不同污泥处理与处置工艺的碳排放

第31卷第4期2011年4月环境科学学报ActaScientiaeCircumstantiaeVol．31，No．4Apr．，2011基金项目:国家高技术研究发展计划项目(No．2009AA064703，2008AA062402)SupportedbytheNationalHigh-TechResearchandDevelopmentProgramofChina(No．2009AA064703，2008AA062402)作者简介:郭瑞(1987—)，女，博士研究生，E-mail:[e-mail]，[e-mail];*通讯作者(责任作者)，E-mail:[e-mail]:GUORui(1987—)，female，Ph．D．candidate，E-mail:[e-mail]，[e-mail];*Correspondingauthor，E-mail:[e-mail]郭瑞，陈同斌，张悦，等．2011．不同污泥处理与处置工艺的碳排放［J］．环境科学学报，31(4):673-679GuoR，ChenTB，ZhangY，etal．2011．Reviewofcarbonemissionintheprocessofsludgetreatmentanddisposal［J］．ActaScientiaeCircumstantiae，31(4):673-679不同污泥处理与处置工艺的碳排放郭瑞1，陈同斌1，*，张悦2，刘洪涛1，沈玉君1，高定1，郑国砥1，程志鹏31．中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心，北京1001012．住房和城乡建设部城市建设司，北京1008353．重庆水务集团渝水环保有限公司，重庆400015收稿日期:2010-12-06修回日期:2010-12-15录用日期:2010-12-29摘要:针对目前主流的污泥处理处置工艺，总结了各工艺碳排放情景及其影响因素．好氧堆肥、干化、土地利用、焚烧的碳主要以CO2的形式排放;而厌氧消化和填埋的碳排放以CH4为主．好氧堆肥的CO2排放当量较低，填埋的CO2排放当量较高．好氧堆肥、厌氧消化、填埋工艺分别可以通过改善通风状况、前处理和不同类型污泥联合处理、覆盖有机材料等方法实现碳减排．而降低能耗是干化和焚烧工艺碳减排的有效措施．土地利用可增加生物量，因此增加了碳汇能力．采用好氧堆肥-土地利用工艺路线处理处置污泥是减少碳排放的重要途径．关键词:污泥;处理;处置;碳排放;温室气体文章编号:0253-2468(2011)04-673-07中图分类号:X703文献标识码:AReviewofcarbonemissionintheprocessofsludgetreatmentanddisposalGUORui1，CHENTongbin1，*，ZHANGYue2，LIUHongtao1，SHENYujun1，GAODing1，ZHENGGuodi1，CHENGZhipeng31．CenterforEnvironmentalRemediation，InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch，ChineseAcademyofSciences，Beijing1001012．DepartmentofVillageandTownshipConstruction，MinistryofHousingandUrban-RuralDevelopment，Beijing1008353．YushuiEnvironmentalProtectionLimitedCompany，ChongqingWaterHolding(Group)CO．，LTD．，Chongqing400015Received6December2010;receivedinrevisedform15December2010;accepted29December2010Abstract:Thisstudyfocusesontheproblemofcarbonemission(CO2andCH4asthemaingreenhousegases)duringtheprocessofsludgetreatmentanddisposalbysummarizingitsquantityandinfluentialfactors．CO2wasthemainCcompoundemittedduringcomposting，drying(bio-dryingandthermaldrying)，landapplicationandincineration，whileCH4wasthemajorspeciesduringanaerobicdigestionandlandfilling．Compostinglandfillsproducedlowercarbonemissions，whilethelandfillscarbonemissionwashigherthanothermethods．Carbonemissioncanbereducedbyimprovingaerationconditionsduringcomposting，pre-treatmentandco-digestionofvarioussludgesduringanaerobicdigestionandprovidinganorganiccoverinthelandfill．Consideringthetechnologyofdryingandincineration，reductionofenergyconsumptioncouldefficientlycontrolcarbonemission．Landapplicationproducednegativecarbonemissioninthelongterm．Acombinationofcompostingandlandapplicationwastheoptimalschemetoreducecarbonemissionduringtheprocessofsludgetreatmentanddisposal．Keywords:sewagesludge;treatment;disposal;carbonemission;greenhousegas1引言!(Introduction)近年来，全球气候变暖的趋势引起了政府部门和学术界的普通关注．CO2、CH4是重要的温室气体，且CH4的温室效应为CO2的25倍(IPCC，2007)．我国政府在哥本哈根国际气候变化会议上承诺，到2020年单位GDP碳排放较2005年下降40%～45%．因此，各行业面临着巨大的碳减排压力，亟待环境科学学报31卷对其进行碳排放调查并制定相应的减排措施．我国的城市污泥产生量巨大，截至2009年底，年产出量已达到3200万t(湿污泥)．污泥处理和处置工艺主要包括好氧发酵、厌氧消化、干化、填埋、土地利用、污泥焚烧等，而这些工艺在实施过程中均存在一定的碳排放问题．目前，领域内的大部分研究主要集中在工艺优化和风险控制等方面，工艺的碳排放基础信息和监测结果较少．本文较为全面和系统地总结了近年来国内外污泥好氧堆肥、厌氧消化、干化、土地利用、填埋、焚烧工艺的碳排放情景，以期为了解该领域内的碳排放情况提供参考依据．2污泥处理过程碳排放(Carbonemissionintheprocessofsludgetreatment)2．1好氧堆肥污泥好氧堆肥过程的碳主要以CO2的形式损失．但是当堆体局部厌氧时，在产甲烷菌的作用下，碳还以CH4的形式排放．由于CH4性质不稳定，厌氧部分产生的CH4在好氧区域又可被氧化为CO2(Haoetal．，2001)．CO2和CH4的排放主要发生在污泥堆肥高温期，这与污泥有机质性质及其碳含量、通气状况等因素有关．污泥的易降解有机成份(糖类、淀粉、蛋白质)含量越高，堆肥的CO2排放量越大;纤维素、木质素等难降解有机物含量越高，CO2排放量越小．Nakasaki等(2009)研究表明，高蛋白质污泥堆肥较高纤维素污泥堆肥的CO2排放量大，每吨污泥可多排放4．3kg的CO2．堆体氧气状况直接影响堆肥微生物的活性，从而影响碳的转化形式．通风是改善堆体氧气状况的重要措施．研究表明，污泥堆肥的最佳通风量为8.48L·h－1·kg－1(干基)，此时CH4排放量仅为初始全碳的0．12‰;改变通风强度会增大CH4的排放，通风量为1．69L·h－1·kg－1(干基)和16．63L·h－1·kg－1(干基)时的CH4排放量分别是最佳通风量时的27和5倍(deGuardiaetal．，2008a)，这主要是因为通风量过低，堆体易出现厌氧区域，增加CH4产生量;通风量过高会缩短CH4的氧化时间，增加CH4排放量．堆肥调理剂的添加也会影响堆肥过程CO2和CH4的排放．CO2的排放量随着调理剂添加比例的增大而相应增加(表1);而CH4的排放量随着调理剂添加比例的增大逐渐降低．这主要是由于调理剂增加了堆体碳含量，改善了其水分、pH、通气状况．Manios等(2007)将调理剂的比例从66．67%增加到75%，CH4产生量明显减少，其排放浓度仅为调整前的16%．表1调整剂与污泥堆肥的CO2排放量Table1CO2emissionduringco-compostingofsludgewithadditives调理剂类型添加比例CO2排放/(kg·t－1)参考文献园林废弃物14%18．5Fountoulakisetal．，2009园林废弃物29%30．8Fountoulakisetal．，2009木片55%36．75deGuardiaetal．，2008b园林废弃物86%～87%60～80Doubletetal．，2010根据测算，每吨湿污泥通风好氧堆肥的CO2平均排放量约为45．21kg，CH4排放量约为0．01～0.38kg(Fountoulakisetal．，2009;deGuardiaetal．，2008a)，电力消耗为14kW·h(Hongetal．，2009)，以1kW·h电产生0．997kg的CO2计，则好氧堆肥过程的碳足迹强度为59～69kgCO2当量．2．2厌氧消化厌氧消化的气体产物主要有CH4(65%～70%)、CO2(30%～35%)及少量的H2S和NH3(Appelsetal．，2008)．其中CH4是重要的能源气体，可代替化石燃料进行发电或热源．据估计，厌氧消化每吨湿污泥，释放CO2180kg，消耗电能89kW·h，产生的废热及沼气可转化29kW·h的电能，(Hongetal．，2009)．因此，以1kW·h产生0．997kgCO2计，厌氧消化每吨湿污泥释放CO2当量温室气体240kg．厌氧消化不仅能利用废弃物产生新能源，而且可减少温室气体的排放．如果1m3CH4可产生10kW·h的电能(Bougrieretal．，2006a)，则厌氧消化相当于减少2～5t·t－1(基于挥发性固体)的CO2排放(表2和3)．因此，目前国内外对厌氧消化的研究多集中在提高CH4产量上．预处理是提高厌氧消化效率的有效途径，可增加12%～120%的CH4产量(表2)，这主要因为预处理可促进水解阶段微生物细胞溶解、不溶性有机化合物及大分子聚合物向小分子可溶性物质的转化．预处理工艺包括高温、生物处理、臭氧氧化、碱处理、超声波等方法(表2)．就增加CH4产量而言，臭氧氧化是厌氧消化的适宜预处理方法，其CH4增产量约为其它预处理的1．4～10倍．4764期郭瑞等:不同污泥处理与处置工艺的碳排放表2不同预处理工艺污泥厌氧消化的碳排放Table2Carbonemissionfromsludgeanaerobicdigestionprocesseswithvariouspre-treatme