污水污泥处理的碳排放及其低碳化策略

王钦祥，张 颖

（深圳市宝安排水有限公司，广东 深圳 515100）

目前，温室气体的主要起源为污水污泥处置进程中的碳排放数量，为了有效改善污泥处置进程中的排放碳数量，经常采取污泥处置技术中的质量平衡模型核准碳排放数量，经过低碳化水平的评价，创建了针对不同层次要求的污水污泥低碳化处置措施。通过大量实践证明，污泥厌氧消化沼利用、余热干化后焚烧与混烧发电等技术的低碳化水平较高，在不能利用这些处置措施的区域，利用好氧堆肥与填埋前实施好氧平稳与处置，也是非常优良的低碳处置方法。因此，低碳化处置已成为污泥处置的新措施，且通过与区域经济、技术、社会环境相融合，能够更好地顺应国内污泥处置由卫生无害至碳减排的立体化要求。

1 具体研究方法

1.1 研究回顾性解析与边界

清洁发展体制的碳排放核准是依据长期的世界碳平衡，所以无法将其统计在污泥等生物质分解与焚烧形成的二氧化碳中。生物质焚烧形成的二氧化碳要通过数十载甚至上千年才可再次聚集至生物体内，然而，堆肥处置可使数量庞大的碳元素存留在堆肥产品中，使用后绝大多数碳元素依旧维持了生物质碳的形态，所以污泥焚烧与堆肥的实际碳排放数量完全不可等同。将80%含水率脱水污泥作为回顾性解析得知，碳排放核准不只包含了CH4，同时也包含了二氧化碳以及处置进程损耗能量形成的碳排放，抵扣了输出能量或产物使用时代替燃料与原料所形成的节能减排的成果。

1.2 低碳化评价方式与基本准则

如何对不同污泥处置进程中的碳排放实施对比，尤其在核准碳排放的根本上，可参照资源化处置率等标准，定义处置进程的低碳化水平为：DLC=（Emax-E）/Emax，其中，E=Ec-ER，公式中最大碳排放为Emax，可获得厌氧填埋状况下的碳排放数值，作为对比基准；E是某处置进程中的整体碳排放量，Ec是处置进程的碳排放量，ER是处置进程的碳降低排放效应。

1.3 污水处置低碳运转的实践意义

当前，国内城市污水排放量较大，并表现出逐渐上升趋向，而城市污水处置领域归类为高消耗领域，尤其是与现阶段提倡的节能环保绿色经济政策不符，所以消耗问题成为不可被忽略的关键话题。当下，国内城市污水处置重点应用的是生化处置工艺，该工艺不仅耗电量巨大，同时也会消耗燃料与药品。传统的污水生化处置技术是借助微生物降解污水中的有机物，实现减少水体COD与BOD的目标。然而，此种处置方法会直接或间接释放二氧化碳等，形成了温室效应，不符合绿色环保的基本准则。因此，改进传统污水处置技术，采用更先进的低碳运转应对措施，是实现经济可循环发展的高效策略[1]。因此，污水处置低碳运转措施不仅包含了降低污水处置进程中碳的释放数量，更关键的是为了减少污水处置的耗能，应从根源上节约碳源，进一步实现绿色环保的目标。不仅如此，减少污水处置进程中的资源损耗，更有助于减少污水处置投入费用，从而实现节约资本的目标。

2 日常采取污泥处置技术碳排放的详尽解析

2.1 污泥卫生填埋技术

利用联合国政府间气候变动专门委员会质量平衡方式来核算碳排放数量。在污泥厌氧填埋实践中，CH4和CO2的产生量具体为：ECH4=W•DOC•DOC•MCF•F•16/12，ECO2=W•DOC•DOC•（1-MCF•F）•44/12，公式中，W是污泥品质，DOC是可降解有机碳，污水污泥中DOC决定了形成此污泥废水的根源与处置工艺，其IPCC推荐数值为千污泥的40～50%，按照污泥含水率的80%核算，结果湿污泥中DOC的含量为8～10%，如果按照10%核算，DOC1为实践解析可降解有机碳的比值，IPCC的推荐获取为50%；MCF是甲烷修正因子，针对厌氧填埋场，可筛选为百分之百；F是填埋气体中的CH，其体积比值依照50%核算；16/12则是CH，C为分子量比率；44/12是CO2/C的分子量比率。将以上公式相加，1 t的CH的全世界变暖走向依照21 t的CO2计算，代入相关数据之后，具体厌氧填埋碳排放是：ECH4=0.33W，ECO2=0.092 W，则Emax≈0.792 W。依据《城镇污水处置场污泥处置混合填埋泥质》（CJT249-2007），污泥含水率则应降低到60%以下，才可以进入填埋场地，所以脱水污泥要深入干化，但如果利用热干化，就会提高处置进程的碳排放数量。

2.2 污泥干化焚烧发电

污泥含有有机碳燃烧结果产生的碳排放数量为：ECO2=W•CF•OF•44/12=0.312W，其中污泥含碳量为F，获取湿污泥10%；OF是氧化因子，获取85%。此外，在焚烧前通常要干化，不相同的干化技术所产生的消耗区别非常大。在一个标准大气压下水汽化潜热是2 512 kJ/kg，而1 kg的含水率为80%的污泥干化后至少含水率为30%，最少需要热量为1 793 kJ/kg。大致按照无烟煤供热，燃煤及其干化机的整体热效率依照50%计算，干化体系耗电依照35 kWh/t湿污泥核算。电力碳排放参照重点火电企业发电单位CO2排放量为0.7～0.8 kg/kWh。结果干化进程碳排放大约是：ECO2=W×1793/50%×0.098×10-3+35×0.8×10-3=0.379 W。

污泥焚烧发电效率与污泥热数值有着密切关系，污泥热值区别非常大，大约在6 000～24 000 kJ/kgDS区间。对于干固体低位热值在20 000kJ/kg的污泥，如果含水率降低到30%，结果1 kg原污泥就含有干固体0.2 kg，发热量为4 000 kJ，含水率为80%，含干固体0.2 kg，发热量为4 000 kJ，含水率下降到30%之后，水分剩余0.086 kg，蒸发消耗215 kJ的热量，余下热量为3 785 kJ。考量热损失、燃烧效率与发电效率，则依据30%热量来发电，结果1 136 kJ可发电，发电数量为0.315 kWh，焚烧厂自身损耗电占比发电量大致20%～30%，依据外输电力230 kWh/t核算，此状况下减排数量是：ER=W×0.230×0.8=0.184 W，所以，污泥焚烧发电碳排放数量为：E=0.312W+0.379W-0.184W=0.507W，按照以上公式，污泥干化焚烧发电低碳化水平是DLC=（0.792-0.507）/0.792=36%，假设利用余热资源进行污泥干化，结果能够节省干化消耗，具体干化进程碳排放为ECO2=35×0.8×10-3=0.028 W，碳排放量为E=0.312W+0.028W-0.184W=0.156W，结果低碳化水平是：DLC=（0.792-0.156）/0.792=80.3%[2]。

2.3 污泥好氧堆肥

此进程绝大多数情况下将DOC转变为二氧化碳与微生物有机质，少数CH形成在堆体的厌氧局部，而最大程度上在堆体有氧位置出现了氧化。排放至大气的CH，预估值是干原料中初始碳含量小于1%直到几个百分点。对于具备优良通风体系堆肥进程，所排放的CH为默认值。所以堆肥处置进程形成的碳排放为：ECO2=W•OC•DOC•44/12=0.238W，其中DOC是好氧堆肥情况下分开可降解有机碳的比值，考量堆肥全部腐熟之后DOC解析率超出了99.5%，碳在堆肥进程中大约有2/3转变为二氧化碳，剩余1/3被应用于细胞组成，所以此数值为0.65。参照相关堆肥处置项目建造执行标准，电耗依照10 kWh/t核算，附加碳排放量是ECO2=W×0.01×0.8=0.008 W，虽然堆肥产品能够作为肥料替换部分化肥，进而降低化肥加工制作进程中的碳排放数量，随之因堆肥产品实操中，无法完全替换化肥，以至于不考量堆肥产品碳减排效应，整体碳排放是E=0.238W+0.008W=0.246W，随之低碳化水平为：Dtr=（0.792-0.246）/0.792=68.9%。

此外，堆肥进程把污泥中绝大多数的DOC转变成为二氧化碳与腐殖质，防止了厌氧进程中CH的排放量，进一步形成了碳减排成果。毕竟污泥好氧堆肥的投入成本远小于干化焚烧，如果污泥性质与堆肥产品符合土地执行相关标准，好氧堆肥就会成为极为经济的降碳方式。因此，针对填埋而言，通过污泥平稳化目标的好氧预处置，可降低填埋进程中甲烷的排放。

2.4 污泥厌氧消除

污泥消化具体包括好氧消化与厌氧消化两种类型，其中厌氧消化可以借助沼气，是目前国内污泥消化最重要的方式。针对污泥厌氧消化产生沼气发电，污泥厌氧法形成CH与二氧化碳的具体公式为为：ECH4=W•DOC•DOC•MCF•F•16/12=0.033W；ECO2=W•DOC•DOC•（1-MCF•F）•44/12=0.092 W。处置进程则要损耗电能搅拌且受热，依据40 kWh/t核算，附加碳排放具体是ECO2=W×0.04×0.8=0.032 W，甲烷燃烧形成后整体碳排放数量为：Ec=W•DOC•DOC•44/12+0.032W=0.215 W。沼气发电效率通常在25%～30%，绝大多数为0.2 kg，甲烷可再次利用1 kEh电能。所以减排数量是ER=ECH4/0.2×0.8=0.133 W，整体碳排放具体为E=EC-ER=0.082 W，低碳化水平是DLC=（0.792-0.082）/0.792=89.6%。因此，污泥消化不仅能够通过运用沼气减少碳排放量，而且利用污泥的减量化和平稳化也能明显降低水泥饼的运送成本以及进程中的碳排放量以及今后填埋进程的碳排放量。

2.5 污水除磷及其脱氮工艺

污水除磷一般依据反硝化基本原理，综合进行除磷与脱氮，结果可使碳能源有所节省，且能够改变污水中的有机物。目前，可采用非常稳定的生物除磷新工艺改善整个处置效果，创造优良的实际运转场景。污水脱氮处置能够合理使用自养脱氮技术，实施短程硝化，高效减少排出CO2的整体数量，并且能科学地控制体系运转，整体上减少处置费用。

2.6 不同处置技术低碳化水平对比

当污泥处置技术相同时，不同处置设备、设施技术数据、处置水准与能效都会有较大区别，在碳排放方面的结果也会存在较大区别，以上核算结论只反应了此技术的基础水准，在实际应用项目时，则要参照对应的公式进行调节。因此，对比不同处置技术的碳排放状况，污泥厌氧消化产沼应用、预热干化焚烧、混凝低碳化的水平较好，其在实践中具备双重减排效应，不仅降低了污泥填埋形成的CH4，同时也释放和降低了应用化石燃料时二氧化碳的释放，所以为优先选择的污泥低碳化处置技术。然而，好氧堆肥无论被用于单独处置，或者作为填埋前的预处置，经过有机质的平稳化都可避免甲烷的形成，且对于厌氧填埋也具备显著的降排效应。

3 污泥低碳化处置应对措施

国内不同区域发展的差异化较为明显，不相同区域针对污泥处置只是为了符合卫生无害诉求直至服务于低碳城市建造发展，且差异非常大。所以，低碳化不只是为顺延减排化与无害化、资源化等污泥处置的创新构成，其与其他技术、社会、经济共同决定了需要务必处置的应对策略。

参照针对污泥处置技术的评判结论及中国社会发展情况与污泥处置的状况，如何完成污泥低碳化处置，首先要考量污泥生物质可利用的可行性，比如：污泥数量庞大，则需要创建厌氧消化设备，进而实施生产沼泽发电，同时低碳化水平达到了90%，与厌氧填埋进行沼气回收相比，厌氧消化沼气的产值平稳，收集率较高，纯度好，更有利于净化效果。假设不建立厌氧消化设施，则需要利用区域水泥窑或燃煤电厂，混烧经过余热干化之后的污泥，进一步降低污泥处置设备的成本投入，且实现了降低碳排放的目的，主动购买节约燃煤且合理缴纳污泥处置花费，全面推动了企业健康发展。假设污泥处置数量较少，可采取直接混烧湿污泥的方法，以节约干化设备建造的费用及运转成本。在无法满足上述条件的情况下，则要考虑建设独立的污泥焚烧炉，以便干化之后实施焚烧发电。针对经济相对落后的区域，需要利用好氧堆肥，该方法一般适用于矿山土地恢复、园林绿化、填埋土等。假设没有更好的办法，则要考虑把污泥和生活垃圾进行融合，实施好氧预处置，然后进行填埋，预处置只需要单纯的发酵过程，保持污泥的平稳化，降低含水率，这样才能够降低填埋过程的碳排放数量，完善填埋作业效果。

通过以上分析并参照国内城市普遍发展状况，仍有部分技术没有涉及到，比如：用污泥制造建材，此技术能够完成污泥资源化应用，但在国内污泥处置中应用得比较少。另外，污泥的含水量较大、体积巨大，减量化对降低之后持续处置的负担及其处置过程中的碳排放产生了深远影响。针对特定的大城市来讲，单一的处置技术已经无法顺应目前的处置整体诉求，所以要依据实际状况合理组合处置技术。

总之，污水污泥低碳化处置应对措施的准则，可按照以下几方面执行：第一，通过加强脱水、消化与应用余热干化实现污泥含量的下降；第二，通过厌氧消化生产沼气、回收生物质能；第三，成余热干化完后，将其应用于电厂、水泥窑混烧；第四，余热干化完成后进行焚烧发电；第五，好氧堆肥；第六，通过平稳化预处置技术，降低填埋过程中甲烷的释放量；第七，降低处置过程的能耗。

4 污水处置低碳运转应对措施

4.1 减少污水处置不同步骤的能耗

污水处置进程损耗重点是对电能的损耗。当下污水处置技术中电能损耗比较多的步骤为：预处置早期污水含量提高、生化处置的曝气等进程、污泥浓缩与脱水进程及污泥与混合液的回流过程。在诸多步骤中，生化处置进程与污泥脱水浓缩进程的耗电量占整个工艺耗电量的60%～90%上下。基于此，完成污水处置低碳运转需要改进不同的技术，才可减少污水处置的能源消耗，实现节能降排成效[3]。

此外，在污水处置程序中，不同步骤通常依据预先制定的数据运转。然而，在实际处置过程中，污水的流量与水质在不断改变，造成了污水处置过程中，经常出现能量过度消耗，且出水水质不符合要求的情况。对此，技术人员要及时监督进水水质和水量，并以此为标准调整污水处置设备的运转数据，使设备运转形态完全符合进水标准。因此，应用在线检测技术和数字创模技术，将产生良好的应用效果。

4.2 降低外加剂的应用

污水处置过程不仅消耗大量电力，且在完善污水化学组成过程中，还会增添外加剂，从而间接地损耗资源。所以为了减少污水处置过程的能量消耗，就要降低电力的损耗和外加剂的应用。从实践中不难发现，与减少污水处置过程中的电能损耗相比，降低外加剂的应用比较简单可行。一般情况下，城区生活污水与养殖废水中含有的有机物浓度偏高，但工业污水中有机物的含量则较低，如果将这两种污水参照相应比值进行融合，则可降低或减少碳源。另外，不同工业废水的pH值也有所不同，如果把两类或不同种类pH值的污水通过科学配比进行融合，也会节约调整污水pH值的外加剂。在污水脱氮除磷处置过程中，应选择生物方式，而不是化学方法，这样不仅能够减少费用投入，同时也可以全面提升污水脱氮除磷成效。

4.3 改进污泥处置步骤

剩余污泥的处置为污水处置进程中消耗极大的时段。一般污水处理厂针对污泥实施脱水浓缩之后，会添加药物进行加固，或直接进行高温处置，然而，一系列操作后不仅浪费了剩余污泥此种潜，同时还提高了污水处置厂的运转费用。因此，污泥资源化成为处置剩余污泥问题的关键，因为剩余污泥为污水生化处置的副产物，被公认为潜在的绿色资源，然而，实际操作过程中，只需要解决剩余污泥中的二次污染难题，即可变废为宝，将大量剩余污泥转化成优良的资源，最终确保处置设备能够继续良好地运转。

5 结语

总而言之，针对污泥日常采用的处置技术进行碳排放计算时，可通过低碳化方式实施评价，综合不同地域状况拟定低碳化应对措施，具体结论如下：第一，污泥厌氧产沼利用、余热干化+焚烧发电、余热干化+电厂混烧、好氧堆肥等技术的低碳化水平整体情况较为理想。第二，低碳化应对措施可最大程度地降低污泥形成量与处置量，并在情况允许的区域展开厌氧产沼应用，或借助余热干化之后导入工业窑炉混烧或焚烧发电。对于经济落后的区域，则可借助好氧堆肥与填埋前实施好氧平稳与处置。总之，提高低碳污水处置的综合效能，实施低碳化建设，能够实现节能环保的目标，并全面推动污水处置事业的可循环与健康发展。