污泥高溫厭氧消化工程運行及碳足跡特點案例分析

趙 剛，唐建國，徐竟成

(1.上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院<集團>有限公司，上海 200125；2.同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

污水處理廠污泥的處理和處置已經(jīng)是世界范圍內(nèi)水務(wù)行業(yè)面臨的技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)境挑戰(zhàn)。污泥厭氧消化是最重要的污泥穩(wěn)定化和無害化的技術(shù)之一，厭氧消化的產(chǎn)物包括沼氣和消化污泥，均具有較高的資源化價值。近年來，污泥高溫厭氧消化在國外發(fā)展迅速，國內(nèi)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界也在做深入的研究和應(yīng)用。工程上的污泥高溫厭氧消化一般運行溫度為50～55 ℃，與常規(guī)的中溫厭氧消化(37 ℃)相比，有助于提高顆粒有機物的溶解性和降解率，從而產(chǎn)生更多的沼氣[1]。此外，高溫處理可以達到更好的病原菌消毒效果[2]。Hyperion污水處理廠自2003年運行污泥高溫厭氧消化至今，運行效果穩(wěn)定，本文分析其運行模式和特點，對于我國污泥厭氧消化的設(shè)計和運行有借鑒意義。同時，在我國“雙碳”的背景下，研究污泥高溫厭氧消化+土地利用的碳足跡，有利于挖掘污泥高溫厭氧消化和產(chǎn)物利用的低碳和生態(tài)價值。

1 工程運行

1.1 污水處理廠概況

洛杉磯Hyperion污水處理廠為美國西海岸規(guī)模最大的污水處理廠之一，服務(wù)污水管道長度為1萬km，服務(wù)人口約為500萬，旱天污水處理流量平均為130萬m3/d，雨天約為300萬m3/d。污水處理工藝(圖1)采用純氧曝氣傳統(tǒng)活性污泥法，進水BOD5質(zhì)量濃度為314 mg/L，SS質(zhì)量濃度為406 mg/L，出水BOD5質(zhì)量濃度為22 mg/L，SS質(zhì)量濃度為23 mg/L，出水經(jīng)消毒后排海，排放距離為10 km。污泥產(chǎn)量(以濕污泥計)約為初沉污泥8 176 m3/d、剩余污泥27 500 m3/d。污泥的處理主要采用高溫厭氧消化技術(shù)，沼氣利用方式為熱電聯(lián)產(chǎn)，污泥處理產(chǎn)物處置方式為土地利用。

圖1 Hyperion污水處理廠工藝流程Fig.1 Process Flow of Hyperion WWTP

1.2 污泥處理工程

1.2.1 污泥處理工藝

2003年以前，Hyperion污水處理廠的污泥一直采用中溫厭氧消化處理工藝，污泥處理產(chǎn)物處置方式主要為土地利用。2003年以后，洛杉磯縣禁止了B級污泥(美國503法規(guī))的土地利用途徑，為了應(yīng)對更加嚴格的污泥處置要求，Hyperion污水處理廠將污泥中溫厭氧消化轉(zhuǎn)換為高溫厭氧消化運行至今，污泥處理后獲得A級產(chǎn)物，產(chǎn)物繼續(xù)維持土地利用方式。

圖2 Hyperion污水處理廠污泥處理處置Fig.2 Sludge Treatment and Disposal of Hyperion WWTP

目前，Hyperion污水處理廠共運行20座消化池(圖2)，池體形狀為卵形，單個池體容積為9 500 m3，最大直徑為25.6 m，高度為33.4 m。消化池分為3組，為D1組、D2組和E組。其中D1組和D2組為污泥消化的第一階段，采用連續(xù)運行方式，污泥平均停留時間為13 d，消化池內(nèi)平均溫度為53.7 ℃。E組為污泥消化的第二階段，又稱為消毒階段，采用序批式運行，污泥停留時間為16 h，池內(nèi)平均溫度為53.4 ℃。E組污泥消化池的序批運行模式如表1所示。污泥消化前加入FeCl2溶液，主要目的是遏制鳥糞石在污泥管道中的形成以及減少硫化氫的生成。污泥經(jīng)消化及消毒處理后，過0.1 mm篩，去除毛發(fā)、纖維、粗砂等雜質(zhì)，過篩后的污泥經(jīng)化學(xué)調(diào)理后進入離心脫水單元，調(diào)理劑為聚丙烯酰胺(PAM)。離心脫水后的污泥產(chǎn)物含水率約為75%，污泥進入污泥料倉，然后由卡車運到處置場地進行農(nóng)用。值得注意的是，在厭氧消化上游污泥中添加FeCl2以及消化污泥過篩設(shè)施在我國污泥厭氧消化工程中鮮有應(yīng)用，文獻報道我國污泥厭氧消化工程運行中常發(fā)生嚴重的鳥糞石結(jié)垢問題和硫化氫濃度過高問題。白龍港污水處理廠曾嘗試在污泥厭氧消化前進行過篩除渣，篩網(wǎng)孔徑為0.4 mm，可去除90%以上的雜質(zhì)[3]。

表1 污泥消化第二階段運行模式Tab.1 Operation Mode of Sludge Anaerobic Digestion in the Second Stage

1.2.2 高溫厭氧消化

(1)進泥泥質(zhì)

由表2可知，Hyperion污水處理廠污泥高溫厭氧消化進泥的含固率在3.1%～4.4%，進泥的平均有機質(zhì)含量約為84.0%。從進泥含固率看，與上海白龍港中溫厭氧消化(平均值為4.1%)水平相當，低于北京高安屯含熱水解預(yù)處理的中溫厭氧消化(進泥平均含固率為7.3%)；從進泥有機質(zhì)看，Hyperion污水處理廠進泥明顯高于上海白龍港污水處理廠的58.4%和北京高安屯污泥處理廠的68.5%[4-5]。

圖3 Hyperion污水處理廠污泥高溫厭氧消化的連續(xù)運行數(shù)據(jù)Fig.3 Continuous Operation Data of Sludge High Temperature Anaerobic Digestion in Hyperion WWTP

表2 厭氧消化進泥泥質(zhì)Tab.2 Inflow Sludge Quality of Anaerobic Digestion

(2)運行情況

2017年3月，Hyperion污水處理廠污泥高溫厭氧消化的連續(xù)運行數(shù)據(jù)如圖3所示。揮發(fā)酸和堿度是消化池穩(wěn)定運行的重要判定參數(shù)，一般認為應(yīng)控制揮發(fā)酸與堿度比值在0.2以下[6]。圖3(a)顯示了Hyperion污泥高溫厭氧消化過程中的揮發(fā)酸和堿度值，揮發(fā)酸質(zhì)量濃度在322～284 mg/L，堿度在3 813～4 069 mg/L。揮發(fā)酸/堿度平均為0.08，可知高溫厭氧消化過程運行穩(wěn)定。

沼氣的產(chǎn)量與污泥有機質(zhì)含量和有機質(zhì)降解率有關(guān)，由圖3(b)可知，Hyperion污水處理廠高溫厭氧消化污泥有機質(zhì)降解率在55.7%～70.1%，平均值為61.5%。沼氣產(chǎn)量為13.8萬～27.5萬m3/d，平均為19.3萬m3/d，經(jīng)計算，沼氣產(chǎn)率約為19.5 m3沼氣/(m3進泥)。污泥有機負荷可反映厭氧消化工程處理污泥的效率，Hyperion污水處理廠消化設(shè)施整體有機負荷為18.5～40.5萬kg VS/d，平均值為31.3萬kg VS/d，折算成有機容積負荷率為1.64 kg VS/(m3·d)。我國污水處理廠污泥厭氧消化停留時間普遍較長，進泥的含固率較高，然而污泥有機質(zhì)含量普遍較低，導(dǎo)致我國污泥厭氧消化系統(tǒng)的有機質(zhì)降解率不高。另外，研究報道高溫厭氧消化對減少污泥停留時間和提高有機質(zhì)降解率起著重要作用[7]，因此，Hyperion污水處理廠高溫厭氧消化呈現(xiàn)停留時間短和有機質(zhì)降解率高的特點。

2 碳足跡評價

2.1 核算邊界

依據(jù)世界資源研究所(WRI)和地方政府操作規(guī)程(LGOP)，將本文污泥處理和處置工程運行的碳足跡核算劃分3個范圍：范圍1(scope 1)指污泥處理處置過程中直接產(chǎn)生的溫室氣體揮發(fā)性排放，此工程包括污泥厭氧消化產(chǎn)物CH4收集過程的逃逸排放、污泥運輸過程中燃料燃燒排入大氣中的溫室氣體排放和污泥農(nóng)用過程中氮元素轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生的溫室氣體排放；范圍2(scope 2)指污泥處理處置過程中由于能源消耗而間接產(chǎn)生的溫室氣體排放，包括污泥脫水、消化等處理設(shè)備運行的熱能和電能消耗；范圍3(scope 3)指污泥處理處置過程中由于物料消耗而間接產(chǎn)生的溫室氣體排放，主要是用于污泥調(diào)理的藥劑消耗。本文中碳足跡的單位以kg CO2/(t DS)計，DS指污泥干基重量。碳足跡的核算邊界如圖4所示。

圖4 污泥處理處置碳排放核算邊界Fig.4 System Boundary for Carbon Emission Calculation of Sludge Treatment and Disposal

2.2 清單和計算方法

2.2.1 范圍1排放

(1)污泥高溫厭氧消化CH4逸散排放

《聯(lián)合國氣候變化框架公約》(UNFCCC)認為，采用鋼質(zhì)或內(nèi)襯混凝土消化池(卵形消化池)和氣體儲存系統(tǒng)，CH4的逸散量占總產(chǎn)量的2%，計算如式(1)。

ETAD,meth=QTAD×Fmeth×Wmeth×Dmeth×25

(1)

其中：ETAD,meth——CO2排放當量，kg CO2-eq/d；

QTAD——高溫厭氧消化產(chǎn)生的沼氣量，m3/d，可采用理論估算值或?qū)崪y值，本文采用實測值，為19.3萬m3/d；

Fmeth——逸散比例，取UNFCCC推薦值，為2%[8]；

Wmeth——CH4占沼氣的體積分數(shù)，本文采用實測值，為60.8%；

Dmeth——CH4密度，CH4在20 ℃和105Pa壓力下的密度為 0.67 kg/m3；

25——CH4的全球增溫潛勢。

(2)污泥處置運輸產(chǎn)生的溫室氣體排放

本文以汽車和火車兩種污泥運輸方式為例，計算方法如式(2)～式(3)。

ETC=EFTC,CO2+25×EFTC,CH4+298×EFTC,N2O

(2)

ETR=EFTR,CO2+25×EFTR,CH4+298×EFTR,N2O

(3)

其中：ETC、ETR——每噸污泥每公里汽運、火車的碳排放量，kg CO2-eq/(t·km)；

EFTC,CO2、EFTR,CO2——汽運、火車的CO2排放因子，kg CO2-eq/(t·km)，采用美國EPA推薦值，分別為0.179、0.018 kg CO2-eq/(t·km)；

EFTC,CH4、EFTR,CH4——汽運、火車的CH4排放因子，kg CH4/(t·km)，采用值分別為0.018×10-4、0.013×10-4kg CH4/(t·km)；

EFTC,N2O、EFTR,N2O——汽運、火車的N2O排放因子，kg N2O/(t·km)，采用值分別為0.049×10-4、0.005×10-4kg N2O/(t·km)[8]；

298——N2O的全球增溫潛勢。

表3為污泥產(chǎn)物的運輸與處置情況匯總。

表3 Hyperion污水處理廠污泥產(chǎn)物處置運輸情況Tab.3 Transportation of Sludge Product for End-Use of Hyperion WWTP

(3)污泥土地利用產(chǎn)生的溫室氣體排放

參考《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南 》第4卷“農(nóng)業(yè)、林業(yè)和其他土地利用”第11章第11.2節(jié)：“源自管理土壤的N2O排放，將污泥產(chǎn)物應(yīng)用到農(nóng)田中，土壤中氮的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化引起N2O的排放”。計算方法如式(4)。

(4)

其中：ELD——污泥產(chǎn)物土地利用產(chǎn)生的CO2排放當量，kg CO2-eq/d；

TNLD——污泥產(chǎn)物的含氮質(zhì)量比，本文采用實測值，為5.7%；

EFNLD——土地利用污泥產(chǎn)物中的N生成N2O的轉(zhuǎn)化因子，采用文獻報道值，為0.5%[9]；

44/28——N2O和N2的摩爾質(zhì)量比。

2.2.2 范圍2排放

由污泥處理設(shè)備消耗電能產(chǎn)生的CO2排放計算如式(5)。

EELE=EUNIT×QSL×EFGRID

(5)

其中：EELE——污泥處理設(shè)備電耗產(chǎn)生的CO2排放當量，kg CO2-eq/d；

EUNIT——污泥處理單元的能耗強度，kW·h/m3，本文采用現(xiàn)場調(diào)研值；

QSL——每天處理的污泥量，m3/d；

EFGRID——當?shù)仉娋W(wǎng)的碳強度，kg CO2-eq/(kW·h)，本文采用美國加州電網(wǎng)的碳排放因子，為0.26[8]。

2.2.3 范圍3排放

由于污泥處理藥劑消耗產(chǎn)生的CO2排放計算如式(6)。

ECHE=QCHE×DCHE×MCHE×EFCHE

(6)

其中：ECHE——污泥化學(xué)調(diào)理產(chǎn)生的CO2排放當量，kg CO2-eq/d；

QCHE——每天的投加液體積，m3/d；

DCHE——投加液的體積質(zhì)量, kg/m3；

MCHE——藥劑所占的質(zhì)量比；

EFCHE——藥劑消耗的CO2排放因子，kg CO2/kg，本污泥處理項目所用的藥劑為FeCl2和PAM溶液，CO2排放因子分別為0.33 kg CO2/kg和4.25 kg CO2/kg[10]。

2.2.4 碳補償

(1)污泥厭氧消化沼氣利用產(chǎn)生的碳補償

污泥高溫厭氧消化單元產(chǎn)生的沼氣進行熱電聯(lián)產(chǎn)所產(chǎn)生的碳補償量計算如式(7)。

OETAD=(QBG×Fmeth×Wmeth×HV× 0.8)/3.6×EFGRID

(7)

其中：OETAD——沼氣利用產(chǎn)生的碳補償量，kg CO2/d；

QBG——污泥高溫厭氧消化產(chǎn)生的沼氣量，m3；

HV——甲烷的體積熱值，取37 MJ/m3；

0.8——熱轉(zhuǎn)化效率；

3.6——熱能至電能的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

(2)污泥產(chǎn)物土地利用產(chǎn)生的碳補償

由于污泥中含有一定量的N、P營養(yǎng)物質(zhì)，農(nóng)用過程中可為植物提供養(yǎng)分。假設(shè)污泥中的N、P均為植物可利用的成分，則污泥提供的N、P可相應(yīng)地減少生產(chǎn)化肥N、P所消耗的能源，由此而產(chǎn)生的碳補償計算如式(8)。

OELU=MSL×(WN×SN+WP×SP)

(8)

其中：OELU——污泥產(chǎn)物土地利用產(chǎn)生的碳補償量，kg CO2/d；

MSL——污泥土地利用的量，以干重計，kg/d；

WN、WP——污泥產(chǎn)物的N、P質(zhì)量分數(shù)，本文取5.1%和3.5%；

SN、SP——N、P替代肥料產(chǎn)生的CO2補償量，kg/kg，取文獻報道值，分別為3.6、4.9 kg/kg[9]。

2.3 污泥處理處置碳足跡特點

2.3.1 污泥處理處置單元能耗和碳排放

圖5 污泥處理處置單元能耗和碳排放(未考慮碳補償)Fig.5 Energy Consumption and Carbon Emission for Sludge Treatment Unit (Without Considering the Carbon Offset)

Hyperion污水處理廠污泥處理各單元的能耗強度和碳排放如圖5所示，高溫厭氧消化單元的能耗強度約為800 kW·h/(t DS)，且以熱量消耗為主，明顯高于其他處理單元。范圍1的碳排放特點為污泥處置大于污泥處理，污泥農(nóng)用和運輸是主要組成部分。污泥運輸產(chǎn)生的碳排放主要受運輸工具類型、運輸距離和運輸容量等因素影響，Hyperion污水處理廠污泥產(chǎn)物運輸產(chǎn)生的碳排放占范圍1總排放的22.2%。范圍2的碳排放與污泥處理能耗直接相關(guān)，同樣，高溫厭氧消化單元的碳排放強度高于其他污泥處理單元，為209.5 kg CO2/(t DS)，這里未考慮碳補償。范圍3為污泥濃縮和脫水消耗藥劑的碳排放強度，由于采用了低碳排放因子的藥劑，且離心脫水工藝藥劑消耗較少，范圍3的碳排放強度占整體碳排放的比例較低。

由圖6可知，高溫厭氧消化單元所消耗的熱能為270.2 MJ/(t DS)，占總能耗的94%，而產(chǎn)生的沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)可產(chǎn)電和熱共853.4 MJ/(t DS)，凈能耗為-563 MJ/(t DS)，沼氣利用產(chǎn)生的碳補償量為615 kg CO2/(t DS)，明顯高于污泥土地利用所產(chǎn)生的碳補償量[140 kg CO2/(t DS)]。整體來看，Hyperion污水處理廠污泥處理處置產(chǎn)生的碳排放為595.4 kg CO2/(t DS)，碳補償為-794.2 kg CO2/(t DS)，凈碳排放為-179 kg CO2/(t DS)。因此，可以認為Hyperion污水處理廠的污泥處理處置處于碳中和水平，且可以進一步抵消污水處理部分所產(chǎn)生的碳排放，污泥高溫厭氧消化在碳減排方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

圖6 高溫厭氧消化能量平衡及污泥處理處置 碳足跡(考慮碳補償)Fig.6 Energy Balance and Carbon Footprint of Sludge Treatment and Disposal (With Considering the Carbon Offset)

2.3.2 污泥運輸碳足跡特點

由上文分析可知，污泥產(chǎn)物運輸產(chǎn)生的碳排放量不可忽視，圖7為洛杉磯Hyperion污水處理廠汽車運輸污泥產(chǎn)物產(chǎn)生的碳排放同距離之間的關(guān)系，以及同等碳排放量下火車運輸?shù)木嚯x。采用汽車運輸方式，每噸污泥(以濕泥計，本文污泥產(chǎn)物含水率為75%)每50 km所產(chǎn)生的碳排放為10.3 kg CO2，運輸250 km可產(chǎn)生51.5 kg CO2。若采用低碳的火車運輸方式，則分別可運輸560 km和2 800 km，與汽車運輸相比，火車具有較強的污泥運送能力和更低的燃料消耗排放因子。因此，遠距離采用火車運輸污泥是較為低碳的運輸方式。

圖7 運輸距離與碳排放關(guān)系Fig.7 Relationship between Transport Distance and Carbon Emission

3 結(jié)論

美國污泥厭氧消化從中溫發(fā)展為高溫的驅(qū)動首先是為了獲得高品質(zhì)的污泥固體產(chǎn)物，其次是沼氣產(chǎn)量的提升。高溫厭氧消化處理污泥運行穩(wěn)定，揮發(fā)酸/堿度小于0.1，污泥有機質(zhì)降解率高，沼氣產(chǎn)量主要受益于污泥的有機質(zhì)含量高。污泥高溫厭氧消化兩級運行模式具有較短的污泥停留時間和較好的污泥消毒效果等優(yōu)點，消化污泥過篩有助于提升污泥固體產(chǎn)物質(zhì)量，滿足高標準的土地利用要求。

污泥高溫厭氧消化為高能耗單元，同時也是能源回收單元，通過沼氣利用可降低消化單元的凈能耗，產(chǎn)生相應(yīng)的碳補償量。同樣地，污泥產(chǎn)物土地利用產(chǎn)生的碳補償也可抵消其產(chǎn)生的碳排放?？傮w而言，污泥高溫厭氧消化+土地利用的處理處置方式為低碳處理工藝，碳足跡為-179 kg CO2/(t DS)。