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赵恩泽张云
中国市政工程中南设计研究总院有限公司
摘要：以1年的实际运行参数为基础，对西安某污水处理厂污泥厌氧消化系统的碳减排量进行了核算，其单位污泥的碳减排量为0.176tCO2/tDS，远低于国内同类型污泥消化系统的碳减排水平，其原因在于污泥消化和沼气利用设备故障导致沼气产量及利用率较低，建议污水处理厂加强设备维护，充分发挥污泥消化系统的碳减排功能。 关键词：污泥厌氧消化；碳减排；碳中和
1引言
天和众邦脱水+外运填埋是我国主要的污水处理厂剩余污泥处置措施，污泥中含有的有机质会在填埋的过程中以CH4的形式扩散到大气中，从而产生较大的碳排放量。而将污泥进行厌氧消化，减少直接排向大气的CH4量，同时可以对产生的CH4回收利用，补偿污水处理厂的部分能耗，是一种直接有效的碳减排措施。
现以西安某污水处理厂污泥厌氧消化系统为对象，在IPCC 计算方法和清洁发展机制（CDM）方法学的指导下利用实际运行参数对其碳减排量进行计算，并结合实际情况提出优化建议。
2污泥消化系统碳减排量计算
2.1计算方法概述
结合该厂消化系统的工艺流程，其碳减排计算方法为：消化系统碳减排量=回收利用CH4的碳减排量+有机质减量化的碳减排量-运行能耗的碳排放量。为简便计算，上诉方法忽略了污泥外运及处置的碳排放量和污泥因消化而减量产生的脱水能耗降低。计算时采用该厂消化系统2015年6月至2016年5月期间的运行数据。
2.2消化系统运行能耗的碳排放量
厌氧消化耗能的碳排放量
PE=PE elec+PE thermal+PE a+PE flare
式中：
PE elec——电能消耗产生的碳排放量，tCO2；
PE thermal——热能消耗产生的碳排放量，tCO2；
PE a——消化池碳逸散量，tCO2；
PE flare——剩余沼气燃烧碳排放量，tCO2。
消化池正常运行时CH4逸散量极少，剩余CH4燃烧产生的CO2的温室效应较CH4（碳排放当量为25）可忽略，因此上式可简化为：
PE=PE elec+PE thermal
2.2.1电能消耗产生的碳排放量
电能消耗产生的碳排放量：
PE elec=EC PJ,FF×CEF elec
式中：
PE elec——同前式，tCO2；
EC PJ,FF——系统耗电量，MW·h；
CEF elec——电量碳排放系数，tCO2/（MW·h）。
过日子要有技术含量该厂污泥消化系统在核算期间12个月总电耗为：
925.66MW·h，CEF elec取0.6310tCO2/（MW·h）参数代入上式算得：
PE elec=584.1tCO2
高三数学导学2.2.2热能消耗产生的碳排放量
热能消耗产生的碳排放量：
PE thermal=Q÷εboiler×EF fuel
式中：
PE thermal——同前式,tCO2；
Q——厌氧消化系统年需热量，TJ；
εboiler——锅炉产热的热效率，取90%；
EF fuel——天热气产热的碳排放系数，取56.1tCO2/TJ。
根据笔者的计算，单座消化池年耗热量为2969.64MW·h[1]。该厂三座消化池中1#和2#号消化池因故障仅分别正常运行了1个月和2个月，仅3#消化池保持正常运行，故厌氧消化系统年需热量：
Q=2969.64×15÷12=3712.05（MW·h）=13.35TJ 故热能消耗产生的碳排放量为：
PE thermal=13.35÷90%×56.1=832.15（tCO2）
综上，消化系统运行能耗的碳排放总量：
PE=584.1+832.15=1416.25（tCO2）
2.3沼气利用产生的碳减排量
沼气利用产生的碳减排量：
BE EN=BE elec+BE thermal
式中：
BE elec——沼气代替电能拖动鼓风机的碳减排量，tCO2；BE thermal——沼气产热的碳减排量，tCO2。
2.3.1沼气代替电能拖动鼓风机的碳减排量
沼气拖动鼓风机平均每月可省电86940kW·h[1]，故核算期间可省电1043.28MW·h。沼气代替电能拖动鼓风机的碳减排量：BE elec=EG d×CEF elec=1043.28×0.6310=658.3（tCO2）2.3.2沼气产热的碳减排量
仙魔经纪人回收的沼气中有479821m3用于沼气锅炉燃烧产热，有387985m3沼气用于拖动鼓风机运行，而沼气鼓风机运行的热量回收利用率按30%计。该厂收集的沼气中CH4含量为67.94%，甲烷燃烧热值取37960kJ/m3。故沼气年产热量为：
Q=()
479821+387985×30%×67.94%×37960=15.68TJ 沼气产热的碳减排量：
DOI:10.16767/jki.10-1213/tu.2019.04.013 22
节能与环保
上海市公安局长落网记BE thermal=Q÷εboiler×EF fuel=15.68÷90%×56.1=977.4()
tCO2综上两部分之和得：
BE EN=1635.7tCO2
2.4有机质减量化的碳减排量
剩余污泥经厌氧消化后，污泥中有机质含量会大幅减少，从而使后续处置过程中的碳排放量随之减少。使用一阶衰减法（FOD）计算固体废弃物处理场所中的甲烷排放量，其碳排放量计算公式为：
BE=ϕ(1-f)GWP CH4(1-OX)16
12
F·DOC f·
MCF∑x=1y[]
W x⋅DOC⋅e-k(y-x)()
1-e-k
式中：
ϕ——模型修正系数，取0.9；
f——填埋场回收或焚烧的CH4比例，取0；
GWP CH4—CH4的全球变暖系数，取25；
OX——氧化系数，取0.1；
F——填埋场气体中的CH4比例，取0.5；
DOC f——可生物降解有机碳的分解比例，取0.5；
MCF—CH4修正系数，取1.0；
W x——第x年埋入填埋场污泥的干重，t；
DOC——污泥中可降解有机碳的含量；
k——污泥降解速率；
x——从计入期的第1年到第y年；
y—CH4释放计算年份。
根据IPCC的计算方法，在北方干燥地区k为0.06。本计算仅限于一年的运行时间，取：
x=y=1
消化系统共进泥114876m3，含水率为96.30%，DOC取0.5889，则：
W x=114876×()
1-0.9603=4561()t
故污泥直接填埋产生的碳排放量为：
BE=0.9×(1-0)×25×(1-0.1)×16÷12×0.5×0.5×1×4561×
0.5889×(1-e-0.06)=1055.8（tCO2）
厌氧消化后，出泥中DOC取0.4280，含水率为97.55%，则：W x=114876×()
1-0.9755=2814()t
故消化后的污泥再填埋的碳排放量为：
BE=0.9×(1-0)×25×(1-0.1)×16÷12×0.5×0.5×1×4561×
0.4280×(1-e-0.06)=473.4（tCO2）
故有机质减量化的碳减排量=1055.8-473.4=582.4（tCO2）2.5消化系统碳减排总量
vhs录像机根据以上计算，可以算得该厂污泥厌氧消化系统产生的碳减排量为：
1635.7+582.4-1416.25=801.85（tCO2）
单位污泥的碳减排量为：
801.85÷4561=0.176（tCO2/tDS）
3污泥消化系统碳减排潜力分析
欧美等国家在污水处理厂碳减排方面的研究比较领先，在21世纪初便提出到2030年污水处理需实现“碳中和”运行目标。奥地利Strass市政污水处理厂通过利用剩余污泥厌氧产能与耦
合式热电联产等方式，其运行能量平衡率能够达到108%。美国希博伊根(Sheboygan)污水处理厂利用共消化技术（食品废物+剩余污泥）产生的高CH4含量的沼气，然后采用热电联产(CHP)技术对沼气进行利用，并采取一系列措施降低运行能耗，到2013年，该厂已逼近“碳中和”运行目标[2]。与欧美国家相比，我国污水处理厂进水有机物浓度普遍较低，因而对剩余污泥实施厌氧消化进行能量(CH4)回收后仍难以达到“碳中和”目标，经建模计算其能源自给率仅能达到50%左右[3]。
经核算，华北地区某污泥厌氧消化工程的碳减排能力0.41tCO2/tDS[4]，小红门污水处理厂污泥厌氧消化系统的碳减排能力为0.409tCO2/tDS[5]，。本文中得到的单位污泥碳减排量远低于上述两个工程，主要原因可能是在核算时间段内该厂沼气产量和利用率均不高。由于沼气拖动鼓风机运行故障和消化灌搅拌机故障，核算期间消化系统沼气平均月产量为97675m3，沼气拖动鼓风机月平均运行138h，消化系统月平均节约电耗9802kW·h。而在2015年4月份和5月份污泥消化系统和沼气利用设备运行良好，沼气平均月产量为176907m3，沼气拖动鼓风机月平均运行539h，消化系统月平均节约电耗105831kW·h[1]。由此可见，通过及时保养维修和更换污泥厌氧消化系统和沼气利用设备，保障沼气产量和利用率，该厂污泥消化系统的碳减排能力有极大的提高空间。针对我国污水处理厂进水有机负荷低的“通病”，可寻求高浓度易降解的有机废物与污泥共消化，增大沼气产气量，使污泥消化系统的碳减排效果更加明显。
4结语
虽然剩余污泥厌氧消化是一种有效的碳减排措施，但污泥消化系统运行比较复杂，对污水处理厂的工作人员和设备要求较高，国内很多污泥消化系统运行状况不佳，这直接影响了其碳减排的效果。因此，提高工作人员的专业素质和加强设备维护是污泥厌氧消化成功发挥其碳减排效果的前提和基础。污泥厌氧消化联合其他的“开源节流”措施，如水源热泵、光伏发电、低能耗设备与精确控制系统等，可极大的减少污水处理的碳排放量，从而不断接近直至达到“碳中和”运行水平。
参考文献：
[1]王社平，赵恩泽，韩芸，张华，武少华，马明华，邓涛，石鑫.西安第五污水处理厂污泥消化及沼气利用效果分析[J].中国给水排水,2018(9):15~19+25.
[2]郝晓地，魏静，曹亚莉.美国碳中和运行成功案例——She⁃boygan污水处理厂[J].中国给水排水,2014(24):1~6.
[3]郝晓地，刘然彬，胡沅胜.污水处理厂“碳中和”评价方法创建与案例分析[J].中国给水排水,2014(2):1~7.
[4]杭世珺，关春雨.污泥厌氧消化工艺运行阶段的碳减排量分析[J].给水排水,2013(4):44~50.
[5]张志渊，孙冀垆.小红门污水处理厂污泥厌氧消化系统碳减排量计算分析[J].山东工业技术,2016(7):3
7~39.
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