本文荣获“中国土木工程学会第十一届优秀论文奖”三等奖

“

小编导语：在全球经济迈入低碳模式的背景下,中国将通过CDM 机制提高自己的能源使用效率以降低污染排放。

 

而目前我国城镇污水处理厂污泥大部分经脱水处理后运至垃圾填埋场与城市生活垃圾混合填埋，污泥中的有机质在填埋场厌氧环境中分解，生成的CH4若未经收集处理，经无组织排放成为温室气体重要来源之一。究竟怎样减少碳排放呢？

污泥厌氧消化工艺运行阶段的碳减排量分析

杭世珺，关春雨

（北京市市政工程设计研究总院，北京，100082）

0 概述

人类活动引发的温室气体的增加导致了全球变暖，这是当前人类面临的最大挑战之一。《京都议定书》中规定了发达国家与发展中国家进行碳减排合作的清洁发展机制(简称CDM(cleandevelopment mechanism))，在该机制之下，由发达国家提供资金和技术，帮助发展中国家在境内开展碳减排项目，用于实现其在《京都议定书》下的部分减排义务。为确保CDM项目能带来长期的、可测量的、额外的减排量，需要根据CDM国际规则的要求建立相应的方法学。

目前我国城镇污水处理厂污泥大部分经脱水处理后运至垃圾填埋场与城市生活垃圾混合填埋，污泥中的有机质在填埋场厌氧环境中分解，生成的CH4若未经收集处理，经无组织排放成为温室气体重要来源之一。如将污泥先经厌氧消化处理，由于污泥中有机质比例下降，减少了填埋场内CH4等排放量，同时消化产生的沼气经过净化后用于热电联产，其电能供给污水处理厂自用，热能供给消化池加温，余量还可输出，既实现了资源化，又减少了碳排放。

本文以清洁发展机制(CDM)方法学为基础，参考相关CDM项目设计文件，以我国华北地区典型污泥厌氧消化工程为例，计算设定条件下厌氧消化工艺运行阶段的碳减排量，分析影响减排量的运行参数并提出优化建议。

1 计算方法

根据CDM方法学，设定厌氧消化工艺运行阶段碳减排量计算方法为：系统运行阶段温室气体减排量=消化污泥有机质减少产生的温室气体减排量+沼气替代化石燃料的温室气体减排量-系统运行耗能的温室气体排放量。温室气体排放计算范围见图1。

 

计算条件为：

(1) 厌氧消化系统包括厌氧消化、污泥脱水、用电、燃料使用、发电、产热，不包括污泥的运输、储存及处置；

(2) 厌氧消化系统全年365天连续运行；

(3) 污泥填埋产生的温室气体直接排放，沼气不利用；

(4) 厌氧消化后污泥减量带来的脱水能耗降低忽略不计；

(5) 厌氧消化系统以天然气作为外部热源；

(6) 厌氧消化系统沼气泄漏量忽略。

本计算针对的厌氧消化系统工艺参数见表1所示。

2 碳减排量计算

2.1 厌氧消化耗能产生的碳排放量

厌氧消化耗能的碳排放量可用式（1）计算

厌氧消化池逸散及剩余气体燃烧产生的温室气体均可忽略，因此仅需计算污泥搅拌、循环等过程中电能消耗的碳排放量以及污泥加热和保温过程中热能消耗的碳排放量。

2.1.1 电能消耗产生的碳排放量

系统的电能主要用于池内搅拌和池外循环。根据CDM设计文件：电能消耗产生的碳排放量见式（2）

2.1.1.1 池外循环耗电量

本算例中污泥产量为288m³/d(含水率96%)，采用循环泵进行池外循环，24小时均匀投配，生污泥与加热后的回流污泥混合比例为1:2，则污泥循环泵流量为36m³/h，设扬程为25m，机械效率为75%，则电机轴功率为3.28kW，年耗电量应为：3.28×24×365=28908（kWh）=28.7（MWh）

2.1.1.2 池内搅拌耗电量

厌氧消化池螺旋桨式搅拌机的能耗计算公式为（3）

 

考虑各种因素，上述各值均取保守值，其中H取1m，η取80%，V为3600m³，m取3，t取2h，则：

N=

 

因此，机械搅拌容积功率为：18400÷3600=5.1 W/m³

根据相关文献和文献，美国污水处理厂设计手册中厌氧消化混合容积功率为5.2~40W/m³；我国《给水排水设计手册》中沼气搅拌的容积功率为5~8W/m³；Foley等以10000m³/d规模为例作污水处理厂生命周期分析时，选取厌氧消化机械搅拌容积功率为8W/m³；武汉三金潭污水处理厂厌氧消化池循环泵和搅拌机容积功率为5.5W/m³。

参考上述数据，为保证搅拌效果，本计算机械搅拌容积功率取8W/m³，则2座消化池的搅拌功率应为：

8×3600×2=57600 W=57.6kW

年耗电量应为：

57.6×24×365=504576 kWh=504.6MWh

 

2.1.1.3 系统电能消耗的碳排放量

由上述计算得到厌氧消化系统年耗电量：28.7+504.6=533.3MWh

电量碳排放系数采用国家发改委公布的2011年华北地区电网电力边际排放因子(OM)和容量边际排放因子(BM)的加权平均值计算：0.5×0.9083+0.5×0.6426=0.8115[tCO₂/MWh]

2.1.2 热能消耗产生的碳排放量

根据CDM设计文件，热能消耗产生的碳排放量见式（5）。

2.1.2.1 污泥加热所需热量

 

式中V’取288m³/d，T_D取35ºC，T_S取15ºC（生污泥温度T_S参考北京市污水处理厂水温(10~26 ºC)和冬季平均水温(15 ºC)确定）则有：

2.1.2.2 消化池保温所需热量

 

2.1.2.3 系统热能消耗的碳排放量

设管道损失占总耗热量的10%，由式(17)和(21)计算系统年总需热量：(2444.9+396.0)×(1+10%)=3125.0 MWh=11.25TJ

天然气的碳排放系数为56.1t/TJ，设天然气锅炉的热效率为90%，则系统每年热耗的碳排放量为：

 

 

2.1.3 厌氧消化耗能的碳排放总量

由PE_{elec、PEthermal}可得厌氧消化耗能的年碳排放总量：

432.7+701.2=1134tCO₂

则单位质量污泥的碳排放量为：

1134÷4205=0.27tCO₂/tDS

2.2 消化污泥有机质减少产生的碳减排量

厌氧消化处理可分解污泥中部分有机质，从而减少了污泥填埋的碳排放量。污泥填埋碳排放量计算见式（8）：

 

本计算各系数中φ、f、 GWP_CH4、OX、F及MCF按照IPCC参考值分别取为0.9、0、25、0.1、0.5及1.0。

式中DOC的取值，假设污泥中有机质的比例为60%，有机质分解率40%，则消化处理后污泥中有机质的比例约为47%，本计算参照IPCC的参考值及大连夏家河与绍兴CDM文件的取值，DOC取0.5。

式中DOC_f的取值，本计算参照IPCC的参考值及大连夏家河与绍兴CDM文件的取值，DOC_f取0.5。

式中k的取值，由于CH₄产率取决于污泥的含碳量，因此在最初若干年里CH₄排放量较高，随着污泥中有机碳的降解，该排放量也逐渐下降。根据IPCC的计算方法，在北方干燥地区k为0.06，南方湿润地区k为0.185，本计算参考大连夏家河CDM文件，k取0.06。

例如当y取3时，代入各系数值，则CH₄的碳排放量为：

从表2可得，7年内BE_CH4,y的平均值为1179tCO₂，年污泥处理量4205tDS，则项目运行7年内消化污泥有机质减少产生的碳减排量平均值：

1179÷4205=0.28tCO₂/tDS

2.3 沼气替代化石燃料的碳减排量

2.3.1 沼气产量及产能

2.3.1.1 沼气产量

沼气产量与污水水质、污水处理工艺、污泥性质等密切相关。如北京小红门污水处理厂厌氧消化处理初沉污泥，2009年上半年沼气产率可达295m³/tDS；郑州王新庄污水处理厂2006年3月部分数据计算所得的年均沼气产率为282m³/tDS；2001年日本305座污泥厌氧消化池平均值计算的沼气产率为404m³/tDS；上海白龙港污水处理厂的设计沼气产率为218 m³/tDS。

根据上述运行数据并结合我国污泥中有机质比例较低的特点，本文设定厌氧消化沼气产率220m³/tDS，则沼气年产量为：

220×288×(1-96%)×365=925056m³

2.3.1.2 沼气产能

通常情况下，热电联产锅炉的沼气发电效率为25%~35%，发电产热的回收率为40%~50%，当能量转化效率为85%~90%时，1m³沼气可发电1.7 kWh，产热2 kWh；参考北京高碑店污水处理厂2001~2002年的运行数据，1m³沼气发电1.74kWh，产热2.05kWh，因此本计算单位体积的沼气发电量取1.7 kWh/m³，单位体积的沼气产热量取2Wh/m³。

则沼气年发电量为：925056×1.7=1572595 kWh=1572.6MWh

沼气年产热量为：925056×2=1850112kWh=1850.1MWh=6.66TJ

2.3.2 沼气替代化石燃料发电的碳减排量

 

2.3.3 沼气替代化石燃料产热的碳减排量

由Q_y为6.66TJ，锅炉产热的热效率ε_boiler取90%，天然气产热的碳排放系数EF_fuel取56.1t/TJ，因此：

 

2.3.4 沼气替代化石燃料的碳减排量

由PE_elec、PE_thermal可得沼气替代化石燃料的碳减排量：

1276.2+415.2=1691tCO₂

则单位质量污泥的碳减排量为：

1691÷4205=0.40tCO₂/tDS

2.4 厌氧消化碳减排总量

厌氧消化耗能的碳排放量、消化污泥有机质减少产生的碳减排量以及沼气替代化石燃料的碳减排量的年度统计数据见表3。

 

 

由表3可得，厌氧消化工艺在7年内年均碳减排量为：12155÷7=1736tCO₂

则单位质量污泥的碳减排量为：1736÷4205=0.41tCO₂/tDS

 

3 碳减排及能量平衡的影响因素

厌氧消化碳减排的影响因素以单位质量污泥的碳减排量0.41tCO₂/tDS为基础，为便于分析，定义产热和发电自给率分别如式(13)、式(14)所示：

3.1 沼气产率

 

以厌氧消化沼气产率为横坐标，以碳减排量和能量自给率为纵坐标，可得到图2所示沼气产率对碳减排量及能量自给率的影响。

由图2可见，沼气产率与碳减排量呈线性关系，当厌氧消化沼气产量从140m³/tDS提高至300m³/tDS时，碳减排量由0.27tCO₂/tDS提高至0.56tCO₂/tDS。

厌氧消化产热自给率和发电自给率随沼气产率的提高而线性增加，在沼气产率为220m³/tDS时产热自给率为59%，该值与高碑店污水处理厂沼气热电联产可解决50%消化用热量基本相符，同时，沼气热电联产发电自给率远大于100%，说明厌氧消化发电量远大于耗电量。

沼气产率随污泥中可生物降解有机质的比例增加而增大，但是在我国由于设有化粪池且污水中有机质比例较低，因此污泥中可生物降解有机质比例普遍偏低。为解决上述问题，一方面可以通过取消化粪池、改善合流制管网等措施提高污水中有机质比例；另一方面还可通过设置污泥预处理工艺及与其他固体废物混合厌氧消化等方式提高污泥可生物降解有机质比例，进而增加沼气产量。预处理可采用物理(加热、超声波、机械力等)或化学(碱处理、臭氧氧化等)等方法，促进污泥中胞外酶的解体和胞内物质释放；或者将污泥与餐厨垃圾、人畜粪便、农林废弃物等进行混合厌氧消化处理，以增加有机质比例、提高沼气产量。

 

3.2 污泥含水率

污泥含水率越低其厌氧消化碳减排量越高，其原因在于污泥体积减小后，搅拌、加热、保温产生的碳排放量下降，而沼气替代化石燃料的量不变，从而提高了碳减排量。

由图3可见，当污泥含水率由97%降低至90%时，碳减排量由0.36tCO₂/tDS提高至0.50tCO₂/tDS，同时，污泥含水率越低其热量自给率越高，当污泥含水率小于92%时即可实现全年热量平衡。因此宜对污泥进行强化浓缩处理，力求达到高含固率后进行厌氧消化。
 

 

3.3 搅拌容积功率

厌氧消化池的搅拌容积功率对碳减排量也有一定影响。在图4所设条件下，当搅拌容积功率由9 W/m³降低至4W/m³时，碳减排量由0.40tCO₂/tDS提高至0.46 tCO₂/tDS；电量自给率由264%提高至560%。

 

由此可见，通过开发高效率的搅拌设备和改善污泥在消化池内的流态提高混合效率，从而降低搅拌容积功率，可达到提高碳减排量、降低沼气发电自用比例的目的。

 

3.4 消化池容积

在水力停留时间(HRT)与消化池数量不变的前提下，污泥处理量和单池容积的变化对碳减排量的影响较小。如图5所示，采用2座容积1800 m³的消化池与2座容积14400m³的消化池，碳减排量仅由0.41 tCO₂/tDS提高到0.42tCO₂/tDS，产热自给率的变化也在10%以内。

 

综合考虑工程量、能耗、沼气利用、管理水平等因素，建议采用集中式大型消化池代替分散式小型消化池。

4 结论

我国承诺，2020年单位GDP的碳排放量比2005年下降40%~45%，因此碳减排工作是今后相当长一段时间内的重要任务。城镇污水处理厂污泥进行厌氧消化处理可有效减少碳排放。通过对华北地区污泥厌氧消化的碳减排量进行计算，得到以下结论：

（1）.厌氧消化处理可通过减少污泥中的有机质比例以及生产沼气替代化石能源两种方式减少碳排放。

（2）.污泥处理量288m³/d(含水率96%)的厌氧消化工艺，7年内年均碳减排量为1736tCO₂，单位质量污泥的碳减排量为0.41tCO₂/tDS。

（3）.厌氧消化工艺的碳减排量随沼气产率的增加而线性增加。当厌氧消化沼气产率从140m³/tDS提高至300m³/tDS时，碳减排量由0.27tCO₂/tDS提高至0.56tCO₂/tDS。

（4）.厌氧消化工艺的碳减排量随污泥含水率的降低而升高。当污泥含水率由97%降低至90%时，碳减排量由0.36 tCO₂/tDS提高至0.50tCO₂/tDS。污泥含水率小于92%时可实现全年热量平衡。

（5）.降低搅拌容积功率可在一定程度上可以提高厌氧消化工艺的碳减排量。消化池容积对厌氧消化工艺运行阶段的碳减排影响较小。

 

参考文献略。

本文刊登于《给水排水》杂志2013年第4期44~50页