基于不同处理处置路径的污泥碳排放预测

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2024-0891

摘要/Abstract

摘要：

为客观预测我国污泥处理处置碳排放的发展趋势及选择最佳处理处置方案，基于我国污泥特征对厌氧消化+土地利用（S1）、好氧堆肥+土地利用（S2）、焚烧（S3）、填埋（S4） 4种污泥处理处置路径进行碳排放核算，并结合ARIMA预测模型，开展碳排放预测研究。结果表明，S1~S4的净碳排放量分别为89.72、485.48、1 487.74、1 700.97 kg/t，主要碳排放分别来自热干化热耗、脱水药耗、焚烧CO₂释放和填埋CH₄逸散，而碳补偿来源于污泥替代肥料、CH₄及热量回收发电。通过增加污泥有机质含量、调整堆肥温度和曝气频率、控制化石燃料使用及填埋场CH₄产生等措施可有效实现碳减排。受污泥产量影响，4种路径的碳排放整体表现为高排放特征，并保持逐年上升趋势，预测截至2030年碳排放总量分别达到170.96万、925.16万、2 835.13万、3 241.47万t，并以S1路径最为低碳。面对污泥处理处置的高碳排放，基于“因地制宜、绿色低碳、资源循环、环境友好”的发展理念，持续推进污泥处理处置技术的创新和升级是促进污泥低碳化发展的重要举措。

关键词: 污泥处理处置, ARIMA预测模型, 碳排放, 碳补偿, 发展策略

Abstract:

To objectively predict the development trend of carbon emissions of sludge treatment and disposal in China and choose the best treatment and disposal scheme, the carbon emissions of four sludge treatment and disposal technical paths, namely anaerobic digestion+land use (S1), aerobic composting+land use (S2), incineration (S3) and landfill (S4), were calculated based on the characteristics of sludge in China, and combined with ARIMA prediction model. The results showed that the net carbon emissions from S1 to S4 were 89.72, 485.48, 1 487.74 and 1 700.97 kg/t, respectively. The main carbon emissions were from the heat consumption of thermal drying, dehydration agent consumption, incineration CO₂ release and landfill CH₄ emission, while carbon compensation was from sludge replacing fertilizer, CH₄ and heat recovery for power generation. Carbon emission reduction could be effectively achieved by increasing the organic matter content of sludge, adjusting composting temperature and aeration frequency, controlling the use of fossil fuels and the generation of CH₄ in landfills. Due to the influence of sludge production, the carbon emissions of the four paths were generally characterized by high emissions, and kept increasing year by year. By 2030, the total carbon emissions would reach 170.96×10⁴, 925.16×10⁴, 2 835.13×10⁴ and 3 241.47×10⁴ t respectively, and S1 path was the lowest carbon. Facing the high carbon emission of sludge treatment and disposal, based on the development concept of “adapting to local conditions, being green and low-carbon, recycling resources and being environment-friendly”, it was an important measure to continuously promote the innovation and upgradation of sludge treatment and disposal technology.

Key words: sludge treatment and disposal, ARIMA prediction model, carbon emissions, carbon compensation, development strategy

中图分类号:

X703.1
X24

魏秀丽, 郭小平, 王珍. 基于不同处理处置路径的污泥碳排放预测[J]. 工业水处理, 2025, 45(9): 174-184.

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https://www.iwt.cn/CN/Y2025/V45/I9/174

图/表 12

图1 污泥处理处置路径

Fig.1 Sludge treatment and disposal paths

表1 直接碳排放核算方法

Table 1 Direct carbon emission accounting method

方式	核算方法	数据与来源
土地利用	$E 土地利用 = m × (E F 土地利用, C H 4 × G C H 4 + E F 土地利用, N 2 O × G N 2 O)$	E _土地利用为污泥土地利用碳排放量，kg；m为污泥干重，t； $E F 土地利用, C H 4$ 为污泥土地利用CH₄排放因子，0.02 kg/t^〔4〕； $G C H 4$ 为CH₄全球增温潜势，28^〔10〕； $E F 土地利用, N 2 O$ 为污泥土地利用N₂O排放因子，0.001 1 kg/t^〔4〕； $G N 2 O$ 为N₂O全球增温潜势，265^〔10〕
厌氧消化	$E 厌氧消化 = m × p × η × ρ × G C H 4$	$E 厌氧消化$ 为污泥厌氧消化碳排放量，kg；p为产CH₄因子，341 m³/t^〔11〕；η为CH₄泄漏量，5%^〔6〕；ρ为CH₄密度，0.72 kg/m^3〔12〕
好氧堆肥	$E 好氧堆肥 = m × (E F 好氧堆肥, C H 4 × G C H 4 + E F 好氧堆肥, N 2 O × G N 2 O)$	$E 好氧堆肥$ 为污泥好氧堆肥碳排放量，kg； $E F 好氧堆肥, C H 4$ 为污泥好氧堆肥CH₄排放因子，10 kg/t^〔8〕； $E F 好氧堆肥, N 2 O$ 为污泥好氧堆肥N₂O排放因子，0.6 kg/t^〔8〕
焚烧	$E 焚烧 = m × C F × F C F × O F × 4412 × 103 + m × E F 焚烧, N 2 O × G N 2 O$	$E 焚烧$ 为污泥焚烧碳排放量，kg；CF为干物质中碳比例，45%^〔8〕；FCF为化石碳在总碳中的比例，64.94%^〔8〕；OF为氧化因子，1^〔8〕；44/12为CO₂与C的相对分子质量比； $E F 焚烧, N 2 O$ 为焚烧工艺N₂O排放因子，0.99 kg/t^〔8〕
填埋	$E 填埋 = m × D O C × D O C f × M C F × F × 1612 × (1 - O X) × (1 - M C R) × G C H 4 × 103$	$E 填埋$ 为污泥填埋碳排放量，kg；DOC为有机质中可降解有机碳的比例，15.6%^〔9〕；DOC_f为可分解转化为CH₄的DOC比例，50%^〔8〕；MCF为CH₄产生量修正因子，1.0^〔8〕；F为CH₄在填埋气体中的比例，50%^〔8〕；16/12为CH₄与C的相对分子质量比；OX为CH₄氧化因子，0.1^〔8〕；MCR为CH₄回收率，40%^〔13〕

表1 直接碳排放核算方法

Table 1 Direct carbon emission accounting method

方式	核算方法	数据与来源
土地利用	$E 土地利用 = m × (E F 土地利用, C H 4 × G C H 4 + E F 土地利用, N 2 O × G N 2 O)$	E _土地利用为污泥土地利用碳排放量，kg；m为污泥干重，t； $E F 土地利用, C H 4$ 为污泥土地利用CH₄排放因子，0.02 kg/t^〔4〕； $G C H 4$ 为CH₄全球增温潜势，28^〔10〕； $E F 土地利用, N 2 O$ 为污泥土地利用N₂O排放因子，0.001 1 kg/t^〔4〕； $G N 2 O$ 为N₂O全球增温潜势，265^〔10〕
厌氧消化	$E 厌氧消化 = m × p × η × ρ × G C H 4$	$E 厌氧消化$ 为污泥厌氧消化碳排放量，kg；p为产CH₄因子，341 m³/t^〔11〕；η为CH₄泄漏量，5%^〔6〕；ρ为CH₄密度，0.72 kg/m^3〔12〕
好氧堆肥	$E 好氧堆肥 = m × (E F 好氧堆肥, C H 4 × G C H 4 + E F 好氧堆肥, N 2 O × G N 2 O)$	$E 好氧堆肥$ 为污泥好氧堆肥碳排放量，kg； $E F 好氧堆肥, C H 4$ 为污泥好氧堆肥CH₄排放因子，10 kg/t^〔8〕； $E F 好氧堆肥, N 2 O$ 为污泥好氧堆肥N₂O排放因子，0.6 kg/t^〔8〕
焚烧	$E 焚烧 = m × C F × F C F × O F × 4412 × 103 + m × E F 焚烧, N 2 O × G N 2 O$	$E 焚烧$ 为污泥焚烧碳排放量，kg；CF为干物质中碳比例，45%^〔8〕；FCF为化石碳在总碳中的比例，64.94%^〔8〕；OF为氧化因子，1^〔8〕；44/12为CO₂与C的相对分子质量比； $E F 焚烧, N 2 O$ 为焚烧工艺N₂O排放因子，0.99 kg/t^〔8〕
填埋	$E 填埋 = m × D O C × D O C f × M C F × F × 1612 × (1 - O X) × (1 - M C R) × G C H 4 × 103$	$E 填埋$ 为污泥填埋碳排放量，kg；DOC为有机质中可降解有机碳的比例，15.6%^〔9〕；DOC_f为可分解转化为CH₄的DOC比例，50%^〔8〕；MCF为CH₄产生量修正因子，1.0^〔8〕；F为CH₄在填埋气体中的比例，50%^〔8〕；16/12为CH₄与C的相对分子质量比；OX为CH₄氧化因子，0.1^〔8〕；MCR为CH₄回收率，40%^〔13〕

表2 不同工艺环节间接排放能耗

Table 2 Energy consumption of indirect emission from different processes

处理工艺	项目	参数（以DS计）	备注	参考文献
机械脱水	电耗	40 kW·h/t	含水率至80%	〔12〕
	电耗（消化污泥）	50 kW·h/t	含水率至60%	〔14〕
	FeCl₃投加量	30 kg/t		〔4〕
	CaO投加量	50 kg/t		〔4〕
深度脱水	电耗	125 kW·h/t	含水率至60%	〔15〕
	PAM投加量	10 kg/t		〔16〕
	FeCl₃投加量	6 kg/t		〔16〕
	CaO投加量	100 kg/t		〔16〕
热干化	电耗	70 kW·h/t	含水率40%~80%	〔15〕
热干化	热耗	9.16 GJ/t	含水率40%~80%	〔12〕
热水解	电耗	50 kW·h/t	按热干化耗热量50%计算	〔4〕
热水解	热耗	4.58 GJ/t	按热干化耗热量50%计算	〔12〕
好氧堆肥	电耗（脱水污泥）	60 kW·h/t	堆肥后含水率至40%	〔12〕
厌氧消化	电耗	50 kW·h/t		〔12〕
焚烧	电耗	300 kW·h/t	大型高效流化床焚化炉	〔15〕

表3 污泥成分

Table 3 Sludge composition

污泥产品	全氮/（g·kg^-1）	全磷/（g·kg^-1）	全钾/（g·kg^-1）	含水率/%	参考文献
热水解污泥	18.8	12.7	1.908	57.8	〔18〕
堆肥污泥	18.7	10.3	2.090	48.3	〔18〕

表4 碳补偿核算方法

Table 4 Carbon offset accounting method

$R 厌氧消化, e = m × p × (1 - η) × C D × E F e$

$R 填埋, e = E 填埋, C H 4 × M C R ρ × C D × E F e$

$E 填埋, C H 4 = m × D O C × D O C f × M C F × F × 1612 × (1 - O X) × 103$

R 厌氧 消化, e

为厌氧消化碳补偿量，kg；CD为CH₄发电效率，2.30 kW·h/m^3〔12〕；

E F e

为电力排放因子；

R 填埋, e

为卫生填埋碳补偿量，kg；

E 填埋, C H 4

为污泥填埋CH₄产生量，kg

热量回收

R 焚烧, e = m × C H 热电 联产 × E F e

R 焚烧, e

为回收焚烧热量发电产生的碳补偿量，kg；

C H 热电 联产

为热电联产发电效率，2 467 kW·h/t^〔12〕

肥料替代

R 土地 利用, 肥料 = m 1 - w × (ω N × E F N + ω P × E F P + ω K × E F K) × 4412

R 土地 利用, 肥料

为污泥土地利用替代化肥的碳补偿量，kg；w为含水率；

ω N

、

ω P

、

ω K

分别为污泥产品氮、磷、钾质量分数；EF_N、EF_P、EF_K分别为单位氮肥、磷肥、钾肥制造排放因子

表4 碳补偿核算方法

Table 4 Carbon offset accounting method

方式

核算方法

数据与来源

CH₄回收

$R 厌氧消化, e = m × p × (1 - η) × C D × E F e$

$R 填埋, e = E 填埋, C H 4 × M C R ρ × C D × E F e$

$E 填埋, C H 4 = m × D O C × D O C f × M C F × F × 1612 × (1 - O X) × 103$

R 厌氧 消化, e

为厌氧消化碳补偿量，kg；CD为CH₄发电效率，2.30 kW·h/m^3〔12〕；

E F e

为电力排放因子；

R 填埋, e

为卫生填埋碳补偿量，kg；

E 填埋, C H 4

为污泥填埋CH₄产生量，kg

热量回收

R 焚烧, e = m × C H 热电 联产 × E F e

R 焚烧, e

为回收焚烧热量发电产生的碳补偿量，kg；

C H 热电 联产

为热电联产发电效率，2 467 kW·h/t^〔12〕

肥料替代

R 土地 利用, 肥料 = m 1 - w × (ω N × E F N + ω P × E F P + ω K × E F K) × 4412

R 土地 利用, 肥料

为污泥土地利用替代化肥的碳补偿量，kg；w为含水率；

ω N

、

ω P

、

ω K

分别为污泥产品氮、磷、钾质量分数；EF_N、EF_P、EF_K分别为单位氮肥、磷肥、钾肥制造排放因子

图2 预测流程

Fig.2 Forecast flowchart

图3 干污泥处置量原始时间序列

Fig.3 Raw time series of dry sludge disposal volumes

图4 自相关和偏自相关图

Fig.4 Autocorrelation and partial autocorrelation graphs

表5 基于ARIMA模型污泥处置量预测拟合值与相对误差

Table 5 The fitting value and relative error of sludge disposal volume prediction based on ARIMA model

年份	2014	2015	2016	2017	2018	2019	2020	2021	2022
实际值/万t	817.33	872.69	913.33	970.31	1 012.68	1 092.69	1 134.10	1 245.25	1 275.77
拟合值/万t	792.28	892.68	913.57	968.43	1 010.61	1 069.50	1 137.32	1 212.61	1 288.50
相对误差	0.031	0.022	0.000	0.022	0.002	0.021	0.003	0.026	0.010
平均相对误差	0.015
年份	2023	2024	2025	2026	2027	2028	2029	2030
拟合值/万t	1 397.09	1 442.90	1 549.26	1 597.22	1 701.51	1 751.48	1 853.83	1 905.66

图5 各污泥处理处置路径的碳排放量

Fig.5 Carbon emissions from various sludge treatment and disposal pathways

图6 2011—2030年我国污泥处理处置碳排放总量

Fig.6 China’s total carbon emissions from sludge treatment and disposal in 2011-2030

图7 电力与热力碳排放因子对碳排放量的影响

Fig.7 Impact of carbon emission factors of electricity and heat on carbon emissions

参考文献 34

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