污泥與餐廚混合厭氧消化項目碳減排預測研究

胡 月

（上海申環(huán)環(huán)境工程有限公司，上海市 200043）

0 引 言

2020 年9 月22 日，習總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上宣布：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和?！弊孕贾两?，總書記已經在多個重要的國際場合就中國實現(xiàn)“雙碳”目標，發(fā)表重要講話。這是中國對全球應對氣候變化行動的莊嚴承諾，也是中國作為一個負責人的大國的體現(xiàn)。

為了實現(xiàn)“雙碳”目標，國家多部委出臺了多項政策，“碳達峰、碳中和”已經被寫入了《中國國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035 年遠景目標綱要》。當前全行業(yè)都在開展“碳達峰、碳中和”相關的研究及工作[1-3]。生物質廢物在處理過程中也會排放相當量的溫室氣體，而厭氧消化是最適宜處理生物質廢物的技術，可以實現(xiàn)減量化、無害化和資源化，通過產出清潔能源甲烷，替代石化天然氣實現(xiàn)碳的減排[4-6]。

國際上對于生物質廢物處理的碳排放量有不同的計算方法，如IPCC 國家溫室氣體清單指南[7-8]，英國水工業(yè)研究協(xié)會（UKWIR）的碳審計方法[9-10]，世界資源研究所（WRI）/ 世界企業(yè)永續(xù)發(fā)展委員會（WBCSD）的溫室氣體協(xié)議及計算手冊[11]、加拿大環(huán)境部長理事會開發(fā)的BEAM 模型[12]、國際水協(xié)會BSM2G 模型[13]、生命周期分析方法[14-16]等。本研究針對一個污泥與餐廚垃圾混合厭氧消化的實際工程，進行碳排放量的計算，并依據CCER 的方法學計算了該工程的碳減排效果。通過本項目的研究，可以為實際生物質廢物處理工程的碳減排評價提供借鑒。

1 某污泥與餐廚混合厭氧消化項目概況

1.1 污泥與餐廚產量與基本性質

1.1.1 污泥產量與性質

本項目位于華中某市，處理市區(qū)污水廠污泥與餐廚垃圾，工程預計2022 年下半年完工后投入運行。本文計算該項目自2023 年至2035 年的碳減排量，其中2023 年污泥的日處理量預計為126 t/d，污泥的逐年增長率取5%。污泥在污水廠經過脫水出來，含水率為80%，之后與餐廚垃圾進行混合厭氧消化。經過前期取樣分析，污泥中有機物含量偏低，為30%。

1.1.2 餐廚產量與性質

項目所在城市還未推行生活垃圾分類，本項目處理中心城區(qū)餐飲網點產生的餐廚垃圾，根據前期調查結果，預測2023 年中心城區(qū)餐廚垃圾產生量為75 t/d，餐廚垃圾產生量以5%的比率逐年遞增。餐廚垃圾含水率85%，有機物含量為85%，遠高于污泥。

1.2 處理工藝

餐廚垃圾首先經過破袋篩選，除去大塊雜質，然后進行磁力分選，去除磁性金屬，再進行擠壓制漿，除砂除雜最后進行提油處理，將餐廚垃圾中的廢油、廢水和廢渣分離開。 廢油脂工業(yè)級混合油和生物柴油作為清潔能源出售。污水廠污泥經過脫水，將含水率降至80%，然后與提油后的餐廚垃圾混合，進行均質處理，然后進行厭氧消化，產生沼氣，部分沼氣用于廠內供熱鍋爐的燃料，另一部分沼氣經提純用于發(fā)電，厭氧消化后的沼渣經過脫水后再進行堆肥，制成肥料進行土地利用。

2 研究方法

2.1 項目邊界

項目邊界范圍是在基準線下處理有機垃圾的處理場（SWDS）和其替代方案，具體包括電力和熱力的生產和使用，并包括厭氧消化后沼渣，但是不包括餐廚垃圾收集和運輸?shù)倪^程。計算過程中涉及到的溫室氣體及排放源見表1。

表1 項目涉及的溫室氣體及其排放源

2.2 基準線排放量計算

項目的基準線排放包括兩部分：本項目不存在的情況下，污泥和餐廚在SWDS 產生的甲烷排放；項目活動不存在的情況下能量生產或電網消耗的電量?？偟幕鶞示€排放量由式（1）計算。

式中：BEy為項目總的基準線排放量，t CO2；BECH4，y為第y 年來自SWDS 的甲烷基準線排放量，t CO2；BEEC，y為第y 年與發(fā)電相關的基準線排放量，t CO2。

2.2.1 S WDS 中產生的甲烷的基準線排放

本項目不存在的情況下，處理相同量的污泥和餐廚垃圾在SWDS 中產生的甲烷基準線排放，使用式（2）計算。

式中：φy為第y 年的模型不確定性修正系數(shù)；fy為在SWDS 和火炬中，由于采取了燃燒或其他手段而減少的甲烷排放，t CO2；GWPCH4為甲烷的全球溫升潛勢值，25；OX 為氧化因子；F 為填埋氣中甲烷的體積比；DOCf，y為第y 年在SWDS 中可降解有機碳的比率；MCFy為第y 年的甲烷修正因子；Wj，x為項目處理的第j 類固體垃圾在第x 年的數(shù)量，t；DOCj為第j 類垃圾中可降解有機碳比例；Kj為第j 類垃圾的降解率，1/yr。

2.2.2 能源產生的基準排放量

項目處理污泥與餐廚垃圾后，產生的沼氣進行發(fā)電，如果相同的發(fā)電量由化石燃料產生，則由此產生的基準排放量由式（3）計算。

式中：ECBL，k，y為第y 年項目的發(fā)電量，MWh；EFEL，k，y為第y 年電源k 電量所產生的排放因子，t CO2/MWh；TDLk，y為第y 年電源k 供電平均輸配電損耗率。

式（3）中的排放因子FEEL，k，y由式（4）計算：

式中：ωOM為電量邊際排放因子權重；EFgrid，OM，y為第y年的電量邊際排放因子，t CO2/MWh；ωBM為容量邊際排放因子權重；EFgrid，BM，y為第y 年的容量邊際排放因子，t CO2/MWh。

2.3 項目排放量計算

項目的排放量包括項目用電量排放和厭氧消化罐的甲烷排放量。

2.3.1 項目用電產生的排放量

項目用電量產生的排放由式（5）計算。

式 中：PEEC，y為 項 目 用 電 排 放 量，t CO2；ECPJ，j，y為項目用電量，MWh；FEEL，k，y為組合編輯排放因子，t CO2/MWh；TDLj，y為第y 年電源j 供電平均輸配電損耗率。

2.3.2 厭氧消化罐的甲烷排放量

項目厭氧消化罐的排放量由式（6）計算。

式中：PECH4，y為項目在第y 年的厭氧消化罐甲烷排放量，t CO2；QCH4，y為甲烷重量，t；EFCH4，default為與處理方式相關的甲烷排放因子；GWPCH4為甲烷的全球溫升潛勢值，25。

2.4 項目泄漏量計算

項目的泄漏量由式（7）計算。

式中：LEy為項目泄漏量，t CO2；Qy為 第y 年的廢物處理量，t；EFCH4，y為與處理方式相關的甲烷排放因子；GWPCH4為甲烷的全球溫升潛勢值，25；GWPN2O為氧化亞氮的全球溫升潛勢值，298。

2.5 項目碳減排量計算

項目的碳減排量由式（8）計算。

式中：ERy為項目減排量，t CO2；BEy為項目的基準線排放量，t CO2；PEy為項目排放量，t CO2；LEy為項目泄漏量，t CO2。

3 結果與討論

3.1 項目基準線排放分析

項目的基準線排放包括SWDS 中產生的甲烷基準 線 排 放BECH4，y和 發(fā) 電 相 關 的 基 準 線 排 放BEEC，y，具體計算結果如下。

3.1.1 S DWS 中產生的甲烷基準線排放

SDWS 中產生的甲烷基準線排放按照式（2）計算，其中各參數(shù)取《IPCC 2006 年國家溫室氣體清單指南》中的缺省值，首先計算得到第1 年的污泥與餐廚的混合物在之后每年的基準線排放量。同樣的，分別計算每年新產生的混合物在其后逐年的基準線排放量。詳細計算結果見圖1。每一年SWDS 中的基準線排放都包括當年進入SWDS 的新鮮有機廢物產生的甲烷排放及之前各年份進入SWDS 的有機廢物在這一年釋放的甲烷。由圖1 可見，有機廢物進入SDWS 后，其溫室氣體的排放量呈現(xiàn)逐年下降的趨勢。另外，每一年的全部排放量是上升的，但是上升的幅度逐年下降，這是由有機廢物的分解速度逐漸下降所致。

圖1 S DWS 產生的基準線排放量（單位：t CO2）

3.1.2 電力產生的基準線排放

本項目位于華中地區(qū)，根據《2019 年度減排項目中國區(qū)域電網基準線排放因子》中的數(shù)據；EFgrid，OM，y為0.858 7 t CO2/MWh，EFgrid，BM，y為0.285 4 t CO2/MWh的容量邊際排放因子，ωOM和ωBM取默認權重值50%和50 %。再根據式（4）計算得到組合邊際排放因子FEEL，k，y為0.572 0。根據式（3）計算項目由電力生產造成的基準線排放。經過前期測算，項目投入運營后，在2023 年每日可產生3 600 m3富裕沼氣用于發(fā)電，全年可發(fā)電2 628 MWh，之后每年發(fā)電量按照污泥和餐廚的增長率進行計算，計算結果見表2。

表2 與電力生產相關的基準線排放

3.1.3 項目的總基準線排放

經過以上計算，得到了項目邊界內的SWDS 的甲烷基準排放量BECH4，y和電力產生的基準排放量BEEC，y，項目的基準排放量為二者之和，根據式（1），計算得到項目的逐年基準排放量BEy，結果見表3。

表3 項目的基準線排放

3.2 項目排放分析

項目排放包括項目用電量排放PEEC，y和項目厭氧消化池的甲烷排放量PECH4，y。

3.2.1 項目的用電量排放

由于本項目采用厭氧沼氣發(fā)電，因此按照方法學不產生額外的碳排放，因此本項目的用電量排放為0。

3.2.2 項目厭氧消化罐甲烷排放量

經過測算，項目在2023 年產生沼氣131.4 萬m3，折算為標準狀態(tài)，甲烷質量為526 t，再根據甲烷的全球升溫潛勢值折算碳排放量，結果見表4。

表4 項目厭氧消化罐的排放量

3.2.3 項目的排放

項目的排放為用電量排放和厭氧消化罐排放量之和，計算結果見表5。

表5 項目排放量

3.3 項目泄漏量分析

項目的泄漏量主要產生在厭氧沼渣的堆肥過程，沼渣經過脫水處理后，將含水率降低到60%，然后進行堆肥處理，經過測算，項目在2023 年投入運行后，當年可產生脫水沼渣16 983 t，沼渣按照5%的比例逐年增加，根據式（7）計算項目的泄漏量，結果見表6：

表6 項目泄露量

3.4 項目減排量分析

由式（8）計算項目的減排量，結果見圖2。由圖2可見，項目的減排量逐年上升，表示其減排效果逐年增強。

圖2 項目減排量

4 結 語

通過案例研究得出以下結論：

（1）本項目的減排量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，表明隨著該項目的投入運行，其碳減排的效果不斷增強，從2023 年至2035 年，項目共減排378 814 t CO2，平均每年減排29 140 t CO2。

（2）對碳減排貢獻最大的是SWDS 中的甲烷基準線排放，其值逐年上升，但是每年的增幅相比前一年呈現(xiàn)減少趨勢。

（3）對于該項目，泄漏量明顯高于厭氧消化罐的甲烷排放量，這主要是考慮了厭氧后沼渣在堆肥過程中CH4和N2O 的釋放，從進一步減少項目排放量的角度出發(fā)，有必要研究厭殘渣處理處置過程溫室氣體排放機制及減排技術，從而減少項目的總體排放量。