污泥處理處置碳排放研究系列―― 厭氧消化工藝碳足跡研究

全康環(huán)保:0 前言

2006年IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南第五卷《廢棄物》給出了對(duì)廢棄物填埋、生物處理、焚燒過(guò)程排放的CO₂、CH₄、N₂O計(jì)算方法。本研究直接引用該方法，對(duì)污泥處理處置不同工藝及環(huán)節(jié)的碳排放進(jìn)行計(jì)算。除此之外，還通過(guò)查閱其它資料，對(duì)生物源排放、能量源排放、替代源排放進(jìn)行劃分和計(jì)算。

通過(guò)計(jì)算污泥厭氧消化伴隨沼氣回用和沼渣土地利用的CO₂排放當(dāng)量為253.4 tCO₂e/Gg DM，其中生物源排放量為371.0 tCO₂e/Gg DM，能量源排放量為294.5 tCO₂e/Gg DM，替代源排放量為-412.1 tCO₂e/Gg DM。由此可見(jiàn)，沼氣、沼渣利用對(duì)于整體工藝產(chǎn)生的碳減排效果較為明顯。

1 研究假設(shè)

不同工藝的碳足跡與處理廠的規(guī)模、實(shí)際工藝、設(shè)備選型等都直接相關(guān)，本研究不考慮處理規(guī)模因素的影響，計(jì)算單位質(zhì)量（1Gg DM）污泥采用污泥濃縮+厭氧消化+脫水+土地利用技術(shù)路線時(shí)的碳排放量，由于各個(gè)污水廠與污泥處理處置所在地距離均不相同，因此在此研究中暫不考慮污泥運(yùn)輸至處理廠消耗化石燃料所帶來(lái)的CO2排放。

除此之外，本研究還將做如下假設(shè)：

①產(chǎn)生的沼氣被100%的收集利用，收集的沼氣通過(guò)燃燒轉(zhuǎn)化為CO₂排放；

②污泥厭氧消化中VS的降解率為40%~50%（本研究選取40%）；

③污泥中DOC的降解率與VS一樣為40%；

④CH4和CO₂的體積含量分別為65%和35%；

⑤污泥厭氧消化后通過(guò)土地利用釋放的溫室氣體主要為CH4，而CO₂和N₂O的濃度很低，在此研究中忽略不計(jì)。

2 結(jié)果分析

在此技術(shù)路線中，假設(shè)污泥通過(guò)重力濃縮后進(jìn)入?yún)捬跸刂蟹磻?yīng)（中溫消化），產(chǎn)生的沼氣全部用于內(nèi)燃機(jī)燃燒產(chǎn)電和發(fā)熱回用，沼渣脫水后進(jìn)行土地利用。該處理工藝碳平衡示意圖如圖1所示。

污泥厭氧消化伴隨沼氣回用和沼渣土地利用的CO₂排放當(dāng)量為253.4 tCO₂/Gg干污泥。工藝排放當(dāng)量示意圖如圖2所示，在此技術(shù)路線中污泥消化環(huán)節(jié)排放量最大為100.2 tCO2e，其次為濃縮環(huán)節(jié)其碳排放量為69.6 tCO₂e、污泥脫水環(huán)節(jié)其碳排放量為43.0tCO₂e，最后為土地利用環(huán)節(jié)其碳排放量為40.6 tCO₂e。

3 CO₂排放源分析

從各環(huán)節(jié)排放清單入手，對(duì)不同排放源進(jìn)行討論分析，本工藝CO₂排放清單如圖3所示。

（1）生物源排放

生物源排放存在消化環(huán)節(jié)及土地利用環(huán)節(jié)中，其排放總量為371.0 tCO₂e.

消化環(huán)節(jié)：主要包括甲烷焚燒產(chǎn)生的CO2以及污泥消化產(chǎn)氣過(guò)程中產(chǎn)生的CO₂，其排放量分別為208.4 tCO₂e和112.2 tCO₂e，總計(jì)320.6 tCO₂e。

土地利用環(huán)節(jié)：污泥土地利用中有機(jī)物的厭氧分解主要發(fā)生在污泥施用后，污泥土地利用釋放的溫室氣體主要是CH₄，而N₂O、CO₂的濃度很低，在此忽略不計(jì)。此環(huán)節(jié)甲烷的排放量為2.4 t，其排放當(dāng)量為50.4 tCO₂e。

（2）能量源排放

能量源排放存在于整條技術(shù)路線的所有環(huán)節(jié)中，其排放總量為294.5.tCO₂e，其中污泥消化環(huán)節(jié)所占比例最高，接近能量源排放總量的一半（如圖4所示）。

濃縮環(huán)節(jié)：本研究假設(shè)采用帶式濃縮機(jī)，其加藥量非常少，CO₂排放主要來(lái)自濃縮機(jī)運(yùn)行時(shí)本身的電能消耗，其值為69.6 tCO₂e。

消化環(huán)節(jié)：消化過(guò)程中能量消耗主要來(lái)自系統(tǒng)加熱和攪拌，本研究?jī)H考慮這兩種能量消耗所帶來(lái)的CO2排放，其值為138.9 tCO₂e。

脫水環(huán)節(jié)：為了提高污泥脫水效率，降低脫水能耗，一般會(huì)在脫水環(huán)節(jié)加入藥劑進(jìn)行調(diào)理，因此本研究在考慮電能消耗的同時(shí)還考慮了藥劑制備所帶來(lái)的能源消耗及間能耗，其值為43.0 tCO₂e。

土地利用環(huán)節(jié)：污泥土地利用時(shí)，只有春秋兩季施用，但是污泥每天都在摻燒，所以污泥有時(shí)需要儲(chǔ)存幾個(gè)月后再利用。污泥儲(chǔ)存、運(yùn)輸、施用過(guò)程都需要消耗能量。本研究將這些都考慮在內(nèi)，其值為43.0 tCO₂e。

（3）替代類排放

替代類排放存在于消化環(huán)節(jié)和土地利用環(huán)節(jié)，其產(chǎn)生的碳匯總量為412.1 tCO₂e。

消化環(huán)節(jié)：此次研究中，假設(shè)產(chǎn)生的沼氣30%用于發(fā)電，這些用于代替電能消耗，還有約70%的沼氣直接熱能利用，這些熱能用于代替柴油的消耗。綜上，污泥厭氧消化中沼氣的利用可以替代的碳排放值為-359.3 tCO₂e。

土地利用環(huán)節(jié)：污泥土地利用替代了肥料的使用，從而減少了生產(chǎn)肥料的能耗。假設(shè)化肥生產(chǎn)中消耗的能量是電能，則土地利用產(chǎn)生的替代碳排放值為-52.8 tCO2e。