戴曉虎：從五大技術(shù)路線角度看污泥領(lǐng)域如何減污降碳
時間：2021-10-28 09:28
來源：中國水網(wǎng)
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“十年以來，我們一直持續(xù)關(guān)注污泥的處理處置，目前進(jìn)展很大，但是離預(yù)期的目標(biāo)還有很大的差距。”戴曉虎指出，碳達(dá)峰碳中和的提出，對各行各業(yè)都有著很大的觸動。在9月17日的“2021（第十三屆）上海水業(yè)熱點論壇”上，他分享了碳中和背景下污泥處理處置與資源化發(fā)展方向的思考。
“十年以來，我們一直持續(xù)關(guān)注污泥的處理處置，目前進(jìn)展很大，但是離預(yù)期的目標(biāo)還有很大的差距。”戴曉虎指出，碳達(dá)峰碳中和的提出，對各行各業(yè)都有著很大的觸動。在9月17日的“2021（第十三屆）上海水業(yè)熱點論壇”上，他分享了碳中和背景下污泥處理處置與資源化發(fā)展方向的思考。
戴曉虎
污泥成碳減排一大重點領(lǐng)域
戴曉虎從當(dāng)前的時代背景說起。
首先，碳達(dá)峰、碳中和是一場涉及經(jīng)濟(jì)社會各個方面的深刻變革，是一場任務(wù)艱巨的世紀(jì)大考，離不開強(qiáng)有力的科技支撐。既需要材料、能源和工藝等方面更新迭代，也要工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、建筑等領(lǐng)域挖潛提效。戴曉虎表示，“碳達(dá)峰與碳中和”目標(biāo)呼喚科技的支撐，對低碳科技創(chuàng)新提出新要求，同時，中央政治局會議提出要推動減污降碳協(xié)同增效。環(huán)保企業(yè)所做的工作是污染物的去除，在污染物去除過程中要考慮碳排放，甚至要使用負(fù)碳技術(shù)，這是未來大的發(fā)展方向。
其次，碳中和背景下，污泥處理處置過程中的碳減排有著很大的必要性。我國污水行業(yè)碳排放量占全社會總排放量的1~2%，污水甲烷排放量排名第一，雖然碳排放量整體占比不大，但結(jié)合行業(yè)自身的發(fā)展需求，污水處理需要節(jié)能降耗和碳減排。污水處理還涉及民生，社會效益重大。比如，德國強(qiáng)調(diào)實行垃圾分類和污泥高效資源化，給了老百姓在雙碳背景下很大的社會效應(yīng)和支撐作用。
談到污水資源化，一方面是水的綜合利用，另一方面是污染物的綜合利用，污染物的綜合利用中污泥是主要的。污泥是污染的富集，污水處理全過程約有50%污染物聚集在污泥中，是污水碳減排注重點。
此外，污泥無序填埋是逸散性溫室氣體減排的重要戰(zhàn)場，污泥堆肥產(chǎn)生大量的甲烷，減排潛力巨大。所以，如果污泥不進(jìn)行合理處置，那絕對是高碳的。如果進(jìn)行合理處置，盡管碳排放量占的比例不高，但它的民生效應(yīng)和社會效應(yīng)顯著。
污泥五大處理處置技術(shù)路線的碳排放分析
“如果把污泥消耗全部測算清楚，碳排放量就計算出來了。”戴曉虎指出，從污泥的碳核算方法來說，現(xiàn)在核算方法本身比較清晰，難點是排放因子的確定。目前我們用的是IPCC排放因子，IPCC排放因子很寬泛，比較粗糙。
污泥處理處置的碳排放核算方法包括實測法和數(shù)學(xué)模型估算法。數(shù)學(xué)模型估算法又包括經(jīng)驗系數(shù)估算法和物料平衡法。實測法對于大范圍的碳核算，全面監(jiān)測困難且成本高，不建議采用。目前主要用于對一些重要排放源的監(jiān)測以及實驗調(diào)查研究來建立和校正溫室氣體核算的數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型估算法則應(yīng)用較多。
“在實際工作中，很少使用單一方法，而更多是物料衡算法、經(jīng)驗系數(shù)估算法、實測法三種方法互相校正、互相補充取得排放量結(jié)果。”
如果評價污泥處理處置全過程的碳排放，應(yīng)該采用全生命周期的方法。根據(jù)IPCC的指南，參與自然界碳循環(huán)中的CO2不會引發(fā)大氣中CO2的凈增長，屬于中性碳。
根據(jù)污泥處理處置過程碳排放的來源不同，碳排放可分為能量源碳排放、逸散性碳排放和碳補償。能量源碳排放指煤炭、天然氣等一次能源和電能、柴油等二次能源化學(xué)品藥劑的碳排放。逸散性碳排放指污泥處理處置過程產(chǎn)生的逸散性CH4、N2O等溫室氣體的排放。碳補償指污泥中能源或資源回收利用，替代化石能源及化學(xué)品等，從而降低溫室氣體的排放。
戴曉虎分析了污泥處理處置不同技術(shù)路線的碳排放情況。
一、厭氧消化+土地利用
戴曉虎指出，厭氧消化可以同時實現(xiàn)易腐有機(jī)物穩(wěn)定、病原菌削減、體積減量和生物質(zhì)能源回收，是當(dāng)前國內(nèi)外污泥穩(wěn)定化處理主流技術(shù)。污泥富含碳、氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)，污泥的土地利用可改善土壤的性質(zhì)，實現(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)利用。厭氧消化效率的提升（生物質(zhì)能回收），高級厭氧消化技術(shù)的應(yīng)用（降低系統(tǒng)能耗），沼渣脫水環(huán)節(jié)綠色藥劑的替代，以及沼液氮磷資源高效回收是該工藝未來碳減排發(fā)展的重點方向。工程實踐表明，考慮到厭氧消化產(chǎn)生的沼液資源回收利用和就地處理，建議厭氧消化工程依托污水處理廠建設(shè)。
二、好氧發(fā)酵+土地利用
污泥經(jīng)過好氧發(fā)酵可以實現(xiàn)易腐有機(jī)物的降解和穩(wěn)定，在重金屬等污染物不超標(biāo)的情況下，好氧發(fā)酵產(chǎn)物可以實現(xiàn)污泥的土地利用，包括園林綠化、育苗基質(zhì)、土壤修復(fù)和農(nóng)用等。好氧發(fā)酵和土地利用是一種低水平碳排放的工藝，重點在于提高好氧發(fā)酵工藝的智能化控制水平，減少臭氣處理的能耗和藥耗，降低輔料添加，以及創(chuàng)新污泥產(chǎn)品的高效利用技術(shù)。
三、干化焚燒+建材利用
當(dāng)污泥土地利用受限時，污泥干化焚燒是一種有效的處理處置的方式。通過干化焚燒，將污泥化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能并進(jìn)行回收利用，同時實現(xiàn)有機(jī)物的礦化，以及大幅度減量，焚燒灰渣可以進(jìn)行建材資源化利用。
由于污泥含水率較高，干化焚燒屬中等碳排放水平，重點在于開發(fā)高效低耗深度脫水技術(shù)和環(huán)境友好型脫水藥劑，降低污泥干化的能耗，減輕對后續(xù)焚燒過程結(jié)焦和飛灰的影響，以及提升工藝設(shè)計合理性和整體智能化集成水平。
四、深度脫水+應(yīng)急填埋
深度脫水-應(yīng)急填埋是目前我國普遍采用的污泥處理處置技術(shù)路線，該技術(shù)路線二次污染嚴(yán)重，占用土地，浪費資源，是一種過渡性的處理處置方式。深度脫水-填埋屬于高水平碳排放工藝，隨著無廢城市的建設(shè)以及碳減排的要求，該工藝路線是一種階段性的應(yīng)急處理處置方式。
五、生物質(zhì)利用+末端焚燒
從未來的發(fā)展來看，厭氧消化-干化焚燒工藝有望成為污泥處理處置的重要發(fā)展方向。2020年住建部和發(fā)改委聯(lián)合發(fā)布的《補短板強(qiáng)弱項實施方案》提出：“鼓勵采用生物質(zhì)利用+末端焚燒的處置模式”，其中“生物質(zhì)利用”主要包含污泥厭氧消化技術(shù)。
戴曉虎分析，與污泥干化焚燒相比，污泥厭氧消化-干化焚燒在系統(tǒng)能耗方面具有明顯的優(yōu)勢：以100噸污泥（80%含水率計），當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量為50%，污泥獨立焚燒需外加能量25142kWh，傳統(tǒng)厭氧消化-干化焚燒可產(chǎn)生能量1004kWh，熱水解厭氧消化-干化焚燒產(chǎn)生熱量可提升至7889kWh，其原因主要在于通過厭氧消化回收生物質(zhì)能，并在同等條件下改善了污泥的脫水性能，大大降低了干化的能耗，使得生物質(zhì)能回收的能量加上污泥干化系統(tǒng)節(jié)省的能量總和大于厭氧消化有機(jī)物降解損失的能量。
對于傳統(tǒng)厭氧消化-干化焚燒工藝，適用于已建有污泥厭氧消化設(shè)施的提標(biāo)改造工程，消化污泥經(jīng)過脫水處理后，在廠區(qū)內(nèi)利用沼氣進(jìn)行部分干化處理，再進(jìn)行集中焚燒處置。對于污泥熱水解厭氧消化-干化焚燒工藝適用于新建或現(xiàn)有的集中式污泥處理處置工程，考慮沼液的處理，建議在有條件的情況下，污泥處理工程建設(shè)于污水處理廠區(qū)。另外，該工藝的另一個優(yōu)勢在于，對于滿足土地利用條件的消化污泥，可以考慮土地利用，土地利用無法消納的污泥再進(jìn)行后續(xù)干化焚燒處置。
戴曉虎談到，根據(jù)“十三五”的水專項，他們對典型工程進(jìn)行了碳排放的計算，排放因子用了IPCC，僅計算運行階段，不考慮建設(shè)拆除的碳排放量，總體來說，脫水填埋的碳排放量是最高的，其次是干化焚燒、好氧發(fā)酵土地利用和厭氧消化土地利用。
未來污泥處理處置的兩大目標(biāo)
“過去我們一直強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，評標(biāo)書的時候主要是看經(jīng)濟(jì)效益，環(huán)境效益是定性的，未來碳排放也將會成為一個量化指標(biāo)。碳排放主要包括能量源碳排放、逸散性碳排放、碳補償、藥耗化學(xué)品碳排放。”
“未來污泥處理處置應(yīng)以節(jié)能降耗及能源資源回收為目標(biāo)。”戴曉虎指出，從技術(shù)研究層面來看，未來高含固/協(xié)同厭氧消化、氮磷營養(yǎng)物質(zhì)高效回收、水熱資源回收技術(shù)、污泥水分的深度脫除、環(huán)境友好型高效脫水藥劑開發(fā)、熱解/焚燒能量優(yōu)化與高效轉(zhuǎn)化都是很重要的發(fā)展方向。
2021年5月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布了《有機(jī)肥料》（NY/T 525-2021）公告，其中提到：禁止選用粉煤灰、鋼渣、污泥、生活垃圾（經(jīng)分類陳化后的廚余廢棄物除外）、含有外來入侵物種物料和法律法規(guī)禁止的物料等存在安全隱患的禁用類原料。
戴曉虎個人認(rèn)為，禁止有機(jī)肥肥料利用不等同于禁止土地、農(nóng)用利用，我們國家18億畝土地紅線雖然保住了，但是土壤質(zhì)量很差，現(xiàn)在很多地區(qū)提出了“保土計劃”，污泥就是一種很好的有機(jī)質(zhì)。污泥可作為營養(yǎng)基質(zhì)使用，包括綠化、草地、荒漠改良、土壤修復(fù)、礦山修復(fù)等，污泥從自然中來，回歸自然中去，是一個合理的選擇，主要是監(jiān)管和要求。
2021年6月，國家發(fā)改委與住建部聯(lián)合印發(fā)《“十四五”城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用發(fā)展規(guī)劃》中就促進(jìn)污泥無害化資源化處理處置提出了更具體、有效的措施和要求。文件中提到，污泥無害化處理滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后，可用于土地改良、荒地造林、苗木撫育、園林綠化和農(nóng)業(yè)利用。
戴曉虎提到，污泥（高級）厭氧消化技術(shù)工藝具有降碳重要意義，現(xiàn)階段適用于重金屬含量低的泥質(zhì)，土地資源豐富、土地消納條件較好的地區(qū)；污泥干化焚燒全鏈條技術(shù)工藝適用于經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)、人口稠密、土地成本較高的地區(qū)，或者污泥處理產(chǎn)物不具備土地消納條件的地區(qū)；污泥“好氧發(fā)酵+土地利用”技術(shù)工藝適用于人口密度較低、土地資源豐富、土地消納條件較好的地區(qū)；污泥“深度脫水+衛(wèi)生填埋”技術(shù)工藝適用于應(yīng)急性處理情況，或者具備地方性土地消納條件的地區(qū)（高碳排放）。
“城鄉(xiāng)協(xié)同一體化處理處置是解決固體廢棄物的重要方向。”除了沿海地區(qū)采取焚燒方式之外，將來非沿海、非發(fā)達(dá)地區(qū)的污泥處置應(yīng)該和農(nóng)業(yè)結(jié)合，進(jìn)行餐廚協(xié)同處理。
此外，從科技的角度，未來的科技創(chuàng)新發(fā)展速度很快，我們對于污泥處理處置充滿期待。多學(xué)科交叉融合是未來發(fā)展方向。利用交叉融合、科技創(chuàng)新實現(xiàn)創(chuàng)新速度提升，節(jié)能降耗、循環(huán)利用的科技發(fā)展水平會超出預(yù)期。
戴曉虎總結(jié)，雙碳戰(zhàn)略對污泥的處理處置是個很好的推動，有了碳排放指標(biāo)之后，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益將會量化，會推動環(huán)境產(chǎn)業(yè)朝低碳、綠色、可持續(xù)發(fā)展的方向發(fā)展。綜合“碳中和”的國際形勢，中國雖然在碳減排工作上取得了一定的進(jìn)展，但在“碳中和”相關(guān)產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型領(lǐng)域尚處于初期路徑探索階段。污泥是污水處理及資源化過程碳減排關(guān)注重點，是民生問題，社會效益重大。未來污泥處理處置應(yīng)以節(jié)能降耗及能源資源回收為目標(biāo)，城鄉(xiāng)協(xié)同是重要方式。多學(xué)科交叉融合創(chuàng)新，是污泥處理處置技術(shù)創(chuàng)新的突破口，會超出預(yù)期。污泥處理處置要打破傳統(tǒng)處置思維，以全生命周期產(chǎn)生-過程-末端系統(tǒng)考慮，應(yīng)以“無害化為目標(biāo)，資源化為手段”、以綠色、低碳、健康為原則。
戴曉虎表示，展望“十四五”和未來的“十五五”時期，我們國家在污泥處理上會大有作為，技術(shù)含量會越來越高！
