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污泥处理处置碳排放研究系列—— 厌氧消化工艺碳足迹研究

发布时间:2021-01-12字体大小:

前言

2006年IPCC国家温室气体清单指南第五卷《废弃物》给出了对废弃物填埋、生物处理、焚烧过程排放的CO2、CH4、N2O计算方法。本研究直接引用该方法,对污泥处理处置不同工艺及环节的碳排放进行计算。除此之外,还通过查阅其它资料,对生物源排放、能量源排放、替代源排放进行划分和计算。

通过计算污泥厌氧消化伴随沼气回用和沼渣土地利用的CO2排放当量为253.4 tCO2e/Gg DM,其中生物源排放量为371.0 tCO2e/Gg DM,能量源排放量为294.5 tCO2e/Gg DM,替代源排放量为-412.1 tCO2e/Gg DM。由此可见,沼气、沼渣利用对于整体工艺产生的碳减排效果较为明显。

1 研究假设

不同工艺的碳足迹与处理厂的规模、实际工艺、设备选型等都直接相关,本研究不考虑处理规模因素的影响,计算单位质量(1Gg DM)污泥采用污泥浓缩+厌氧消化+脱水+土地利用技术路线时的碳排放量,由于各个污水厂与污泥处理处置所在地距离均不相同,因此在此研究中暂不考虑污泥运输至处理厂消耗化石燃料所带来的CO2排放。

除此之外,本研究还将做如下假设:

①产生的沼气被100%的收集利用,收集的沼气通过燃烧转化为CO2排放;

②污泥厌氧消化中VS的降解率为40%~50%(本研究选取40%);

③污泥中DOC的降解率与VS一样为40%;

④CH4和CO2的体积含量分别为65%和35%;

⑤污泥厌氧消化后通过土地利用释放的温室气体主要为CH4,而CO2和N2O的浓度很低,在此研究中忽略不计。

2 结果分析

在此技术路线中,假设污泥通过重力浓缩后进入厌氧消化池中反应(中温消化),产生的沼气全部用于内燃机燃烧产电和发热回用,沼渣脱水后进行土地利用。该处理工艺碳平衡示意图如图1所示。

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污泥厌氧消化伴随沼气回用和沼渣土地利用的CO2排放当量为253.4 tCO2/Gg干污泥。工艺排放当量示意图如图2所示,在此技术路线中污泥消化环节排放量最大为100.2 tCO2e,其次为浓缩环节其碳排放量为69.6 tCO2e、污泥脱水环节其碳排放量为43.0tCO2e,最后为土地利用环节其碳排放量为40.6 tCO2e。

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3 CO2排放源分析

从各环节排放清单入手,对不同排放源进行讨论分析,本工艺CO2排放清单如图3所示。

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(1)生物源排放

生物源排放存在消化环节及土地利用环节中,其排放总量为371.0 tCO2e.

消化环节:主要包括甲烷焚烧产生的CO2以及污泥消化产气过程中产生的CO2,其排放量分别为208.4 tCO2e和112.2 tCO2e,总计320.6 tCO2e。

土地利用环节:污泥土地利用中有机物的厌氧分解主要发生在污泥施用后,污泥土地利用释放的温室气体主要是CH4,而N2O、CO2的浓度很低,在此忽略不计。此环节甲烷的排放量为2.4 t,其排放当量为50.4 tCO2e。

(2)能量源排放

能量源排放存在于整条技术路线的所有环节中,其排放总量为294.5.tCO2e,其中污泥消化环节所占比例最高,接近能量源排放总量的一半(如图4所示)。

浓缩环节:本研究假设采用带式浓缩机,其加药量非常少,CO2排放主要来自浓缩机运行时本身的电能消耗,其值为69.6 tCO2e。

消化环节:消化过程中能量消耗主要来自系统加热和搅拌,本研究仅考虑这两种能量消耗所带来的CO2排放,其值为138.9 tCO2e。

脱水环节:为了提高污泥脱水效率,降低脱水能耗,一般会在脱水环节加入药剂进行调理,因此本研究在考虑电能消耗的同时还考虑了药剂制备所带来的能源消耗及间能耗,其值为43.0 tCO2e。

土地利用环节:污泥土地利用时,只有春秋两季施用,但是污泥每天都在掺烧,所以污泥有时需要储存几个月后再利用。污泥储存、运输、施用过程都需要消耗能量。本研究将这些都考虑在内,其值为43.0 tCO2e。

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(3)替代类排放

替代类排放存在于消化环节和土地利用环节,其产生的碳汇总量为412.1 tCO2e。

消化环节:此次研究中,假设产生的沼气30%用于发电,这些用于代替电能消耗,还有约70%的沼气直接热能利用,这些热能用于代替柴油的消耗。综上,污泥厌氧消化中沼气的利用可以替代的碳排放值为-359.3 tCO2e。

土地利用环节:污泥土地利用替代了肥料的使用,从而减少了生产肥料的能耗。假设化肥生产中消耗的能量是电能,则土地利用产生的替代碳排放值为-52.8 tCO2e。

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