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碳中和背景下污泥處理處置與資源化發展方向思考
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作者:純麗節能技術
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發布時間: 2021-02-25
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污泥處理處置是我國污水處理的短板，同時也是打贏污染防治攻堅戰的重要任務?；谖勰嗵匦耘c處理處置技術特征，污泥處理處置過程碳排放主要包括能耗藥耗造成的能量源碳排放、逸散性溫室氣體排放，以及能量資源回收和產物利用形成的碳補償?，F有污泥處理處置技術路線碳排放水平為：深度脫水-填埋 > 干化焚燒 > 好氧發酵-土地利用 > 厭氧消化-土地利用。在碳中和的背景下，未來污泥處理處置應以節能降耗及資源能源回收為目標，通過現有技術提升與綠色低碳技術開發，實現過程能耗降低、化學藥劑替代、逸散性溫室氣體控制，以及生物質清潔能源回收等，以提升我國污泥處理處置的碳減排水平。
01 引言
全球變暖是當今人類可持續發展面臨的全球性重大挑戰。為應對氣候變化，1992年5月，聯合國環境與發展大會通過了《聯合國氣候變化框架公約》，2015年12月，締約方在巴黎氣候大會上達成《巴黎協定》，提出將全球平均氣溫上升幅度控制在2攝氏度以內。2020年9月，習近平主席在第七十五屆聯合國大會上鄭重承諾中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年實現碳中和目標。實現碳中和目標，既是我國積極應對氣候變化的承諾，也是加強生態文明和美麗中國建設的必然要求。
我國是目前全球碳排放第一大國，排放量占到全球的25%以上。其中，污水處理行業碳排放量占全社會總排放量的1%~2%，是不可忽視的減排領域。隨著我國城鎮化的推進和污水處理設施的完善，我國城鎮污水處理規模超過2億噸/天，位居世界第一，由此產生的污泥量突破6000萬噸/年（以含水率80%計）。污泥是污水處理過程中的副產物，富集了污水中大量有機物、污染物質與營養物質，具有污染和資源的雙重屬性。污泥處理過程會消耗大量的藥劑和能源，同時以填埋為主的處置方式還會造成大量溫室氣體的排放，因此，污泥處理處置過程碳減排對污水處理行業的碳中和具有重要的意義。
基于污泥特性與處理處置技術特征，從碳中和的角度，污泥處理處置工藝路線的選擇應考慮污泥處理處置過程節能降耗、逸散性溫室氣體排放，以及能量資源回收和產物利用形成的碳補償三個重要因素。其核心在于通過現有技術提升與綠色低碳技術開發，實現過程能耗降低、化學藥劑替代、逸散性溫室氣體控制，以及生物質清潔能源回收等。如歐美國家通過污泥生物質能資源回收，可滿足污水處理廠60%~80%的能耗需求，對污水污泥處理過程碳中和起到了積極的作用。
02 污泥處理處置過程碳排放核算關鍵要素
當不考慮工業廢水的排放，市政污水廠污泥的有機質來自于污水中的有機物（初沉污泥）及有機物的生物分解和合成（剩余污泥），在污泥處理處置過程中，污泥有機物的分解和轉化會產生CO2氣體，根據IPCC的指南，這部分CO2是自然界碳循環中的一部分，不會引發大氣中CO2的凈增長，屬于中性碳。
根據污泥處理處置過程碳排放的來源不同，碳排放可分為能量源碳排放、逸散性碳排放和碳補償（圖1）。能量源碳排放是指由于污泥處理處置過程中消耗一次能源（煤炭、天然氣等）、二次能源（電、柴油等）以及化學品藥劑等引起的碳排放；逸散性碳排放是指污泥處理處置過程中產生的逸散性CH4、N2O等溫室氣體，IPCC指南給出了CH4 和N2O的100年全球增溫潛勢值，1噸CH4和N2O分別相當于21噸和310噸二氧化碳的增溫能力；碳補償是指污泥中能源或資源回收利用，替代化石類能源及化學品等，從而降低溫室氣體的排放。
近年來，隨著國家對污泥處理處置問題的重視，逐步形成了4條主流處理處置技術路線：“厭氧消化+土地利用”、“好氧發酵+土地利用”、“干化焚燒+灰渣填埋或建材利用”，以及“深度脫水+應急填埋”，有效支撐了我國污泥處理處置問題的解決。但是，現有的污泥處理處置工藝的選擇主要依據技術適用性和經濟成本，考慮到未來碳達峰和碳中和目標，碳排放作為污泥處理處置工藝路線選擇的重要指標之一，是未來的發展趨勢。
污泥處理處置系統復雜，工藝路線差異較大，四種典型技術路線碳排放的關鍵要素存在較大的差異，主要表現在以下幾個方面：
（1）厭氧消化-土地利用
厭氧消化可以同時實現易腐有機物穩定、病原菌削減、污泥體積減量和生物質能源回收，是當前國內外污泥穩定化處理的主流技術。污泥富含有機質、氮、磷、鉀等營養物質，污泥的土地利用可以改善土壤的性質，實現營養物質的循環利用?！皡捬跸?土地利用”技術路線也被我國《城鎮污水處理廠污泥處置技術指南》推薦為污泥處理處置的優選技術。
從碳排放的角度分析，厭氧消化過程中加熱能耗和攪拌電耗、脫水藥劑，以及土地利用過程能源消耗等會造成能量源碳排放；厭氧消化過程逸散的少量沼氣，以及土地利用過程釋放的CH4和N2O等會造成逸散性溫室氣體排放；厭氧消化產生的沼氣替代化石燃料、消化產物土地利用替代氮磷與磷肥可實現碳補償，降低溫室氣體的排放?？傮w而言，根據現有的核算，厭氧消化-土地利用是一種負碳排放的工藝。厭氧消化效率的提升（生物質能回收），高級厭氧消化技術的應用（降低系統能耗），沼渣脫水環節綠色藥劑的替代，以及沼液氮磷資源高效回收是該工藝未來碳減排發展的重點方向。工程實踐表明，考慮到厭氧消化產生的沼液資源回收利用和就地處理，建議厭氧消化工程依托污水處理廠建設。
（2）好氧發酵-土地利用
污泥經過好氧發酵可以實現易腐有機物的降解和穩定，在重金屬等污染物不超標的情況下，好氧發酵產物可以實現污泥的土地利用，包括園林綠化、育苗基質、土壤修復和農用等。
從碳排放的角度分析，脫水過程藥劑消耗，好氧發酵過程輔料輸運、供氧及廢氣處理能耗和藥耗、以及土地利用過程能源消耗等會造成能量源碳排放；好氧發酵和土地利用過程釋放的CH4和N2O等會造成逸散性溫室氣體排放；發酵產物土地利用可替代氮肥與磷肥使用，實現碳補償?？傮w而言，根據現有的核算，好氧發酵和土地利用是一種低水平碳排放的工藝，重點在于提高好氧發酵工藝的智能化控制水平，減少臭氣處理的能耗和藥耗，降低輔料添加，以及創新污泥產品的高效利用技術。
（3）干化焚燒-建材利用
當污泥土地利用受限時，污泥干化焚燒是一種有效的處理處置的方式。通過干化焚燒，將污泥化學能轉化為熱能并進行回收利用，同時實現有機物的礦化，以及大幅度減量，焚燒灰渣可以進行建材資源化利用。
從碳排放的角度分析，脫水過程藥耗和能耗、干化過程能耗、以及焚燒過程燃料消耗等會造成能量源碳排放；干化焚燒過程釋放的CH4和N2O等會造成逸散性溫室氣體排放；焚燒過程能量回收利用可替代干化過程能量消耗，實現碳補償?？傮w來講，干化焚燒屬于中等碳排放水平，重點在于開發高效低耗深度脫水技術和環境友好型脫水藥劑，降低污泥干化的能耗，減輕對后續焚燒過程結焦和飛灰的影響，以及提升工藝設計合理性和整體智能化集成水平。
從未來的發展來看，厭氧消化-干化焚燒工藝有望成為污泥處理處置的重要發展方向。2020年住建部和發改委聯合發布的《補短板強弱項實施方案》提出：“鼓勵采用生物質利用+末端焚燒的處置模式”，其中“生物質利用”主要包含污泥厭氧消化技術。厭氧消化耦合干化焚燒可以實現能量的回收利用，具體能量平衡見表1。
備注：以100噸含水率為80%的脫水污泥為基準；其中Q1為熱水解污泥量，進泥含水率為85%；T1為初始污泥溫度，以年平均15℃計；k1為噸水加熱1℃消耗熱量，以kWh計；Q2為傳統厭氧消化污泥量，含水率為95%；Y為甲烷產率，傳統厭氧消化為0.85m3/kg VSre，熱水解厭氧消化為0.9 m3/kg VSre；CVCH4為甲烷熱值，為35.9 MJ/m3，k2為沼氣綜合利用效率，取0.95；DS為脫水污泥的干基質量，以噸計；W為污泥脫水能耗，以60kWh/噸干基計；m1為脫水污泥的含水量，以噸計；m2為干化污泥的含水量，以噸計；k3為干化過程蒸發1噸水消耗的熱量，以900kWh/噸水計；E煙氣為焚燒過程產生煙氣的熱量，以kWh計；E尾氣為焚燒系統隨尾氣排放損失的熱量，以kWh計。
與污泥干化焚燒相比，污泥厭氧消化-干化焚燒在系統能耗方面具有明顯的優勢：以100噸污泥（80%含水率計），當有機質含量為50%，污泥獨立焚燒需外加能量25142kWh，傳統厭氧消化-干化焚燒可產生能量1004kWh，熱水解厭氧消化-干化焚燒產生熱量可提升至7889kWh，其原因主要在于通過厭氧消化回收生物質能，并在同等條件下改善了污泥的脫水性能，大大降低了干化的能耗，使得生物質能回收的能量加上污泥干化系統節省的能量總和大于厭氧消化有機物降解損失的能量。盡管厭氧消化延長了污泥處理的工藝流程，但是對于污泥處理系統碳減排具有重要的作用。同時，由于厭氧消化過程污泥的減量，后續干化焚燒設施的投資成本也會降低。綜合考慮碳減排及干化焚燒投資成本的節省，該組合工藝相比于污泥獨立干化焚燒具有良好的發展潛力。如果實現該工藝組合低品位熱源的高效利用（如基于低品位熱源的污泥脫水干化技術），優勢將會進一步提高。
對于傳統厭氧消化-干化焚燒工藝，適用于已建有污泥厭氧消化設施的提標改造工程，厭氧消化污泥經過脫水處理后，在廠區內利用沼氣進行部分干化處理，再進行集中焚燒處置。對于污泥熱水解厭氧消化-干化焚燒工藝適用于新建或現有的集中式污泥處理處置工程，考慮沼液的處理，建議在有條件的情況下，污泥處理工程建設于污水處理廠區。另外，該工藝的另一個優勢在于，對于滿足土地利用條件的消化污泥，可以考慮土地利用，土地利用無法消納的污泥再進行后續干化焚燒處置。
（4）深度脫水-應急填埋
深度脫水-應急填埋是目前我國普遍采用的污泥處理處置技術路線，該技術路線二次污染嚴重，占用土地，浪費資源，是一種過渡性的處理處置方式。
從碳排放的角度分析，污泥深度脫水過程會消耗大量的脫水藥劑和能耗，同時污泥填埋會釋放大量無組織排放的CH4、N2O等溫室氣體，最終產生大量的碳排放。因此，深度脫水-填埋屬于高水平碳排放工藝，隨著無廢城市的建設以及碳減排的要求，該工藝路線是一種階段性的應急處理處置方式。
綜上所述，典型污泥處理處置工藝碳排放分析見表2。
04 碳中和背景下污泥處理處置未來發展方向
隨著碳中和目標的推進，未來污泥處理處置應以節能降耗及能源資源回收為目標。目前，我國污泥厭氧消化工藝普及率較低，應加強高含固/協同高級厭氧消化技術的推廣應用，實現污泥的高效穩定減量和生物質能高效回收。污泥水分的深度去除是污泥處理處置節能降耗的關鍵，應提升干化脫水設備的智能化水平，開發相應的環境友好型脫水藥劑及高效脫水技術。對于污泥干化焚燒末端處理技術，加強干化焚燒系統能量優化，同時考慮與厭氧消化技術的耦合，實現系統能量水平的整體提升。
在全球應對氣候變化和能源資源短缺的背景下，污泥的能源高效回收及物質的高效循環利用已成為國際的研究熱點（圖2）。隨著學科交叉和先進研發手段的應用，污泥處理處置的技術水平將會得到大幅提升，前沿低碳技術的突破將有望大大提升污泥處理處置的碳減排水平。
全球變暖是當今人類可持續發展面臨的全球性重大挑戰。為應對氣候變化，1992年5月，聯合國環境與發展大會通過了《聯合國氣候變化框架公約》，2015年12月，締約方在巴黎氣候大會上達成《巴黎協定》，提出將全球平均氣溫上升幅度控制在2攝氏度以內。2020年9月，習近平主席在第七十五屆聯合國大會上鄭重承諾中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年實現碳中和目標。實現碳中和目標，既是我國積極應對氣候變化的承諾，也是加強生態文明和美麗中國建設的必然要求。
我國是目前全球碳排放第一大國，排放量占到全球的25%以上。其中，污水處理行業碳排放量占全社會總排放量的1%~2%，是不可忽視的減排領域。隨著我國城鎮化的推進和污水處理設施的完善，我國城鎮污水處理規模超過2億噸/天，位居世界第一，由此產生的污泥量突破6000萬噸/年（以含水率80%計）。污泥是污水處理過程中的副產物，富集了污水中大量有機物、污染物質與營養物質，具有污染和資源的雙重屬性。污泥處理過程會消耗大量的藥劑和能源，同時以填埋為主的處置方式還會造成大量溫室氣體的排放，因此，污泥處理處置過程碳減排對污水處理行業的碳中和具有重要的意義。
基于污泥特性與處理處置技術特征，從碳中和的角度，污泥處理處置工藝路線的選擇應考慮污泥處理處置過程節能降耗、逸散性溫室氣體排放，以及能量資源回收和產物利用形成的碳補償三個重要因素。其核心在于通過現有技術提升與綠色低碳技術開發，實現過程能耗降低、化學藥劑替代、逸散性溫室氣體控制，以及生物質清潔能源回收等。如歐美國家通過污泥生物質能資源回收，可滿足污水處理廠60%~80%的能耗需求，對污水污泥處理過程碳中和起到了積極的作用。
02 污泥處理處置過程碳排放核算關鍵要素
當不考慮工業廢水的排放，市政污水廠污泥的有機質來自于污水中的有機物（初沉污泥）及有機物的生物分解和合成（剩余污泥），在污泥處理處置過程中，污泥有機物的分解和轉化會產生CO2氣體，根據IPCC的指南，這部分CO2是自然界碳循環中的一部分，不會引發大氣中CO2的凈增長，屬于中性碳。
根據污泥處理處置過程碳排放的來源不同，碳排放可分為能量源碳排放、逸散性碳排放和碳補償（圖1）。能量源碳排放是指由于污泥處理處置過程中消耗一次能源（煤炭、天然氣等）、二次能源（電、柴油等）以及化學品藥劑等引起的碳排放；逸散性碳排放是指污泥處理處置過程中產生的逸散性CH4、N2O等溫室氣體，IPCC指南給出了CH4 和N2O的100年全球增溫潛勢值，1噸CH4和N2O分別相當于21噸和310噸二氧化碳的增溫能力；碳補償是指污泥中能源或資源回收利用，替代化石類能源及化學品等，從而降低溫室氣體的排放。
圖1 污泥處理處置過程碳排放核算關鍵要素
03 我國污泥主流處理處置工藝碳排放差異分析近年來，隨著國家對污泥處理處置問題的重視，逐步形成了4條主流處理處置技術路線：“厭氧消化+土地利用”、“好氧發酵+土地利用”、“干化焚燒+灰渣填埋或建材利用”，以及“深度脫水+應急填埋”，有效支撐了我國污泥處理處置問題的解決。但是，現有的污泥處理處置工藝的選擇主要依據技術適用性和經濟成本，考慮到未來碳達峰和碳中和目標，碳排放作為污泥處理處置工藝路線選擇的重要指標之一，是未來的發展趨勢。
污泥處理處置系統復雜，工藝路線差異較大，四種典型技術路線碳排放的關鍵要素存在較大的差異，主要表現在以下幾個方面：
（1）厭氧消化-土地利用
厭氧消化可以同時實現易腐有機物穩定、病原菌削減、污泥體積減量和生物質能源回收，是當前國內外污泥穩定化處理的主流技術。污泥富含有機質、氮、磷、鉀等營養物質，污泥的土地利用可以改善土壤的性質，實現營養物質的循環利用?！皡捬跸?土地利用”技術路線也被我國《城鎮污水處理廠污泥處置技術指南》推薦為污泥處理處置的優選技術。
從碳排放的角度分析，厭氧消化過程中加熱能耗和攪拌電耗、脫水藥劑，以及土地利用過程能源消耗等會造成能量源碳排放；厭氧消化過程逸散的少量沼氣，以及土地利用過程釋放的CH4和N2O等會造成逸散性溫室氣體排放；厭氧消化產生的沼氣替代化石燃料、消化產物土地利用替代氮磷與磷肥可實現碳補償，降低溫室氣體的排放?？傮w而言，根據現有的核算，厭氧消化-土地利用是一種負碳排放的工藝。厭氧消化效率的提升（生物質能回收），高級厭氧消化技術的應用（降低系統能耗），沼渣脫水環節綠色藥劑的替代，以及沼液氮磷資源高效回收是該工藝未來碳減排發展的重點方向。工程實踐表明，考慮到厭氧消化產生的沼液資源回收利用和就地處理，建議厭氧消化工程依托污水處理廠建設。
（2）好氧發酵-土地利用
污泥經過好氧發酵可以實現易腐有機物的降解和穩定，在重金屬等污染物不超標的情況下，好氧發酵產物可以實現污泥的土地利用，包括園林綠化、育苗基質、土壤修復和農用等。
從碳排放的角度分析，脫水過程藥劑消耗，好氧發酵過程輔料輸運、供氧及廢氣處理能耗和藥耗、以及土地利用過程能源消耗等會造成能量源碳排放；好氧發酵和土地利用過程釋放的CH4和N2O等會造成逸散性溫室氣體排放；發酵產物土地利用可替代氮肥與磷肥使用，實現碳補償?？傮w而言，根據現有的核算，好氧發酵和土地利用是一種低水平碳排放的工藝，重點在于提高好氧發酵工藝的智能化控制水平，減少臭氣處理的能耗和藥耗，降低輔料添加，以及創新污泥產品的高效利用技術。
（3）干化焚燒-建材利用
當污泥土地利用受限時，污泥干化焚燒是一種有效的處理處置的方式。通過干化焚燒，將污泥化學能轉化為熱能并進行回收利用，同時實現有機物的礦化，以及大幅度減量，焚燒灰渣可以進行建材資源化利用。
從碳排放的角度分析，脫水過程藥耗和能耗、干化過程能耗、以及焚燒過程燃料消耗等會造成能量源碳排放；干化焚燒過程釋放的CH4和N2O等會造成逸散性溫室氣體排放；焚燒過程能量回收利用可替代干化過程能量消耗，實現碳補償?？傮w來講，干化焚燒屬于中等碳排放水平，重點在于開發高效低耗深度脫水技術和環境友好型脫水藥劑，降低污泥干化的能耗，減輕對后續焚燒過程結焦和飛灰的影響，以及提升工藝設計合理性和整體智能化集成水平。
從未來的發展來看，厭氧消化-干化焚燒工藝有望成為污泥處理處置的重要發展方向。2020年住建部和發改委聯合發布的《補短板強弱項實施方案》提出：“鼓勵采用生物質利用+末端焚燒的處置模式”，其中“生物質利用”主要包含污泥厭氧消化技術。厭氧消化耦合干化焚燒可以實現能量的回收利用，具體能量平衡見表1。
表1 污泥干化焚燒與厭氧消化-干化焚燒系統能量平衡分析
與污泥干化焚燒相比，污泥厭氧消化-干化焚燒在系統能耗方面具有明顯的優勢：以100噸污泥（80%含水率計），當有機質含量為50%，污泥獨立焚燒需外加能量25142kWh，傳統厭氧消化-干化焚燒可產生能量1004kWh，熱水解厭氧消化-干化焚燒產生熱量可提升至7889kWh，其原因主要在于通過厭氧消化回收生物質能，并在同等條件下改善了污泥的脫水性能，大大降低了干化的能耗，使得生物質能回收的能量加上污泥干化系統節省的能量總和大于厭氧消化有機物降解損失的能量。盡管厭氧消化延長了污泥處理的工藝流程，但是對于污泥處理系統碳減排具有重要的作用。同時，由于厭氧消化過程污泥的減量，后續干化焚燒設施的投資成本也會降低。綜合考慮碳減排及干化焚燒投資成本的節省，該組合工藝相比于污泥獨立干化焚燒具有良好的發展潛力。如果實現該工藝組合低品位熱源的高效利用（如基于低品位熱源的污泥脫水干化技術），優勢將會進一步提高。
對于傳統厭氧消化-干化焚燒工藝，適用于已建有污泥厭氧消化設施的提標改造工程，厭氧消化污泥經過脫水處理后，在廠區內利用沼氣進行部分干化處理，再進行集中焚燒處置。對于污泥熱水解厭氧消化-干化焚燒工藝適用于新建或現有的集中式污泥處理處置工程，考慮沼液的處理，建議在有條件的情況下，污泥處理工程建設于污水處理廠區。另外，該工藝的另一個優勢在于，對于滿足土地利用條件的消化污泥，可以考慮土地利用，土地利用無法消納的污泥再進行后續干化焚燒處置。
（4）深度脫水-應急填埋
深度脫水-應急填埋是目前我國普遍采用的污泥處理處置技術路線，該技術路線二次污染嚴重，占用土地，浪費資源，是一種過渡性的處理處置方式。
從碳排放的角度分析，污泥深度脫水過程會消耗大量的脫水藥劑和能耗，同時污泥填埋會釋放大量無組織排放的CH4、N2O等溫室氣體，最終產生大量的碳排放。因此，深度脫水-填埋屬于高水平碳排放工藝，隨著無廢城市的建設以及碳減排的要求，該工藝路線是一種階段性的應急處理處置方式。
綜上所述，典型污泥處理處置工藝碳排放分析見表2。
表2 典型污泥處理處置工藝碳排放分析
隨著碳中和目標的推進，未來污泥處理處置應以節能降耗及能源資源回收為目標。目前，我國污泥厭氧消化工藝普及率較低，應加強高含固/協同高級厭氧消化技術的推廣應用，實現污泥的高效穩定減量和生物質能高效回收。污泥水分的深度去除是污泥處理處置節能降耗的關鍵，應提升干化脫水設備的智能化水平，開發相應的環境友好型脫水藥劑及高效脫水技術。對于污泥干化焚燒末端處理技術，加強干化焚燒系統能量優化，同時考慮與厭氧消化技術的耦合，實現系統能量水平的整體提升。
在全球應對氣候變化和能源資源短缺的背景下，污泥的能源高效回收及物質的高效循環利用已成為國際的研究熱點（圖2）。隨著學科交叉和先進研發手段的應用，污泥處理處置的技術水平將會得到大幅提升，前沿低碳技術的突破將有望大大提升污泥處理處置的碳減排水平。
圖2 污泥能源與資源回收國際研究熱點
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