水处理

戴晓虎等:碳中和背景下污泥处理处置与资源化发展方向思考

2021-02-25 08:51:56 给水排水 作者:戴晓虎等

污泥处理处置是我国污水处理的短板,同时也是打赢污染防治攻坚战的重要任务。基于污泥特性与处理处置技术特征,污泥处理处置过程碳排放主要包括能耗药耗造成的能量源碳排放、逸散性温室气体排放,以及能量资源回收和产物利用形成的碳补偿。现有污泥处理处置技术路线碳排放水平为:深度脱水-填埋 > 干化焚烧 > 好氧发酵-土地利用 > 厌氧消化-土地利用。在碳中和的背景下,未来污泥处理处置应以节能降耗及资源能源回收为目标,通过现有技术提升与绿色低碳技术开发,实现过程能耗降低、化学药剂替代、逸散性温室气体控制,以及生物质清洁能源回收等,以提升我国污泥处理处置的碳减排水平。

01 引言

全球变暖是当今人类可持续发展面临的全球性重大挑战。为应对气候变化,1992年5月,联合国环境与发展大会通过了《联合国气候变化框架公约》,2015年12月,缔约方在巴黎气候大会上达成《巴黎协定》,提出将全球平均气温上升幅度控制在2摄氏度以内。2020年9月,习近平主席在第七十五届联合国大会上郑重承诺中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年实现碳中和目标。实现碳中和目标,既是我国积极应对气候变化的承诺,也是加强生态文明和美丽中国建设的必然要求。

我国是目前全球碳排放第一大国,排放量占到全球的25%以上。其中,污水处理行业碳排放量占全社会总排放量的1%~2%,是不可忽视的减排领域。随着我国城镇化的推进和污水处理设施的完善,我国城镇污水处理规模超过2亿吨/天,位居世界第一,由此产生的污泥量突破6000万吨/年(以含水率80%计)。污泥是污水处理过程中的副产物,富集了污水中大量有机物、污染物质与营养物质,具有污染和资源的双重属性。污泥处理过程会消耗大量的药剂和能源,同时以填埋为主的处置方式还会造成大量温室气体的排放,因此,污泥处理处置过程碳减排对污水处理行业的碳中和具有重要的意义。

基于污泥特性与处理处置技术特征,从碳中和的角度,污泥处理处置工艺路线的选择应考虑污泥处理处置过程节能降耗、逸散性温室气体排放,以及能量资源回收和产物利用形成的碳补偿三个重要因素。其核心在于通过现有技术提升与绿色低碳技术开发,实现过程能耗降低、化学药剂替代、逸散性温室气体控制,以及生物质清洁能源回收等。如欧美国家通过污泥生物质能资源回收,可满足污水处理厂60%~80%的能耗需求,对污水污泥处理过程碳中和起到了积极的作用。

02 污泥处理处置过程碳排放核算关键要素

当不考虑工业废水的排放,市政污水厂污泥的有机质来自于污水中的有机物(初沉污泥)及有机物的生物分解和合成(剩余污泥),在污泥处理处置过程中,污泥有机物的分解和转化会产生CO2气体,根据IPCC的指南,这部分CO2是自然界碳循环中的一部分,不会引发大气中CO2的净增长,属于中性碳。

根据污泥处理处置过程碳排放的来源不同,碳排放可分为能量源碳排放、逸散性碳排放和碳补偿(图1)。能量源碳排放是指由于污泥处理处置过程中消耗一次能源(煤炭、天然气等)、二次能源(电、柴油等)以及化学品药剂等引起的碳排放;逸散性碳排放是指污泥处理处置过程中产生的逸散性CH4、N2O等温室气体,IPCC指南给出了CH4 和N2O的100年全球增温潜势值,1吨CH4和N2O分别相当于21吨和310吨二氧化碳的增温能力;碳补偿是指污泥中能源或资源回收利用,替代化石类能源及化学品等,从而降低温室气体的排放。

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03 我国污泥主流处理处置工艺碳排放差异分析

近年来,随着国家对污泥处理处置问题的重视,逐步形成了4条主流处理处置技术路线:“厌氧消化+土地利用”、“好氧发酵+土地利用”、“干化焚烧+灰渣填埋或建材利用”,以及“深度脱水+应急填埋”,有效支撑了我国污泥处理处置问题的解决。但是,现有的污泥处理处置工艺的选择主要依据技术适用性和经济成本,考虑到未来碳达峰和碳中和目标,碳排放作为污泥处理处置工艺路线选择的重要指标之一,是未来的发展趋势。

污泥处理处置系统复杂,工艺路线差异较大,四种典型技术路线碳排放的关键要素存在较大的差异,主要表现在以下几个方面:

(1)厌氧消化-土地利用

厌氧消化可以同时实现易腐有机物稳定、病原菌削减、污泥体积减量和生物质能源回收,是当前国内外污泥稳定化处理的主流技术。污泥富含有机质、氮、磷、钾等营养物质,污泥的土地利用可以改善土壤的性质,实现营养物质的循环利用。“厌氧消化-土地利用”技术路线也被我国《城镇污水处理厂污泥处置技术指南》推荐为污泥处理处置的优选技术。

从碳排放的角度分析,厌氧消化过程中加热能耗和搅拌电耗、脱水药剂,以及土地利用过程能源消耗等会造成能量源碳排放;厌氧消化过程逸散的少量沼气,以及土地利用过程释放的CH4和N2O等会造成逸散性温室气体排放;厌氧消化产生的沼气替代化石燃料、消化产物土地利用替代氮磷与磷肥可实现碳补偿,降低温室气体的排放。总体而言,根据现有的核算,厌氧消化-土地利用是一种负碳排放的工艺。厌氧消化效率的提升(生物质能回收),高级厌氧消化技术的应用(降低系统能耗),沼渣脱水环节绿色药剂的替代,以及沼液氮磷资源高效回收是该工艺未来碳减排发展的重点方向。工程实践表明,考虑到厌氧消化产生的沼液资源回收利用和就地处理,建议厌氧消化工程依托污水处理厂建设。

(2)好氧发酵-土地利用

污泥经过好氧发酵可以实现易腐有机物的降解和稳定,在重金属等污染物不超标的情况下,好氧发酵产物可以实现污泥的土地利用,包括园林绿化、育苗基质、土壤修复和农用等。

从碳排放的角度分析,脱水过程药剂消耗,好氧发酵过程辅料输运、供氧及废气处理能耗和药耗、以及土地利用过程能源消耗等会造成能量源碳排放;好氧发酵和土地利用过程释放的CH4和N2O等会造成逸散性温室气体排放;发酵产物土地利用可替代氮肥与磷肥使用,实现碳补偿。总体而言,根据现有的核算,好氧发酵和土地利用是一种低水平碳排放的工艺,重点在于提高好氧发酵工艺的智能化控制水平,减少臭气处理的能耗和药耗,降低辅料添加,以及创新污泥产品的高效利用技术。

(3)干化焚烧-建材利用

当污泥土地利用受限时,污泥干化焚烧是一种有效的处理处置的方式。通过干化焚烧,将污泥化学能转化为热能并进行回收利用,同时实现有机物的矿化,以及大幅度减量,焚烧灰渣可以进行建材资源化利用。

从碳排放的角度分析,脱水过程药耗和能耗、干化过程能耗、以及焚烧过程燃料消耗等会造成能量源碳排放;干化焚烧过程释放的CH4和N2O等会造成逸散性温室气体排放;焚烧过程能量回收利用可替代干化过程能量消耗,实现碳补偿。总体来讲,干化焚烧属于中等碳排放水平,重点在于开发高效低耗深度脱水技术和环境友好型脱水药剂,降低污泥干化的能耗,减轻对后续焚烧过程结焦和飞灰的影响,以及提升工艺设计合理性和整体智能化集成水平。

从未来的发展来看,厌氧消化-干化焚烧工艺有望成为污泥处理处置的重要发展方向。2020年住建部和发改委联合发布的《补短板强弱项实施方案》提出:“鼓励采用生物质利用+末端焚烧的处置模式”,其中“生物质利用”主要包含污泥厌氧消化技术。厌氧消化耦合干化焚烧可以实现能量的回收利用,具体能量平衡见表1。

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与污泥干化焚烧相比,污泥厌氧消化-干化焚烧在系统能耗方面具有明显的优势:以100吨污泥(80%含水率计),当有机质含量为50%,污泥独立焚烧需外加能量25142kWh,传统厌氧消化-干化焚烧可产生能量1004kWh,热水解厌氧消化-干化焚烧产生热量可提升至7889kWh,其原因主要在于通过厌氧消化回收生物质能,并在同等条件下改善了污泥的脱水性能,大大降低了干化的能耗,使得生物质能回收的能量加上污泥干化系统节省的能量总和大于厌氧消化有机物降解损失的能量。尽管厌氧消化延长了污泥处理的工艺流程,但是对于污泥处理系统碳减排具有重要的作用。同时,由于厌氧消化过程污泥的减量,后续干化焚烧设施的投资成本也会降低。综合考虑碳减排及干化焚烧投资成本的节省,该组合工艺相比于污泥独立干化焚烧具有良好的发展潜力。如果实现该工艺组合低品位热源的高效利用(如基于低品位热源的污泥脱水干化技术),优势将会进一步提高。

对于传统厌氧消化-干化焚烧工艺,适用于已建有污泥厌氧消化设施的提标改造工程,厌氧消化污泥经过脱水处理后,在厂区内利用沼气进行部分干化处理,再进行集中焚烧处置。对于污泥热水解厌氧消化-干化焚烧工艺适用于新建或现有的集中式污泥处理处置工程,考虑沼液的处理,建议在有条件的情况下,污泥处理工程建设于污水处理厂区。另外,该工艺的另一个优势在于,对于满足土地利用条件的消化污泥,可以考虑土地利用,土地利用无法消纳的污泥再进行后续干化焚烧处置。

(4)深度脱水-应急填埋

深度脱水-应急填埋是目前我国普遍采用的污泥处理处置技术路线,该技术路线二次污染严重,占用土地,浪费资源,是一种过渡性的处理处置方式。

从碳排放的角度分析,污泥深度脱水过程会消耗大量的脱水药剂和能耗,同时污泥填埋会释放大量无组织排放的CH4、N2O等温室气体,最终产生大量的碳排放。因此,深度脱水-填埋属于高水平碳排放工艺,随着无废城市的建设以及碳减排的要求,该工艺路线是一种阶段性的应急处理处置方式。

综上所述,典型污泥处理处置工艺碳排放分析见表2。

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04 碳中和背景下污泥处理处置未来发展方向

随着碳中和目标的推进,未来污泥处理处置应以节能降耗及能源资源回收为目标。目前,我国污泥厌氧消化工艺普及率较低,应加强高含固/协同高级厌氧消化技术的推广应用,实现污泥的高效稳定减量和生物质能高效回收。污泥水分的深度去除是污泥处理处置节能降耗的关键,应提升干化脱水设备的智能化水平,开发相应的环境友好型脱水药剂及高效脱水技术。对于污泥干化焚烧末端处理技术,加强干化焚烧系统能量优化,同时考虑与厌氧消化技术的耦合,实现系统能量水平的整体提升。

在全球应对气候变化和能源资源短缺的背景下,污泥的能源高效回收及物质的高效循环利用已成为国际的研究热点(图2)。随着学科交叉和先进研发手段的应用,污泥处理处置的技术水平将会得到大幅提升,前沿低碳技术的突破将有望大大提升污泥处理处置的碳减排水平。

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