圖1 基于多源污泥有機(jī)質(zhì)含量的適用處理技術(shù)和資源利用途徑

注：有機(jī)質(zhì)水平和主流處理工藝間的連接線及其弧度方向表示有機(jī)質(zhì)高于或低于某個水平時推薦其連接的處理工藝。

2.1污泥有機(jī)質(zhì)利用途徑和技術(shù)

有機(jī)質(zhì)含量較高的污泥，應(yīng)優(yōu)先轉(zhuǎn)化利用其中的有機(jī)質(zhì)，實現(xiàn)能源和資源利用，主流利用途徑的經(jīng)濟(jì)性和碳排放如表1所示。其中，基于土地利用途徑的厭氧消化和好氧發(fā)酵技術(shù)是污水處理系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行環(huán)節(jié)的“鼓勵行為”[8]。在雙碳背景下，采用主流利用途徑的同時，還可通過設(shè)計、運(yùn)行優(yōu)化或選擇替代性技術(shù)，進(jìn)一步降低碳排放。

表1 高有機(jī)質(zhì)污泥主流利用途徑的經(jīng)濟(jì)性和碳排放

2.1.1厭氧消化

厭氧消化是污泥穩(wěn)定化和無害化處理的重要手段，不僅能回收污泥中的生物質(zhì)能，其產(chǎn)物經(jīng)腐熟陳化后還可用于土地利用。厭氧消化過程中產(chǎn)生的碳排放主要來源于污泥加熱和保溫消耗的熱量、消化污泥脫水以及沼液脫氮等處理環(huán)節(jié)的能耗和藥耗。然而，產(chǎn)生的沼氣可回收利用，補(bǔ)充系統(tǒng)部分甚至全部的耗能，從而實現(xiàn)低碳甚至負(fù)碳排放。

隨著城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)、排水系統(tǒng)提質(zhì)增效和“源網(wǎng)廠河一體”全要素水環(huán)境治理工作的開展，城市多源污泥產(chǎn)量顯著增加，科學(xué)處理處置面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。分析了不同來源污泥的特性和面臨的碳排放挑戰(zhàn)，基于雙碳目標(biāo)提出了多源污泥有機(jī)質(zhì)和無機(jī)質(zhì)梯級利用的途徑和適用技術(shù)，強(qiáng)調(diào)通過技術(shù)創(chuàng)新實現(xiàn)能耗和物耗的降低、溫室氣體的有效控制和資源的高效替代，并探討了系統(tǒng)思維指導(dǎo)下的多元協(xié)同模式和減碳策略，包括多源物料協(xié)同、上下游協(xié)同和跨行業(yè)協(xié)同，以期在更廣泛的范圍內(nèi)實現(xiàn)更深層次的減碳效益。

厭氧消化工藝減碳的重點通常在于提高消化單元的降解率和產(chǎn)氣量，主要途徑包括以提高含固率等方式提高有機(jī)負(fù)荷[9]，以預(yù)處理[10]、添加代謝促進(jìn)物質(zhì)[11,12]、改善消化池反應(yīng)條件[13,14]等方式提高轉(zhuǎn)化效率，以調(diào)控轉(zhuǎn)化路徑等方式提高CH4轉(zhuǎn)化率[15]等。例如，通過采用高含固厭氧消化工藝，進(jìn)泥含固率從傳統(tǒng)的5%提升到15%，在同等處理規(guī)模下，消化池體積可節(jié)省2/3，加熱保溫能耗顯著降低。此外，隨著垃圾分類工作有序推進(jìn)，城鎮(zhèn)污水污泥和廚余垃圾等有機(jī)廢棄物協(xié)同資源化利用展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。通過優(yōu)化消化池型和攪拌、合理設(shè)計停留時間、投加促效材料等手段可以提高污泥有機(jī)質(zhì)的降解率，假設(shè)降解率從40%提高至50%，1座規(guī)模為400 t/d(以含水率5%計)的傳統(tǒng)厭氧消化設(shè)施的沼氣產(chǎn)量可增加800~1000 m3/d，相應(yīng)的CO2排放減少2.7~3.4 t/d，同時也能降低消化液脫水能耗、藥耗和產(chǎn)物運(yùn)輸?shù)哪茉聪摹?/p>

除了核心單元，采用厭氧氨氧化、氨回收等沼液處理方式實現(xiàn)氮的轉(zhuǎn)化或回收通常具有更低的能耗、物耗和運(yùn)行成本，并且可以降低或避免傳統(tǒng)生物脫氮過程中N2O等直接碳排放，因此更具碳減排優(yōu)勢。

2.1.2好氧發(fā)酵

好氧發(fā)酵能夠?qū)⑽勰嘀械挠袡C(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為較為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)，使得產(chǎn)物具有較高的穩(wěn)定化程度，便于土地利用。在此過程中，碳排放主要來源于設(shè)備運(yùn)行中的能耗和物耗導(dǎo)致的間接排放，以及堆體產(chǎn)生的CH4和N2O造成的直接排放。

好氧發(fā)酵工藝的碳排放量與其控制和運(yùn)行水平密切相關(guān)。通過裝備化和智能化手段實現(xiàn)發(fā)酵條件和過程的精確控制是降低碳排放的重要途徑。基于溫度、濕度和氧含量等關(guān)鍵參數(shù)的自動監(jiān)測，結(jié)合物料輸送、供氧、勻翻和除臭等環(huán)節(jié)的協(xié)同控制，可以優(yōu)化整個發(fā)酵流程，確保其穩(wěn)定運(yùn)行的同時實現(xiàn)節(jié)能降耗[16,17]。例如，采用傳感器實時檢測污泥堆體內(nèi)的氧含量和溫度變化，根據(jù)實際需要精確調(diào)節(jié)曝氣頻率，可避免厭氧條件的發(fā)生、減少CH4的排放，并避免過量曝氣，節(jié)約通風(fēng)用電量和輔料投入。近年來，隨著好氧發(fā)酵技術(shù)裝備水平的不斷提升，滾筒動態(tài)好氧發(fā)酵設(shè)備、一體化智能好氧發(fā)酵等集成化技術(shù)得到了快速發(fā)展，通過在密閉環(huán)境中進(jìn)行發(fā)酵并輔以智能化過程控制，提高物質(zhì)傳遞和轉(zhuǎn)化效率，節(jié)能降耗并減少溫室氣體泄漏。

2.1.3焚燒

焚燒具有減量徹底、高效集約無害化等優(yōu)勢，是利用污泥熱值的過程。濕污泥(含水率約80%)熱值較低，需要通過脫水或干化降低含水率、提高熱值進(jìn)而實現(xiàn)自持燃燒。碳排放主要來源于干化能耗、焚燒啟爐的輔助燃料，以及焚燒過程產(chǎn)生的少量逸散性CH4和N2O，碳排放量和污泥熱值、干化工藝、系統(tǒng)熱效率等直接相關(guān)。我國污泥焚燒常采用熱干化預(yù)處理，熱干化能耗是碳排放的主要構(gòu)成部分。盡管污泥焚燒過程中釋放的熱量經(jīng)回用后可補(bǔ)充部分干化熱能消耗，但由于我國污泥有機(jī)質(zhì)含量較低，尚不足以完全抵消熱干化能耗，仍需外源熱能。焚燒和預(yù)處理過程的熱能回收和節(jié)能降耗是降低碳排放的重要途徑。

污泥焚燒爐排出的煙氣溫度通常為850~870℃，其熱能涵蓋了焚燒系統(tǒng)輸入的絕大部分熱能，通常采用余熱鍋爐和空氣預(yù)熱器回收200℃以上的煙氣熱能，用于補(bǔ)充污泥熱干化熱能或預(yù)熱燃燒空氣，這部分熱能約占焚燒煙氣總熱能的50%以上[18]。然而，<200 ℃的煙氣熱能在大多數(shù)污泥焚燒項目中未得以充分回收利用，這部分熱能占煙氣總熱能的40%~50%，是污泥焚燒熱損失占比最大的一項[19]，可以進(jìn)一步回收利用。此外，采用熱干化預(yù)處理時，熱干化是污泥焚燒項目的主要耗能單元，干化尾氣洗滌等造成的熱損失也是焚燒項目熱損失的重要組成部分。上海某污泥干化焚燒項目對熱干化余熱回收后用于加熱進(jìn)泥，換熱后進(jìn)泥溫度提高了30℃，使得熱干化能耗降低15%~20%。

2.1.4熱解碳化

熱解碳化是在一定溫度(通常為400~700 ℃)、無氧或缺氧條件下，通過裂解方式將污泥中揮發(fā)分脫出，同時保留污泥中的大部分碳，使最終產(chǎn)物穩(wěn)定性和碳含量大幅提高的過程。在碳化過程中，有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生熱解氣、焦油以及以固定碳和無機(jī)物為主的固體碳化產(chǎn)物，固體碳化產(chǎn)物和木炭具有相似的物理特性，可用于土地改良、建材制造、吸附材料和燃料等多種資源化利用方式。

編輯： 趙凡