中美典型污泥处理处置工程能耗和碳排放比较分析_赵刚.pdf

第 40 卷第 12 期2022 年 12 月环境工程Environmental EngineeringVol40No12Dec2022收稿日期:20220826基金项目:上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司科研项目(科 CK2020056A);国家公派留学基金委项目(CSC 201706260099);上海市扬帆人才计划项目(22YF1432100)第一作者:赵刚(1990)，男，博士，主要研究方向为水污染控制工程。zg13409222 163com*通信作者:蒋明(1979)，男，高级工程师，主要研究方向为水污染控制与海绵城市建设。jiangming sucdricomDOI:10.13205/jhjgc202212002赵刚，唐建国，徐竟成，等 中美典型污泥处理处置工程能耗和碳排放比较分析 J 环境工程，2022，40(12):916中美典型污泥处理处置工程能耗和碳排放比较分析赵刚1唐建国1徐竟成2罗景阳3蒋明1*苑贤臣4周传庭1(1上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司，上海 200125;2同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092;3河海大学 环境学院，南京 210098;4香港都会大学 科技学院，香港 999077)摘要:中美两国污水处理规模大、碳排放基数高，污泥的处理与处置是污水处理厂碳排放的重要组成部分，合理的污泥管理策略是未来污水厂碳减排的关键。实地调研了中美 6 个大型典型污水处理厂的污泥处理设施和污泥处置路径，分析了中美两国不同典型的污泥处理处置工艺能量回收和碳排放的表现特征。结果表明:在不考虑碳补偿的情况下，中美 6 个污水处理厂中，华东 A(中温厌氧消化+脱水+填埋/土地利用)、华东 B(脱水+填埋/焚烧)、华东 C(脱水+焚烧)、Hyperion(高温厌氧消化+脱水+农用)、OCSD(中温厌氧消化+脱水+农用)和 Blue plains(热水解+中温厌氧消化+脱水+农用)的污泥处理处置路线的碳足迹分别为 1410，1881，1914，471，402，405 kgCO2/t DS。考虑能源回收和资源化利用产生的碳补偿效果，中美 6 厂污泥处理处置的净碳排放分别为 984，1681，1941，183，240，315 kgCO2/tDS。中美 6 个污水厂碳补偿率分别为 30.2%、10.6%、0%、138.9%、159.7%和 177.9%。污泥厌氧消化和产物土地资源化利用是碳减排的关键，提升污泥有机质含量能够强化碳补偿效应，该研究结果可为我国污水处理厂低碳转型、污泥处理处置的无害化、减量化和低碳化提供参考。关键词:污泥处理处置;能耗;碳排放;厌氧消化;碳补偿COMPAATIVE ANALYSIS ON ENEGY AND CABON EMISSION OF TYPICAL SLUDGETEATMENT POJECTS IN CHINA AND THE UNITED STATESZHAO Gang1，TANG Jianguo1，XU Jingcheng2，LUO Jingyang3，JIANG Ming1*，YUAN Xianchen4，ZHOU Chuanting1(1Shanghai Urban Construction Design esearch Institute Groups Co，Ltd，Shanghai 200125，China;2College of Environmental Science Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China;3College of Environment，Hohai University，Nanjing 210098，China;4College of Science and Technology，Hong Kong Metropolitan University，Hong Kong 999077，China)Abstract:China and the United States have large wastewater treatment and high carbon emission scale The carbon emissionfrom sludge treatment and disposal is an important part of the total carbon emission of sewage treatment plants A reasonablesludge management strategy is the key to future carbon emission reduction of sewage treatment plants In this paper，the sludgetreatment facilities and paths of six typical wastewater treatment plants in China and the United States were investigated on-site，and the performance characteristics of energy recovery and carbon emission of different typical sludge treatment processesin China and the United States were analyzed The results showed that，without considering carbon offset，among the sixwastewater treatment plants in China and the US，the carbon emission of East China A(mesophilic anaerobic digestion+dewatering+landfill/land use)，East China B(dewatering+landfill/incineration)，East China C(dewatering+incineration)，环境工程第 40 卷Hyperion(thermophilic anaerobic digestion+dewatering+agricultural end-use)，OCSD(mesophilic anaerobic digestion+dewatering+agriculture end-use)and Blue plains(thermo hydrolysis+mesophilic anaerobic digestion+dewatering+agriculturalend-use)were 1410，1881，1914，471，402，405 kg CO2/t DS，respectively Considering the carbon offset effect caused byenergy recovery and resource utilization，the net carbon emission from sludge treatment and disposal in the six WWTPs were984，1681，1941，183，240，315 kg CO2/t DS，respectively The carbon emission offset efficiency of six WWTPs inChina and the United States was 30.2%，10.6%，0%，138.9%，159.7%and 177.9%，respectively Sludge anaerobicdigestion and land utilization of its product were the keys to carbon emission reduction，and increasing the organic mattercontent of sludge could enhance the carbon offset effect The research results could provide basis and reference for the low-carbon transformation of WWTPs in China and the harmless，reduced and low-carbon treatment of sludgeKeywords:sludge treatment and disposal;energy consumption;carbon emission;anaerobic digestion;carbon offset0引言“碳达峰、碳中和”战略背景下，中国污水处理行业节能降耗、低碳发展的需求日益突出。目前，中国拥有世界上最大的规模化污水处理厂数量和处理能力1，据统计，截至 2020 年，全国城市污水处理厂2618 座，处理能力为 1.9 亿 m3/d2。中国水处理行业消耗电量约 184 亿 kW h/a，在社会总能耗中的比例呈现逐年升高的趋势3。从碳排放方面看，中国污水处理行业所产生的碳排放量占全社会总碳排放量的 1%2%5，由于能耗引起的碳排放量约占污水厂总碳排放量的 50%6。在美国，全国污水处理量平均为 1.2 亿 m3/d，污水处理设施运行能耗占全国电力需求的 3%4%4。城市污水厂污泥是污水处理过程中产生的副产物，具有含水率高、体积大、易腐败等特点，污泥的处理与处置成为污水厂建设和运行过程中重要组成部分。目前，中国城市污水处理厂基本上都配套了污泥浓缩、脱水设施，但污泥厌氧消化比例较低，全国只有约 60 座污水处理厂采用污泥厌氧消化工艺，其中运行良好的不足 1/27。从污泥最终处置看，其中污泥深度脱水填埋和干化焚烧项目较多，污泥产物土地利用方式在中国的应用比例较低8。美国污水处理厂的污泥厌氧消化处理相对较多，有超过 1200 座污水厂污泥处理采用厌氧消化技术9，其中包括高温厌氧消化和中温厌氧消化，如洛杉矶的 Hyperion 污水处理厂和橙县 OCSD 污水厂10。为了加强能源回收和提高污泥产物品质，Blue Plains 污水厂采用了世界上最大规模的 Cambi 污泥热水解预处理技术11，经高温热水解预处理厌氧消化或高温厌氧消化后可获得 Class A 污泥，脱水后的污泥产物处置方式多为农用。有研究表明，污泥处理处置产生的碳排放占污水厂总排放量的 65%76%12，关于不同污泥处理处置技术路线的碳排放特征亦有报道13，14，但由于处理规模、核算边界、碳排放单位等差异降低了结果的可比性，此外，关于国内外同类规模的大型污水厂污泥处理与处置的碳排放比较分析较少。污泥的处理处置既是碳排放的贡献者，同时又具有巨大的碳减排效应，对污水厂碳排放表现有重要影响。本文通过实地调研中美 6 大典型污水处理厂的污泥处理设施和污泥处置路径，主要探讨中美两国不同典型的污泥处理处置工艺在能量回收和碳排放上的表现特征，以期为我国污泥管理低碳转型提供参考。1材料与方法1.1污泥处理处置工艺概况20132014 年，本文调研了位于中国华东地区的 3 个大型城市污水处理厂，分别记为华东 A 污水厂、华东 B 污水厂和华东 C 污水厂。20172018 年，现场调研了位于美国加州和华盛顿特区的 3 个大型城市污水处理厂，分别为洛杉矶 Hyperion 污水厂、橙县 OCSD 污水厂和华盛顿特区 Blue Plains 污水厂。本文所涉及的污水厂均有相对成熟的污泥处理处置技术路线，其污水处理工艺及污泥处理处置工艺流程简化如图 1 所示，污泥原泥的泥质情况见表 1。1.2污泥处理能耗和能源回