城镇污水处理厂污泥处理处置工艺生命周期评价

书书书城镇污水处理厂污泥处理处置工艺生命周期评价刘洪涛，　郑海霞，　陈　俊，　陈同斌，　高　定，　郑国砥（中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心，北京１００１０１）　　摘　要：　以实际工程为例对目前国内主流的三种污泥处理处置工艺（好氧发酵、填埋、焚烧）进行了基于生命周期的系统评价，分别从致癌风险、温室效应、土地占用和能耗四个方面，横向比较了三种工艺的环境负荷。结果显示，好氧发酵工艺在致癌风险、温室效应和能耗方面均表现出较低负荷值，而焚烧则在运行能耗、致癌风险上负荷较高，填埋的主要问题集中在土地占用和温室效应两方面。　　关键词：　污泥处理处置；　好氧发酵；　焚烧；　填埋；　生命周期评价中图分类号：Ｘ７０３　　文献标识码：Ｂ　　文章编号：１０００－４６０２（２０１３）０６－００１１－０３ＬｉｆｅＣｙｃｌｅＡｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆＳｅｗａｇｅＳｌｕｄｇｅＴｒｅａｔｍｅｎｔｏｒＤｉｓｐｏｓａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＬＩＵＨｏｎｇｔａｏ，　ＺＨＥＮＧＨａｉｘｉａ，　ＣＨＥＮＪｕｎ，　ＣＨＥＮＴｏｎｇｂｉｎ，　ＧＡＯＤｉｎｇ，　ＺＨＥＮＧＧｕｏｄｉ（ＣｅｎｔｅｒｆｏｒＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＲｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｏｇｒａｐｈｉｃＳｃｉｅｎｃｅｓａｎｄＮａｔｕｒａｌＲｅｓｏｕｒｃｅｓＲｅｓｅａｒｃｈ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１０１，Ｃｈｉｎａ）　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｔｈｒｅｅｔｙｐｉｃａｌｓｅｗａｇｅｓｌｕｄｇｅｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄｄｉｓｐｏｓａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇａｅｒｏｂｉｃｃｏｍｐｏｓｔ，ｌａｎｄｆｉｌｌａｎｄｉｎｃｉｎｅｒａｔｉｏｎｗｅｒｅａｓｓｅｓｓｅｄｂａｓｅｄｏｎｌｉｆｅｃｙｃｌｅ．Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｏａｄｓ（Ｐｔ）ｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄｉｎｔｅｒｍｓｏｆｃａｒｃｉｎｏｇｅｎｉｃｒｉｓｋ，ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｅｆｆｅｃｔ，ｌａｎｄｏｃｃｕｐａｎｃｙｒａｔｅａｎｄｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔａｅｒｏｂｉｃｃｏｍｐｏｓｔｈａｄａｌｏｗｅｒＰｔａｍｏｕｎｔｉｎｃａｒｃｉｎｏｇｅｎｉｃｒｉｓｋ，ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｅｆｆｅｃｔａｎｄｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｔｈａｎｌａｎｄｆｉｌｌａｎｄｉｎｃｉｎｅｒａｔｉｏｎ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｉｎｃｉｎｅｒａｔｉｏｎｈａｄａｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｉｎｃａｒｃｉｎｏｇｅｎｉｃｒｉｓｋａｎｄｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｓｉｍｉｌａｒｌｙ，ｔｈｅｍａｉｎｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｌａｎｄｆｉｌｌｆｏｃｕｓｅｄｏｎｌａｎｄｏｃｃｕｐａｎｃｙｒａｔｅａｎｄｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｅｆｆｅｃｔ．　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：　ｓｌｕｄｇｅｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄｄｉｓｐｏｓａｌ；　ａｅｒｏｂｉｃｃｏｍｐｏｓｔ；　ｉｎｃｉｎｅｒａｔｉｏｎ；　ｌａｎｄｆｉｌｌ；　ｌｉｆｅｃｙｃｌｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　　基金项目：公益性行业（环保）科研专项（２０１１０９０３５－０１）；　北京市科技新星计划（Ｚ１２１１０９００２５１２０６１）；　国家科技支撑计划课题（２０１２ＢＡＢ１８Ｂ０３）；　国家自然科学基金资助项目（４１２０１５８５）　　城市污泥处理处置目前已成为我国污水处理行业非常紧迫的问题，污泥得不到合理处置则污水处理的环境效益将被削减。目前国内污泥处理处置相关研究评价成果，多集中在污染风险、工艺调控等方面。实际上，从污泥自污水沉淀池直到终端处置，形成了具有生命周期特点的物质与能量循环过程。目前，针对生命周期性的评价信息仍较为缺乏，因此选取国内主流的污泥处理处置工艺，开展基于生命周期的系统评价，以期获得典型污泥处理处置工艺的环境影响负荷信息。１　评价目标与范围评价范围主要包括：研究目标、系统边界、清单·１１·第２９卷　第６期２０１３年３月　　　　　　　　　　　　中国给水排水ＣＨＩＮＡＷＡＴＥＲ＆ＷＡＳＴＥＷＡＴＥＲ　　　　　　　　　　　　　Ｖｏｌ．２９Ｎｏ．６Ｍａｒ．２０１３分析、影响评价结果的因素以及最后的生命周期解释。研究目标是三种具有代表性的污泥处理处置工艺生命周期环境影响的横向比较，影响面细分为能源消耗、温室效应、致癌风险、土地占用等四个方面，三种污泥处理处置工艺分别为好氧发酵、焚烧、填埋。系统边界定义为湿污泥（含水率为８０％）运输至污泥处理或处置点从而构成完整的工艺路线。在整个工艺路线中，各环节的占地面积、能耗、温室气体、气体污染物排放均纳入环境影响评价范畴之内。２　清单分析２１　能源消耗不同污泥处理处置工艺能源消耗的差异主要体现在工艺环节上。一般而言，工艺能耗主要由运输能耗和运行能耗组成，根据消耗能源类型不同，运行能耗又分为油耗和电耗。２１１　运输油耗①　好氧发酵：以秦皇岛市某污泥处理厂为例，污泥经核定载运量为５ｔ的柴油卡车从污水厂运至污泥处理厂，油耗为０．２５６ｋｇ／ｋｍ；污泥处理厂处理该市３座污水处理厂的污泥，其所在地理位置与３座污水厂的平均运距为１５ｋｍ。经计算，污泥运输油耗为０．７７ｋｇ／ｔ。②　填埋：以厦门市某污泥填埋场为例，填埋场与该市３座污水厂平均运距为１４．６ｋｍ。经计算，污泥运输油耗为０．７５ｋｇ／ｔ。③　焚烧：以杭州市某污泥焚烧工程为例，焚烧点与４座污水厂平均运距为１８ｋｍ。经计算，污泥运输油耗为０．９３ｋｇ／ｔ。２１２　运行能耗①　好氧发酵：主要为设备运行的电耗与油耗。据精确核算，智能好氧发酵工艺涉及的机械设备包括匀翻机、鼓风机、混料机、皮带机等，每吨污泥处理的电耗为２８．８ｋＷ·ｈ，油耗为０．２２ｋｇ。②　填埋：污泥填埋过程涉及到压实机、推土机等机械，根据估算，污泥填埋油耗为４．２ｋｇ／ｔ污泥。③　焚烧：每吨污泥完成单独焚烧处置所需外加燃油为２４．６ｋｇ，耗电为１４ｋＷ·ｈ。２２　土地占用①　好氧发酵：据统计，好氧发酵工艺占地面积为１００～１２０ｍ２／ｔ污泥，清单分析中取均值为１１０ｍ２／ｔ污泥。②　填埋：填埋占用的土地资源较多，以厦门市某填埋场为例，经计算填埋平均占地面积为２８４ｍ２／ｔ污泥。③　焚烧：焚烧机房占地面积较小，但出于安全性要求，需设置防护距离，此部分面积也包括在占地面积内。以杭州市某污泥焚烧工程为例，设计日处理污泥量为１０００ｔ，占地为１７．３３ｈｍ２（２６０亩），以实际处理规模计算出占地面积为１０８ｍ２／ｔ污泥。２３　温室气体排放①　好氧发酵：好氧发酵工艺的二氧化碳直接排放强度为４２ｋｇ／ｔ污泥，甲烷排放量可忽略［１］。②　填埋：污泥填埋过程中，有机物在厌氧条件下通过微生物作用转换生成甲烷，其温室效应为二氧化碳的２５倍。据测算，每吨污泥填埋产生甲烷约１９．７ｋｇ，相当于４９２．５ｋｇ二氧化碳［１］。③　焚烧：根据现场监测，焚烧工艺的二氧化碳直接排放强度为２２７ｋｇ／ｔ污泥［２］。２４　气体污染物排放①　好氧发酵：排放气体污染物主要为氨气和硫化氢。据估算，污泥好氧发酵过程氨气排放量为３．２ｇ／ｔ污泥，硫化氢为１１ｇ／ｔ污泥。②　填埋：排放气体污染物包括氨气、氮氧化物（ＮＯｘ）、硫氧化物（ＳＯｘ）和硫化氢。根据测算，污泥在填埋过程中，氨气、ＮＯｘ、ＳＯｘ、Ｈ２Ｓ的产生量分别为１．６５、７８、２５．８和４．５４ｇ／ｔ污泥［３］。③　焚烧：污泥焚烧过程产生的气体污染物主要有ＮＯｘ、ＳＯｘ和二口恶英。根据测算，ＮＯｘ排放系数为１２９７ｇ／ｔ污泥，ＳＯｘ为９９２ｇ／ｔ污泥，二口恶英为１．８７×１０－９ｇ／ｔ污泥［４］。另外，重金属会在焚烧过程中挥发并随烟气外排。根据不同类型重金属的挥发特性，焚烧过程随烟气外排的Ｃｕ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｎｉ依次占污泥总含量的２６％、２８％、３０％、９％、１３％［５］，可推算出其挥发量依次为１０．０４、１．８８、３３．６２、１．８９、０．７２ｇ／ｔ；而Ｈｇ、Ｃｄ和Ａｓ的外排情况与以上五种重金属有所不同，根据研究结果显示，Ｈｇ和Ｃｄ的焚烧挥发性最高，Ａｓ介于Ｐｂ和Ｃｒ之间［６］。以此估算，污泥焚烧Ｈｇ、Ｃｄ、Ａｓ的外排量分别为０．００３、０．０６７、０．５９ｇ／ｔ。３　环境影响评价环境影响评价选用欧盟的ＥＣＯＩｎｄｉｃａｔｏｒ９９指标法，结合ＳＩＭＰＲＯ生命周期评价系统，对目前国内三种典型的污泥处理处置工艺进行环境影响评价和综合比较分析。该指标评价体系包括了评价对象在·２１·第２９卷　第６期　　　　　　　　　　　　　　中国给水排水　　　　　　　　　　　　ｗｗｗ．ｗａｔｅｒｇａｓｈｅａｔ．ｃｏｍ原料获取、运输、加工、处理（处置）等整个过程的环境指标分数，通过对产品生产、使用、处理废弃过程进行评分得到产品各因素环境负荷，再经过标准化和加权得到主要的三个环境影响方面的分值，即：人体健康、生态系统和资源利用。将环境影响负荷细分为致癌风险、温室效应、土地占用和能耗四个子层面，三种典型工艺的环境影响负荷见表１。表１　污泥处理处置工艺的环境影响负荷比较Ｔａｂ．１　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｏａｄｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｌｕｄｇｅｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄｄｉｓｐｏｓａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ影响类型好氧发酵填埋焚烧致癌风险０．１４０．７８１．０９温室效应０．３１１．０１０．４８土地占用４．４０５．６５２．１５能耗０．４９０．７１３．５０总影响负荷５．３４８．１５７．２２　　由表１可看出，在致癌风险项上，与填埋和好氧发酵工艺相比，焚烧工艺的分值要高出４０％～６７０％。而在温室效应上，填埋表现出较强的潜力，焚烧工艺次之，这分别与焚烧的烟气外排和填埋甲烷无序排放有密切关系。在土地占用项上，填埋表现出较高的分值，好氧发酵次之，填埋是由于污泥占用了大量土地资源，且此过程为不可逆。好氧发酵由于污泥在发酵池内呈堆置状，因此占地相对较高。在能耗项上，焚烧的负荷值最高，这主要是因为焚烧消耗的外加辅助燃料比例较高。而填埋和好氧发酵则只涉及较少的机械设备，因此能耗较低，分别仅为焚烧能耗的２０％和１４％。４　生命周期解释根据三种典型工艺的横向比较结果，无论是温室效应、致癌风险、土地占用还是能耗，好氧发酵均体现出明显优势。焚烧工艺的土地占用和温室效应处于一个可接受状态，但致癌风险较高，这也是一直以来困扰焚烧工艺发展的主要瓶颈，如何有效解决污染源是焚烧能否快速发展的关键所在。同时，焚烧工艺最受诟病的影响因子是能耗，外加大量辅助燃料从而增加运行成本。从影响负荷对比结果来看，填埋的主要问题是温室效应和土地占用，这也是影响污泥填埋运行的实际障碍。在很多地区垃圾填埋场拒收污泥，除污泥堵塞填埋渗滤系统的原因外，更为主要的是可供填埋的土地资源越来越少，污泥被垃圾填埋场排斥。部分垃圾填埋场建有气体收集利用系统，但污泥填埋的产气率相对不稳定，不适合建设填埋气利用设备，因此大量甲烷排放成为必然。甲烷的温室效应较强，从我国目前污泥处置的比例来看，约占７０％的污泥采取了填埋处置。因此污泥填埋导致的甲烷排放成为污泥处理处置温室效应控制的重中之重。从综合评价结果来看，好氧发酵无疑是充分体现无害化和资源化原则的污泥处理（处置）工艺。参考文献：［１］　刘洪涛，陈同斌，杭世臖，等．不同污泥处理与处置工艺的碳排放分析［Ｊ］．中国给水排水，２０１０，２６（１７）：１０６－１０８．［２］　龚大国，孙冬，谢明，等．城市生活垃圾焚烧和综合处理模式的ＬＣＡ比较［Ｊ］．环境卫生工程，２００８，１６（４）：５２－５５．［３］　易晓娥，张江山．ＬＣＡ方法在城市管理中的应用［Ｊ］．安全与环境工程，２００４，１１（２）：４２－４４．［４］　廖艳芬，漆雅庆，马晓茜．城市污水污泥焚烧处理环境影响分析［Ｊ］．环境科学学报，２００９，２９（１１）：２３５９－２３６５．［５］　张岩，池涌，李建新，等．污泥焚烧过程中重金属排放特性试验研究［Ｊ］．电站系统工程，２００５，２１（３）：２７－２９．［６］　ＹａｏＨ，ＮａｒｕｓｅＩ．Ｃｏｍｂｕｓｔ