污泥厭氧消化工藝運行階段碳減排量計算

污泥厭氧消化工藝運行階段碳減排量計算

0cdm國際規(guī)則在污泥污染處理的應用人類活動導致溫室氣體的增加導致世界變化，這是人類面臨的最大挑戰(zhàn)之一?！毒┒甲h定書》中規(guī)定了發(fā)達國家與發(fā)展中國家進行碳減排合作的清潔發(fā)展機制(CleanDevelopmentMechanism,CDM),在該機制之下,由發(fā)達國家提供資金和技術,幫助發(fā)展中國家在境內(nèi)開展碳減排項目,用于實現(xiàn)其在《京都議定書》下的部分減排義務。為確保CDM項目能帶來長期、可測量、額外的減排量,需要根據(jù)CDM國際規(guī)則的要求建立相應的方法學。目前我國城鎮(zhèn)污水處理廠污泥大部分經(jīng)脫水后運至垃圾填埋場與生活垃圾混合填埋,污泥中的有機質(zhì)在填埋場厭氧條件下分解,生成的CH4直接無組織排放,產(chǎn)生了較大的碳排放量(CH4的碳排放當量為25)。若污泥在填埋前先經(jīng)厭氧消化處理,污泥中有機質(zhì)比例下降,則可減少填埋場內(nèi)CH4的排放,消化產(chǎn)生的沼氣經(jīng)過凈化后用于熱電聯(lián)產(chǎn),其電能供給污水處理廠自用,熱能供給消化池加溫,余量還可輸出,既實現(xiàn)了資源化,又減少了碳排放。本文以CDM方法學為基礎,參考相關CDM項目設計文件,以我國華北地區(qū)典型污泥厭氧消化工程為例,計算設定條件下厭氧消化工藝運行階段的碳減排量,分析影響減排量的運行參數(shù)并提出優(yōu)化建議。1碳排放量的確定根據(jù)CDM方法學,設定厭氧消化階段碳減排量計算方法為:系統(tǒng)運行階段碳減排量=消化污泥有機質(zhì)減少產(chǎn)生的碳減排量+沼氣替代化石燃料的碳減排量-系統(tǒng)運行耗能的碳排放量。碳排放計算范圍見圖1。計算條件為:①厭氧消化系統(tǒng)包括厭氧消化、污泥脫水、用電、燃料使用、發(fā)電、產(chǎn)熱,不包括污泥的運輸、儲存及處置;②厭氧消化系統(tǒng)全年365d連續(xù)運行;③污泥填埋產(chǎn)生的溫室氣體直接排放,沼氣不利用;④厭氧消化后污泥減量帶來的脫水能耗降低忽略不計;⑤厭氧消化系統(tǒng)以天然氣作為外部熱源;⑥厭氧消化系統(tǒng)沼氣泄漏量忽略。本計算針對的厭氧消化系統(tǒng)工藝參數(shù)見表1。2計算碳排放的數(shù)量2.1消化池碳排放厭氧消化耗能的碳排放量可用式(1)計算:PE=PEelec+PEthermal+PEa+PEflare(1)式中PE——厭氧消化耗能的碳排放量,tCO2;PEelec——電能消耗產(chǎn)生的碳排放量,tCO2;PEthermal——熱能消耗產(chǎn)生的碳排放量,tCO2;PEa——消化池碳逸散量,tCO2;PEflare——剩余沼氣燃燒碳排放量,tCO2。厭氧消化池逸散及剩余氣體燃燒產(chǎn)生的溫室氣體均可忽略,因此僅需計算污泥攪拌、循環(huán)等過程中電能消耗的碳排放量以及污泥加熱和保溫過程中熱能消耗的碳排放量。2.1.1能耗產(chǎn)生的碳排放量系統(tǒng)的電能主要用于池內(nèi)攪拌和池外循環(huán)。根據(jù)CDM設計文件,電能消耗產(chǎn)生的碳排放量見式(2)。PEelec=ECPJ,FF×CEFelec(2)式中ECPJ,FF——系統(tǒng)耗電量,MW·h;CEFelec——電量碳排放系數(shù),tCO2/(MW·h)。2.1.1.項目投運時,k本算例中污泥產(chǎn)量為288m3/d(含水率96%),采用循環(huán)泵進行池外循環(huán),24h均勻投配,生污泥與加熱后的回流污泥混合比例為1∶2,則污泥循環(huán)泵流量為36m3/h,設揚程為25m,機械效率為75%,則電機軸功率為3.28kW,年耗電量應為:3.28×24×365=28733(kW·h)=28.7(MW·h)。2.1.1.攪拌功率的確定厭氧消化池螺旋槳式攪拌機的能耗計算見式(3):Ν=1000qΗ102η(3)式中N——攪拌機所需功率,kW;H——攪拌機克服慣性力與水力阻抗所需水頭,m;η——攪拌機效率,%;q——污泥量,m3/s。q=mV3600t(4)式中V——每座消化池的有效容積,m3;m——設備安全系數(shù),1～3;t——攪拌一次所需時間,2～5h?？紤]各種因素,上述各值均取保守值,其中H取1m,η取80%,V取3600m3,m取3,t取2h,則:Ν=1000mVΗ3600t102η=1000×3×3600×13600×2×102×0.8=18.4(kW)。因此,機械攪拌容積功率為:18400÷3600=5.1(W/m3)。根據(jù)相關文獻,美國污水處理廠設計手冊中厭氧消化混合容積功率為5.2～40W/m3;我國《給水排水設計手冊》中沼氣攪拌的容積功率為5～8W/m3;Foley等以1萬m3/d規(guī)模為例作污水處理廠生命周期分析時,選取厭氧消化機械攪拌容積功率為8W/m3;武漢三金潭污水處理廠厭氧消化池循環(huán)泵和攪拌機容積功率為5.5W/m3。參考上述數(shù)據(jù),為保證攪拌效果,本計算機械攪拌容積功率取8W/m3,則2座消化池的攪拌功率應為:8×3600×2=57600(W)=57.6(kW)。年耗電量應為:57.6×24×365=504576(kW·h)=504.6(MW·h)。2.1.1.c2om和容量邊際排放因子bm的加權計算由上述計算可得厭氧消化系統(tǒng)年耗電量:28.7+504.6=533.3(MW·h)。電量碳排放系數(shù)采用國家發(fā)改委公布的2011年華北地區(qū)電網(wǎng)電力邊際排放因子(OM)和容量邊際排放因子(BM)的加權平均值計算:0.5×0.9083+0.5×0.6426=0.8115[tCO2/(MW·h)]。則系統(tǒng)每年電能消耗的碳排放量為:PEelec=533.3×0.8115=432.7(tCO2)。2.1.2hermal計算根據(jù)CDM設計文件,熱能消耗產(chǎn)生的碳排放量見式(5)。ΡEthermal=Qεboiler×EFfuel(5)式中Q——厭氧消化年需熱量,TJ;εboiler——鍋爐產(chǎn)熱的熱效率,%;EFfuel——天然氣產(chǎn)熱的碳排放系數(shù),tCO2/TJ。2.1.2.td土壤溫度Q0=V′24(ΤD-ΤS)×1163(6)式中Q0——生污泥溫度升高到消化溫度的耗熱量,W;V′——每日投入消化池的生污泥量,m3/d;TD——消化溫度,℃;TS——生污泥溫度,℃。式中V′取288m3/d,TD取35℃,TS取15℃(該值參考北京市污水處理廠水溫10～26℃和冬季平均水溫15℃確定),則有:Q0=28824(35-15)×1163=279100(W)=279.1(kW)。年耗熱量應為:279.1×24×365=2444916(kW·h)=2444.9(MW·h)。2.1.2.地上部分保溫所需熱量Q=∑FK(TD-TS)×1.4(7)式中F——消化池各部分表面積,m2;K——消化池各部分傳熱系數(shù)。式中K值參照設計手冊,地上部分取0.355W/(m3·℃),地下部分取1.273W/(m3·℃);TS取12℃(參考北京市多年平均氣溫并考慮城市熱島效應)。則消化池地上部分保溫所需熱量為:Q1=906×0.355×(35-12)×1.4=10356(W)=10.4(kW)。消化池地下部分保溫所需熱量為:Q2=298×1.273×(35-12)×1.4=12215(W)=12.2(kW)。年耗熱量應為:(10.4+12.2)×2×24×365=395952(kW·h)=396.0(MW·h)。2.1.2.東南角3.01+10%設管道損失占總耗熱量的10%,由污泥加熱所需耗熱量和消化池保溫所需熱量計算系統(tǒng)年總需熱量:(2444.9+396.0)×(1+10%)=3125.0(MW·h)=11.25(TJ)。天然氣的碳排放系數(shù)為56.1t/TJ,設天然氣鍋爐的熱效率為90%,則系統(tǒng)每年熱耗的碳排放量為:ΡEthermal=11.2590%×56.1=701.2(tCΟ2)2.1.3能的年碳排放總量由PEelec、PEthermal可得厭氧消化耗能的年碳排放總量:432.7+701.2=1134(tCO2)。則單位質(zhì)量污泥的碳排放量為:1134÷4205=0.27(tCO2/tDS)。2.2ch4的計算厭氧消化處理可分解污泥中部分有機質(zhì),從而減少了污泥填埋的碳排放量。污泥填埋碳排放量計算見式(8):BEy=MBy-MDreg,y(8)式中BEy——第y年污泥填埋碳排放,tCO2;MBy——第y年污泥填埋場產(chǎn)生的CH4,t;MDreg,y——第y年污泥填埋場分解的CH4,t。MBy根據(jù)IPCC方法學中一階衰減(FOD)公式計算如式(9)所示:ΜBy=BECΗ4,y=φ(1-f)GWΡCΗ4(1-ΟX)1612FDΟCfΜCFy∑x=1[WxDΟCe-k(y-x)(1-e-k)](9)式中φ——根據(jù)模型不確定性制定的模型修正系數(shù);f——填埋場回收或焚燒的CH4比例;GWPCH4——CH4的全球變暖系數(shù);OX——氧化系數(shù)(填埋場產(chǎn)生的CH4在土壤或其他覆蓋物中氧化的比例);F——填埋場氣體中的CH4比例;DOCf——可生物降解有機碳的分解比例;MCF——CH4修正系數(shù);Wx——第x年進入填埋場的污泥量,t;DOC——污泥中可生物降解有機碳比例;k——污泥降解速率;x——從計入期的第1年到第y年;y——CH4釋放計算年份。本計算中各系數(shù)φ、f、GWPCH4、OX、F及MCF按照IPCC參考值分別取0.9、0、25、0.1、0.5及1.0。式中DOC,假設污泥中有機質(zhì)的比例為60%,有機質(zhì)分解率40%,則消化處理后污泥中有機質(zhì)的比例約為47%,本計算參照IPCC的參考值及大連夏家河與紹興CDM文件的取值,DOC取0.5。式中DOCf,本計算參照IPCC的參考值及大連夏家河與紹興CDM文件的取值,DOCf取0.5。式中k,由于CH4產(chǎn)率取決于污泥的含碳量,因此在最初若干年里CH4排放量較高,隨著污泥中有機碳的降解,該排放量也逐漸下降。根據(jù)IPCC的計算方法,在北方干燥地區(qū)k為0.06,南方濕潤地區(qū)k為0.185,本計算參考大連夏家河CDM文件,k取0.06。例如當y取3時,代入各系數(shù)值,則CH4的碳排放量為:BECΗ4,3=0.9×(1-0)×25×(1-0.1)×1612×0.5×0.5×1.0×4205×40%×0.5×(1-e-0.06)×[e-0.06×(3-1)+e-0.06×(3-2)+e-0.06×(3-3)]=935(tCO2)CDM一般規(guī)定項目計入期y為7年,此系統(tǒng)7年內(nèi)消化污泥有機質(zhì)減少產(chǎn)生的碳減排量見表2。從表2可得,7年內(nèi)BECH4,y的平均值為1179tCO2,年污泥處理量4205tDS,則項目運行7年內(nèi)消化污泥有機質(zhì)減少產(chǎn)生的碳減排量平均值:1179÷4205=0.28(tCO2/tDS)。2.3u3000y—沼氣替代化石燃料的碳減排量當厭氧消化產(chǎn)生的沼氣用于熱電聯(lián)產(chǎn)時,其替代化石燃料的碳減排量由式(10)計算:BEEN,y=BEelec,y+BEthermal,y(10)式中BEEN,y——第y年沼氣替代化石燃料的碳減排量,tCO2;BEelec,y——第y年沼氣發(fā)電替代化石燃料的碳減排量,tCO2;BEthermal,y——第y年沼氣產(chǎn)熱替代化石燃料的碳減排量,tCO2。2.3.1沼氣和生產(chǎn)能力2.3.1.沼氣產(chǎn)率及排放情況沼氣產(chǎn)量與污水水質(zhì)、污水處理工藝、污泥性質(zhì)等密切相關。如北京小紅門污水處理廠厭氧消化處理初沉污泥,2009年上半年沼氣產(chǎn)率可達295m3/tDS;鄭州王新莊污水處理廠2006年3月部分數(shù)據(jù)計算所得的年均沼氣產(chǎn)率為282m3/tDS;2001年日本305座污泥厭氧消化池平均值計算的沼氣產(chǎn)率為404m3/tDS;上海白龍港污水處理廠的設計沼氣產(chǎn)率為218m3/tDS。根據(jù)上述運行數(shù)據(jù)并結合我國污泥中有機質(zhì)比例較低的特點,本文設定厭氧消化沼氣產(chǎn)率220m3/tDS,則沼氣年產(chǎn)量為:220×288×(1-96%)×365=925056(m3)。2.3.1.沼氣用量通常情況下,熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐的沼氣發(fā)電效率為25%～35%,發(fā)電產(chǎn)熱的回收率為40%～50%,當能量轉(zhuǎn)化效率為85%～90%時,1m3沼氣可發(fā)電1.7kW·h,產(chǎn)熱2kW·h;參考北京高碑店污水處理廠2001～2002年的運行數(shù)據(jù),1m3沼氣發(fā)電1.74kW·h,產(chǎn)熱2.05kW·h,因此本計算單位體積的沼氣發(fā)電量取1.7kW·h/m3,單位體積的沼氣產(chǎn)熱量取2kW·h/m3。則沼氣年發(fā)電量EGd,y為:925056×1.7=1572595(kW·h)=1572.6(MW·h)沼氣年產(chǎn)熱量Qy為:925056×2=1850112(kW·h)=1850.1(MW·h)=6.66(TJ)2.3.2燃料的碳減排量BEelec,y=EGd,y×CEFelec(11)式中BEelec,y——第y年沼氣發(fā)電替代化石燃料的碳減排量,tCO2;EGd,y——第y年厭氧消化熱電聯(lián)產(chǎn)的可輸出電量,MW·h。2.1.2.1中EGd,y為1572.6MW·h,2.1.1.3中CEFelec為0.8115tCO2/(MW·h),因此:BEelec,y=1572.6×0.8115=1276.1(tCO2)。2.3.3碳減排量的確定BEthermal,y=Qyεboiler×EFfuel(12)式中BEthermal,y——第y年沼氣產(chǎn)熱替代化石燃料的碳減排量,tCO2;Qy——第y年厭氧消化熱電聯(lián)產(chǎn)的產(chǎn)熱量,TJ;εboiler——鍋爐產(chǎn)熱的熱效率,%;EFfuel——天然氣產(chǎn)熱的碳排放系數(shù),t/TJ。由Qy為6.66TJ,鍋爐產(chǎn)熱的熱效率εboiler取90%,天然氣產(chǎn)熱的碳排放系數(shù)EFfuel取56.1t/TJ,因此:ΡEthermal,y=6.6690%×56.1=415.2(tCΟ2)。2.3.4代石化燃料的碳減排量由BEelec,y和PEthermal,y可得沼氣替代化石燃料的碳減排量:1276.2+415.2=1691(tCO2)。則單位質(zhì)量污泥的碳減排量為:1691÷4205=0.40(tCO2/tDS)。2.4石燃料的碳減排量厭氧消化耗能的碳排放量、消化污泥有機質(zhì)減少產(chǎn)生的碳減排量以及沼氣替代化石燃料的碳減排量的年度統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表3。由表3可得,厭氧消化工藝在7年內(nèi)年平均碳減排量為:12155÷7=1736(tCO2)。則單位質(zhì)量污泥的碳減排量為:1736÷4205=0.41(tCO2/tDS)。3產(chǎn)熱和發(fā)電自給率厭氧消化碳減排的影響因素以單位質(zhì)量污泥的碳減排量0.41tCO2/tDS為基礎,為便于分析,定義產(chǎn)熱和發(fā)電自給率分別如式(13)、式(14)所示:沼氣產(chǎn)熱自給率=厭氧消化沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)年產(chǎn)熱量厭氧消化年需熱量×100%(13)沼氣發(fā)電自給率=厭氧消化沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)年發(fā)電量厭氧消化年耗電量×100%(14)3.1沼液中有機質(zhì)比例的變化以厭氧消化沼氣產(chǎn)率為橫坐標,以碳減排量和能量自給率為縱坐標,可得到圖2所示沼氣產(chǎn)率對碳減排量及能量自給率的影響。由圖2可見,沼氣產(chǎn)率與碳減排量呈線性關系,當厭氧消化沼氣產(chǎn)量從140m3/tDS提高至300m3/tDS時,碳減排量由0.27tCO2/tDS提高至0.56tCO2/tDS。厭氧消化產(chǎn)熱自給率和發(fā)電自給率隨沼氣產(chǎn)率的提高而線性增加,在沼氣產(chǎn)率為220m3/tDS時產(chǎn)熱自給率為59%,該值與高碑店污水處理廠沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)可解決50%消化用熱量基本相符,同時,沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電自給率遠大于100%,說明厭氧消化發(fā)電量遠大于耗電量。沼氣產(chǎn)率隨污泥中可生物降解有機質(zhì)的比例增加而增大,但是在我國由于設有化糞池且污水中有機質(zhì)比例較低,因此污泥中可生物降解有機質(zhì)比例普遍偏低。為解決上述問題,一方面可以通過取消化糞池、改善合流制管網(wǎng)等措施提高污水中有機質(zhì)比例;另一方面還可通過設置污泥預處理工藝及與其他固體廢物混合厭氧消化等方式提高污泥可生物降解有機質(zhì)比例,進而增加沼氣產(chǎn)量。預處理可采用物理(加熱、超聲波、機械力等)或化學(堿處理、臭氧氧化等)等方法,促進污泥中胞外酶的解體和胞內(nèi)物質(zhì)釋放;或者將污泥與餐廚垃圾、人畜糞便、農(nóng)林廢棄物等進行混合厭氧消化處理,以增加有機質(zhì)比例、提高沼氣產(chǎn)量。3.2含水率對碳減排量及能量自給率的影響污泥含水率越低其厭氧消化碳減排量越高,其原因在于污泥體積減小后,攪拌、加熱、保溫產(chǎn)生的碳排放量下降,而沼氣替代化石燃料的量不變,從而提高了碳減排量。含水率對碳減排量及能量自給率的影響見圖3。由圖3可見,當污泥含水率由97%降低至90%時,碳減排量由0.36tCO2/tDS提高至0.50tCO2/tDS,同時,污泥含水率越低其熱量自給率越高,當污泥含水率小于92%時即可實現(xiàn)全年熱量平衡。因此宜對污泥進行強化濃縮處理,力求達到高含固率后進行厭氧消化。3.3碳減排量和電量自給率厭氧消化池的攪拌容積功率對碳減排量也有一定影響。在圖4所設條件下,當攪拌容積功率由9W/m3降低至4W/m3時,碳減排量由0.40tCO2/tDS提高至0.46tCO2/tDS;電量自給率由264%提高至560%。由此可見,通過開發(fā)高效率的攪拌設