“碳達(dá)峰,、碳中和”戰(zhàn)略背景下,，中國污水處理行業(yè)節(jié)能降耗、低碳發(fā)展的需求日益突出,。目前,，中國擁有世界上最大的規(guī)模化污水處理廠數(shù)量和處理能力,，據(jù)統(tǒng)計(jì),，截至2020年，全國城市污水處理廠2618座，處理能力為1.9億m³/d,。中國水處理行業(yè)消耗電量約184億kW·h/a,，在社會總能耗中的比例呈現(xiàn)逐年升高的趨勢。從碳排放方面看,，中國污水處理行業(yè)所產(chǎn)生的碳排放量占全社會總碳排放量的1%～2%,，由于能耗引起的碳排放量約占污水廠總碳排放量的50%。在美國,，全國污水處理量平均為1.2億m³/d,，污水處理設(shè)施運(yùn)行能耗占全國電力需求的3%～4%。

城市污水廠污泥是污水處理過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物,，具有含水率高,、體積大、易腐敗等特點(diǎn),，污泥的處理與處置成為污水廠建設(shè)和運(yùn)行過程中重要組成部分,。目前，中國城市污水處理廠基本上都配套了污泥濃縮,、脫水設(shè)施,，但污泥厭氧消化比例較低，全國只有約60座污水處理廠采用污泥厭氧消化工藝,，其中運(yùn)行良好的不足1/2,。從污泥最終處置看，其中污泥深度脫水填埋和干化焚燒項(xiàng)目較多,，污泥產(chǎn)物土地利用方式在中國的應(yīng)用比例較低,。美國污水處理廠的污泥厭氧消化處理相對較多，有超過1200座污水廠污泥處理采用厭氧消化技術(shù),，其中包括高溫厭氧消化和中溫厭氧消化,，如洛杉磯的Hyperion污水處理廠和橙縣OCSD污水廠。為了加強(qiáng)能源回收和提高污泥產(chǎn)物品質(zhì),，Blue Plains污水廠采用了世界上最大規(guī)模的Cambi污泥熱水解預(yù)處理技術(shù),，經(jīng)高溫?zé)崴忸A(yù)處理厭氧消化或高溫厭氧消化后可獲得Class A污泥，脫水后的污泥產(chǎn)物處置方式多為農(nóng)用,。有研究表明,，污泥處理處置產(chǎn)生的碳排放占污水廠總排放量的65%～76%，關(guān)于不同污泥處理處置技術(shù)路線的碳排放特征亦有報(bào)道,，但由于處理規(guī)模,、核算邊界、碳排放單位等差異降低了結(jié)果的可比性,，此外,，關(guān)于國內(nèi)外同類規(guī)模的大型污水廠污泥處理與處置的碳排放比較分析較少。

污泥的處理處置既是碳排放的貢獻(xiàn)者，同時又具有巨大的碳減排效應(yīng),，對污水廠碳排放表現(xiàn)有重要影響,。本文通過實(shí)地調(diào)研中美6大典型污水處理廠的污泥處理設(shè)施和污泥處置路徑，主要探討中美兩國不同典型的污泥處理處置工藝在能量回收和碳排放上的表現(xiàn)特征,，以期為我國污泥管理低碳轉(zhuǎn)型提供參考,。

中美兩國污水處理規(guī)模大、碳排放基數(shù)高,，污泥的處理與處置是污水處理廠碳排放的重要組成部分,，合理的污泥管理策略是未來污水廠碳減排的關(guān)鍵。實(shí)地調(diào)研了中美6個大型典型污水處理廠的污泥處理設(shè)施和污泥處置路徑,，分析了中美兩國不同典型的污泥處理處置工藝能量回收和碳排放的表現(xiàn)特征,。結(jié)果表明：在不考慮碳補(bǔ)償?shù)那闆r下，中美6個污水處理廠中,，華東A(中溫厭氧消化+脫水+填埋/土地利用),、華東B(脫水+填埋/焚燒)、華東C(脫水+焚燒),、Hyperion(高溫厭氧消化+脫水+農(nóng)用)、OCSD(中溫厭氧消化+脫水+農(nóng)用)和Blue plains(熱水解+中溫厭氧消化+脫水+農(nóng)用)的污泥處理處置路線的碳足跡分別為1410,，1881,，1914，471,，402,，405 kgCO₂/t DS。考慮能源回收和資源化利用產(chǎn)生的碳補(bǔ)償效果,，中美6廠污泥處理處置的凈碳排放分別為984,，1681，1941,，-183,，-240，-315 kgCO₂/t DS,。中美6個污水廠碳補(bǔ)償率分別為30.2%,、10.6%、0%,、138.9%,、159.7%和177.9%。污泥厭氧消化和產(chǎn)物土地資源化利用是碳減排的關(guān)鍵,，提升污泥有機(jī)質(zhì)含量能夠強(qiáng)化碳補(bǔ)償效應(yīng),，該研究結(jié)果可為我國污水處理廠低碳轉(zhuǎn)型、污泥處理處置的無害化、減量化和低碳化提供參考,。

污泥濃縮和脫水等處理單元的電耗主要用于污泥進(jìn)料,、出料和主要設(shè)備的驅(qū)動,，主要設(shè)備產(chǎn)生的能耗宜采用行業(yè)基準(zhǔn)值或者文獻(xiàn)報(bào)道值進(jìn)行估算，計(jì)算見式(1)：

污泥量和電量為實(shí)際調(diào)研統(tǒng)計(jì)所得,。

2）污泥厭氧消化所需熱量,。

污泥厭氧消化所需熱量由2部分組成，分別為污泥加熱到消化溫度所消耗的熱量(HAD)和補(bǔ)充厭氧消化池池體損失的熱量(H_AD,abore+ H_AD,under),，詳見式(2)—(4),。

3）污泥厭氧消化能量回收。

污泥厭氧消化能量的回收來自沼氣的回收和利用,，其回收的沼氣產(chǎn)生的能量計(jì)算見式(5)：

4）污泥填埋氣能源回收,。

運(yùn)行管理完善的填埋廠有填埋氣收集和利用設(shè)施，其回收填埋氣的能量計(jì)算見式(6)：

圖3a為本研究中6個案例污水廠污泥濃縮處理的能耗強(qiáng)度,，4種典型污泥濃縮方式的能耗強(qiáng)度順序?yàn)?/span>離心濃縮＞氣浮濃縮＞疊螺濃縮＞重力濃縮。重力濃縮能耗強(qiáng)度最低,，為11.4kW·h/t DS,，氣浮濃縮和離心濃縮處理后污泥含固率在4.0%，處理效果略優(yōu)于疊螺濃縮(出泥含固率在3.8%左右),。初沉污泥出泥含固率為4.0%左右,。圖3b為案例污水廠中3種污泥脫水方式下含固率的變化以及對應(yīng)的能耗強(qiáng)度，3種脫水方式進(jìn)泥含固率差異很小,，基本上＜5%,。經(jīng)處理后的污泥的含固率差異較大，華東A和華東B污水廠采用的板框脫水,，處理后污泥的含固率接近50%,，離心脫水和帶式脫水后的污泥含固率則在20%～30%,。帶式脫水,、離心脫水和板框脫水3種污泥脫水方式的能耗強(qiáng)度分別為70.1，122.1,，180.9kW·h/t DS,。調(diào)研期間，華東A污水廠的污泥處置方式以填埋為主,，根據(jù)我國針對污泥進(jìn)入填埋場處置的管理規(guī)定,，污泥的含固率不得＜40%，為滿足這一處置要求,，我國的城鎮(zhèn)污水廠污泥通常采用板框壓濾脫水的方式,，使得污泥脫水的能耗高于美國典型的污泥脫水方式，美國大型污水廠的污泥處置方式以土地利用為主,，土地利用對污泥的含水率無明確的要求,，一般情況下,，污水廠外運(yùn)的污泥的含水率在70%～80%。

污泥厭氧消化是污泥穩(wěn)定化處理的重要方式之一,，選取了中美幾個代表不同典型污泥厭氧消化工藝的污水廠,，對污泥厭氧消化單元的能耗和產(chǎn)能進(jìn)行分析，結(jié)果見圖4,。華東A和加州橙縣OCSD污水廠采用中溫厭氧消化,，消化溫度分別為35，36℃,，污泥停留時間分別為24,，22d；洛杉磯Hyperion污水廠采用高溫厭氧消化,，消化溫度為53℃,，污泥停留時間為14d；華盛頓特區(qū)Blue plains污水廠的污泥處理采用污泥熱水解(Cambi技術(shù))和中溫厭氧消化,，消化溫度為35℃,，污泥停留時間15d。從能耗上看,，4個污水廠污泥厭氧消化處理的能耗主要來自于熱量的消耗,，這部分熱量用于加熱消化池的進(jìn)料，使其維持穩(wěn)定的消化溫度,，熱量消耗占總能耗的比例在88%～94%,。華盛頓特區(qū)Blue plains污水廠污泥采用熱水解污泥預(yù)處理工藝，污泥在進(jìn)行消化之前進(jìn)行預(yù)脫水至含固率16%,，然后進(jìn)入熱水解反應(yīng)器,，在160℃和620kPa下反應(yīng)30min，隨后冷卻和稀釋至含固率5.5%和溫度35℃的污泥至厭氧消化反應(yīng)器,。經(jīng)計(jì)算,，Blue plains污水廠污泥熱水解厭氧消化的能耗最高，為3460MJ/t DS,，約為洛杉磯Hyperion高溫厭氧消化的1.45倍,，約為華東A和橙縣OCSD污水廠污泥中溫厭氧消化的1.58，2.45倍,。

從產(chǎn)能上看,，華東A和橙縣OCSD污水廠2個中溫厭氧消化設(shè)施，具有相似的溫度和污泥停留時間,，但在產(chǎn)能表現(xiàn)上存在較大差異,，橙縣OCSD污水廠污泥厭氧消化產(chǎn)生的能量為7860MJ/t DS，比華東A污水廠高60%,，這主要是因?yàn)槌瓤hOCSD污水廠污泥有機(jī)質(zhì)含量(79%)遠(yuǎn)高于華東A污水廠(50%),，且有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷的降解率(56%)高于華東A(45%),。Hyperion污水廠高溫厭氧消化和Blue plains污水廠熱水解+中溫厭氧消化產(chǎn)能基本持平，平均約為8260MJ/t DS,，略高于中溫厭氧消化,，由于高溫和熱水解的作用促使污泥細(xì)胞溶解和微生物分解速率的提升，二者的有機(jī)質(zhì)分解率均高于華東A和橙縣OCSD污水廠,，分別為60%和58%,。從凈能量來看，4個廠的污泥厭氧消化單元均可實(shí)現(xiàn)能源自給,，且有多余能量產(chǎn)生,，美國3個案例污水廠的污泥厭氧消化凈能量顯著大于華東A污水廠，約為2倍,，碳補(bǔ)償效應(yīng)突出,。

圖5為污泥處理過程中其蘊(yùn)含的化學(xué)能向電能和熱能轉(zhuǎn)化示意，線寬與能量(MJ/m³污泥)成正比,。輸入污泥的有機(jī)質(zhì)含量和含水率決定了污泥處理輸入的化學(xué)能,，可看出，OCSD,、Hyperion和Blue plains污水廠處理每噸污泥輸入的能量較高,。從能量轉(zhuǎn)化看，污泥中的化學(xué)能通過厭氧消化沼氣的利用轉(zhuǎn)化為電能和熱能,，產(chǎn)生的能量供廠內(nèi)設(shè)施運(yùn)行,，美國大型污水廠的污泥沼氣通常以熱電聯(lián)產(chǎn)的方式利用，我國的污水廠污泥沼氣用于熱電聯(lián)產(chǎn)的較少,。

選取華東A污水廠和洛杉磯Hyperion污水廠作為中美兩種不同污泥管理策略,，分析不同范圍碳排放的特性以及能耗與能源結(jié)構(gòu)對污泥處理處置碳排放的影響,，見圖6。由圖6a可知,，2個污水廠與范圍1相對應(yīng)的溫室氣體排放是主要碳排放貢獻(xiàn)者,，華東A污水廠和Hyperion污水廠污泥范圍1碳排放量占碳排放總量比例分別為73%和74%，這與Garrido等的研究結(jié)果較為一致,，其報(bào)道范圍1直接碳排放可占傳統(tǒng)污泥處理碳排放總量的70%～75%,。結(jié)合表2可發(fā)現(xiàn)，對于華東A廠,，污泥處理的甲烷排放為主要的溫室氣體排放源,，對于洛杉磯Hyperion污水廠，污泥厭氧消化過程和土地利用為范圍1主要排放單元,。至于與電力消耗有關(guān)的范圍2碳排放,，2廠的排放量均較低，分別占整體總量的21%和18%,。與物料消耗間接相關(guān)的范圍3碳排放對2廠的碳排放總量的貢獻(xiàn)較小,，占比＜10%。

為了解不同的電網(wǎng)排放因子對范圍2以及污泥處理處置整體碳足跡的影響,，假設(shè)采用相同的電網(wǎng)排放因子情況進(jìn)行比較,。洛杉磯Hyperion污水廠使用的電網(wǎng)碳排放因子為0.26 kgCO₂-eq/(kW·h)，比華東A廠使用的電網(wǎng)碳排放因子0.81 CO₂-eq/(kW·h)低得多,，這主要是因?yàn)榧又莺穗?、地?zé)岷吞烊粴獍l(fā)電的比例高于華東地區(qū)，而華東地區(qū)對煤炭的依賴程度更高(圖6b),。當(dāng)2廠采用相同的電網(wǎng)排放系數(shù)時,，范圍2相應(yīng)的排放量占比從21%下降到8%，污泥處理處置整體碳排放下降率約14%,。

為了更好地評價污泥處理全過程的碳足跡,，應(yīng)考慮各項(xiàng)抵消排放，即碳補(bǔ)償作用,。污泥厭氧消化產(chǎn)生的沼氣用于熱電聯(lián)產(chǎn)或其他利用方式,，可部分抵消對電力和熱能的需求。同樣地,，污泥處置階段根據(jù)最終處置方式的不同也提供了進(jìn)一步回收能源,、資源利用的可能性，比如甲烷有可能在填埋場被收集并轉(zhuǎn)化為能量,、污泥焚燒爐中的余熱回收,，污泥產(chǎn)物作為有價值的農(nóng)業(yè)肥料或土壤改良劑，有助于減少人工肥料的消耗,。污泥中氮素回收利用可以避免通過Haber-Bosch工藝生產(chǎn)人工肥料,，該工藝消耗了世界2%的能源用以固定空氣中的氮,。

中美6個典型污水處理廠的污泥處理處置的碳足跡結(jié)果見圖7。在華東A污水廠的案例中,，可以發(fā)現(xiàn)碳排放的抵消主要通過利用厭氧消化沼氣鍋爐燃燒以及收集到的垃圾填埋氣體所產(chǎn)生的能量,。華東B污水廠由于填埋氣的回收利用也抵消一部分碳排放。從凈碳排放看,，華東C＞華東B＞華東A,，即污泥焚燒產(chǎn)生的碳足跡大于污泥填埋，這主要是由于我國污泥焚燒能量缺口大,，余熱回收率低以及N₂O排放,，導(dǎo)致碳排放量高、碳補(bǔ)償效應(yīng)小,。對于美國污水廠污泥系統(tǒng),，污泥厭氧消化沼氣產(chǎn)量高，通過熱電聯(lián)產(chǎn),，可完全滿足污泥系統(tǒng)的能源需求,，多余的能量被用于其他用電或加熱單元。以Hyperion污水廠為例,，通過厭氧消化沼氣利用,，所產(chǎn)生的電力和熱量分別抵消了每噸污泥處理370，242 kgCO₂-eq/t DS的碳排放,。此外,，在農(nóng)林土地上施用污泥處理產(chǎn)物利用營養(yǎng)物質(zhì)所產(chǎn)生的碳補(bǔ)償量為每噸污泥處理107 kgCO₂-eq/t DS。整體上,，受益于污泥厭氧消化沼氣利用及產(chǎn)物資源化利用,，美國污水廠污泥系統(tǒng)達(dá)到了碳中和，并且有多余的碳補(bǔ)償量可以減少整個污水廠的碳足跡,。從增加厭氧消化產(chǎn)能角度,，建議華東A污水廠通過將污水中的有機(jī)質(zhì)最大限度地轉(zhuǎn)移到污泥中，或者通過添加外源餐廚垃圾等城市有機(jī)易腐廢棄物與污泥進(jìn)行協(xié)同消化等途徑來改善能量回收,。對于我國污水處理廠,，現(xiàn)階段碳減排的關(guān)鍵在于提高污泥厭氧消化穩(wěn)定化率，在具備資源化條件的地區(qū)積極探索污泥土地利用方式,。

中美典型污水廠在污泥管理策略上存在較大差異,，主要表現(xiàn)在中國以華東地區(qū)為例的大型污水廠污泥厭氧消化處理率較低，而美國一定規(guī)模的污水廠的污泥基本上都經(jīng)厭氧消化處理,，且厭氧消化工藝類型多,。在污泥處置上,，我國污泥以填埋為主,，且在大城市呈現(xiàn)向以焚燒為主轉(zhuǎn)變的趨勢,，美國的污泥以農(nóng)業(yè)資源化利用為主。污泥處置方式的差異是美國污水廠污泥處理與處置碳排放小于我國的主要原因,，污泥厭氧消化,、土地利用、填埋沼氣回收等途徑具有碳補(bǔ)償效應(yīng),，提高污泥有機(jī)質(zhì)和污泥厭氧消化率是污水廠污泥降低凈碳排放的重要措施,。在制定我國污水廠降碳策略時，應(yīng)優(yōu)先考慮提高污泥土地資源化利用率和改善污泥厭氧消化功效,，其次是優(yōu)化電力供應(yīng)能源結(jié)構(gòu)來降低電耗碳排放因子,。