戴曉虎等：碳中和背景下污泥處理處置與資源化發(fā)展方向思考

 污泥處理處置是我國(guó)污水處理的短板，同時(shí)也是打贏污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的重要任務(wù)。基于污泥特性與處理處置技術(shù)特征，污泥處理處置過(guò)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(chǎn)物利用形成的碳補(bǔ)償。現(xiàn)有污泥處理處置技術(shù)路線(xiàn)碳排放水平為：深度脫水-填埋 > 干化焚燒 > 好氧發(fā)酵-土地利用 > 厭氧消化-土地利用。在碳中和的背景下，未來(lái)污泥處理處置應(yīng)以節(jié)能降耗及資源能源回收為目標(biāo)，通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)提升與綠色低碳技術(shù)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程能耗降低、化學(xué)藥劑替代、逸散性溫室氣體控制，以及生物質(zhì)清潔能源回收等，以提升我國(guó)污泥處理處置的碳減排水平。

01 引言

全球變暖是當(dāng)今人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展面臨的全球性重大挑戰(zhàn)。為應(yīng)對(duì)氣候變化，1992年5月，聯(lián)合國(guó)環(huán)境與發(fā)展大會(huì)通過(guò)了《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》，2015年12月，締約方在巴黎氣候大會(huì)上達(dá)成《巴黎協(xié)定》，提出將全球平均氣溫上升幅度控制在2攝氏度以?xún)?nèi)。2020年9月，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上鄭重承諾中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，既是我國(guó)積極應(yīng)對(duì)氣候變化的承諾，也是加強(qiáng)生態(tài)文明和美麗中國(guó)建設(shè)的必然要求。

我國(guó)是目前全球碳排放第一大國(guó)，排放量占到全球的25%以上。其中，污水處理行業(yè)碳排放量占全社會(huì)總排放量的1%~2%，是不可忽視的減排領(lǐng)域。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的推進(jìn)和污水處理設(shè)施的完善，我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理規(guī)模超過(guò)2億噸/天，位居世界第一，由此產(chǎn)生的污泥量突破6000萬(wàn)噸/年（以含水率80%計(jì)）。污泥是污水處理過(guò)程中的副產(chǎn)物，富集了污水中大量有機(jī)物、污染物質(zhì)與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，具有污染和資源的雙重屬性。污泥處理過(guò)程會(huì)消耗大量的藥劑和能源，同時(shí)以填埋為主的處置方式還會(huì)造成大量溫室氣體的排放，因此，污泥處理處置過(guò)程碳減排對(duì)污水處理行業(yè)的碳中和具有重要的意義。

基于污泥特性與處理處置技術(shù)特征，從碳中和的角度，污泥處理處置工藝路線(xiàn)的選擇應(yīng)考慮污泥處理處置過(guò)程節(jié)能降耗、逸散性溫室氣體排放，以及能量資源回收和產(chǎn)物利用形成的碳補(bǔ)償三個(gè)重要因素。其核心在于通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)提升與綠色低碳技術(shù)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程能耗降低、化學(xué)藥劑替代、逸散性溫室氣體控制，以及生物質(zhì)清潔能源回收等。如歐美國(guó)家通過(guò)污泥生物質(zhì)能資源回收，可滿(mǎn)足污水處理廠60%~80%的能耗需求，對(duì)污水污泥處理過(guò)程碳中和起到了積極的作用。

02 污泥處理處置過(guò)程碳排放核算關(guān)鍵要素

當(dāng)不考慮工業(yè)廢水的排放，市政污水廠污泥的有機(jī)質(zhì)來(lái)自于污水中的有機(jī)物（初沉污泥）及有機(jī)物的生物分解和合成（剩余污泥），在污泥處理處置過(guò)程中，污泥有機(jī)物的分解和轉(zhuǎn)化會(huì)產(chǎn)生CO₂氣體，根據(jù)IPCC的指南，這部分CO₂是自然界碳循環(huán)中的一部分，不會(huì)引發(fā)大氣中CO₂的凈增長(zhǎng)，屬于中性碳。

根據(jù)污泥處理處置過(guò)程碳排放的來(lái)源不同，碳排放可分為能量源碳排放、逸散性碳排放和碳補(bǔ)償（圖1）。能量源碳排放是指由于污泥處理處置過(guò)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(xué)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(guò)程中產(chǎn)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(shì)值，1噸CH₄和N₂O分別相當(dāng)于21噸和310噸二氧化碳的增溫能力；碳補(bǔ)償是指污泥中能源或資源回收利用，替代化石類(lèi)能源及化學(xué)品等，從而降低溫室氣體的排放。

03 我國(guó)污泥主流處理處置工藝碳排放差異分析

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)污泥處理處置問(wèn)題的重視，逐步形成了4條主流處理處置技術(shù)路線(xiàn)：“厭氧消化+土地利用”、“好氧發(fā)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(yīng)急填埋”，有效支撐了我國(guó)污泥處理處置問(wèn)題的解決。但是，現(xiàn)有的污泥處理處置工藝的選擇主要依據(jù)技術(shù)適用性和經(jīng)濟(jì)成本，考慮到未來(lái)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)，碳排放作為污泥處理處置工藝路線(xiàn)選擇的重要指標(biāo)之一，是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

污泥處理處置系統(tǒng)復(fù)雜，工藝路線(xiàn)差異較大，四種典型技術(shù)路線(xiàn)碳排放的關(guān)鍵要素存在較大的差異，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）厭氧消化-土地利用

厭氧消化可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)易腐有機(jī)物穩(wěn)定、病原菌削減、污泥體積減量和生物質(zhì)能源回收，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外污泥穩(wěn)定化處理的主流技術(shù)。污泥富含有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，污泥的土地利用可以改善土壤的性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)利用。“厭氧消化-土地利用”技術(shù)路線(xiàn)也被我國(guó)《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置技術(shù)指南》推薦為污泥處理處置的優(yōu)選技術(shù)。

從碳排放的角度分析，厭氧消化過(guò)程中加熱能耗和攪拌電耗、脫水藥劑，以及土地利用過(guò)程能源消耗等會(huì)造成能量源碳排放；厭氧消化過(guò)程逸散的少量沼氣，以及土地利用過(guò)程釋放的CH4和N2O等會(huì)造成逸散性溫室氣體排放；厭氧消化產(chǎn)生的沼氣替代化石燃料、消化產(chǎn)物土地利用替代氮磷與磷肥可實(shí)現(xiàn)碳補(bǔ)償，降低溫室氣體的排放�？傮w而言，根據(jù)現(xiàn)有的核算，厭氧消化-土地利用是一種負(fù)碳排放的工藝。厭氧消化效率的提升（生物質(zhì)能回收），高級(jí)厭氧消化技術(shù)的應(yīng)用（降低系統(tǒng)能耗），沼渣脫水環(huán)節(jié)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(lái)碳減排發(fā)展的重點(diǎn)方向。工程實(shí)踐表明，考慮到厭氧消化產(chǎn)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(shè)。

（2）好氧發(fā)酵-土地利用

污泥經(jīng)過(guò)好氧發(fā)酵可以實(shí)現(xiàn)易腐有機(jī)物的降解和穩(wěn)定，在重金屬等污染物不超標(biāo)的情況下，好氧發(fā)酵產(chǎn)物可以實(shí)現(xiàn)污泥的土地利用，包括園林綠化、育苗基質(zhì)、土壤修復(fù)和農(nóng)用等。

從碳排放的角度分析，脫水過(guò)程藥劑消耗，好氧發(fā)酵過(guò)程輔料輸運(yùn)、供氧及廢氣處理能耗和藥耗、以及土地利用過(guò)程能源消耗等會(huì)造成能量源碳排放；好氧發(fā)酵和土地利用過(guò)程釋放的CH4和N2O等會(huì)造成逸散性溫室氣體排放；發(fā)酵產(chǎn)物土地利用可替代氮肥與磷肥使用，實(shí)現(xiàn)碳補(bǔ)償�？傮w而言，根據(jù)現(xiàn)有的核算，好氧發(fā)酵和土地利用是一種低水平碳排放的工藝，重點(diǎn)在于提高好氧發(fā)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(chuàng)新污泥產(chǎn)品的高效利用技術(shù)。

（3）干化焚燒-建材利用

當(dāng)污泥土地利用受限時(shí)，污泥干化焚燒是一種有效的處理處置的方式。通過(guò)干化焚燒，將污泥化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能并進(jìn)行回收利用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的礦化，以及大幅度減量，焚燒灰渣可以進(jìn)行建材資源化利用。

從碳排放的角度分析，脫水過(guò)程藥耗和能耗、干化過(guò)程能耗、以及焚燒過(guò)程燃料消耗等會(huì)造成能量源碳排放；干化焚燒過(guò)程釋放的CH₄和N₂O等會(huì)造成逸散性溫室氣體排放；焚燒過(guò)程能量回收利用可替代干化過(guò)程能量消耗，實(shí)現(xiàn)碳補(bǔ)償。總體來(lái)講，干化焚燒屬于中等碳排放水平，重點(diǎn)在于開(kāi)發(fā)高效低耗深度脫水技術(shù)和環(huán)境友好型脫水藥劑，降低污泥干化的能耗，減輕對(duì)后續(xù)焚燒過(guò)程結(jié)焦和飛灰的影響，以及提升工藝設(shè)計(jì)合理性和整體智能化集成水平。

從未來(lái)的發(fā)展來(lái)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(fā)展方向。2020年住建部和發(fā)改委聯(lián)合發(fā)布的《補(bǔ)短板強(qiáng)弱項(xiàng)實(shí)施方案》提出：“鼓勵(lì)采用生物質(zhì)利用+末端焚燒的處置模式”，其中“生物質(zhì)利用”主要包含污泥厭氧消化技術(shù)。厭氧消化耦合干化焚燒可以實(shí)現(xiàn)能量的回收利用，具體能量平衡見(jiàn)表1。

與污泥干化焚燒相比，污泥厭氧消化-干化焚燒在系統(tǒng)能耗方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)：以100噸污泥（80%含水率計(jì)），當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量為50%，污泥獨(dú)立焚燒需外加能量25142kWh，傳統(tǒng)厭氧消化-干化焚燒可產(chǎn)生能量1004kWh，熱水解厭氧消化-干化焚燒產(chǎn)生熱量可提升至7889kWh，其原因主要在于通過(guò)厭氧消化回收生物質(zhì)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(zhì)能回收的能量加上污泥干化系統(tǒng)節(jié)省的能量總和大于厭氧消化有機(jī)物降解損失的能量。盡管厭氧消化延長(zhǎng)了污泥處理的工藝流程，但是對(duì)于污泥處理系統(tǒng)碳減排具有重要的作用。同時(shí)，由于厭氧消化過(guò)程污泥的減量，后續(xù)干化焚燒設(shè)施的投資成本也會(huì)降低。綜合考慮碳減排及干化焚燒投資成本的節(jié)省，該組合工藝相比于污泥獨(dú)立干化焚燒具有良好的發(fā)展?jié)摿�。如果�?shí)現(xiàn)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(shù)），優(yōu)勢(shì)將會(huì)進(jìn)一步提高。

對(duì)于傳統(tǒng)厭氧消化-干化焚燒工藝，適用于已建有污泥厭氧消化設(shè)施的提標(biāo)改造工程，厭氧消化污泥經(jīng)過(guò)脫水處理后，在廠區(qū)內(nèi)利用沼氣進(jìn)行部分干化處理，再進(jìn)行集中焚燒處置。對(duì)于污泥熱水解厭氧消化-干化焚燒工藝適用于新建或現(xiàn)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(shè)于污水處理廠區(qū)。另外，該工藝的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，對(duì)于滿(mǎn)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(wú)法消納的污泥再進(jìn)行后續(xù)干化焚燒處置。

（4）深度脫水-應(yīng)急填埋

深度脫水-應(yīng)急填埋是目前我國(guó)普遍采用的污泥處理處置技術(shù)路線(xiàn)，該技術(shù)路線(xiàn)二次污染嚴(yán)重，占用土地，浪費(fèi)資源，是一種過(guò)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(guò)程會(huì)消耗大量的脫水藥劑和能耗，同時(shí)污泥填埋會(huì)釋放大量無(wú)組織排放的CH₄、N₂O等溫室氣體，最終產(chǎn)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(wú)廢城市的建設(shè)以及碳減排的要求，該工藝路線(xiàn)是一種階段性的應(yīng)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(jiàn)表2。

04 碳中和背景下污泥處理處置未來(lái)發(fā)展方向

隨著碳中和目標(biāo)的推進(jìn)，未來(lái)污泥處理處置應(yīng)以節(jié)能降耗及能源資源回收為目標(biāo)。目前，我國(guó)污泥厭氧消化工藝普及率較低，應(yīng)加強(qiáng)高含固/協(xié)同高級(jí)厭氧消化技術(shù)的推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)污泥的高效穩(wěn)定減量和生物質(zhì)能高效回收。污泥水分的深度去除是污泥處理處置節(jié)能降耗的關(guān)鍵，應(yīng)提升干化脫水設(shè)備的智能化水平，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的環(huán)境友好型脫水藥劑及高效脫水技術(shù)。對(duì)于污泥干化焚燒末端處理技術(shù)，加強(qiáng)干化焚燒系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化，同時(shí)考慮與厭氧消化技術(shù)的耦合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量水平的整體提升。

在全球應(yīng)對(duì)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(zhì)的高效循環(huán)利用已成為國(guó)際的研究熱點(diǎn)（圖2）。隨著學(xué)科交叉和先進(jìn)研發(fā)手段的應(yīng)用，污泥處理處置的技術(shù)水平將會(huì)得到大幅提升，前沿低碳技術(shù)的突破將有望大大提升污泥處理處置的碳減排水平。