王欽祥,張 穎
(深圳市寶安排水有限公司,廣東 深圳 515100)
目前,溫室氣體的主要起源為污水污泥處置進(jìn)程中的碳排放數(shù)量,為了有效改善污泥處置進(jìn)程中的排放碳數(shù)量,經(jīng)常采取污泥處置技術(shù)中的質(zhì)量平衡模型核準(zhǔn)碳排放數(shù)量,經(jīng)過(guò)低碳化水平的評(píng)價(jià),創(chuàng)建了針對(duì)不同層次要求的污水污泥低碳化處置措施。通過(guò)大量實(shí)踐證明,污泥厭氧消化沼利用、余熱干化后焚燒與混燒發(fā)電等技術(shù)的低碳化水平較高,在不能利用這些處置措施的區(qū)域,利用好氧堆肥與填埋前實(shí)施好氧平穩(wěn)與處置,也是非常優(yōu)良的低碳處置方法。因此,低碳化處置已成為污泥處置的新措施,且通過(guò)與區(qū)域經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、社會(huì)環(huán)境相融合,能夠更好地順應(yīng)國(guó)內(nèi)污泥處置由衛(wèi)生無(wú)害至碳減排的立體化要求。
清潔發(fā)展體制的碳排放核準(zhǔn)是依據(jù)長(zhǎng)期的世界碳平衡,所以無(wú)法將其統(tǒng)計(jì)在污泥等生物質(zhì)分解與焚燒形成的二氧化碳中。生物質(zhì)焚燒形成的二氧化碳要通過(guò)數(shù)十載甚至上千年才可再次聚集至生物體內(nèi),然而,堆肥處置可使數(shù)量龐大的碳元素存留在堆肥產(chǎn)品中,使用后絕大多數(shù)碳元素依舊維持了生物質(zhì)碳的形態(tài),所以污泥焚燒與堆肥的實(shí)際碳排放數(shù)量完全不可等同。將80%含水率脫水污泥作為回顧性解析得知,碳排放核準(zhǔn)不只包含了CH4,同時(shí)也包含了二氧化碳以及處置進(jìn)程損耗能量形成的碳排放,抵扣了輸出能量或產(chǎn)物使用時(shí)代替燃料與原料所形成的節(jié)能減排的成果。
如何對(duì)不同污泥處置進(jìn)程中的碳排放實(shí)施對(duì)比,尤其在核準(zhǔn)碳排放的根本上,可參照資源化處置率等標(biāo)準(zhǔn),定義處置進(jìn)程的低碳化水平為:DLC=(Emax-E)/Emax,其中,E=Ec-ER,公式中最大碳排放為Emax,可獲得厭氧填埋狀況下的碳排放數(shù)值,作為對(duì)比基準(zhǔn);E是某處置進(jìn)程中的整體碳排放量,Ec是處置進(jìn)程的碳排放量,ER是處置進(jìn)程的碳降低排放效應(yīng)。
當(dāng)前,國(guó)內(nèi)城市污水排放量較大,并表現(xiàn)出逐漸上升趨向,而城市污水處置領(lǐng)域歸類為高消耗領(lǐng)域,尤其是與現(xiàn)階段提倡的節(jié)能環(huán)保綠色經(jīng)濟(jì)政策不符,所以消耗問(wèn)題成為不可被忽略的關(guān)鍵話題。當(dāng)下,國(guó)內(nèi)城市污水處置重點(diǎn)應(yīng)用的是生化處置工藝,該工藝不僅耗電量巨大,同時(shí)也會(huì)消耗燃料與藥品。傳統(tǒng)的污水生化處置技術(shù)是借助微生物降解污水中的有機(jī)物,實(shí)現(xiàn)減少水體COD與BOD的目標(biāo)。然而,此種處置方法會(huì)直接或間接釋放二氧化碳等,形成了溫室效應(yīng),不符合綠色環(huán)保的基本準(zhǔn)則。因此,改進(jìn)傳統(tǒng)污水處置技術(shù),采用更先進(jìn)的低碳運(yùn)轉(zhuǎn)應(yīng)對(duì)措施,是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可循環(huán)發(fā)展的高效策略[1]。因此,污水處置低碳運(yùn)轉(zhuǎn)措施不僅包含了降低污水處置進(jìn)程中碳的釋放數(shù)量,更關(guān)鍵的是為了減少污水處置的耗能,應(yīng)從根源上節(jié)約碳源,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的目標(biāo)。不僅如此,減少污水處置進(jìn)程中的資源損耗,更有助于減少污水處置投入費(fèi)用,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約資本的目標(biāo)。
利用聯(lián)合國(guó)政府間氣候變動(dòng)專門委員會(huì)質(zhì)量平衡方式來(lái)核算碳排放數(shù)量。在污泥厭氧填埋實(shí)踐中,CH4和CO2的產(chǎn)生量具體為:ECH4=W?DOC?DOC?MCF?F?16/12,ECO2=W?DOC?DOC?(1-MCF?F)?44/12,公式中,W是污泥品質(zhì),DOC是可降解有機(jī)碳,污水污泥中DOC決定了形成此污泥廢水的根源與處置工藝,其IPCC推薦數(shù)值為千污泥的40~50%,按照污泥含水率的80%核算,結(jié)果濕污泥中DOC的含量為8~10%,如果按照10%核算,DOC1為實(shí)踐解析可降解有機(jī)碳的比值,IPCC的推薦獲取為50%;MCF是甲烷修正因子,針對(duì)厭氧填埋場(chǎng),可篩選為百分之百;F是填埋氣體中的CH,其體積比值依照50%核算;16/12則是CH,C為分子量比率;44/12是CO2/C的分子量比率。將以上公式相加,1 t的CH的全世界變暖走向依照21 t的CO2計(jì)算,代入相關(guān)數(shù)據(jù)之后,具體厭氧填埋碳排放是:ECH4=0.33W,ECO2=0.092 W,則Emax≈0.792 W。依據(jù)《城鎮(zhèn)污水處置場(chǎng)污泥處置混合填埋泥質(zhì)》(CJT249-2007),污泥含水率則應(yīng)降低到60%以下,才可以進(jìn)入填埋場(chǎng)地,所以脫水污泥要深入干化,但如果利用熱干化,就會(huì)提高處置進(jìn)程的碳排放數(shù)量。
污泥含有有機(jī)碳燃燒結(jié)果產(chǎn)生的碳排放數(shù)量為:ECO2=W?CF?OF?44/12=0.312W,其中污泥含碳量為F,獲取濕污泥10%;OF是氧化因子,獲取85%。此外,在焚燒前通常要干化,不相同的干化技術(shù)所產(chǎn)生的消耗區(qū)別非常大。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水汽化潛熱是2 512 kJ/kg,而1 kg的含水率為80%的污泥干化后至少含水率為30%,最少需要熱量為1 793 kJ/kg。大致按照無(wú)煙煤供熱,燃煤及其干化機(jī)的整體熱效率依照50%計(jì)算,干化體系耗電依照35 kWh/t濕污泥核算。電力碳排放參照重點(diǎn)火電企業(yè)發(fā)電單位CO2排放量為0.7~0.8 kg/kWh。結(jié)果干化進(jìn)程碳排放大約是:ECO2=W×1793/50%×0.098×10-3+35×0.8×10-3=0.379 W。
污泥焚燒發(fā)電效率與污泥熱數(shù)值有著密切關(guān)系,污泥熱值區(qū)別非常大,大約在6 000~24 000 kJ/kgDS區(qū)間。對(duì)于干固體低位熱值在20 000kJ/kg的污泥,如果含水率降低到30%,結(jié)果1 kg原污泥就含有干固體0.2 kg,發(fā)熱量為4 000 kJ,含水率為80%,含干固體0.2 kg,發(fā)熱量為4 000 kJ,含水率下降到30%之后,水分剩余0.086 kg,蒸發(fā)消耗215 kJ的熱量,余下熱量為3 785 kJ??剂繜釗p失、燃燒效率與發(fā)電效率,則依據(jù)30%熱量來(lái)發(fā)電,結(jié)果1 136 kJ可發(fā)電,發(fā)電數(shù)量為0.315 kWh,焚燒廠自身?yè)p耗電占比發(fā)電量大致20%~30%,依據(jù)外輸電力230 kWh/t核算,此狀況下減排數(shù)量是:ER=W×0.230×0.8=0.184 W,所以,污泥焚燒發(fā)電碳排放數(shù)量為:E=0.312W+0.379W-0.184W=0.507W,按照以上公式,污泥干化焚燒發(fā)電低碳化水平是DLC=(0.792-0.507)/0.792=36%,假設(shè)利用余熱資源進(jìn)行污泥干化,結(jié)果能夠節(jié)省干化消耗,具體干化進(jìn)程碳排放為ECO2=35×0.8×10-3=0.028 W,碳排放量為E=0.312W+0.028W-0.184W=0.156W,結(jié)果低碳化水平是:DLC=(0.792-0.156)/0.792=80.3%[2]。
此進(jìn)程絕大多數(shù)情況下將DOC轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸寂c微生物有機(jī)質(zhì),少數(shù)CH形成在堆體的厭氧局部,而最大程度上在堆體有氧位置出現(xiàn)了氧化。排放至大氣的CH,預(yù)估值是干原料中初始碳含量小于1%直到幾個(gè)百分點(diǎn)。對(duì)于具備優(yōu)良通風(fēng)體系堆肥進(jìn)程,所排放的CH為默認(rèn)值。所以堆肥處置進(jìn)程形成的碳排放為:ECO2=W?OC?DOC?44/12=0.238W,其中DOC是好氧堆肥情況下分開可降解有機(jī)碳的比值,考量堆肥全部腐熟之后DOC解析率超出了99.5%,碳在堆肥進(jìn)程中大約有2/3轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸迹S?/3被應(yīng)用于細(xì)胞組成,所以此數(shù)值為0.65。參照相關(guān)堆肥處置項(xiàng)目建造執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn),電耗依照10 kWh/t核算,附加碳排放量是ECO2=W×0.01×0.8=0.008 W,雖然堆肥產(chǎn)品能夠作為肥料替換部分化肥,進(jìn)而降低化肥加工制作進(jìn)程中的碳排放數(shù)量,隨之因堆肥產(chǎn)品實(shí)操中,無(wú)法完全替換化肥,以至于不考量堆肥產(chǎn)品碳減排效應(yīng),整體碳排放是E=0.238W+0.008W=0.246W,隨之低碳化水平為:Dtr=(0.792-0.246)/0.792=68.9%。
此外,堆肥進(jìn)程把污泥中絕大多數(shù)的DOC轉(zhuǎn)變成為二氧化碳與腐殖質(zhì),防止了厭氧進(jìn)程中CH的排放量,進(jìn)一步形成了碳減排成果。畢竟污泥好氧堆肥的投入成本遠(yuǎn)小于干化焚燒,如果污泥性質(zhì)與堆肥產(chǎn)品符合土地執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),好氧堆肥就會(huì)成為極為經(jīng)濟(jì)的降碳方式。因此,針對(duì)填埋而言,通過(guò)污泥平穩(wěn)化目標(biāo)的好氧預(yù)處置,可降低填埋進(jìn)程中甲烷的排放。
污泥消化具體包括好氧消化與厭氧消化兩種類型,其中厭氧消化可以借助沼氣,是目前國(guó)內(nèi)污泥消化最重要的方式。針對(duì)污泥厭氧消化產(chǎn)生沼氣發(fā)電,污泥厭氧法形成CH與二氧化碳的具體公式為為:ECH4=W?DOC?DOC?MCF?F?16/12=0.033W;ECO2=W?DOC?DOC?(1-MCF?F)?44/12=0.092 W。處置進(jìn)程則要損耗電能攪拌且受熱,依據(jù)40 kWh/t核算,附加碳排放具體是ECO2=W×0.04×0.8=0.032 W,甲烷燃燒形成后整體碳排放數(shù)量為:Ec=W?DOC?DOC?44/12+0.032W=0.215 W。沼氣發(fā)電效率通常在25%~30%,絕大多數(shù)為0.2 kg,甲烷可再次利用1 kEh電能。所以減排數(shù)量是ER=ECH4/0.2×0.8=0.133 W,整體碳排放具體為E=EC-ER=0.082 W,低碳化水平是DLC=(0.792-0.082)/0.792=89.6%。因此,污泥消化不僅能夠通過(guò)運(yùn)用沼氣減少碳排放量,而且利用污泥的減量化和平穩(wěn)化也能明顯降低水泥餅的運(yùn)送成本以及進(jìn)程中的碳排放量以及今后填埋進(jìn)程的碳排放量。
污水除磷一般依據(jù)反硝化基本原理,綜合進(jìn)行除磷與脫氮,結(jié)果可使碳能源有所節(jié)省,且能夠改變污水中的有機(jī)物。目前,可采用非常穩(wěn)定的生物除磷新工藝改善整個(gè)處置效果,創(chuàng)造優(yōu)良的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)場(chǎng)景。污水脫氮處置能夠合理使用自養(yǎng)脫氮技術(shù),實(shí)施短程硝化,高效減少排出CO2的整體數(shù)量,并且能科學(xué)地控制體系運(yùn)轉(zhuǎn),整體上減少處置費(fèi)用。
當(dāng)污泥處置技術(shù)相同時(shí),不同處置設(shè)備、設(shè)施技術(shù)數(shù)據(jù)、處置水準(zhǔn)與能效都會(huì)有較大區(qū)別,在碳排放方面的結(jié)果也會(huì)存在較大區(qū)別,以上核算結(jié)論只反應(yīng)了此技術(shù)的基礎(chǔ)水準(zhǔn),在實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目時(shí),則要參照對(duì)應(yīng)的公式進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此,對(duì)比不同處置技術(shù)的碳排放狀況,污泥厭氧消化產(chǎn)沼應(yīng)用、預(yù)熱干化焚燒、混凝低碳化的水平較好,其在實(shí)踐中具備雙重減排效應(yīng),不僅降低了污泥填埋形成的CH4,同時(shí)也釋放和降低了應(yīng)用化石燃料時(shí)二氧化碳的釋放,所以為優(yōu)先選擇的污泥低碳化處置技術(shù)。然而,好氧堆肥無(wú)論被用于單獨(dú)處置,或者作為填埋前的預(yù)處置,經(jīng)過(guò)有機(jī)質(zhì)的平穩(wěn)化都可避免甲烷的形成,且對(duì)于厭氧填埋也具備顯著的降排效應(yīng)。
國(guó)內(nèi)不同區(qū)域發(fā)展的差異化較為明顯,不相同區(qū)域針對(duì)污泥處置只是為了符合衛(wèi)生無(wú)害訴求直至服務(wù)于低碳城市建造發(fā)展,且差異非常大。所以,低碳化不只是為順延減排化與無(wú)害化、資源化等污泥處置的創(chuàng)新構(gòu)成,其與其他技術(shù)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)共同決定了需要?jiǎng)?wù)必處置的應(yīng)對(duì)策略。
參照針對(duì)污泥處置技術(shù)的評(píng)判結(jié)論及中國(guó)社會(huì)發(fā)展情況與污泥處置的狀況,如何完成污泥低碳化處置,首先要考量污泥生物質(zhì)可利用的可行性,比如:污泥數(shù)量龐大,則需要?jiǎng)?chuàng)建厭氧消化設(shè)備,進(jìn)而實(shí)施生產(chǎn)沼澤發(fā)電,同時(shí)低碳化水平達(dá)到了90%,與厭氧填埋進(jìn)行沼氣回收相比,厭氧消化沼氣的產(chǎn)值平穩(wěn),收集率較高,純度好,更有利于凈化效果。假設(shè)不建立厭氧消化設(shè)施,則需要利用區(qū)域水泥窯或燃煤電廠,混燒經(jīng)過(guò)余熱干化之后的污泥,進(jìn)一步降低污泥處置設(shè)備的成本投入,且實(shí)現(xiàn)了降低碳排放的目的,主動(dòng)購(gòu)買節(jié)約燃煤且合理繳納污泥處置花費(fèi),全面推動(dòng)了企業(yè)健康發(fā)展。假設(shè)污泥處置數(shù)量較少,可采取直接混燒濕污泥的方法,以節(jié)約干化設(shè)備建造的費(fèi)用及運(yùn)轉(zhuǎn)成本。在無(wú)法滿足上述條件的情況下,則要考慮建設(shè)獨(dú)立的污泥焚燒爐,以便干化之后實(shí)施焚燒發(fā)電。針對(duì)經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后的區(qū)域,需要利用好氧堆肥,該方法一般適用于礦山土地恢復(fù)、園林綠化、填埋土等。假設(shè)沒(méi)有更好的辦法,則要考慮把污泥和生活垃圾進(jìn)行融合,實(shí)施好氧預(yù)處置,然后進(jìn)行填埋,預(yù)處置只需要單純的發(fā)酵過(guò)程,保持污泥的平穩(wěn)化,降低含水率,這樣才能夠降低填埋過(guò)程的碳排放數(shù)量,完善填埋作業(yè)效果。
通過(guò)以上分析并參照國(guó)內(nèi)城市普遍發(fā)展?fàn)顩r,仍有部分技術(shù)沒(méi)有涉及到,比如:用污泥制造建材,此技術(shù)能夠完成污泥資源化應(yīng)用,但在國(guó)內(nèi)污泥處置中應(yīng)用得比較少。另外,污泥的含水量較大、體積巨大,減量化對(duì)降低之后持續(xù)處置的負(fù)擔(dān)及其處置過(guò)程中的碳排放產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。針對(duì)特定的大城市來(lái)講,單一的處置技術(shù)已經(jīng)無(wú)法順應(yīng)目前的處置整體訴求,所以要依據(jù)實(shí)際狀況合理組合處置技術(shù)。
總之,污水污泥低碳化處置應(yīng)對(duì)措施的準(zhǔn)則,可按照以下幾方面執(zhí)行:第一,通過(guò)加強(qiáng)脫水、消化與應(yīng)用余熱干化實(shí)現(xiàn)污泥含量的下降;第二,通過(guò)厭氧消化生產(chǎn)沼氣、回收生物質(zhì)能;第三,成余熱干化完后,將其應(yīng)用于電廠、水泥窯混燒;第四,余熱干化完成后進(jìn)行焚燒發(fā)電;第五,好氧堆肥;第六,通過(guò)平穩(wěn)化預(yù)處置技術(shù),降低填埋過(guò)程中甲烷的釋放量;第七,降低處置過(guò)程的能耗。
污水處置進(jìn)程損耗重點(diǎn)是對(duì)電能的損耗。當(dāng)下污水處置技術(shù)中電能損耗比較多的步驟為:預(yù)處置早期污水含量提高、生化處置的曝氣等進(jìn)程、污泥濃縮與脫水進(jìn)程及污泥與混合液的回流過(guò)程。在諸多步驟中,生化處置進(jìn)程與污泥脫水濃縮進(jìn)程的耗電量占整個(gè)工藝耗電量的60%~90%上下?;诖耍瓿晌鬯幹玫吞歼\(yùn)轉(zhuǎn)需要改進(jìn)不同的技術(shù),才可減少污水處置的能源消耗,實(shí)現(xiàn)節(jié)能降排成效[3]。
此外,在污水處置程序中,不同步驟通常依據(jù)預(yù)先制定的數(shù)據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)。然而,在實(shí)際處置過(guò)程中,污水的流量與水質(zhì)在不斷改變,造成了污水處置過(guò)程中,經(jīng)常出現(xiàn)能量過(guò)度消耗,且出水水質(zhì)不符合要求的情況。對(duì)此,技術(shù)人員要及時(shí)監(jiān)督進(jìn)水水質(zhì)和水量,并以此為標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整污水處置設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù),使設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)形態(tài)完全符合進(jìn)水標(biāo)準(zhǔn)。因此,應(yīng)用在線檢測(cè)技術(shù)和數(shù)字創(chuàng)模技術(shù),將產(chǎn)生良好的應(yīng)用效果。
污水處置過(guò)程不僅消耗大量電力,且在完善污水化學(xué)組成過(guò)程中,還會(huì)增添外加劑,從而間接地?fù)p耗資源。所以為了減少污水處置過(guò)程的能量消耗,就要降低電力的損耗和外加劑的應(yīng)用。從實(shí)踐中不難發(fā)現(xiàn),與減少污水處置過(guò)程中的電能損耗相比,降低外加劑的應(yīng)用比較簡(jiǎn)單可行。一般情況下,城區(qū)生活污水與養(yǎng)殖廢水中含有的有機(jī)物濃度偏高,但工業(yè)污水中有機(jī)物的含量則較低,如果將這兩種污水參照相應(yīng)比值進(jìn)行融合,則可降低或減少碳源。另外,不同工業(yè)廢水的pH值也有所不同,如果把兩類或不同種類pH值的污水通過(guò)科學(xué)配比進(jìn)行融合,也會(huì)節(jié)約調(diào)整污水pH值的外加劑。在污水脫氮除磷處置過(guò)程中,應(yīng)選擇生物方式,而不是化學(xué)方法,這樣不僅能夠減少費(fèi)用投入,同時(shí)也可以全面提升污水脫氮除磷成效。
剩余污泥的處置為污水處置進(jìn)程中消耗極大的時(shí)段。一般污水處理廠針對(duì)污泥實(shí)施脫水濃縮之后,會(huì)添加藥物進(jìn)行加固,或直接進(jìn)行高溫處置,然而,一系列操作后不僅浪費(fèi)了剩余污泥此種潛,同時(shí)還提高了污水處置廠的運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。因此,污泥資源化成為處置剩余污泥問(wèn)題的關(guān)鍵,因?yàn)槭S辔勰酁槲鬯幹玫母碑a(chǎn)物,被公認(rèn)為潛在的綠色資源,然而,實(shí)際操作過(guò)程中,只需要解決剩余污泥中的二次污染難題,即可變廢為寶,將大量剩余污泥轉(zhuǎn)化成優(yōu)良的資源,最終確保處置設(shè)備能夠繼續(xù)良好地運(yùn)轉(zhuǎn)。
總而言之,針對(duì)污泥日常采用的處置技術(shù)進(jìn)行碳排放計(jì)算時(shí),可通過(guò)低碳化方式實(shí)施評(píng)價(jià),綜合不同地域狀況擬定低碳化應(yīng)對(duì)措施,具體結(jié)論如下:第一,污泥厭氧產(chǎn)沼利用、余熱干化+焚燒發(fā)電、余熱干化+電廠混燒、好氧堆肥等技術(shù)的低碳化水平整體情況較為理想。第二,低碳化應(yīng)對(duì)措施可最大程度地降低污泥形成量與處置量,并在情況允許的區(qū)域展開厭氧產(chǎn)沼應(yīng)用,或借助余熱干化之后導(dǎo)入工業(yè)窯爐混燒或焚燒發(fā)電。對(duì)于經(jīng)濟(jì)落后的區(qū)域,則可借助好氧堆肥與填埋前實(shí)施好氧平穩(wěn)與處置。總之,提高低碳污水處置的綜合效能,實(shí)施低碳化建設(shè),能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo),并全面推動(dòng)污水處置事業(yè)的可循環(huán)與健康發(fā)展。