采用2.1.1小节的深度脱水工艺,投加的药剂为FeCl3(干污泥量的8%)和生石灰(干泥量的20%),按照《建筑碳排放计算标准》(GB/T 51366—2019)和IPCC给出的参考值,生石灰的碳排放因子为1.19 kg CO2/kg,FeCl3的碳排放因子为8.3 kg CO2/kg,按式(6)计算碳排放。
2.1.3 运输的碳排放
深度脱水后污泥长距离运输到填埋点过程会由于车辆耗油产生碳排放。假设运输车辆耗柴油,满载时能耗取0.255 kg柴油/km,空返能耗取0.153 kg柴油/km,柴油的碳排放因子为3.186 kg CO2/kg。取污泥产生点与污泥填埋点的距离为50 km,运输车辆满载重量为10 t。按式(7)计算污泥填埋运输过程的碳排放。
由表3可知,深度脱水的药耗和电耗的碳排放为947.2 kg CO2/(t DS),其中药耗碳排放比例较大,达到90%以上;深度脱水后污泥运输过程中产生的碳排放量较小,为16.2 kg CO2/(t DS),不是重要的碳排放源;污泥填埋会释放出大量未经收集利用的CH4气体,碳排放达到4 166.7 kg CO2/(t DS),属于高水平的碳排放工艺。脱水污泥填埋处置不仅占地面积大,且会对环境产生二次污染,应尽量避免。
根据《建筑碳排放计算标准》(GB/T 51366—2019),使用污泥焚烧后灰渣作为再生原料生产建材时,应按其所替代的初生原料的碳排放的50%计算,普通硅酸盐水泥的碳排放因子缺省值为735 kg CO2/(t水泥)。污泥焚烧灰渣可替代5%~20%的水泥矿物原材料,本文取15%。污泥焚烧后,灰渣重量为原污泥减去VS后剩余的干基重量,即当VS含量为50%时,灰渣重量为原污泥干基重量的50%,按照产生的灰渣全部用于建材再生原料,反算出水泥生产量,按式(12)进行碳排放计算。
由表4可知,污泥脱水的电耗和药耗的累加碳排放为130.3 kg CO2/(t DS)。污泥干化焚烧的天然气和电耗的累加碳排放为547.5 kg CO2/(t DS),其中约72%为电耗碳排放;干化焚烧的直接碳排放为295.0 kg CO2/(t DS),主要为N2O的碳排放,干化焚烧的总碳排放为842.5 kg CO2/(t DS)。因此,脱水+干化焚烧的总碳排放为972.8 kg CO2/(t DS)。
污泥焚烧后产物填埋不会再生成CH4气体,填埋的碳排放主要来自运输,仅为3.2 kg CO2/(t DS),脱水+干化焚烧+填埋的总碳排放为976.0 kg CO2/(t DS)。污泥焚烧后灰渣如果能作为再生原料生产建材,可以替代建材矿物原材料生产产生的碳排放,产生的碳汇为-36.8 kg CO2/(t DS),总碳排放为936.0 kg CO2/(t DS)。污泥干化焚烧后填埋或建材利用的碳排放基本相当,但灰渣建材利用可以产生碳汇,更利于碳减排。目前上海地区污泥焚烧灰渣已推广应用于建材利用。
2.3 污泥厌氧消化+脱水+干化+焚烧+填埋或建材利用的碳排放
浓缩后的污泥依次进行厌氧消化、脱水(含水率为80%)、干化焚烧,污泥的最终去向包括填埋或建材利用。
2.3.1 电能消耗产生的碳排放
厌氧消化的主要用电设备包括污泥泵(进泥泵和循环泵等)和污泥搅拌设备等。以某工程污泥厌氧消化系统为例,污泥厌氧消化电耗为105 kW·h/(t DS),电力排放因子取《2019年度减排项目中国区域电网基准线排放因子》电量边界排放因子平均值[0.895 t CO2/(103 kW·h)],按式(1)计算厌氧消化电能消耗产生的碳排放量。
2.3.2 污泥加热产生的碳排放
按照式(2)和式(3)计算污泥加热产生的碳排放,其中初始污泥温度取平均值(15 ℃),以中温厌氧消化(37 ℃)条件进行计算。K为水的比热容,取值为4.2 kJ/(kg·℃),锅炉产热的热效率为90%,IPCC给出的天然气碳排放因子缺省值为56.1 t CO2/TJ。
由表5可知,污泥厌氧消化的电能和热能碳排放为209.2 kg CO2/(t DS),厌氧消化产生沼气回收利用产生的碳汇为-385.9 kg CO2/(t DS),则厌氧消化的碳排放为-176.7 kg CO2/(t DS),即当VS为50%,污泥进行中温厌氧消化可以实现能量自给自足,且产能高于耗能。脱水的碳排放为104.3 kg CO2/(t DS),由于脱水程度不同,药剂投加种类和剂量不同,脱水碳排放远低于2.2小节中深度脱水的碳排放。厌氧消化后污泥VS含量降至37.5%,污泥干重降至40 kg,污泥热值降至约10 000 kJ/(kg DS),天然气比能耗增加到142 Nm3/(t DS),污泥干化焚烧的间接碳排放(天然气和电耗)为493.9 kgCO2/(t DS),其中天然气约占36%,电耗约占64%。干化焚烧的直接碳排放为236.0 kg CO2/(t DS),干化焚烧总碳排放为729.9 kg CO2/(t DS)。厌氧消化+脱水+干化焚烧的总碳排放为657.5 kg CO2/(t DS),比2.2小节中脱水+干化焚烧的碳排放[972.8 kg CO2/(t DS)]低约32%。
污泥焚烧后灰渣填埋碳排放为2.6 kg CO2/(t DS),建材利用的碳汇为-45.9 kg CO2/(t DS)。因此,污泥厌氧消化+脱水+干化+焚烧+填埋的碳排放为660.1 kg CO2/(t DS),污泥厌氧消化+脱水+干化焚烧+建材利用的碳排放为611.6 kg CO2/(t DS)。由2.2小节和2.3小节可知,厌氧消化+干化焚烧+填埋/建材利用比直接干化焚烧+填埋/建材利用的碳排放减少约30%。