中美典型污泥处理处置工程能耗和碳排放比较分析 赵 刚1 唐建国1* 徐竟成2 罗景阳3 蒋明1 苑贤臣4 周传庭1 （1.上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海 200125；2.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092；3.河海大学环境学院，江苏 南京 200433；4. 香港都会大学科技学院，中国香港)
赵 刚1 唐建国1* 徐竟成2 罗景阳3 蒋明1 苑贤臣4 周传庭1
（1.上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海 200125；2.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092；3.河海大学环境学院，江苏 南京 200433；4. 香港都会大学科技学院，中国香港)
中美两国污水处理规模大、碳排放基数高，污泥的处理与处置是污水处理厂碳排放的重要组成部分，合理的污泥管理策略是未来污水厂碳减排的关键。本文实地调研了中美六大典型污水处理厂的污泥处理设施和污泥处置路径，分析了中美两国不同典型的污泥处理处置工艺能量回收和碳排放的表现特征。结果表明：在不考虑碳补偿的情况下，中美六个污水处理厂中，华东
A
（中温厌氧消化
+
脱水
+
填埋
/
土地利用）、华东
B
（脱水
+
填埋
/
焚烧）、华东
C
（脱水
+
焚烧）、
Hyperion
（高温厌氧消化
+
脱水
+
农用）、
OCSD
（中温厌氧消化
+
脱水
+
农用）和
Blue plains
（热水解
+
中温厌氧消化
+
脱水
+
农用）的污泥处理处置路线的碳足迹分别为
1410
、
1881
、
1914
、
471
、
402
和
405kgCO2/t DS
，考虑由能源回收和资源化利用产生的碳补偿效果，中美六厂污泥处理处置的净碳排放分别为
984
、
1681
、
1941
、
-183
、
-240
和
-315 kgCO2/t DS
。中美六个污水厂碳补偿率分别为
30.2%
、
10.6%
、
0%
、
138.9%
、
159.7%
和
177.9%
。污泥厌氧消化和产物土地资源化利用是碳减排的关键，提升污泥有机质含量能够强化碳补偿效应，本文的研究结果可为我国污水处理厂低碳转型、污泥处理处置的无害化、减量化和低碳化提供依据和参考。
关键词 ： 污泥处理处置；能耗；碳排放；厌氧消化；碳补偿
“ 碳达峰、碳中和 ” 战略背景下，污水处理行业节能降耗、低碳发展的需求日益突出。目前，中国拥有世界上最大的规模化污水处理厂数量和处理能力 [1] ，据统计，截至 2020 年，全国城市污水处理厂 2618 座，处理能力为 1.9 亿立方米 / 日 [2] 。我国水处理行业消耗电量约 184 亿 kW·h/ 年 , 在社会总能耗中的比例呈现逐年升高的趋势 [3] 。在美国，全国污水处理量平均为 1.2 亿立方米 / 日，污水处理设施运行能耗占全国电力需求的 3%~4%[4] 。从碳排放方面看，我国污水处理行业所产生的碳排放量占全社会总碳排放量的 1%~2%[5] ，由于能耗引起的碳排放量约占污水厂总碳排放量的 50%[6] 。
城市污水厂污泥是污水处理过程中产生的副产物，具有含水率高、体积大、易腐败等特点，污泥的处理与处置成为污水厂建设和运行过程中重要组成部分。目前，我国城市污水处理厂基本上都配套了污泥浓缩、脱水设施，但污泥厌氧消化比例较低，全国只有约 60 座污水处理厂采用污泥厌氧消化工艺，运行良好的不足一半 [7] 。从污泥最终处置看，污泥深度脱水填埋和干化焚烧项目较多，污泥产物土地利用方式在我国的应用比例较低 [8] 。美国污水处理厂的污泥厌氧消化处理相对较多，有超过 1200 座污水厂污泥处理采用厌氧消化技术 [9] ，其中包括高温厌氧消化和中温厌氧消化，如洛杉矶的 Hyperion 污水处理厂和橙县 OCSD 污水厂 [10] 。为了加强能源回收和提高污泥产物品质， Blue plains 污水厂采用了世界上最大规模的 Cambi 污泥热水解预处理技术 [11] ，经高温热水解预处理厌氧消化或高温厌氧消化后可获得 Class A 污泥，脱水后的污泥产物处置方式多为农用。研究表明，污泥处理处置产生的碳排放占污水厂总排放量的 65%~76%[12] ，关于不同污泥处理处置技术路线的碳排放特征亦有报道 [13,14] ，但由于处理规模、核算边界、碳排放单位等差异降低了结果的可比性，此外，对于国内外同类规模的大型污水厂污泥处理与处置的碳排放比较分析较少。
污泥的处理处置既是碳排放的贡献者，同时又具有巨大的碳减排效应，对污水厂碳排放表现有重要影响。本文通过实地调研中美六大典型污水处理厂的污泥处理设施和污泥处置路径，主要探讨中美两国不同典型的污泥处理处置工艺在能量回收和碳排放上的表现特征，以期为我国污泥管理低碳转型提供依据。
1 分析方法
1.1 污泥处理处置工艺调研
2013 年至 2014 年，作者调研了位于中国华东地区的三个大型城市污水处理厂，在本文中分别指华东 A 污水厂、华东 B 污水厂和华东 C 污水厂。 2017 年至 2018 年，现场调研了位于美国加州和华盛顿特区的三个大型城市污水处理厂，本文中指洛杉矶 Hyperion 污水厂、橙县 OCSD 污水厂和华盛顿特区 Blue plains 污水厂。本文所涉及的污水厂均有相对成熟的污泥处理处置技术路线，其污水处理工艺及污泥处理处置工艺简化流程如图 1 所示，污泥原泥的泥质情况见表 1 。
1.2 污泥处理能耗和能源回收分析
1.2.1 污泥浓缩、脱水等处理单元电耗计算
污泥浓缩和脱水等处理单元的电耗主要用于污泥进料、出料和主要设备的驱动，主要设备产生的能耗宜采用行业基准值或者文献报道值进行估算，计算公式如（ 1 ）所示：
E SL,i =E i / M i （ 1 ）
式中 , E SL,i 为 i 类型污泥处理单元消耗的电能 (kWh/t DS), E i 为 i 类型污泥处理单元消耗的电量 (kWh/d), M i 为 i 类型污泥处理单元干污泥的量 (t DS/d), 污泥量和电量为实际调研统计所得。
1.2.2 污泥厌氧消化所需热量计算
污泥厌氧消化所需热量的计算由两部分组成，分别为污泥加热到消化温度所需要的热量和补充厌氧消化池池体损失的热量。污泥加热到消化温度的热量计算如式如（ 2 ）所示：
H AD =Q AD × ( T D -T S ) × [ M AD ×C w + ( 1-M AD ) ×C s ] （ 2 ）
式中 , H AD 为污泥加热所需的热量 (MJ/d) ， Q AD 为厌氧消化污泥的量 (m3/d), T D 为污泥的消化温度 (℃) ， T S 为进入消化池的污泥的温度 (℃) ， M AD 为污泥的含水率 , C W 为水的比热容 [MJ/(t·℃)], C S 为污泥固体的比热容 [MJ/(t·℃)] 。
污泥厌氧消化池保温所需热量的计算公式如（ 3 ）和（ 4 ）所示：
H AD,above =U Above ×A Above ×(T d -T a ) ×24 ×3.6×10 -3 （ 3 ）
H AD,under =U Under ×A Under ×(T d -T a ) ×24×3.6×10 -3 （ 4 ）
式中 , H AD,above 为消化池地上部分维持温度所消耗的热量 (MJ/d) ， H AD,under 为消化池地下部分维持温度所消耗的热量 (MJ/d) ， U Above 为消化池地上部分传热系数 [W/(m2. ℃ )] ， U Under 为消化池地下部分传热系数 [W/(m2. ℃ )] ， A Above 为消化池地上部分表面积 (m2) ， A Under 为消化池地下部分表面积 (m2) ， T d 为污泥消化的温度 ( ℃ ) ， T a 为外界环境的温度 ( ℃ ) 。本文中厌氧消化池温度除 Hyperion 污水厂采用高温外（ 53℃ ），其余采用中温（ 35℃ ）。
1.2.3 污泥厌氧消化能量回收计算
污泥厌氧消化能量的回收来自沼气的回收和利用，其回收的沼气产生的能量计算公式如（ 5 ）所示：
P BG =F SL ×TS SL ×VS SL ×DR VS ×Y BG ×H BG （ 5 ）
式中， P BG 为厌氧消化产生沼气的能量 (MJ/d) ， F SL 为污泥体积流量 (m3/d) ， TS SL 为污泥的固体含量 (% TS ) ， VS SL 为污泥挥发性固体含量 (% VS/TS ) ， DR VS 为挥发性固体的分解率 (%) ， Y BG 是污泥的沼气产量 (m3/kg 降解 VS) ， H BG 为沼气的热值 (MJ/m3 沼气 ) 。
1.2.4 污泥填埋气能源回收计算
运行管理完善的填埋厂有填埋气收集和利用设施，其回收填埋气的能量计算公式如（ 6 ）所示：
E LG,R =P LG ×R LG ×H M （ 6 ）
式中， E LG 为回收填埋气的能量 (MJ/d) ， P LG 为污泥填埋产生的甲烷量 (kg/d) ， R LG 为填埋气的回收比例 (%) ， H M 为甲烷的低位热值 (MJ/kg) 。本文按填埋气回收比例 60% 计算 [15] 。
1.3 污泥处理与处置的碳排放分析
依据世界资源研究所（ WRI ）和地方政府操作规程（ LGOP ），将本文污泥处理和处置工程运行的碳足迹核算划分三个范围：范围 1 指污泥处理处置过程中直接产生的温室气体挥发性排放，本文包括污泥厌氧消化产物甲烷收集过程的逃逸排放、污泥填埋碳元素转化为甲烷的排放、污泥焚烧和农用过程中氮元素转化过程产生的温室气体排放；范围 2 指污泥处理处置过程中由于能源消耗而间接产生的温室气体排放，包括污泥浓缩脱水、消化等处理设备运行的热能和电能消耗；范围 3 指污泥处理处置过程中由于污泥调理药剂消耗而间接产生的温室气体排放。碳补偿是指污泥厌氧消化沼气利用和填埋气收集利用产生的碳补偿，污泥产物土地利用产生的碳补偿。本文中碳排放的表示单位以 kgCO2/t DS 计， DS 指污泥干基重量；碳排放的核算边界见图 2 ，边界内各项碳排放量的计算方法是基于排放因子法，主要参考 IPCC 方法学和相关文献 [10,13,14,15] 。
2.1 污泥浓缩、脱水能耗比较
图 3a 显示了本研究中六个案例污水厂污泥浓缩处理的能耗强度，四种典型的污泥浓缩的能耗强度大小顺序为：气浮浓缩 > 离心浓缩 > 叠螺浓缩 > 重力浓缩。气浮浓缩和离心浓缩处理后污泥含固率在 4.0% ，处理效果略优于叠螺浓缩（出泥含固率在 3.8% 左右）。重力浓缩能耗强度最低，为 11.4 kWh/t DS ，初沉污泥出泥含固率为 4.0% 左右。图 3b 为案例污水厂中三种污泥脱水方式下含固率的变化以及对应的能耗强度，三种脱水方式进泥含固率差异很小，基本上低于 5% 。经处理后的污泥的含固率差异较大，华东 A 和华东 B 污水厂采用的板框脱水，处理后污泥的含固率接近 50% ，离心脱水和带式脱水后的污泥含固率则在 20%~30% 之间。三种污泥脱水方式的能耗强度分别为带式脱水 70.1 kWh/t DS ，离心脱水 122.1 kWh/t DS 和板框脱水 180.9 kWh/t DS 。调研期间，华东 A 污水厂的污泥处置方式以填埋为主，根据我国针对污泥进入填埋场处置的管理规定，污泥的含固率不得低于 40%[16] ，为满足这一处置要求，我国的城镇污水厂污泥通常采用板框压滤脱水的方式，从而污泥脱水的能耗高于美国典型的污泥脱水方式，美国大型污水厂的污泥处置方式以土地利用为主，土地利用对污泥的含水率无明确的要求，一般情况下，污水厂外运的污泥的含水率在 70%~80% 之间。
2.2 污泥厌氧消化能耗比较
污泥厌氧消化是污泥稳定化处理的重要方式之一，选取了中美几个代表不同典型污泥厌氧消化工艺的污水厂，对污泥厌氧消化单元的能耗和产能进行分析，结果见图 4 。华东 A 和加州橙县 OCSD 污水厂采用中温厌氧消化，消化温度分别为 35 和 36℃ ，污泥停留时间分别为 24 和 22 天；洛杉矶 Hyperion 污水厂采用高温厌氧消化，消化温度为 53℃ ，污泥停留时间为 14 天；华盛顿特区 Blue plains 污水厂的污泥处理采用污泥热水解（ Cambi 技术）和中温厌氧消化，消化温度为 35℃ ，污泥停留时间 15 天。从能耗上看，四个污水厂污泥厌氧消化处理的能耗主要来自于热量的消耗，这部分热量用于加热消化池的进料，使其维持稳定的消化温度，热量消耗所占总能耗的比例在 88% 和 94% 之间。华盛顿特区 Blue plains 污水厂污泥采用热水解污泥预处理工艺，污泥在进行消化之前进行预脱水至含固率 16% ，然后进入热水解反应器在 160℃ 温度和 620 kPa 的压力下反应 30 分钟，随后冷却和稀释至含固率 5.5% 和温度 35℃ 的污泥至厌氧消化反应器。经计算， Blue plains 污水厂污泥热水解厌氧消化的能耗最高，为 3460 MJ/t DS ，约为洛杉矶 Hyperion 高温厌氧消化的 1.45 倍，华东 A 厂和橙县 OCSD 厂污泥中温厌氧消化的 1.58 倍和 2.45 倍。
从产能上看，比较华东 A 和橙县 OCSD 污水厂两个中温厌氧消化设施，具有相似的温度和污泥停留时间，但在产能表现上存在较大差异，橙县 OCSD 污水厂污泥厌氧消化产生的能量为 7860 MJ/t DS ，比华东 A 污水厂高 60% ，这主要是因为橙县 OCSD 污水厂污泥有机质含量（ 79% ）远高于华东 A 污水厂（ 50% ），且有机质转化为甲烷的降解率（ 56% ）高于华东 A （ 45% ）。 Hyperion 污水厂高温厌氧消化和 Blue plains 污水厂热水解 + 中温厌氧消化产能基本持平，平均约为 8260 MJ/t DS ，略高于中温厌氧消化，由于高温和热水解的作用促使污泥细胞溶解和微生物分解速率的提升 [17,18] ，二者的有机质分解率均高于华东 A 和橙县 OCSD 污水厂，分别为 60% 和 58% 。从净能量来看，四个厂的污泥厌氧消化单元均可实现能源自给，且有多余能量产生，美国三个案例污水厂的污泥厌氧消化净能量显著大于华东 A 污水厂，约为 2 倍，碳补偿效应突出。
图 5 为污泥处理过程中其蕴含的化学能向电能和热能转化的示意图，线宽与能量 (MJ/m3 污泥 ) 成正比。输入污泥的有机质含量和含水率决定了污泥处理输入的化学能，可以看出， OCSD 、 Hyperion 和 Blue plains 污水厂处理每吨污泥输入的能量较高。从能量转化看，污泥中的化学能通过厌氧消化沼气的利用转化为电能和热能，产生的能量供厂内设施运行，美国大型污水厂的污泥沼气通常以热电联产的方式利用，我国的污水厂污泥沼气用于热电联产的较少。
2.3 污泥处理与处置碳排放比较
中美六大案例污水厂的污泥处理与处置各单元的碳排放量结果见表 2 ，污泥系统中，污泥处理和污泥处置两部分的碳排放差异显著，对于华东三厂，污泥处理部分占比为 10.1% 至 31.4% ，污泥处置部分占比为 68.6% 至 89.9% ，污泥处置产生的碳排放远高于污泥处理。相反，对于美国三个污水厂，污泥处理部分占比 62.9% 至 76.9% ，污泥处置部分占 23.1% 至 37.1% ，污泥处理产生的碳排放高于污泥处置。造成这种不同的主要原因在于我国的污泥处理处置碳排放主要为污泥的填埋和焚烧，而美国污泥处理处置产生的碳排放则集中在厌氧消化处理单元。
选取华东 A 污水厂和洛杉矶 Hyperion 污水厂作为中美两种不同污泥管理策略，分析不同范围碳排放的特性以及能耗与能源结构对污泥处理处置碳排放的影响。图 6a 结果显示，两个污水厂与范围 1 相对应的温室气体排放是主要碳排放贡献者，华东 A 污水厂和 Hyperion 污水厂污泥范围 1 占碳排放总量比重的分别为 73% 和 74% ，这与 Garrido 等人 [19] 的研究结果较为一致，其中报道范围 1 直接排放可占传统污泥处理排放总量的 70%~75% 左右。结合表 2 可以发现，对于华东 A 厂，污泥处理的甲烷排放为主要的温室气体排放源，对于洛杉矶 Hyperion 污水厂，污泥厌氧消化过程和土地利用为范围 1 主要排放单元。至于与电力消耗有关的范围 2 碳排放，两厂的排放量均较低，分别占整体总量的 21% 和 18% 。与物料消耗间接相关的范围 3 碳排放对两厂的碳排放总量的贡献较小，占比小于 10% 。
为了解不同的电网排放因子对范围 2 以及污泥处理处置整体碳足迹的影响，假设采用相同的电网排放因子情况进行比较。洛杉矶 Hyperion 污水厂使用的电网碳排放因子为 0.26 kg CO2-eq/kWh ， 比华东 A 厂使用的电网碳排放因子 0.81 CO2-eq/kWh 要低得多，这主要是因为加州核电、地热和天然气发电的比例高于华东地区，而华东地区对煤炭的依赖程度更高（图 6 （ b ））。当两厂采用相同的电网排放系数时，范围 2 相应的排放量占比从 21% 下降到 8% ，污泥处理处置整体碳排放下降率约 14% 。
为了更好地评价污泥处理全过程的碳足迹，应考虑各项抵消排放，即碳补偿作用。污泥厌氧消化产生的沼气用于热电联产或其它利用方式，可部分抵消对电力和热能的需求。同样地，污泥处置阶段根据最终处置方式的不同也提供了进一步回收能源、资源利用的可能性，比如甲烷有可能在填埋场被收集并转化为能量、污泥焚烧炉中的余热回收，污泥产物作为有价值的农业肥料或土壤改良剂，可以有助于减少人工肥料的消耗。污泥中氮素回收利用可以避免通过 Haber-Bosch 工艺生产人工肥料，该工艺消耗了世界 2% 的能源固定空气中的氮 [20] 。
中美六个典型污水处理厂的污泥处理处置的碳足迹结果见图 7 ，在华东 A 污水厂的案例中，可以发现碳排放的抵消主要是由于厌氧消化沼气锅炉燃烧以及收集到的垃圾填埋气体所产生的能量。华东 B 厂由于填埋气的回收利用也抵消一部分碳排放。从净碳排放看，华东 C ＞华东 B ＞华东 A ，即污泥焚烧产生的碳足迹大于污泥填埋，这主要是由于我国污泥焚烧能量缺口大、余热回收率低以及 N2O 排放，导致碳排放量高、碳补偿效应小。对于美国污水厂污泥系统，污泥厌氧消化沼气产量高，通过热电联产，可完全满足污泥系统的能源需求，多余的能量被用于其他用电或加热单元。以 Hyperion 污水厂为例，通过厌氧消化沼气利用，所产生的电力和热量分别抵消了每吨污泥处理 370 kg CO2-eq/t DS 和 242 kg CO2-eq/t DS 的碳排放。此外，在农林土地上施用污泥处理产物利用营养物质所产生的碳补偿量为每吨污泥处理 107 kg CO2-eq/tDS 。整体上，受益于污泥厌氧消化沼气利用及产物资源化利用，美国污水厂污泥系统达到了碳中和，并且有多余的碳补偿量可以减少整个污水厂的碳足迹。从增加厌氧消化产能角度，建议华东 A 污水厂通过将污水中的有机质最大限度地转移到污泥中，或者通过添加外源餐厨垃圾等城市有机易腐废弃物与污泥进行协同消化等途径来改善能量回收。对于我国污水处理厂，现阶段碳减排的关键在于提高污泥厌氧消化稳定化率，在具备资源化条件的地区积极探索污泥土地利用方式。
中美典型污水厂在污泥管理策略上存在较大差异，主要表现在中国以华东地区为例的大型污水厂污泥厌氧消化处理率较低，而美国具有一定规模的污水厂的污泥基本上都经厌氧消化处理，且厌氧消化工艺类型多。在污泥处置上，我国污泥以填埋为主，在大城市呈现向焚烧转变的趋势，美国的污泥以农业资源化利用为主。污泥处置方式的差异是美国污水厂污泥处理与处置碳排放小于我国的主要原因，污泥厌氧消化、土地利用、填埋沼气回收等途径具有碳补偿效应，提高污泥有机质和污泥厌氧消化率是污水厂污泥降低净碳排放的重要措施。在制定我国污水厂降碳策略时，应优先考虑提高污泥土地资源化利用率和改善污泥厌氧消化功效，其次是优化用电端的能源结构来降低电耗碳排放因子。
