泥处置措置手艺线路碳排放程度为：深度脱水-填埋 > 干化燃烧 > 好氧发酵-地盘操纵 > 厌氧消化-地盘操纵。在碳中和的布景下，将来污泥处置措置应以节能降耗和资本能源收受接管为方针，经由过程现有手艺晋升与绿色低碳手艺开辟，实现进程能耗下降、化学药剂替换、逸散性温室气体节制，和生物资洁净能源收受接管等，以晋升我国污泥处置措置的碳减排程度。
01 引言
全球变暖是现今人类可延续成长面对的全球性严重挑战。为应对天气转变，1992年5月，结合国情况与成长年夜会经由过程了《结合国天气转变框架公约》，2015年12月，缔约方在巴黎天气年夜会上告竣《巴黎协议》，提出将全球平均气温上升幅度节制在2摄氏度之内。2020年9月，习近平主席在第七十五届结合国年夜会上慎重许诺中国二氧化碳排放力争在2030年前到达峰值，尽力争夺2060年实现碳中和方针。实现碳中和方针，既是我国积极应对天气转变的许诺，也是增强生态文明和漂亮中国扶植的必定要求。
我国是今朝全球碳排放第一年夜国，排放量占到全球的25%以上。此中，污水处置行业碳排放量占全社会总排放量的1%~2%，是不成轻忽的减排范畴。跟着我国城镇化的推动和污水处置举措措施的完美，我国城镇污水处置范围跨越2亿吨/天，位居世界第一，由此发生的污泥量冲破6000万吨/年（以含水率80%计）。污泥是污水处置进程中的副产品，富集了污水中年夜量无机物、污染物资与养分物资，具有污染和资本的两重属性。污泥处置进程会耗损年夜量的药剂和能源，同时以填埋为主的措置体例还会形成年夜量温室气体的排放，是以，污泥处置措置进程碳减排对污水处置行业的碳中和具有主要的意义。
基在污泥特征与处置措置手艺特点，从碳中和的角度，污泥处置措置工艺线路的选择招考虑污泥处置措置进程节能降耗、逸散性温室气体排放，和能量资本收受接管和产品操纵构成的碳抵偿三个主要身分。其焦点在在经由过程现有手艺晋升与绿色低碳手艺开辟，实现进程能耗下降、化学药剂替换、逸散性温室气体节制，和生物资洁净能源收受接管等。如欧美国度经由过程污泥生物资能资本收受接管，可知足污水处置厂60%~80%的能耗需求，对污水污泥处置进程碳中和起到了积极的感化。
02 污泥处置措置进程碳排放核算要害要素
当不斟酌工业废水的排放，市政污水厂污泥的无机质来自在污水中的无机物（初沉污泥）和无机物的生物分化和合成（残剩污泥），在污泥处置措置进程中，污泥无机物的分化和转化会发生CO2气体，按照IPCC的指南，这部门CO2是天然界碳轮回中的一部门，不会激发年夜气中CO2的净增加，属在中性碳。
按照污泥处置措置进程碳排放的来历分歧，碳排放可分为能量源碳排放、逸散性碳排放和碳抵偿（图1）。能量源碳排放是指因为污泥处置措置进程中耗损一次能源（煤炭、自然气等）、二次能源（电、柴油等）和化学品药剂等引发的碳排放；逸散性碳排放是指污泥处置措置进程中发生的逸散性CH4、N2O等温室气体，IPCC指南给出了CH4和N2O的100年全球增温潜势值，1吨CH4和N2O别离相当在21吨和310吨二氧化碳的增温能力；碳抵偿是指污泥中能源或资本收受接管操纵，替换化石类能源和化学品等，从而下降温室气体的排放。
03 我国污泥支流处置措置工艺碳排放差别阐发
最近几年来，跟着国度对污泥处置措置问题的正视，慢慢构成了4条支流处置措置手艺线路：“厌氧消化+地盘操纵”、“好氧发酵+地盘操纵”、“干化燃烧+灰渣填埋或建材操纵”，和“深度脱水+应急填埋”，有用支持了我国污泥处置措置问题的处理。可是，现有的污泥处置措置工艺的选择首要根据手艺合用性和经济本钱，斟酌到将来碳达峰和碳中和方针，碳排放作为污泥处置措置工艺线路选择的主要目标之一，是将来的成长趋向。
污泥处置措置系统复杂，工艺线路差别较年夜，四种典型手艺线路碳排放的要害要素具有较年夜的差别，首要表示在以下几个方面：
（1）厌氧消化-地盘操纵
厌氧消化能够同时实现易腐无机物不变、病原菌削减、污泥体积减量和生物资能源收受接管，是当前国表里污泥不变化处置的支流手艺。污泥富含无机质、氮、磷、钾等养分物资，污泥的地盘操纵能够改良泥土的性质，实现养分物资的轮回操纵。“厌氧消化-地盘操纵”手艺线路也被我国《城镇污水处置厂污泥措置手艺指南》保举为污泥处置措置的优选手艺。
从碳排放的角度阐发，厌氧消化进程中加热能耗和搅拌电耗、脱水药剂，和地盘操纵进程能源耗损等会形成能量源碳排放；厌氧消化进程逸散的少许沼气，和地盘操纵进程释放的CH4和N2O等会形成逸散性温室气体排放；厌氧消化发生的沼气替换化石燃料、消化产品地盘操纵替换氮磷与磷肥可实现碳抵偿，下降温室气体的排放。整体而言，按照现有的核算，厌氧消化-地盘操纵是一种负碳排放的工艺。厌氧消化效力的晋升（生物资能收受接管），高级厌氧消化手艺的利用（下降系统能耗），沼渣脱水环节绿色药剂的替换，和沼液氮磷资本高效收受接管是该工艺将来碳减排成长的重点标的目的。项目实践注解，斟酌到厌氧消化发生的沼液资本收受接管操纵和当场处置，建议厌氧消化项目依托污水处置厂扶植。
（2）好氧发酵-地盘操纵
污泥颠末好氧发酵能够实现易腐无机物的降解和不变，在重金属等污染物不超标的环境下，好氧发酵产品能够实现污泥的地盘操纵，包罗园林绿化、育苗基质、泥土修复和农用等。
从碳排放的角度阐发，脱水进程药剂耗损，好氧发酵进程辅料输运、供氧和废气处置能耗和药耗、和地盘操纵进程能源耗损等会形成能量源碳排放；好氧发酵和地盘操纵进程释放的CH4和N2O等会形成逸散性温室气体排放；发酵产品地盘操纵可替换氮肥与磷肥利用，实现碳抵偿。整体而言，按照现有的核算，好氧发酵和地盘操纵是一种低程度碳排放的工艺，重点在在提高好氧发酵工艺的智能化节制程度，削减臭气处置的能耗和药耗，下降辅料添加，和立异污泥产物的高效操纵手艺。
（3）干化燃烧-建材操纵
当污土壤地操纵受限时，污泥干化燃烧是一种有用的处置措置的体例。经由过程干化燃烧，将污泥化学能转化为热能并进行收受接管操纵，同时实现无机物的矿化，和年夜幅度减量，燃烧灰渣能够进行建材资本化操纵。
从碳排放的角度阐发，脱水进程药耗和能耗、干化进程能耗、和燃烧进程燃料耗损等会形成能量源碳排放；干化燃烧进程释放的CH4和N2O等会形成逸散性温室气体排放；燃烧进程能量收受接管操纵可替换干化进程能量耗损，实现碳抵偿。整体来说，干化燃烧属在中等碳排放程度，重点在在开辟高效低耗深度脱水手艺和情况友爱型脱水药剂，下降污泥干化的能耗，减轻对后续燃烧进程结焦和飞灰的影响，和晋升工艺设想公道性和全体智能化集成程度。
从将来的成长来看，厌氧消化-干化燃烧工艺无望成为污泥处置措置的主要成长标的目的。2020年住建部和发改委结合发布的《补短板强弱项实行方案》提出：“鼓动勉励采取生物资操纵+结尾燃烧的措置模式”，此中“生物资操纵”首要包括污泥厌氧消化手艺。厌氧消化耦合干化燃烧能够实现能量的收受接管操纵，具体能量均衡见表1。
与污泥干化燃烧比拟，污泥厌氧消化-干化燃烧在系统能耗方面具有较着的劣势：以100吨污泥（80%含水率计），当无机质含量为50%，污泥自力燃烧需外加能量25142kWh，保守厌氧消化-干化燃烧可发生能量1004kWh，热水解厌氧消化-干化燃烧发生热量可晋升至7889kWh，其缘由首要在在经由过程厌氧消化收受接管生物资能，并在划一前提下改良了污泥的脱水机能，年夜年夜下降了干化的能耗，使得生物资能收受接管的能量加上污泥干化系统节流的能量总和年夜在厌氧消化无机物降解丧失的能量。虽然厌氧消化耽误了污泥处置的工艺流程，可是对污泥处置系统碳减排具有主要的感化。同时，因为厌氧消化进程污泥的减量，后续干化燃烧举措措施的投资本钱也会下降。分析斟酌碳减排和干化燃烧投资本钱的节流，该组合工艺比拟在污泥自力干化燃烧具有杰出的成长潜力。假如实现该工艺组合低档次热源的高效操纵（如基在低档次热源的污泥脱水干化手艺），劣势将会进一步提高。
对保守厌氧消化-干化燃烧工艺，合用在已建有污泥厌氧消化举措措施的提标革新项目，厌氧消化污泥颠末脱水处置后，在厂区内操纵沼气进行部门干化处置，再进行集中燃烧措置。对污泥热水解厌氧消化-干化燃烧工艺合用在新建或现有的集中式污泥处置措置项目，斟酌沼液的处置，建议在有前提的环境下，污泥处置项目扶植在污水处置厂区。别的，该工艺的另外一个劣势在在，对知足地盘操纵前提的消化污泥，能够斟酌地盘操纵，地盘操纵没法消纳的污泥再进行后续干化燃烧措置。
（4）深度脱水-应急填埋
深度脱水-应急填埋是今朝我国遍及采取的污泥处置措置手艺线路，该手艺线路二次污染严峻，占用地盘，华侈资本，是一种过渡性的处置措置体例。
从碳排放的角度阐发，污泥深度脱水进程会耗损年夜量的脱水药剂和能耗，同时污泥填埋会释放年夜量无组织排放的CH4、N2O等温室气体，终究发生年夜量的碳排放。是以，深度脱水-填埋属在高程度碳排下班艺，跟着无废城市的扶植和碳减排的要求，该工艺线路是一种阶段性的应急处置措置体例。
综上所述，典型污泥处置措置工艺碳排放阐发见表2。
04 碳中和布景下污泥处置措置将来成长标的目的
跟着碳中和方针的推动，将来污泥处置措置应以节能降耗和能源资本收受接管为方针。今朝，我国污泥厌氧消化工艺普和率较低，应增强高含固/协同高级厌氧消化手艺的推行利用，实现污泥的高效不变减量和生物资能高效收受接管。污泥水份的深度去除是污泥处置措置节能降耗的要害，应晋升干化脱水装备的智能化程度，开辟响应的情况友爱型脱水药剂和高效脱水手艺。对污泥干化燃烧结尾处置手艺，增强干化燃烧系统能量优化，同时斟酌与厌氧消化手艺的耦合，实现系统能量程度的全体晋升。
在全球应对天气转变和能源资本欠缺的布景下，污泥的能源高效收受接管和物资的高效轮回操纵已成为国际的研究热门（图2）。跟着学科交叉和进步前辈研发手段的利用，污泥处置措置的手艺程度将会获得年夜幅晋升，前沿低碳手艺的冲破将无望年夜年夜晋升污泥处置措置的碳减排程度。
