污泥与餐厨混合厌氧消化项目碳减排预测研究

2022-08-31胡月

城市道桥与防洪 2022年7期

胡月

（上海申环环境工程有限公司，上海市 200043）

0 引言

2020 年9 月22 日，习总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和。”自宣布至今，总书记已经在多个重要的国际场合就中国实现“双碳”目标，发表重要讲话。这是中国对全球应对气候变化行动的庄严承诺，也是中国作为一个负责人的大国的体现。

为了实现“双碳”目标，国家多部委出台了多项政策，“碳达峰、碳中和”已经被写入了《中国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》。当前全行业都在开展“碳达峰、碳中和”相关的研究及工作[1-3]。生物质废物在处理过程中也会排放相当量的温室气体，而厌氧消化是最适宜处理生物质废物的技术，可以实现减量化、无害化和资源化，通过产出清洁能源甲烷，替代石化天然气实现碳的减排[4-6]。

国际上对于生物质废物处理的碳排放量有不同的计算方法，如IPCC 国家温室气体清单指南[7-8]，英国水工业研究协会（UKWIR）的碳审计方法[9-10]，世界资源研究所（WRI）/ 世界企业永续发展委员会（WBCSD）的温室气体协议及计算手册[11]、加拿大环境部长理事会开发的BEAM 模型[12]、国际水协会BSM2G 模型[13]、生命周期分析方法[14-16]等。本研究针对一个污泥与餐厨垃圾混合厌氧消化的实际工程，进行碳排放量的计算，并依据CCER 的方法学计算了该工程的碳减排效果。通过本项目的研究，可以为实际生物质废物处理工程的碳减排评价提供借鉴。

1 某污泥与餐厨混合厌氧消化项目概况

1.1 污泥与餐厨产量与基本性质

1.1.1 污泥产量与性质

本项目位于华中某市，处理市区污水厂污泥与餐厨垃圾，工程预计2022 年下半年完工后投入运行。本文计算该项目自2023 年至2035 年的碳减排量，其中2023 年污泥的日处理量预计为126 t/d，污泥的逐年增长率取5%。污泥在污水厂经过脱水出来，含水率为80%，之后与餐厨垃圾进行混合厌氧消化。经过前期取样分析，污泥中有机物含量偏低，为30%。

1.1.2 餐厨产量与性质

项目所在城市还未推行生活垃圾分类，本项目处理中心城区餐饮网点产生的餐厨垃圾，根据前期调查结果，预测2023 年中心城区餐厨垃圾产生量为75 t/d，餐厨垃圾产生量以5%的比率逐年递增。餐厨垃圾含水率85%，有机物含量为85%，远高于污泥。

1.2 处理工艺

餐厨垃圾首先经过破袋筛选，除去大块杂质，然后进行磁力分选，去除磁性金属，再进行挤压制浆，除砂除杂最后进行提油处理，将餐厨垃圾中的废油、废水和废渣分离开。废油脂工业级混合油和生物柴油作为清洁能源出售。污水厂污泥经过脱水，将含水率降至80%，然后与提油后的餐厨垃圾混合，进行均质处理，然后进行厌氧消化，产生沼气，部分沼气用于厂内供热锅炉的燃料，另一部分沼气经提纯用于发电，厌氧消化后的沼渣经过脱水后再进行堆肥，制成肥料进行土地利用。

2 研究方法

2.1 项目边界

项目边界范围是在基准线下处理有机垃圾的处理场（SWDS）和其替代方案，具体包括电力和热力的生产和使用，并包括厌氧消化后沼渣，但是不包括餐厨垃圾收集和运输的过程。计算过程中涉及到的温室气体及排放源见表1。

表1 项目涉及的温室气体及其排放源

2.2 基准线排放量计算

项目的基准线排放包括两部分：本项目不存在的情况下，污泥和餐厨在SWDS 产生的甲烷排放；项目活动不存在的情况下能量生产或电网消耗的电量。总的基准线排放量由式（1）计算。

式中：BEy为项目总的基准线排放量，t CO2；BECH4，y为第y 年来自SWDS 的甲烷基准线排放量，t CO2；BEEC，y为第y 年与发电相关的基准线排放量，t CO2。

2.2.1 S WDS 中产生的甲烷的基准线排放

本项目不存在的情况下，处理相同量的污泥和餐厨垃圾在SWDS 中产生的甲烷基准线排放，使用式（2）计算。

式中：φy为第y 年的模型不确定性修正系数；fy为在SWDS 和火炬中，由于采取了燃烧或其他手段而减少的甲烷排放，t CO2；GWPCH4为甲烷的全球温升潜势值，25；OX 为氧化因子；F 为填埋气中甲烷的体积比；DOCf，y为第y 年在SWDS 中可降解有机碳的比率；MCFy为第y 年的甲烷修正因子；Wj，x为项目处理的第j 类固体垃圾在第x 年的数量，t；DOCj为第j 类垃圾中可降解有机碳比例；Kj为第j 类垃圾的降解率，1/yr。

2.2.2 能源产生的基准排放量

项目处理污泥与餐厨垃圾后，产生的沼气进行发电，如果相同的发电量由化石燃料产生，则由此产生的基准排放量由式（3）计算。

式中：ECBL，k，y为第y 年项目的发电量，MWh；EFEL，k，y为第y 年电源k 电量所产生的排放因子，t CO2/MWh；TDLk，y为第y 年电源k 供电平均输配电损耗率。

式（3）中的排放因子FEEL，k，y由式（4）计算：

式中：ωOM为电量边际排放因子权重；EFgrid，OM，y为第y年的电量边际排放因子，t CO2/MWh；ωBM为容量边际排放因子权重；EFgrid，BM，y为第y 年的容量边际排放因子，t CO2/MWh。

2.3 项目排放量计算

项目的排放量包括项目用电量排放和厌氧消化罐的甲烷排放量。

2.3.1 项目用电产生的排放量

项目用电量产生的排放由式（5）计算。

式中：PEEC，y为项目用电排放量，t CO2；ECPJ，j，y为项目用电量，MWh；FEEL，k，y为组合编辑排放因子，t CO2/MWh；TDLj，y为第y 年电源j 供电平均输配电损耗率。

2.3.2 厌氧消化罐的甲烷排放量

项目厌氧消化罐的排放量由式（6）计算。

式中：PECH4，y为项目在第y 年的厌氧消化罐甲烷排放量，t CO2；QCH4，y为甲烷重量，t；EFCH4，default为与处理方式相关的甲烷排放因子；GWPCH4为甲烷的全球温升潜势值，25。

2.4 项目泄漏量计算

项目的泄漏量由式（7）计算。

式中：LEy为项目泄漏量，t CO2；Qy为第y 年的废物处理量，t；EFCH4，y为与处理方式相关的甲烷排放因子；GWPCH4为甲烷的全球温升潜势值，25；GWPN2O为氧化亚氮的全球温升潜势值，298。

2.5 项目碳减排量计算

项目的碳减排量由式（8）计算。

式中：ERy为项目减排量，t CO2；BEy为项目的基准线排放量，t CO2；PEy为项目排放量，t CO2；LEy为项目泄漏量，t CO2。

3 结果与讨论

3.1 项目基准线排放分析

项目的基准线排放包括SWDS 中产生的甲烷基准线排放BECH4，y和发电相关的基准线排放BEEC，y，具体计算结果如下。

3.1.1 S DWS 中产生的甲烷基准线排放

SDWS 中产生的甲烷基准线排放按照式（2）计算，其中各参数取《IPCC 2006 年国家温室气体清单指南》中的缺省值，首先计算得到第1 年的污泥与餐厨的混合物在之后每年的基准线排放量。同样的，分别计算每年新产生的混合物在其后逐年的基准线排放量。详细计算结果见图1。每一年SWDS 中的基准线排放都包括当年进入SWDS 的新鲜有机废物产生的甲烷排放及之前各年份进入SWDS 的有机废物在这一年释放的甲烷。由图1 可见，有机废物进入SDWS 后，其温室气体的排放量呈现逐年下降的趋势。另外，每一年的全部排放量是上升的，但是上升的幅度逐年下降，这是由有机废物的分解速度逐渐下降所致。

图1 S DWS 产生的基准线排放量（单位：t CO2）

3.1.2 电力产生的基准线排放

本项目位于华中地区，根据《2019 年度减排项目中国区域电网基准线排放因子》中的数据；EFgrid，OM，y为0.858 7 t CO2/MWh，EFgrid，BM，y为0.285 4 t CO2/MWh的容量边际排放因子，ωOM和ωBM取默认权重值50%和50 %。再根据式（4）计算得到组合边际排放因子FEEL，k，y为0.572 0。根据式（3）计算项目由电力生产造成的基准线排放。经过前期测算，项目投入运营后，在2023 年每日可产生3 600 m3富裕沼气用于发电，全年可发电2 628 MWh，之后每年发电量按照污泥和餐厨的增长率进行计算，计算结果见表2。