第47卷第3期2021年给水排水WATER&.WASTEWATERENGINEERINGVol.47No.32021•水业导航•碳中和背景下污泥处理处置与资源化发展方向思考戴晓虎1张辰2章林伟3张荣兵4陈广5胡维杰2(1同济大学，上海200092;2上海市政丁.程设计研究总院（集闭）有限公司，上海200092;3中_城镇供水排水协会，北京100044;北京城市排水集团有限责任公司•北京100044;5上海城投污水处理有限公司，上海201203)摘要：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：深度脱水一填埋>干化焚烧〉好氧发酵一土地利用>厌氧消化一土地利用。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。关键词：碳中和；污泥；处理处置；节能减排；资源回收中图分类号：TU992文献标识码：A文章编号=1002—8471(2021)03—0001—05DOI：10.13789/j.cnki.wwel964.2021.03.001引用本文：戴晓虎.张辰，章林伟.等.碳中和背景下污泥处理处置与资源化发展方向思考[J].给水排水，2021,47(3):1-5.DAIXH.ZHANGC,ZHANGI.W.etal_Thoughtsonthedevelopmentdirectionofsludgetreatmentandresourcerecoveryunderthebackgroundofcar­bonneutrality[J],Water&WastewaterEngineering,2021,47(3)：1-5.ThoughtsonthedevelopmentdirectionofsludgetreatmentandresourcerecoveryunderthebackgroundofcarbonneutralityDAIXiaohu1,ZHANGChen2,ZHANGLinwei3,ZHANGRongbing1,CHENGuang"1.HUWeijie2(J.TougjiUniversity,Shanghai200092.China;2.ShanghaiMunicipalEngineeringDesignInstitute{Group)Co.,Ltd.<Shanghai200092,China',3.ChinaUrbanWaterAssociation■,Beijing100044»China；4.BeijingDrainageGroupCo.,Ltd.•,Beijing100044,China；5.ShanghaiChengtouWastewaterTreatmentCo.,Ltd.■,Shanghai201203,China)Abstract：SludgetreatmentanddisposalisashortcomingofsewagetreatmentinChina,anditisalsoanimportanttasktowinthebattleagainstpollution.Basedonthecharacteristicsofsludgeandthetreatmentanddisposaltechnicalfeatures,thecarbonemissionsduringsludgetreatmentanddisposalmainlyincludeenergysourcecarbonemissionscausedbyenergyconsumptionandchemicalconsumption,fugitivegreenhousegasemissions,andcarboncompensationformedbyenergyresourcerecoveryandproductutilization.Thecarbonemissionlevelsoftheexistingsludgetreatmentanddisposaltechnicalroutesaredeepdehydration-landfill>dryincineration>aerobicfer-第47卷第3期2021年给水排水WATER&WASTEWATERENGINEERINGVol.47No.32021mentation-landuse>anaerobicdigestion-landuse.Inthecontextofcarbonneutrality,thesludgetreatmentanddisposalinthefutureshouldaimatenergysaving,consumptionreductionandresourceandenergyrecovery.Throughtheimprovementofexistingtechnologiesandthedevelop­mentofgreenandlow-carbontechnologies,thereductionofprocessenergyconsumption,chemicalagentsubstitution,andfugitivegreenhousegascontrol,andbiomasscleanenergyrecovery,thecarbonemissionreductionlevelofsludgetreatmentanddisposalisimproved.Keywords：Carbonneutrality；Sludge；Treatmentanddisposal；Energysavingandconsump­tionreduction；Eesourcerecovery〇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°C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nv7d,位居世界第一，由此产生的污泥量突破6000万m3/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。1污泥处理处置过程碳排放核算关键要素当不考虑工业污水的排放，市政废水处理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C()2气体，根据ipcc的指南,这部分a卜是自然界碳循环中的一部分，不会引发大气中c()2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(见图1)。能量源碳排放是指由于污泥处理处置过逸散性CH4、Np等温室气体排放碳补偿〇!(清洁能家、肥料）能量源碳排放（一次能源、二次能源、药剂等）图I污泥处理处置过程碳排放核算关键要素Fig.1KeyelementsofcarlK>nemissionaccountingduringsludgetreatmentanddisposal污泥处理关键环节污泥处置污泥调质污泥生物处理污泥热化学处理最终处置自由水脱除轉腐有机物稳笔减量无机化I产物利用2w第‘17卷第3期2021年给水排水WA丁KR&.WASTEWATERENGINEERINGVol.47No.32021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CH,、N」(）等温室气体，IPC'C指南给出了(：&和N2()的100年全球增温潜势值，1tch4和n2o分别相当于21t和310t二氧化碳的增温能力；碳补偿是指污泥中能源或资源冋收利用，替代化石类能源及化学品等，从而降低温室气体的排放。2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)4T.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丨: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.4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：2.1厌氧消化一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W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。“厌氧消化一土地利用”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t'H,和N2()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.厌氧消化一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。2.2好氧发酵一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CH,和N2()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阁技术。2.3干化焚烧一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N2()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,千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.降低污泥干化的能耗.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，厌氧消化一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。3第47卷第3期2021年给水排水WATER&WASTEWATERENGINEERINGVol.47No.32021表l污泥干化焚烧与厌氧消化一干化焚烧系统能量平衡分析Tab.1Knerg\balanceanalysisofsludgedryingincinerationandanaerobicdigestion-dryingincinerationsystem参数干化焚烧传统厌氧消化-干化焚烧高级厌氧消化一干化焚烧计算公式有机质含ttvs_M506070506070506070-热水解能耗（kwh)-—--—:-132601326013260=Ql{\0〇-T])k]厌氧消化系统加热能耗/(kW，h)—•i--102961029610296---E,=Q,(37-T,XI.1厌氧消化有机物降解率vsre/%--404550505560-厌氧消化沼气产能./(kW.h)--—209372826536639277103657849140E3==ioox(i-o.8)vs•vsr,•y•H,k2消化污泥板框脱水泥饼含水率/%一--707275656870-消化污泥脱水能耗（kW.h)—-—960876780900804696=DS•w干化能SAkWh)642866428664286274292815730086192862045919886=(；??!—m2、k、籤烧产能/(kWh)391445170764269187512418128587136241806221452烟气—能量输出/(kW.h)-25142-12579-161004131162406578892011736750注：以100t含水率为80%的脱水污泥为基准；其中Q为热水解污泥量.进泥含水率为85%:厂为初始污泥温度，以年平均15°C计;l为单位水加热1t_消耗热量，以kW，h计;Q2为传统厌氧消化污泥S.含水率为为甲烷产率，传统厌氧消化为0.85m'/kgVSre，热水解厌氧消化为0.9mVkgVS„;rV„„为甲烷热值，为35.9MJ/m'h为沼气综合利用效率，取0.95;aS为脱水污泥的-f•基质最，以f计;你为污泥脱水能耗.以60kW，h/t干基计为脱水污泥的含水量.以t计;/十为干化污泥的含水量，以t计;1,为干化过程蒸发1ra:<水消耗的热以900kW，h/i水计;为焚烧过程产生烟气的热M.以kWh计;f：w,t为焚烧系统随尾气排放损失的热量，以kW_h计。与污泥干化焚烧相比，污泥厌氧消化一干化焚烧在系统能耗方面具有明显的优势：以1〇〇t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，传统厌氧消化一干化焚烧可产生能量1004kWh.热水解厌氧消化一干化焚烧产生热量可提升至7889kW_h，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•步提商。对于传统厌氧消化一干化焚烧工艺，适用于已建有污泥厌氧消化设施的提标改造丁程.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一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。2.4深度脱水一应急填埋深度脱水一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CH,、N2C)等温室气体，最终产生大量的碳排放。因此，深度脱水一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。3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4第‘47卷第3期2021年给水排水WATER&.WASTEWATERENGINEERINGVol.47No.32021表2典型污泥处理处置工艺碳排放分析1'ah.2Carlx»nemissumanalysis<»ftypicalsludgetreatmentanddisposalpnKesses1.艺路线名称碳排放逸散碳排放能M源碳排放碳补偿厌氧消化一土地利用CH丨、N2()电耗、油耗、药耗沼气替代化石能源;有机肥替代氮肥和磷肥化肥好氣发酵-土地利用ch,,n2o电耗、油耗、药耗有机肥化肥替代干化焚烧一建材利用CH^N.O辅助燃料、电耗、油耗热M能源替代;建材原料替代深度脱水-应急填埋CH丨、N2()电耗、油耗、药耗填埋气替代化石能源产中烷JUzCOD理论上能能车转化成0.35m'甲烷，即丨2530kJ/KCODI产氢最大能达到0.27LH，/rCOD1燃料电池d微生物燃料电池(MFC)理论上丨kgCOD能转化成4kWh电能丨产热d生污泥生物干化过程中产热值可达2丨000KJ/kUBVS1生物柴油美_污水厂每年可产生大约丨4ICTm1的生物柴油、相当于全美樂油需求量的丨。。脂肪酸d作为污水除磷脱氨的碳源.M和磷去除率平均提高约30°。PHA/PHBJPHA转换效率高达59°/。gPHA/gCOD;PHB的含毋可达到45%mgPHB/i丨igTSS提取蛋白」蛋白能最大化回收80%〜90%制乳酸」污泥制乳酸产置可达2.9g/L/h.浓度可达73s/L植物激素j污泥堆肥产物中以干基计冨集赤霉索275mg/kg，细胞分裂素丨05nlg/kg2以及牛长素3.80111^42M冋收磷冋收^干污泥中N含最3W。多为有机氨(US.EPA),茗污水中的氮全部利用.可占氨肥产量1^130%金属提取>污泥中的磷含量为2〜3°。.可以磷酸、鸟粪石、蓝铁矿等形式冋收、据估兑.口J从全球污泥中丨"丨收的Au约为18t，1t污泥焚烧灰含Au、Au约2ku生物炭4热解/水热可将有机污染物、塑料等转化生物炭。碳减排12°。）■■■$机肥_K；含®物生长所浠微最、常圾元素.为土壤微生物生长提供多肽、蚩D等有机底物1(Sharmaelal.20丨7):作物十.物最提高()4。/。~3丨()。〇材料化转化建材利用he、Si、金属制成多孔吸附材料.比表面积丨800,光电催化材料.储电材料气污泥焚烧灰渣可代替。的水泥矿物原材料含c和n有机物含h有机物含C、H、O有机物可生物降解有机物可生物降解有机物、矿物油可生物降解有机物C和H蛋白质多糖氨基酸、芳香族物质N利用P利用重金属元素含C有机物微最元素、多肽、蛋白Si、C、Fe等Si、AI等图2污泥能源与资源回收国际研究热点Fig.2Internationalresearchhotspots<»fsludgeenerg>andresourcerecovery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（见图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。通信作者：戴晓虎.男.1962年出生.江苏镇江人.博士.教授。主要研究方向为污泥处理处置与资源化利用研究。E-mail：daixiaohu@tongji.edu.cn收稿日期:2021-01-20