本文榮獲“中國土木工程學會第十一屆優秀論文獎”三等獎

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小編導語：在全球經濟邁入低碳模式的背景下,中國將通過CDM 機制提高自己的能源使用效率以降低污染排放。

 

而目前我國城鎮污水處理廠污泥大部分經脫水處理后運至垃圾填埋場與城市生活垃圾混合填埋，污泥中的有機質在填埋場厭氧環境中分解，生成的CH4若未經收集處理，經無組織排放成為溫室氣體重要來源之一。究竟怎樣減少碳排放呢？

污泥厭氧消化工藝運行階段的碳減排量分析

杭世珺，關春雨

（北京市市政工程設計研究總院，北京，100082）

0 概述

人類活動引發的溫室氣體的增加導致了全球變暖，這是當前人類面臨的最大挑戰之一。《京都議定書》中規定了發達國家與發展中國家進行碳減排合作的清潔發展機制(簡稱CDM(cleandevelopment mechanism))，在該機制之下，由發達國家提供資金和技術，幫助發展中國家在境內開展碳減排項目，用于實現其在《京都議定書》下的部分減排義務。為確保CDM項目能帶來長期的、可測量的、額外的減排量，需要根據CDM國際規則的要求建立相應的方法學。

目前我國城鎮污水處理廠污泥大部分經脫水處理后運至垃圾填埋場與城市生活垃圾混合填埋，污泥中的有機質在填埋場厭氧環境中分解，生成的CH4若未經收集處理，經無組織排放成為溫室氣體重要來源之一。如將污泥先經厭氧消化處理，由于污泥中有機質比例下降，減少了填埋場內CH4等排放量，同時消化產生的沼氣經過凈化后用于熱電聯產，其電能供給污水處理廠自用，熱能供給消化池加溫，余量還可輸出，既實現了資源化，又減少了碳排放。

本文以清潔發展機制(CDM)方法學為基礎，參考相關CDM項目設計文件，以我國華北地區典型污泥厭氧消化工程為例，計算設定條件下厭氧消化工藝運行階段的碳減排量，分析影響減排量的運行參數并提出優化建議。

1 計算方法

根據CDM方法學，設定厭氧消化工藝運行階段碳減排量計算方法為：系統運行階段溫室氣體減排量=消化污泥有機質減少產生的溫室氣體減排量+沼氣替代化石燃料的溫室氣體減排量-系統運行耗能的溫室氣體排放量。溫室氣體排放計算范圍見圖1。

 

計算條件為：

(1) 厭氧消化系統包括厭氧消化、污泥脫水、用電、燃料使用、發電、產熱，不包括污泥的運輸、儲存及處置；

(2) 厭氧消化系統全年365天連續運行；

(3) 污泥填埋產生的溫室氣體直接排放，沼氣不利用；

(4) 厭氧消化后污泥減量帶來的脫水能耗降低忽略不計；

(5) 厭氧消化系統以天然氣作為外部熱源；

(6) 厭氧消化系統沼氣泄漏量忽略。

本計算針對的厭氧消化系統工藝參數見表1所示。

2 碳減排量計算

2.1 厭氧消化耗能產生的碳排放量

厭氧消化耗能的碳排放量可用式（1）計算

厭氧消化池逸散及剩余氣體燃燒產生的溫室氣體均可忽略，因此僅需計算污泥攪拌、循環等過程中電能消耗的碳排放量以及污泥加熱和保溫過程中熱能消耗的碳排放量。

2.1.1 電能消耗產生的碳排放量

系統的電能主要用于池內攪拌和池外循環。根據CDM設計文件：電能消耗產生的碳排放量見式（2）

2.1.1.1 池外循環耗電量

本算例中污泥產量為288m³/d(含水率96%)，采用循環泵進行池外循環，24小時均勻投配，生污泥與加熱后的回流污泥混合比例為1:2，則污泥循環泵流量為36m³/h，設揚程為25m，機械效率為75%，則電機軸功率為3.28kW，年耗電量應為：3.28×24×365=28908（kWh）=28.7（MWh）

2.1.1.2 池內攪拌耗電量

厭氧消化池螺旋槳式攪拌機的能耗計算公式為（3）

 

考慮各種因素，上述各值均取保守值，其中H取1m，η取80%，V為3600m³，m取3，t取2h，則：

N=

 

因此，機械攪拌容積功率為：18400÷3600=5.1 W/m³

根據相關文獻和文獻，美國污水處理廠設計手冊中厭氧消化混合容積功率為5.2~40W/m³；我國《給水排水設計手冊》中沼氣攪拌的容積功率為5~8W/m³；Foley等以10000m³/d規模為例作污水處理廠生命周期分析時，選取厭氧消化機械攪拌容積功率為8W/m³；武漢三金潭污水處理廠厭氧消化池循環泵和攪拌機容積功率為5.5W/m³。

參考上述數據，為保證攪拌效果，本計算機械攪拌容積功率取8W/m³，則2座消化池的攪拌功率應為：

8×3600×2=57600 W=57.6kW

年耗電量應為：

57.6×24×365=504576 kWh=504.6MWh

 

2.1.1.3 系統電能消耗的碳排放量

由上述計算得到厭氧消化系統年耗電量：28.7+504.6=533.3MWh

電量碳排放系數采用國家發改委公布的2011年華北地區電網電力邊際排放因子(OM)和容量邊際排放因子(BM)的加權平均值計算：0.5×0.9083+0.5×0.6426=0.8115[tCO₂/MWh]

2.1.2 熱能消耗產生的碳排放量

根據CDM設計文件，熱能消耗產生的碳排放量見式（5）。

2.1.2.1 污泥加熱所需熱量

 

式中V’取288m³/d，T_D取35ºC，T_S取15ºC（生污泥溫度T_S參考北京市污水處理廠水溫(10~26 ºC)和冬季平均水溫(15 ºC)確定）則有：

2.1.2.2 消化池保溫所需熱量

 

2.1.2.3 系統熱能消耗的碳排放量

設管道損失占總耗熱量的10%，由式(17)和(21)計算系統年總需熱量：(2444.9+396.0)×(1+10%)=3125.0 MWh=11.25TJ

天然氣的碳排放系數為56.1t/TJ，設天然氣鍋爐的熱效率為90%，則系統每年熱耗的碳排放量為：

 

 

2.1.3 厭氧消化耗能的碳排放總量

由PE_{elec、PEthermal}可得厭氧消化耗能的年碳排放總量：

432.7+701.2=1134tCO₂

則單位質量污泥的碳排放量為：

1134÷4205=0.27tCO₂/tDS

2.2 消化污泥有機質減少產生的碳減排量

厭氧消化處理可分解污泥中部分有機質，從而減少了污泥填埋的碳排放量。污泥填埋碳排放量計算見式（8）：

 

本計算各系數中φ、f、 GWP_CH4、OX、F及MCF按照IPCC參考值分別取為0.9、0、25、0.1、0.5及1.0。

式中DOC的取值，假設污泥中有機質的比例為60%，有機質分解率40%，則消化處理后污泥中有機質的比例約為47%，本計算參照IPCC的參考值及大連夏家河與紹興CDM文件的取值，DOC取0.5。

式中DOC_f的取值，本計算參照IPCC的參考值及大連夏家河與紹興CDM文件的取值，DOC_f取0.5。

式中k的取值，由于CH₄產率取決于污泥的含碳量，因此在最初若干年里CH₄排放量較高，隨著污泥中有機碳的降解，該排放量也逐漸下降。根據IPCC的計算方法，在北方干燥地區k為0.06，南方濕潤地區k為0.185，本計算參考大連夏家河CDM文件，k取0.06。

例如當y取3時，代入各系數值，則CH₄的碳排放量為：

從表2可得，7年內BE_CH4,y的平均值為1179tCO₂，年污泥處理量4205tDS，則項目運行7年內消化污泥有機質減少產生的碳減排量平均值：

1179÷4205=0.28tCO₂/tDS

2.3 沼氣替代化石燃料的碳減排量

2.3.1 沼氣產量及產能

2.3.1.1 沼氣產量

沼氣產量與污水水質、污水處理工藝、污泥性質等密切相關。如北京小紅門污水處理廠厭氧消化處理初沉污泥，2009年上半年沼氣產率可達295m³/tDS；鄭州王新莊污水處理廠2006年3月部分數據計算所得的年均沼氣產率為282m³/tDS；2001年日本305座污泥厭氧消化池平均值計算的沼氣產率為404m³/tDS；上海白龍港污水處理廠的設計沼氣產率為218 m³/tDS。

根據上述運行數據并結合我國污泥中有機質比例較低的特點，本文設定厭氧消化沼氣產率220m³/tDS，則沼氣年產量為：

220×288×(1-96%)×365=925056m³

2.3.1.2 沼氣產能

通常情況下，熱電聯產鍋爐的沼氣發電效率為25%~35%，發電產熱的回收率為40%~50%，當能量轉化效率為85%~90%時，1m³沼氣可發電1.7 kWh，產熱2 kWh；參考北京高碑店污水處理廠2001~2002年的運行數據，1m³沼氣發電1.74kWh，產熱2.05kWh，因此本計算單位體積的沼氣發電量取1.7 kWh/m³，單位體積的沼氣產熱量取2Wh/m³。

則沼氣年發電量為：925056×1.7=1572595 kWh=1572.6MWh

沼氣年產熱量為：925056×2=1850112kWh=1850.1MWh=6.66TJ

2.3.2 沼氣替代化石燃料發電的碳減排量

 

2.3.3 沼氣替代化石燃料產熱的碳減排量

由Q_y為6.66TJ，鍋爐產熱的熱效率ε_boiler取90%，天然氣產熱的碳排放系數EF_fuel取56.1t/TJ，因此：

 

2.3.4 沼氣替代化石燃料的碳減排量

由PE_elec、PE_thermal可得沼氣替代化石燃料的碳減排量：

1276.2+415.2=1691tCO₂

則單位質量污泥的碳減排量為：

1691÷4205=0.40tCO₂/tDS

2.4 厭氧消化碳減排總量

厭氧消化耗能的碳排放量、消化污泥有機質減少產生的碳減排量以及沼氣替代化石燃料的碳減排量的年度統計數據見表3。

 

 

由表3可得，厭氧消化工藝在7年內年均碳減排量為：12155÷7=1736tCO₂

則單位質量污泥的碳減排量為：1736÷4205=0.41tCO₂/tDS

 

3 碳減排及能量平衡的影響因素

厭氧消化碳減排的影響因素以單位質量污泥的碳減排量0.41tCO₂/tDS為基礎，為便于分析，定義產熱和發電自給率分別如式(13)、式(14)所示：

3.1 沼氣產率

 

以厭氧消化沼氣產率為橫坐標，以碳減排量和能量自給率為縱坐標，可得到圖2所示沼氣產率對碳減排量及能量自給率的影響。

由圖2可見，沼氣產率與碳減排量呈線性關系，當厭氧消化沼氣產量從140m³/tDS提高至300m³/tDS時，碳減排量由0.27tCO₂/tDS提高至0.56tCO₂/tDS。

厭氧消化產熱自給率和發電自給率隨沼氣產率的提高而線性增加，在沼氣產率為220m³/tDS時產熱自給率為59%，該值與高碑店污水處理廠沼氣熱電聯產可解決50%消化用熱量基本相符，同時，沼氣熱電聯產發電自給率遠大于100%，說明厭氧消化發電量遠大于耗電量。

沼氣產率隨污泥中可生物降解有機質的比例增加而增大，但是在我國由于設有化糞池且污水中有機質比例較低，因此污泥中可生物降解有機質比例普遍偏低。為解決上述問題，一方面可以通過取消化糞池、改善合流制管網等措施提高污水中有機質比例；另一方面還可通過設置污泥預處理工藝及與其他固體廢物混合厭氧消化等方式提高污泥可生物降解有機質比例，進而增加沼氣產量。預處理可采用物理(加熱、超聲波、機械力等)或化學(堿處理、臭氧氧化等)等方法，促進污泥中胞外酶的解體和胞內物質釋放；或者將污泥與餐廚垃圾、人畜糞便、農林廢棄物等進行混合厭氧消化處理，以增加有機質比例、提高沼氣產量。

 

3.2 污泥含水率

污泥含水率越低其厭氧消化碳減排量越高，其原因在于污泥體積減小后，攪拌、加熱、保溫產生的碳排放量下降，而沼氣替代化石燃料的量不變，從而提高了碳減排量。

由圖3可見，當污泥含水率由97%降低至90%時，碳減排量由0.36tCO₂/tDS提高至0.50tCO₂/tDS，同時，污泥含水率越低其熱量自給率越高，當污泥含水率小于92%時即可實現全年熱量平衡。因此宜對污泥進行強化濃縮處理，力求達到高含固率后進行厭氧消化。
 

 

3.3 攪拌容積功率

厭氧消化池的攪拌容積功率對碳減排量也有一定影響。在圖4所設條件下，當攪拌容積功率由9 W/m³降低至4W/m³時，碳減排量由0.40tCO₂/tDS提高至0.46 tCO₂/tDS；電量自給率由264%提高至560%。

 

由此可見，通過開發高效率的攪拌設備和改善污泥在消化池內的流態提高混合效率，從而降低攪拌容積功率，可達到提高碳減排量、降低沼氣發電自用比例的目的。

 

3.4 消化池容積

在水力停留時間(HRT)與消化池數量不變的前提下，污泥處理量和單池容積的變化對碳減排量的影響較小。如圖5所示，采用2座容積1800 m³的消化池與2座容積14400m³的消化池，碳減排量僅由0.41 tCO₂/tDS提高到0.42tCO₂/tDS，產熱自給率的變化也在10%以內。

 

綜合考慮工程量、能耗、沼氣利用、管理水平等因素，建議采用集中式大型消化池代替分散式小型消化池。

4 結論

我國承諾，2020年單位GDP的碳排放量比2005年下降40%~45%，因此碳減排工作是今后相當長一段時間內的重要任務。城鎮污水處理廠污泥進行厭氧消化處理可有效減少碳排放。通過對華北地區污泥厭氧消化的碳減排量進行計算，得到以下結論：

（1）.厭氧消化處理可通過減少污泥中的有機質比例以及生產沼氣替代化石能源兩種方式減少碳排放。

（2）.污泥處理量288m³/d(含水率96%)的厭氧消化工藝，7年內年均碳減排量為1736tCO₂，單位質量污泥的碳減排量為0.41tCO₂/tDS。

（3）.厭氧消化工藝的碳減排量隨沼氣產率的增加而線性增加。當厭氧消化沼氣產率從140m³/tDS提高至300m³/tDS時，碳減排量由0.27tCO₂/tDS提高至0.56tCO₂/tDS。

（4）.厭氧消化工藝的碳減排量隨污泥含水率的降低而升高。當污泥含水率由97%降低至90%時，碳減排量由0.36 tCO₂/tDS提高至0.50tCO₂/tDS。污泥含水率小于92%時可實現全年熱量平衡。

（5）.降低攪拌容積功率可在一定程度上可以提高厭氧消化工藝的碳減排量。消化池容積對厭氧消化工藝運行階段的碳減排影響較小。

 

參考文獻略。

本文刊登于《給水排水》雜志2013年第4期44~50頁