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吉建斌的网易博客

吉建斌

 
 
 

日志

 
 

不同污泥处理与处置工艺的碳排放(上)  

2017-12-23 06:51:59|  分类: 废水污泥处理和资 |  标签: |举报 |字号 订阅

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郭瑞1,陈同斌1,*,张悦2,刘洪涛1,沈玉君1,高定1,郑国砥1,程志鹏3

(1.中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心,北京100101;2.住房和城乡建设部城市建设司,北京100835;3.重庆水务集团渝水环保有限公司,重庆400015)

原载于环境科学学报31卷4期673至679页

 

摘要:针对目前主流的污泥处理处置工艺,总结了各工艺碳排放情景及其影响因素。好氧堆肥、干化、土地利用、焚烧的碳主要以CO2的形式排放;而厌氧消化和填埋的碳排放以CH4为主。好氧堆肥的CO2排放当量较低,填埋的CO2排放当量较高。好氧堆肥、厌氧消化、填埋工艺分别可以通过改善通风状况、前处理和不同类型污泥联合处理、覆盖有机材料等方法实现碳减排。而降低能耗是干化和焚烧工艺碳减排的有效措施。土地利用可增加生物量,因此增加了碳汇能力。采用好氧堆肥-土地利用工艺路线处理处置污泥是减少碳排放的重要途径。

关键词:污泥;处理;处置;碳排放;温室气体

 

Review of carbon emission in the process of sludge treatment and disposal

GUO Rui1, CHEN Tongbin1,*, ZHANG Yue2, LIU Hongtao1, SHEN Yujun1, GAO Ding1, ZHENG Guodi1, CHENG Zhipeng3

(1. Center for Environmental Remediation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101; 2. Department of Village and Township Construction, Ministry of Housing and Urban-Rural Development, Beijing 100835; 3. Yushui Environmental Protection Limited Company, Chongqing Water Holding( Group) CO., LTD., Chongqing 400015)

Abstract: This study focuses on the problem of carbon emission (CO2 and CH4 as the main greenhouse gases) during the process of sludge treatment and disposal by summarizing its quantity and influential factors. CO2 was the main C compound emitted during composting, drying (bio-drying and thermal drying), land application and incineration, while CH4 was the major species during anaerobic digestion and landfilling. Composting landfills produced lower carbon emissions, while the landfills carbon emission was higher than other methods. Carbon emission can be reduced by improving aeration conditions during composting, pre-treatment and co-digestion of various sludges during anaerobic digestion and providing an organic cover in the landfill. Considering the technology of drying and incineration, reduction of energy consumption could efficiently control carbon emission. Land application produced negative carbon emission in the long term. A combination of composting and land application was the optimal scheme to reduce carbon emission during the process of sludge treatment and disposal.

Keywords: sewage sludge; treatment; disposal; carbon emission; greenhouse gas

 

1 引言(Introduction)

近年来,全球气候变暖的趋势引起了政府部门和学术界的普遍关注。CO2、CH4是重要的温室气体,且CH4的温室效应为CO2的25倍(IPCC,2007)。我国政府在哥本哈根国际气候变化会议上承诺,到2020年单位GDP碳排放较2005年下降40%?45%。因此,各行业面临着巨大的碳减排压力,亟待对其进行碳排放调查并制定相应的减排措施。

我国的城市污泥产生量巨大,截至2009年底,年产出量已达到3200万t(湿污泥)。污泥处理和处置工艺主要包括好氧发酵、厌氧消化、干化、填埋、土地利用、污泥焚烧等,而这些工艺在实施过程中均存在一定的碳排放问题。目前,领域内的大部分研究主要集中在工艺优化和风险控制等方面,工艺的碳排放基础信息和监测结果较少。本文较为全面和系统地总结了近年来国内外污泥好氧堆肥、厌氧消化、干化、土地利用、填埋、焚烧工艺的碳排放情景,以期为了解该领域内的碳排放情况提供参考依据。

2 污泥处理过程碳排放(Carbon emission in the process of sludge treatment)

2.1 好氧堆肥

污泥好氧堆肥过程的碳主要以CO2的形式损失。但是当堆体局部厌氧时,在产甲烷菌的作用下,碳还以CH4的形式排放。由于CH4性质不稳定,厌氧部分产生的CH4在好氧区域又可被氧化为CO2(Hao et al.,2001)。

CO2和CH4的排放主要发生在污泥堆肥高温期,这与污泥有机质性质及其碳含量、通气状况等因素有关。污泥的易降解有机成份(糖类、淀粉、蛋白质)含量越高,堆肥的CO2排放量越大;纤维素、木质素等难降解有机物含量越高,CO2排放量越小。Nakasaki等(2009)研究表明,高蛋白质污泥堆肥、较高纤维素污泥堆肥的CO2排放量大,每吨污泥可多排放4.3 kg的CO2

堆体氧气状况直接影响堆肥微生物的活性,从而影响碳的转化形式。通风是改善堆体氧气状况的重要措施。研究表明,污泥堆肥的最佳通风量为8.48 L?h?1?kg?1(干基),此时CH4排放量仅为初始全碳的0.12‰;改变通风强度会增大CH4的排放,通风量为1.69 L?h?1?kg?1(干基)和16.63 L?h?1?kg?1(干基)时的CH4排放量分别是最佳通风量时的27和5倍(de Guardia et al.,2008a),这主要是因为通风量过低,堆体易出现厌氧区域,增加CH4产生量;通风量过高会缩短CH4的氧化时间,增加CH4排放量。

堆肥调理剂的添加也会影响堆肥过程CO2和CH4的排放。CO2的排放量随着调理剂添加比例的增大而相应增加(表1);而CH4的排放量随着调理剂添加比例的增大逐渐降低。这主要是由于调理剂增加了堆体碳含量,改善了其水分、pH、通气状况。Manios等(2007)将调理剂的比例从66.67%增加到75%,CH4产生量明显减少,其排放浓度仅为调整前的16%。

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根据测算,每吨湿污泥通风好氧堆肥的CO2平均排放量约为45.21kg,CH4排放量约为0.01?0.38kg(Fountoulakis et al.,2009;de Guardia et al.,2008a),电力消耗为14kW?h(Hong et al.,2009),以1 kW?h电产生0.997kg的CO2计,则好氧堆肥过程的碳足迹强度为59?69 kg CO2当量。

2.2 厌氧消化

厌氧消化的气体产物主要有CH4(65%?70%)、CO2(30%?35%)及少量的H2S和NH3(Appels et al.,2008)。其中CH4是重要的能源气体,可代替化石燃料进行发电或热源。据估计,厌氧消化每吨湿污泥,释放CO2 180 kg,消耗电能89 kW?h,产生的废热及沼气可转化29 kW?h 的电能(Hong et al.,2009)。因此,以1 kW?h 产生0.997 kg CO2计,厌氧消化每吨湿污泥释放CO2当量温室气体240 kg。

厌氧消化不仅能利用废弃物产生新能源,而且可减少温室气体的排放。如果1 m3 CH4可产生10 kW?h的电能(Bougrier et al.,2006a),则厌氧消化相当于减少2?5 t?t?1(基于挥发性固体)的CO2排放(表2和3)。因此,目前国内外对厌氧消化的研究多集中在提高CH4产量上。预处理是提高厌氧消化效率的有效途径,可增加12%?120%的CH4产量(表2),这主要因为预处理可促进水解阶段微生物细胞溶解、不溶性有机化合物及大分子聚合物向小分子可溶性物质的转化。预处理工艺包括高温、生物处理、臭氧氧化、碱处理、超声波等方法(表2)。就增加CH4产量而言,臭氧氧化是厌氧消化的适宜预处理方法,其CH4增产量约为其它预处理的1.4?10倍。

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多种类型污泥联合厌氧消化可促进CH4的产生。如表3所示,污水厂污泥与畜禽废弃物、脂类污泥联合厌氧消化可增加8%?67%的CH4产量。这与微生物的协同作用、较好的含水率、足量的营养物质以及对抑制物的稀释作用有关。

2.3 污泥干化

污泥干化包括生物干化与热干化,其主要气体产物为CO2。生物干化是利用有机质好氧分解产生的热量干化污泥的过程,其CO2的直接产生途径为氨基酸的水解和重碳酸盐的分解(Deng et al.,2009);通风耗电及热量消耗会造成CO2的间接排放。目前,对城市生活垃圾的生物干化研究较多,而对污泥生物干化及其CO2排放的量化研究较少。据计算,生物干化每吨湿污泥,CO2的直接和间接排放量分别为42.6kg、30.5kg(刘洪涛等,2010)。

热干化的CO2排放量随着污泥碳含量的增加而增大。研究表明,城市生活污泥(碳含量26.05%)干化较造纸污泥(碳含量16.94%)干化的CO2排放总量大,且前者CO2排放峰值为后者的2倍(Deng et al.,2009)。由于干化以蒸发水分为目的,因此,含水率、通风量、温度均会影响CO2的间接排放。含水率、通风量及温度越高,CO2的间接排放量越大。据计算,热干化每吨湿污泥,CO2直接排放量约为227kg刘洪涛等,2010,消耗23.6 kW?h的电能和320 kW?h的热量Hong et al.,2009)。因此,以1 kW?h 产生0.997 kg CO2计,厌氧消化每吨湿污泥释放CO2当量温室气体570 kg

3 污泥处置过程碳排放( Carbon emission in the process of sludge disposal)

3.1 填埋

目前,我国污泥的规范化填埋量占污泥产生总量的31%,多数是与生活垃圾混合填埋另外,有40%为不规范填埋,其数字难以统计传统的填埋场以厌氧反应为主,其气体产物主要为CH464%、CO235%)(Allen et al.,1997)。填埋过程中,CH4主要在产甲烷阶段产生CO2在整个填埋过程中均有产生,但以产酸阶段排放最多据估算,填埋每吨湿污泥可排放500 kg CO2当量温室气体

填埋场是最主要的人为产甲烷场所之一,其CH4产量为全球CH4 排放总量的10%?19%(Kumar et al.,2004;USEPA,2006)。IPCC(2007)将控制填埋场的CH4排放列为废弃物行业温室气体减排的重要途径之一。对填埋场进行原位控制以减少CH4产生及提高CH4氧化率,是实现CH4减排的最直接的方法。有人提出将传统厌氧填埋改为好氧填埋,可减少72%?96%的CH4产生(Ritzkowski and Stegmann,2007),并且可提高能量回收率,但是增加了由于操作耗能造成的CO2间接排放。目前对于好氧填埋的能量回收是否能补偿能耗增加的碳排量仍需进一步研究(Lou and Nair,2009)。

有机覆盖法是减少CH4排放的一种有效途径。覆盖材料主要有土壤、堆肥。这些覆盖物中存在大量好氧性甲烷氧化菌,可促进填埋场内部产生的CH4在向外扩散的过程中被氧化为CO2。研究表明,土壤、堆肥覆盖的CH4氧化率为10%?100%(Chanton et al.,2009;Gebert et al.,2010)。

土壤质地及压实强度可影响CH4氧化效率(Jugnia et al.,2008)。研究表明,CH4的氧化率随着覆盖物粒径的增大、压实强度的减弱而增大(表4),且压实强度对细质地土壤的影响较砂土更显著。土壤对CH4的平均氧化率由强到弱依次为砂土(53%)、壤土(34%)、粘土(18%)(Chanton et al.,2009)。这主要是因为粒径与压实强度会影响土壤的空气孔隙度,当空气孔隙度低于10%时,气孔的间断及扭曲对气体的扩散有很强的抑制作用,微生物对CH4及O2的利用率较少;随着空气孔隙度增大,气体扩散能力增强,CH4氧化率随之增大(Gebert et al.,2010)。

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腐熟堆肥对CH4氧化率高于土壤。在相同的环境条件下,腐熟堆肥覆盖的CH4平均氧化率是土壤覆盖的2?3倍,且前者存在CH4的负排放(Stern et al.,2007;Barlaz et al.,2004)。这主要是因为与土壤相比,腐熟堆肥可为微生物的新陈代谢提供更好的养分、水分、氧气条件。

 

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