污泥水热碳化工艺生命周期评价

1 研究背景

随着城镇化、 工业化的高速发展以及人口的不断增长，工业废水与生活污水的排放量日益加大，环境污染问题日趋严重。如今，环境保护和可持续发展观念逐渐深入人心，人们对生存环境的质量要求也逐渐提高，污废水治理作为环境保护的一个重要组成部分，其治理力度也必将加大，城市污水处理过程中有大量剩余污泥产生。污水处理厂的建设投运伴随产生大量的剩余污泥，以含水率80％计，全国每年产生30～40mt 市政污泥，预计到2023 年市政污泥产量将达到90mt，因此，污泥处理问题被广泛关注。

2 污泥的危害与处理方法

2.1 污泥的来源污泥主要由以下几种来源：

（1）城市污水处理厂污泥：在污水处理厂处理污水的过程中，污水中的沉淀物质聚集以及无数表面的漂浮物共同组成固液混合物。

（2）城市自来水厂污泥：在自来水厂净化水体的同时会产生沉淀物和漂浮物。

（3）城市排水管道污泥：在城市排水管道中的沉淀物聚集产生。

（4）河湖疏浚污泥：河湖疏浚工程中在污染河流、湖泊中清理出沉积的污泥。

2.2 污泥的危害（1）污泥中较高的含水率

一般的情况下，污泥的含水率通常高达 80% ，含水率较高污泥会呈流体，从而污泥的体积就会增大，并且污泥中的有毒有害物质因为其较高的含水率容易被雨水冲刷并携带如水体中，对土壤、地表和地下水源造成威胁。

（2）污泥中富含植物性营养元素

污泥中存在大量的氮、磷、钾等植物性营养元素、微量元素以及有机质、腐植质等。N、P、K元素都是植物生长所必须的营养物质，如果大量的N、P 等植物营养元素进入封闭或者半封闭的水环境，会造成富营养化，从而导致水体中的藻类和浮游生物大量繁殖，进而降低水的含氧量和水体的透明度，最终导致大量的水生生物死亡，水质变差，给水环境造成污染。因此，在处置污泥时应当考虑污泥中所富含的N、P 等元素可能给水体带来的水体污染等问题。

（3）污泥中含有重金属

污泥中含有Hg、Zn、Cu 等重金属离子。在工业废水的处理过程中，重金属通过微生物的生命活动进入到污泥中，进入到污泥中的重金属含量高达总量的 50%-90%_< 。污泥中的多种重金属拥有可生物富集和难降解等特点，经过各种方式进入到自然环境中，并且在植物的体内累计，从而对环境和人体造成损害。同时受到重金属污染的土壤会受到损害，从而失去价值，只能就种植品种来调节，因此再利用土壤之前要对污泥进行必要的处理措施。

2.3 现行的污泥处理方法

（1）土地填埋

土地填埋在我国是最常见的污泥处理方法。土地填埋可以将城市污泥和城市生活垃圾等进行地下填埋，其优势在于技术简单、投资小、操作方便，是最早的污泥处理技术。但是，土地填埋会给土地资源带来一定的危害，在未经过处理的污泥中含有大量的重金属、病原菌等有毒有害物质，这些有毒有害物质经过植物的吸附作用进行富集，从而对植物造成危害。

（2）焚烧法

焚烧法处理污泥可以有效地对污泥进行无害化处理，污泥焚烧是通过对污泥提供氧气并加热，在高温下进行氧化热解，彻底破坏污泥中有机物和病原体的结构。污泥燃烧处理的优点在于处理速度快、处理数量大、节约土地资源并且处理后的残渣可回收等。但是污泥的含水率较高，在进行焚烧处理前要进行干化处理，干化处理的耗能较大。

（3）土地利用

污泥土地利用包括农业利用、绿地利用、森林利用和土地恢复。将污泥作为园林、森林土壤，有效的改善了土地的肥效，利用植物吸收转移重金属和有机污染物，使其对人类的危害减小。同时污泥中的微生物可以土地熟化，加快植被的恢复，如果将污泥使用到盐碱地或者沙化土地中，在增加肥效的同时还可以起到防止水土流失的作用。

3 污泥水热碳化技术的原理与特点

水热碳化工艺原理：污泥在密闭的容器中加热，达到一定的温度和压力时，污泥中的微生物细胞便会解体破裂，细胞内的水分被释放出来，如图1 所示，进而提高了污泥的沉降性能和脱水性能。热解后经过脱水浓缩后进行水热碳化处理，水热碳化反应后，水热碳的C 含量得到明显的提升，O含量明显下降，水热炭的H/C、O/C 原子比降低，能量密度增加，水热炭的热值上升，其热值与褐煤相当，可以单独燃烧也可以与褐煤混合燃烧，与此同时生成二氧化碳等气体。

图1 污泥热解过程

图2 污泥水热碳化处理工艺流程污泥水热碳化的工艺路线：

（1）污泥预处理：收集污泥（常规工艺下一般排放的污泥含水率为 80% ），在混合罐内将污泥充分搅拌并且预热。

（2）污泥泵送：将充分搅拌预热的污泥从混合罐匀速泵送入反应器。

（3）污泥水热炭化反应：在加温加压状态下，添加适当的催化剂，反应器中的污泥被裂解、炭化，并释放水、 ∴ 、热能。与此同时回收利用反应过程所产生的热能

（4）冷凝／热交换：反应后的余热经过利用对污泥进行预热（5）碳质液脱水：降温后的碳质液经过机械脱水或重力脱水，产生的生物炭含水率约为 30% 。

（6）废水回收：反应过程所产生的水经处理后可以安全排入水处理管网。

4 污泥水热碳化工艺全生命周期评价模型

4.1 生命周期清单分析方法（1） 基于过程的生命周期清单分析

过程清单分析是生命周期分析中最常见的分析方法，在系统边界范围内划分各单元过程，用流程图来表示各个单元之间的资源输入与输出，根据不同单元过程中的产品流通关系，建立环境负荷清单

（2） 基于经济投入产出的生命周期清单分析

利用经济投入与产品产出量之间的计算环境负荷的清单分析方法。经济通入清单分析法通常以某一有经济价值的系统作为分析对象，以货币流通情况表征系统内各产业部门间的产品生产与消耗关系，根据系统产品净产出与生产单位产品资源消耗和环境排放强度计算系统总环境负荷。

（3） 混合生命周期清单分析

Treloar 等研究者综合过程分析清单方法和经济投入产出清单分析方法，建立混合生命周期清单分析方法。混合清单分析方法减少了过程分析的积累误差和经济分析的截断误差，具有宏观性和微观性相结合的特点。但是混合生命周期使用与比较复杂的系统并依赖与经济投入产出列表，缺乏相应的数据库。

4.2 生命周期环境影响评价方法

LCA 的生命周期影响评价（Life Cycle Impact Assessment）阶段是指评估环境资源和 LCI 过程中已识别排放物的潜在人类健康和环境影响。将清单数据进一步与环境影响联系起来，让非专业的环境管理决策者更容易理解。一般将影响评价定为一个“三步走”的模型，即分类、特征化和加权。其中分类和特征为必要因素，归一、分组加权为选择性要素。LCIA 的目标是从环境的角度，使用影响种类和与 LCI 结果相关的种类指数检验生产系统。

4.3 生命周期结果解释

结果解释（Results and Explanation）是指系统技术识别、量化、检验和评估清单分析和环境影响结果，并且有效地进行交流使用。生命周期解释的目的是根据生命周期评价的前几个阶段或生命周期清单分析研究的发现，以透明的方式来分析结果，形成结论，解释局限性，提出建议。

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