市政污泥协同处置技术路径碳足迹分析

1.1 碳足迹计算模型

为精准核算污泥处理全过程的碳足迹，需要综合考虑所有可能涉及到的工艺步骤，并确立相应的计算模型。目前，常用的碳足迹计算方法主要包括排放因子法和实测法等。实测法是指在全处理过程中对不同工艺流程中的碳排放量进行实地检测和汇总，从而得出碳排放总量。实测法的结果较为准确，但是数据的采集较为复杂，且很难对碳汇进行精准测算。排放因子法是IPCC提出的一种碳足迹估算方法，主要通过活动水平与排放因子的乘积求和得到碳排放总量。本文选用碳排放因子法，结合工程案例中的实际运行参数和相应的排放因子，对污泥处理全过程的碳足迹进行核算。

不同技术路线的碳足迹为：

式中 Msi和EFi——消耗的能源或药剂的量和对应的碳排放因子，并取CH4和N2O的温室气体增温潜势为25和298。

碳排放总量由CO2排放量（包括CH4、N2O排放核算转化后的CO2排放当量）减去因替代燃料或原料等产生的碳减排量计算得出。需要注意的是，生物质在生物处理过程中释放的二氧化碳来源于其生长过程中吸收的二氧化碳。因此，在污泥生物处理或焚烧的过程中，生物成因的CO2排放不计入碳排放总量。

运输过程中产生的碳排放为：

式中 T1——运输车满载时油耗，取0.255kg柴油/km；

T2——运输处空载时油耗，取0.153kg柴油/km；

m——运输污泥质量，t；

M——运输车辆满载质量，t；

D——运输距离，km；

EF——柴油的排放因子，取3.186 kgCO2/kg柴油。

厌氧消化过程中产生的碳排放为：

式中 CH4——管道泄露取沼气产量的5%；

Msi——厌氧消化过程中消耗的能源或药剂的量；

EFi——对应的排放因子。1m3的沼气可发电1.7 kW·h，产热2 kW·h。

热干化过程中产生的碳排放为：

式中 M——烘干水分质量，kg；

T——热干化单位脱水量能耗，取1 kW·h/kg；

EF——电能排放因子，取0.5810 kgCO2/（kW·h）。

生物干化过程中产生的碳排放为：

式中 M1——脱去水分质量，kg；

T——生物干化脱水单位能耗，取0.0495 kW·h/kg；

EF1——电能排放因子，取0.5810 kgCO2/（kW·h）；

M2——菌剂用量，L；

EF2——菌剂排放因子，取1.034 kgCO2/L；来源于CH4和N2O的直接碳排放取3.61kg/t DS。

污泥热解过程中产生的碳排放为：

式中 CH4管道泄露——取热解气产量的5%；

M——发电量，kW·h；

EF——电能排放因子，取0.5810 kgCO2/（kW·h）。

水泥窑协同处置过程中产生的碳排放为：

式中 M1——替代原料质量，kg；

EF1——原料排放因子，取8.76 kgCO2/t；

M2——替代燃料质量，kg；

EF2——燃料排放因子，取2.191 kgCO2/kg。

1.2 碳足迹核算参数

研究中通过排放因子法核算厌氧消化＋热干化＋水泥窑协同处置、生物干化＋热干化＋水泥窑协同处置、生物干化＋热解＋水泥窑协同处置三种不同技术路线的碳足迹，上述公式以及计算过程中所涉及到的排放因子主要来源于IPCC和文献中所提供的数据。

为便于统一运输过程中的核算标准，根据合肥市实际工厂选址情况，污泥在不同处理环节中的运输距离统一为10km，处理后运往水泥厂的距离统一为50km。

1.3 核算对象

为便于不同技术路线碳足迹的核算与比较，本文的核算对象统一为1 t污水厂出厂污泥，以合肥市区不同污水厂的污泥进行取样分析所得结果均值为基准，如表1所示。

表1 合肥市区不同污水厂污泥性质分析

经过调研和取样测试，取核算对象的污泥含水率为80%，灰分取平均值为45%，污泥的干基热值取平均值为12MJ/kg。进入水泥窑协同处置的物料含水率统一为40%。

1.4 工程案例

本研究中所涉及厌氧消化工艺参考合肥市某污泥处理企业案例，该厂每日可处理80%含水率污泥120t，沼气产量为3 120m3，电力消耗为4 500 kW·h。经过厌氧消化和脱水（离心+深度脱水）处理后，出厂污泥含水率为46.7%，干基热值为6.926MJ/kg，灰分含量为62%。

本研究中所涉及生物干化工艺参考合肥市某公司中试效果，污泥生物干化系统单位能耗脱水量约为20 kg/kW·h。干化过程中需添加各种废弃物（如锯末，秸秆等）作为辅料，其中辅料的含水率取12.5%，干基热值为18MJ/kg。生物干化前混合料含水率为63%，干化结束后含水率为40%。干化前混合料灰分为20%，干化后混合料灰分为25%，干化后混合料的干基热值为15.7MJ/kg。

鉴于合肥市暂无大型污泥热解工程项目，本研究中所涉及污泥热解工艺参数以河南省某公司工程参数为基准，该厂每日可处理60%含水率污泥25t，热解气产量为15 000m3，热解气密度密度为1.2419kg/m3，热值为3.837MJ/m3。该厂通过可燃气发电机组进行发电，扣除厂区自身电耗后平均每吨污泥发电量为120.24 kW·h，发电尾气排放量1 032Nm3/h，尾气中N2O含量为20 ppm。

2.1 厌氧消化＋热干化＋水泥窑协同处置技术路线碳足迹

在碳足迹核算过程中，需要明确整个工艺路线的核算边界，对所有可能涉及碳排放的工艺流程进行计算。图1为该技术路线的碳足迹核算边界。

图1 “厌氧消化＋热干化＋水泥窑协同处置”技术路线碳足迹核算边界

在该技术路线全过程中，管道泄露和沼气燃烧会产生二氧化碳的直接排放，热干化后的污泥在水泥窑中焚烧时同样会释放少量CH4和N2O（0.024kg/tDS，0.99kg/tDS）。全过程中的间接碳排放主要由电能输入、运输和药剂消耗构成，而沼气燃烧产热发电以及处理后的污泥作为水泥窑生产中的替代燃料、原料所产生的碳减排则是碳汇的主要组成部分。具体计算结果如图2所示，全过程所产生的碳排放为90.61kg。其中，运输所产生的碳排放占比较小，全过程仅有3.42kg。碳排放最高的工艺流程为厌氧消化-脱水处理，碳排放量为115.28kg，其中超过一半来源于调理及脱水药剂的消耗，在全过程碳源中所占比例为49.86%，也是所有碳源项目中占比最高的。目前，国内厌氧消化工艺对有机质的降解效率普遍不高（约40%），后续沼气发电虽然可以减少用电量而产生碳汇，但仍无法完全弥补药剂投加所带来的碳排放。因此，开发新型低碳污泥调理剂，减少药剂消耗并提高厌氧消化产气效率是厌氧消化低碳减排的重要发展方向。此外，污泥在厌氧消化过程中因管道泄漏而产生的碳排放为15.09kg，对厌氧消化系统的改进和优化也是碳减排的关键环节。在水泥窑协同处置工艺中，由于污泥在厌氧消化工艺中有机质降解效率较低，因而在煅烧过程中会释放CH4和N2O，该部分的碳排放量为35.47kg。但是其作为替代原料和替代燃料可以大量减少水泥生料和煤的使用量，产生的碳汇为84.70kg。因此，污泥的水泥窑协同处置过程为负碳排放，从而降低了整个技术路线的碳排放。

图2 “厌氧消化＋热干化＋水泥窑协同处置”技术路线不同工艺流程的碳排放和碳足迹分析

此外，该工艺流程中，厌氧消化后的污泥经过脱水处理，污泥的含水率降低至46.7%，通过热干化后含水率进一步降低至40%后进入水泥窑。由于热干化脱水较少，因此产生的碳排放较低，为进一步明确热干化过程中的碳排放，探究工艺条件对碳足迹的影响，本研究改变热干化后污泥含水率参数（20%、30%、40%），分别计算全过程的碳足迹，结果如图所示。随着热干化后污泥含水率的降低，全过程碳排放量增高，表明热干化效率较低，过度的热干化反而会使得碳排放增高。当污泥的掺入量较小（低于10%），此时污泥中的水分对水泥窑熟料的生产影响较小，厌氧消化-深度脱水后的污泥直接入窑可以在水泥窑中完成干化，不再需要额外的热干化过程，避免了热能的转化过程且能充分利用水泥窑中多余的热量，更有利于全过程的碳减排。

图3 工艺条件对全过程碳足迹的影响

2.2 生物干化＋热干化＋水泥窑协同处置技术路线碳足迹

图4为生物干化＋热干化＋水泥窑协同处置技术路线的碳足迹核算边界。

在该技术路线全过程中，由于污泥生物处理产生的碳排放不纳入核算范围，因此整个过程中的直接碳排放包括生物干化处理过程和处理后的污泥在水泥窑中煅烧产生的CH4和N2O排放。间接碳排放主要来源于电能消耗和菌剂消耗，其中辅料主要为各种生物质废弃物如秸秆、麦麸、锯末等，因此只计算其收集和运输过程中产生的碳排放。生物干化过程中，水分的蒸发吸热主要来源于干化系统中微生物有氧呼吸所释放的热能，该部分能量也是碳汇的重要组成部分。具体计算结果如图5所示。

图4 “生物干化＋热干化＋水泥窑协同处置”技术路线碳足迹核算边界

图5 “生物干化＋热干化＋水泥窑协同处置”技术路线不同工艺流程的碳排放和碳足迹分析

生物干化＋热干化＋水泥窑协同处置技术路线全过程的碳排放为-16.72kg，即整个处理过程中实现了负碳排放。其中，运输过程产生的碳排放因为辅料的运输而略有增加，而生物干化过程中因电力消耗而产生的碳排放较高，为19.64kg，主要用于干化设备的运行和控制。在水泥窑协同处置环节，由于生物干化对污泥中有机质的降解率较低（约20%~25%），干化后混合物料中仍含有较多有机质，因此在水泥窑中煅烧时释放的热量相对较高，虽然也导致煅烧时释放的CH4和N2O的量增加，但总体上水泥窑协同处置环节仍为负碳工艺。全过程中主要的碳汇来源于生物干化过程中微生物有氧呼吸产生的热量以及混合物料对水泥生产原料和燃料的替代效果，产生的碳汇分别为165.89kg和88.82kg。需要指出的是，辅料本身的热值较高，在水泥窑中煅烧时同样可以起到替代燃料的作用，为便于不同技术路线的碳足迹比较，以上核算结果已将辅料的影响排除。

由于生物干化后混合料的含水率已降低至40%，已经基本满足进入水泥窑协同处置的条件，因此在核算中没有考虑其它技术路线中所需热干化工艺的影响。当水泥窑容易受到混合料中水分的影响而造成减产，或者为提高水泥窑对污泥的协同处置量时，往往需要对混合料进行进一步的热干化。为研究热干化对全过程碳足迹的影响，通过改变入窑的含水率参数（20%、30%、40%），分别计算全过程的碳足迹，结果如图6所示。随着含水率的降低，全技术路线的碳排放呈现上升趋势，其原因前文已有所分析。与热干化相比，生物干化的能耗仅为前者的5%左右，从理论上分析，生物干化后直接入窑更有利于处理过程中的碳减排。但是，目前生物干化对有机质的降解率较低，含水率降低至40%以后其体系温度降低，很难继续完成高效脱水。外加酶、调理剂等手段可以在一定程度上促进微生物对有机质的利用，提高生物干化的温度并延长高温期，有望实现更高效的生物干化，从而进一步降低全过程的碳排放。

图6 工艺条件对全过程碳足迹的影响

2.3 生物干化＋热解＋水泥窑协同处置技术路线碳足迹

图7为生物干化＋热干化＋水泥窑协同处置技术路线的碳足迹核算边界。

在该技术路线全过程中，生物干化和热解气的燃烧过程中排放的CH4和N2O以及热解气管道的泄露会产生直接碳排放，热解气发电与生物干化产热都可以减少二氧化碳排放。为便于比较，生物干化过程中添加辅料的热值同样不纳入计算，具体计算结果如图8所示。

  图 7 “生物干化＋热解＋水泥窑协同处置”技术路线碳足迹核算边界

  图8 “生物干化＋热解＋水泥窑协同处置”技术路线不同工艺流程的碳排放和碳足迹分析

生物干化＋热解＋水泥窑协同处置技术路线全过程的碳排放为-11.75kg，低于技术路线一但高于技术路线二。其中，碳排放最高的是生物干化工艺。污泥热解产生的热解气可以用于发电，不仅可以满足热解过程中消耗的能源，而且通过余热回收等方式还可以进一步减少热解的能耗，整个工艺流程可以对外供电来产生碳汇。污泥热解气中的一氧化碳、甲烷等可燃气体在燃烧发电的过程中会产生大量的二氧化碳，但是该部分二氧化碳属于生物成因，因此不纳入国家排放总量，只计算燃烧过程中产生的N2O的排放。在热解工艺中，污泥进入气化炉后首先与高温气体接触并快速被干燥，该过程与热干化相似。随后，污泥中的有机物在贫氧条件下发生热裂解并生成CO、H2等可燃气体，从而实现污泥的资源化利用。与技术路线三不同的是，技术路线二中热干化后的污泥直接进入水泥窑作为生产的替代原料和燃料，污泥中剩余的无机矿物和有机质可直接得到利用。而在技术路线二中，热解工艺先烘干水分，再将污泥中有机质转化为可燃性热解气，最后由热解气的燃烧提供热能。相比较而言，技术路线二对能量的转化更为直接，所以生物干化＋热干化＋水泥窑协同处置技术路线的碳排放整体要低于生物干化＋热解＋水泥窑协同处置技术路线。值得注意的是，污泥热解是在贫氧条件下进行的，热解过程中所产生的N2O含量较低。此外，污泥热解过程中温度较高，污泥中固有的有机质基本分解，其热解产物在水泥窑中煅烧所产生的CH4和N2O也几乎为零。相对于前两条技术路线而言，技术路线三在该方面具有一定的碳减排优势，因此其总碳排放量与技术路线二也较为接近。

针对以上问题，通过碳足迹分析提出以下碳减排优化方案：