王 琳,李德彬,劉子為,李 歡

污泥處理處置路徑碳排放分析

王 琳,李德彬,劉子為,李 歡*

(清華大學(xué)深圳國際研究生院,廣東 深圳 518055)

根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)提供的核算準(zhǔn)則,結(jié)合生命周期評價(LCA),對我國常見的污泥處理處置路徑包括填埋、焚燒、熱解、好氧堆肥、厭氧消化和濕式空氣氧化進(jìn)行了碳排放核算,并對敏感因子污泥有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行了影響分析.結(jié)果表明,對于有機(jī)質(zhì)含量40%～50%的脫水污泥(含水率80%),凈碳排放排序?yàn)樘盥?焚燒>熱解>厭氧消化>好氧堆肥>濕式空氣氧化;而對于有機(jī)質(zhì)含量60%～70%的脫水污泥,排序?yàn)樘盥?焚燒>熱解>好氧堆肥>濕式空氣氧化>厭氧消化.對不同污泥處理處置組合路徑進(jìn)一步分析表明, 獨(dú)立焚燒相對于污泥水泥窯協(xié)同處置和燃煤電廠混燒碳排放更低.水解-厭氧消化-土地利用組合路徑因提高有機(jī)質(zhì)利用率而降低碳排放.1t脫水污泥處理處置全生命周期碳排放分析的結(jié)果表明,當(dāng)污泥有機(jī)質(zhì)含量低于60%時,上述路徑都會產(chǎn)生2.07～494.45kg CO2eq/t不等的碳排放;當(dāng)污泥有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到60%時,熱水解-厭氧消化-土地利用組合路徑可以實(shí)現(xiàn)負(fù)碳排放,為-37.91kg CO2eq/t,厭氧消化及濕式空氣氧化路徑接近于零碳排放;當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到70%時,濕式空氣氧化?厭氧消化及組合路徑均可以實(shí)現(xiàn)負(fù)碳排放.

污泥處理處置；碳排放；生命周期評價；有機(jī)質(zhì)含量

污泥是污水處理過程中的主要副產(chǎn)物.近年來,由于城鎮(zhèn)化快速發(fā)展及污水提標(biāo)改造,我國城鎮(zhèn)污水處理廠污泥產(chǎn)量逐年遞增.據(jù)住建部發(fā)布的報告顯示,2020年全國年污泥產(chǎn)量約6000萬t (以含水率80%計)[1].我國大多數(shù)污泥采用填埋處置,同時好氧堆肥、厭氧消化、焚燒等資源化技術(shù)也已經(jīng)逐步應(yīng)用推廣.不同工藝各有優(yōu)劣,可以不同程度地實(shí)現(xiàn)污泥資源化,但同時也會消耗大量能源藥劑等,產(chǎn)生不同程度的碳排放.廢棄物(包括污泥)處理是我國碳排放的重要來源,考慮到我國可持續(xù)發(fā)展和“碳達(dá)峰,碳中和”目標(biāo),污泥處理處置過程的碳排放大小也是評估污泥處理處置路徑效果的一個重要指標(biāo).

使用LCA的分析方法可以對不同污泥處理路徑的碳排放情況進(jìn)行系統(tǒng)評估和比較,還具備從全流程分析不同環(huán)節(jié)碳排放貢獻(xiàn)量的優(yōu)勢,數(shù)據(jù)結(jié)果可對路徑碳減排改進(jìn)等具有參考意義[2-4].目前,國內(nèi)外已有學(xué)者對污泥處理處置路徑碳排放進(jìn)行研究評價.研究內(nèi)容側(cè)重于對現(xiàn)有污泥處理處置路徑的碳排放計算和比較,以及通過引入新的替代技術(shù)或改進(jìn)污泥處理路徑實(shí)現(xiàn)污泥資源化利用,減少環(huán)境影響并提升碳減排效益[5-7].Piippo等[8]針對芬蘭北部的經(jīng)濟(jì),環(huán)境和污泥產(chǎn)生狀況,評估了不同污泥處理處置路徑(包括堆肥、厭氧消化和焚燒)的碳排放.結(jié)果表明厭氧消化工藝在所有工藝中碳排放最低,其次是無熱干化環(huán)節(jié)的污泥焚燒,堆肥,最后是利用化石燃料熱干化污泥后焚燒.若僅考慮污泥厭氧消化的環(huán)境影響,消化污泥直接土地利用綜合環(huán)境影響最低,但對農(nóng)田土壤的污染風(fēng)險較大,而添加后續(xù)熱處理(焚燒、水熱炭化、熱解)工藝可以減少污泥運(yùn)輸帶來的環(huán)境負(fù)擔(dān)并提高污泥資源回收率[3].針對我國典型污泥處理處置路徑碳排放的研究,污泥厭氧消化和土地利用同樣具有低碳排放效應(yīng)特征,可作為污泥處理處置低碳發(fā)展的優(yōu)選模式[9].

污泥有機(jī)質(zhì)含量(VS/TS)影響污泥熱值,沼氣產(chǎn)率等性質(zhì).我國污泥有機(jī)質(zhì)含量較國外偏低,且受時空變化波動較大,因此污泥有機(jī)質(zhì)含量差異在處理處置碳排放核算過程中應(yīng)作為一個重要敏感因子納入考量[10].本文根據(jù)IPCC給出的核算準(zhǔn)則,結(jié)合生命周期評價,對6種常見污泥處理處置路徑包括填埋、焚燒、熱解、好氧堆肥、厭氧消化和濕式空氣氧化及其各類組合工藝進(jìn)行直接排放、間接排放和碳減排的全面核算,并針對敏感因子污泥有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行了影響分析.本研究將得出不同污泥處理處置路徑碳排放情況,污泥有機(jī)質(zhì)含量對處理路徑碳排放影響,研究結(jié)果可為城市處理處置路徑選擇和優(yōu)化提供參考.

1 研究方法

1.1 研究對象和范圍

為了便于不同污泥處理處置路徑碳排放之間進(jìn)行比較,本文統(tǒng)一以處理1t污水處理廠出廠脫水污泥(含水率80%)作為研究對象.本文研究的6種污泥處理處置路徑包括填埋、焚燒、熱解、好氧堆肥、厭氧消化和濕式空氣氧化,每種路徑的常見工藝流程和主要碳排放單元如圖1所示.由于厭氧消化,濕式空氣氧化對進(jìn)泥含水率要求較高,將脫水污泥調(diào)質(zhì)至含水率到90%.不同污泥處理處置路徑的凈碳排放包括因氣體泄露、土地利用等產(chǎn)生的直接碳排放,因能源,藥劑消耗等產(chǎn)生的間接碳排放,以及因污泥厭氧消化產(chǎn)沼氣熱電聯(lián)產(chǎn),好氧堆肥產(chǎn)品土地利用和污泥熱解產(chǎn)物替代等產(chǎn)生的碳減排3個部分.其中污泥因發(fā)酵、焚燒等生物成因CO2不計入碳排放.污泥處理處置環(huán)節(jié)產(chǎn)生的其它溫室氣體如甲烷(CH4),氧化亞氮(N2O)按100a全球增溫潛勢換算成CO2排放當(dāng)量核算.

圖1 污泥主要處理處置路徑及碳排放單元

污泥有機(jī)質(zhì)含量作為對污泥處理影響較大的敏感因子,研究設(shè)置40%,50%,60%,70%4個水平分析,此時污泥厭氧消化有機(jī)質(zhì)降解率分別為20%, 35%,40%,50%,沼氣產(chǎn)率分別為80,175,240,350m3/(t DS),干基熱值為8750,11250,13750和16250kJ/(kg DS)[11].污泥經(jīng)熱水解后,厭氧消化可降解的有機(jī)質(zhì)增多,且有機(jī)物降解率和沼氣產(chǎn)量提高.本研究取有機(jī)質(zhì)降解率提升20%,沼氣產(chǎn)量提升30%計算[10],則有機(jī)質(zhì)降解率分別提升至24%,42%,48%,60%,沼氣產(chǎn)率分別提升至104, 227.5,312,455m3/(t DS).此外,本文還著重討論了厭氧消化工藝耦合前端熱水解工藝和后端焚燒工藝碳排放變化.

1.2 計算方法和主要參數(shù)

1.2.1 直接排放 (1)填埋氣體泄露:污泥脫水后填埋產(chǎn)生的CH4直接逸散至大氣中.此部分產(chǎn)生的碳排量如式(1).

(2)好氧堆肥局部厭氧:污泥好氧堆肥情況與污泥有機(jī)質(zhì)含量、堆肥條件等因素有關(guān).因局部厭氧產(chǎn)生的CH4泄露.此部分產(chǎn)生的碳排放量如式(2).

(3)厭氧消化沼氣泄露:污泥厭氧消化產(chǎn)生的甲烷泄漏.此部分產(chǎn)生的碳排放量如式(3).

(4)土地利用:污泥無害化處理后土地利用存在CH4和N2O釋放,如式(4).

1.2.2 間接排放 (1)電耗:電力消耗產(chǎn)生的碳排放如式(5).

(2)藥耗:藥劑消耗產(chǎn)生的碳排放如式(6).

(3)熱量消耗:因不同污泥處理處置環(huán)節(jié)如污泥干化、加熱等熱量消耗產(chǎn)生的碳排放量統(tǒng)一按標(biāo)準(zhǔn)煤供熱如式(7).

(4)燃料消耗:因填埋、焚燒使用柴油、天然氣等燃料產(chǎn)生的碳排放量如式(8).

(5)污水處理:處理處置過程產(chǎn)生的廢水需回流至污水處理廠處理,該部分產(chǎn)生碳排放如式(9)

(6)運(yùn)輸:污泥經(jīng)處理處置后因外運(yùn)產(chǎn)生的碳排放如式(10).

間接排放計算涉及的主要參數(shù)見表1.

表1 間接排放計算涉及的主要參數(shù)

注:脫水污泥為含水率80%的污泥;調(diào)質(zhì)污泥為因污泥處理設(shè)備需求將脫水調(diào)質(zhì)至含水率90%;1為熱解污泥比熱容,1.51kJ/(kg×℃);PY為污泥熱解溫度,500℃;S為污泥干化溫度,80℃;1為脫水污泥比熱容,3.51kJ/(kg×℃);1為進(jìn)泥溫度5～30℃;2為熱水解溫度,90℃.2為調(diào)質(zhì)污泥比熱容,4.01kJ/(kg×℃),3為中溫消化溫度35℃;假定厭氧消化池為理想圓柱形,高度30m,地上部分25m,地下部分5m,直徑16m.為污泥消化池的散熱面積,m2;為消化池導(dǎo)熱系數(shù),為簡化計算,統(tǒng)一取2.5kJ/(m2×h×℃);A為池外介質(zhì)溫度,年平均氣溫5～30℃,土壤平均溫度10～25℃.

1.2.3 碳減排 (1)熱量替代

焚燒:污泥焚燒產(chǎn)生的熱量可回收抵消其他環(huán)節(jié)需要的熱量.回收的熱量需根據(jù)入爐熱量及出爐熱量出爐計算[28].其中,對于未燃燒完全的氣體和固體、焚燒爐熱損失、煙氣和灰渣帶走的熱量等造成的綜合熱量損失損失按輸入熱量的15%[14]計算,回收熱量替代的碳減排按標(biāo)煤替代計算,如式(11)～(13).

式中:e為輔助燃料熱量,kJ;NG為天然氣熱值, 38931kJ/m3[29].

水泥窯、燃煤電廠混燒:污泥混燒后產(chǎn)生的熱量可回收,如式(14).

式中:為綜合熱利用效率,水泥窯為60%[30],燃煤電廠為36%～41%.

熱解:污泥熱解反應(yīng)的能量輸入in包括污泥化學(xué)能和污泥發(fā)生目標(biāo)熱解反應(yīng)所需的能量,能量輸出out包括熱解產(chǎn)物能量(熱解氣、油、熱解炭),污泥熱解反應(yīng)自身能量?和熱能損失,產(chǎn)物又回用至熱解爐中.根據(jù)能量分析,污泥熱解能夠回收熱量為污泥化學(xué)能、熱解產(chǎn)物能量.對于污泥熱解的綜合熱損失按35%計算[31],如式(15).

式中:?為不同熱解工況的反應(yīng)熱,取10MJ/kg DS.

熱水解換熱:污泥經(jīng)過熱水解后,為滿足后續(xù)厭氧消化需求,換熱冷卻至40℃.熱量差能回收形成碳減排,如式(16).

式中:THP為熱水解熱回收率,通過板式換熱器等方式回收高溫污泥熱量,但換熱后熱能較難利用,且考慮熱量損失,取35%[32].

厭氧消化:沼氣燃燒熱電聯(lián)產(chǎn),熱量可用于污泥加熱,以標(biāo)準(zhǔn)煤供熱計算,如式(17).

式中:沼氣為厭氧消化沼氣產(chǎn)量,m3;沼氣為沼氣熱值, 21520MJ/m3;AD為沼氣熱能回收率,45%[33].

濕式空氣氧化氧化:濕式氧化為放熱反應(yīng),能將污泥中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能,高溫污泥可通過換熱,閃蒸回用熱量替代能源消耗.在合適的工況下處理1t調(diào)質(zhì)污泥根據(jù)污泥熱值含量不同可回收熱量不同,如式(18).

式中:E為焚燒發(fā)電的熱量利用率,一般為14%～ 22.5%,典型值取19%;發(fā)電煤耗為供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗,根據(jù)《常規(guī)燃煤發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品能源消耗限額》(GB21258-2017)[20]的數(shù)據(jù)顯示,常規(guī)燃煤發(fā)電機(jī)組單位產(chǎn)品供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗為在273～352g/kW×h,計算取295g/kW×h.

(2)發(fā)電替代

燃煤電廠:污泥干化后不能直接燃燒發(fā)電,但與煤混燒后的熱值可被利用,如式(19).

式中:WAO為污泥濕式空氣氧化化學(xué)能利用率,取平均值70%[27].

厭氧消化:污泥厭氧消化產(chǎn)生的沼氣可燃燒發(fā)電,如式(20).

式中:2為沼氣發(fā)電產(chǎn)率, 2kW×h/m3[14].

(3)肥料替代

消化污泥脫水泥餅、污泥好氧堆肥腐熟產(chǎn)品可回用至土地替代化學(xué)肥料利用,如式(21).

式中:N,i為不同土地利用物氮元素質(zhì)量分?jǐn)?shù),消化污泥脫水泥餅按4.2%[34],污泥好氧堆肥腐熟物按5%[35]計算;EF尿素為尿素碳排放因子.

濕式空氣氧化:污泥濕式空氣氧化處理后的固相產(chǎn)物總磷含量約3.6%～4.6%(以P2O5計),取4%[36],其可替代化石磷肥(替代量按磷元素計算).

(4)產(chǎn)品替代

水泥窯:根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《水泥窯協(xié)同處置污泥工程設(shè)計規(guī)范》(GB50757-2012)[37],假定污泥高溫煅燒過程中有機(jī)質(zhì)徹底分解,灰渣計入熟料產(chǎn)量.

碳排放因子見表2.

表2 碳排放因子

2 結(jié)果與討論

2.1 碳排放分析

如圖2所示,對于有機(jī)質(zhì)含量40%～50%的脫水污泥,凈碳排放排序?yàn)樘盥?焚燒>熱解>厭氧消化>好氧堆肥>濕式空氣氧化.而對于有機(jī)質(zhì)含量60%～ 70%的脫水污泥,凈碳排放排序?yàn)樘盥?焚燒>熱解>好氧堆肥>濕式空氣氧化>厭氧消化.填埋屬于高水平碳排放工藝,干化-焚燒,熱解和好氧堆肥屬于中-低水平碳排放工藝,而厭氧消化和濕式空氣氧化工藝屬于低-負(fù)水平碳排放工藝.戴曉虎等[43]得出了類似的研究結(jié)果.

污泥有機(jī)質(zhì)含量變化(VS/TS從40%增加至70%)會對不同污泥處理處置路徑碳排放有不同程度的影響.根據(jù)計算結(jié)果,當(dāng)污泥有機(jī)質(zhì)含量從40%增加至70%,污泥填埋和好氧堆肥處理凈碳排放增加,分別從410.45kg和47.15kg增加至662.45kg和51.29kg,增幅分別為38.0%,8.1%.而污泥有機(jī)質(zhì)含量增加導(dǎo)致單位污泥熱值、沼氣產(chǎn)量提升,能夠替代更多因能耗產(chǎn)生碳排放.其余污泥處理處置路徑如焚燒、熱解、厭氧消化和濕式空氣氧化的碳排放都呈現(xiàn)隨污泥有機(jī)質(zhì)含量增加而減少,分別從217.84, 184.58, 73.52和38.90kg降低至107.41,101.62, -55.29和-24.27kg.厭氧消化和濕式空氣氧化工藝受污泥有機(jī)質(zhì)含量變化波動較大,最大波動率分別是233.0%和260.3%,而焚燒和好氧堆肥波動較小,最小波動率分別是102.8%和8.1%.因此,在控制污泥處理處置過程碳排放上,在污泥有機(jī)質(zhì)含量受季節(jié),來源等因素變化大的區(qū)域,采用焚燒和好氧堆肥對于應(yīng)對碳排放波動優(yōu)勢較為明顯.而利用厭氧消化,濕式空氣氧化處理高有機(jī)質(zhì)含量(360%)污泥可以實(shí)現(xiàn)污泥處理處置近零排放甚至是負(fù)碳排放,因此高有機(jī)質(zhì)含量污泥優(yōu)先選擇這兩條路徑處理,而不應(yīng)采取填埋.低有機(jī)質(zhì)污泥(￡50%)可以采用焚燒處置或好氧堆肥處理.不同路徑運(yùn)行階段涉及到其它較多因素,諸如實(shí)際工藝、處理規(guī)模、設(shè)備能耗等都會不同程度影響最終碳排放結(jié)果.因此,需不斷優(yōu)化工藝降低污泥處理處置碳排放.

圖2 污泥有機(jī)質(zhì)含量對不同污泥處理處置路徑碳排放影響

2.2 不同環(huán)節(jié)的影響

對于不同有機(jī)質(zhì)含量(VS/TS=40%、50%、60%和70%)的污泥,6種污泥處理處置路徑各環(huán)節(jié)直接排放、間接排放和碳減排的碳排放核算結(jié)果如圖3所示.我國的污泥普遍經(jīng)過深度脫水后直接填埋,其中大多數(shù)為厭氧填埋場,無專門的沼氣收集裝置,大量溫室氣體無組織泄露是導(dǎo)致污泥填埋凈碳排放最大的主要原因.有機(jī)質(zhì)含量增大導(dǎo)致污泥在厭氧環(huán)境中產(chǎn)生的溫室氣體增多.在間接排放中,電耗和能源消耗(熱量消耗、油耗、天然氣消耗)占比較大,其次是藥劑消耗,三者產(chǎn)生的碳排放總和占污泥處理處置總碳排放90%以上.對于污泥焚燒、熱解路徑,污泥中化學(xué)能被用于發(fā)電、提供熱能,可以抵消一部分碳排放.隨著污泥有機(jī)質(zhì)含量增大,有機(jī)質(zhì)利用可抵消碳排放比例也增大,但干化環(huán)節(jié)需要消耗大量能源,導(dǎo)致兩種路徑的凈碳排放屬于中等水平.通過合理利用的燃煤電廠、水泥窯、焚燒廠等余熱資源,能夠使污泥干化環(huán)節(jié)的能耗降低,從而減少相應(yīng)路徑產(chǎn)生的碳排放.對于污泥好氧堆肥路徑,翻堆等需要的電耗是該路徑碳排放的主要來源,但堆肥后的腐熟物氮元素含量高,可替代化肥回歸土地.根據(jù)現(xiàn)有的結(jié)果來算,該路徑屬于低水平碳排放工藝.對于厭氧消化工藝,污泥加熱保溫所需的熱量消耗和消化污泥脫水電耗和藥耗是該路徑碳排放主要來源,而污泥厭氧消化產(chǎn)生的沼氣通過熱電聯(lián)產(chǎn)可基本實(shí)現(xiàn)碳排放與減排平衡,因此污泥厭氧消化屬于低水平甚至是負(fù)排放水平污泥處理處置工藝.對于濕式氧化工藝,高溫高壓體系能夠礦化污泥中的有機(jī)質(zhì)且提高污泥的脫水性能,因此無需額外添加藥劑就能實(shí)現(xiàn)污泥脫水,填埋.設(shè)備運(yùn)行、脫水所需電耗和設(shè)備加熱所需的能源消耗是該路徑主要的碳排放來源,通過換熱器、閃蒸回收高溫礦化污泥的熱量能降低能耗,因此做好設(shè)備保溫,減少熱量損失是該路徑節(jié)能減排的關(guān)鍵.

2.3 污泥厭氧消化工藝優(yōu)化策略

通過前文的研究,厭氧消化作為一種低碳排放甚至是負(fù)碳排放的污泥處理處置路徑在碳中和背景下具有較好的碳減排潛力.因此本研究還著重討論了厭氧消化工藝耦合前端熱水解工藝和后端焚燒工藝碳排放變化,結(jié)果如表3所示.在厭氧消化工藝前端耦合熱水解工藝因增加了污泥有機(jī)質(zhì)的降解率,提高沼氣產(chǎn)量,從而提高單位污泥發(fā)電產(chǎn)能效率,同時減少后續(xù)機(jī)械脫水所需的電耗和藥耗,實(shí)現(xiàn)凈碳排放降低.厭氧消化工藝后端耦合焚燒工藝因污泥干化單元需要消耗大量熱量,且焚燒單元需要消耗大量電力,反而使得凈碳排放增加,但污泥經(jīng)焚燒后僅剩少量無機(jī)組分,污泥處理處置穩(wěn)定性更高.從未來發(fā)展的角度看,通過前端耦合熱水解工藝優(yōu)化污泥厭氧消化處理處置路徑,能充分發(fā)揮該路徑低碳節(jié)能優(yōu)勢,既實(shí)現(xiàn)“能源中和”又實(shí)現(xiàn)“碳中和”.如果在污泥處理廠中充分利用例如燃煤電廠、水泥窯等余熱資源降低能耗,后端耦合焚燒環(huán)節(jié)也能提高污泥消納處理率.

表3 污泥熱水解,厭氧消化,焚燒工藝系統(tǒng)碳排放(kg CO2eq/t)

3 結(jié)論

3.1 對于有機(jī)質(zhì)含量40%～50%的脫水污泥,凈碳排放排序?yàn)樘盥?焚燒>熱解>厭氧消化>好氧堆肥>濕式空氣氧化.而對于有機(jī)質(zhì)含量60%～70%的脫水污泥,凈碳排放排序?yàn)樘盥?焚燒>熱解>好氧堆肥>濕式空氣氧化>厭氧消化.填埋屬于高水平碳排放工藝,焚燒、熱解和好氧堆肥屬于中-低水平碳排放工藝,而厭氧消化和濕式空氣氧化工藝屬于低-負(fù)水平碳排放工藝.

3.2 當(dāng)污泥有機(jī)質(zhì)含量從40%增加至70%,污泥填埋和好氧堆肥路徑碳排放增加,而焚燒、熱解、厭氧消化和濕式空氣氧化路徑碳排放減少.污泥好氧堆肥和焚燒路徑碳排放隨污泥有機(jī)質(zhì)變化波動小.

3.3 厭氧消化作為一種低碳排放甚至是負(fù)碳排放的污泥處理處置路徑,通過前端耦合熱水解工藝進(jìn)行優(yōu)化,既能進(jìn)一步提高污泥利用率,還能發(fā)揮該路徑處理處理污泥低碳節(jié)能優(yōu)勢,是厭氧消化路徑未來發(fā)展的趨勢.

3.4 在全球氣候變化及中國“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)的背景下,污泥處理處置路徑碳排放將作為一個重要指標(biāo)納入綜合評價當(dāng)中.此外還需明確碳排放并不是決策者引進(jìn)污泥處理處置項(xiàng)目唯一衡量標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)“因地制宜”,充分考慮當(dāng)?shù)匚勰嗄噘|(zhì)、土地資源、經(jīng)濟(jì)狀況等綜合因素,合理利用燃煤電廠、水泥窯、焚燒廠等余熱資源實(shí)現(xiàn)污泥科學(xué)、妥善處理.

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Analysis on carbon emission from sludge treatment and disposal.

WANG Lin, LI De-bin, LIU Zi-wei, LI Huan*

(Tsinghua Shenzhen International Graduate School, Tsinghua University, Shenzhen 518055, China)., 2022,42(5)：2404～2412

Carbon emission from sludge landfill, incineration, pyrolysis, aerobic composting, anaerobic digestion, and wet air oxidation in China were calculated referring to the guideline provided by Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) and life cycle analysis (LCA) method. In addition, sludge organic content was discuss as a key sensitive impact factor of carbon emission. The results show that for dewatered sludge with organic content of 40%～50% and water content of 80%, the sequence of the total carbon emission from sludge treatment is: landfill > incineration > pyrolysis > anaerobic digestion > aerobic composting > wet air oxidation. While sludge organic content is 60%～70%, the sequence changes to: landfill > incineration > pyrolysis > aerobic composting > wet air oxidation > anaerobic digestion. A further analysis on different integration routes indicates that sludge incineration has lower carbon emission than co-processing in cement kilns or co-combustion in coal-fired power plants. The integration of thermal pretreatment, anaerobic digestion and land use can reduce carbon emission due to improved organic content utilization. A LCA analysis on carbon emission from 1t dewatered sludge treatment demonstrates that all the sludge treatment routes release 2.07～494.45kg CO2eq/t when sludge organic content is lower than 60%. When sludge organic content reaches 60%, the integration of thermal hydrolysis, anaerobic digestion, and land use achieved a negative carbon emission of -37.91kg CO2eq/t, and anaerobic digestion and wet air oxidation realize almost zero carbon emission. When sludge organic content reaches 70%, wet air oxidation, anaerobic digestion and its combination routes can cause negative carbon emission.

sludge treatment；carbon emission；life cycle analysis；organic matter content

X705

A

1000-6923(2022)05-2404-09

王 琳(1999-),女,廣東梅州人,清華大學(xué)碩士研究生,主要從事固體廢棄物控制及資源化利用研究.

2021-10-18

深圳市可持續(xù)發(fā)展科技專項(xiàng)(KCXFZ202002011008-44824)

* 責(zé)任作者, 副教授, li.huan@sz.tsinghua.edu.cn