CN115831238A - 一种基于碳溯源的污泥碳排放因子核算模型 - Google Patents

Abstract

本发明的一种基于碳溯源的污泥碳排放因子核算模型(Fossil Carbon in Sludge模型，简称FCS模型)，立足污泥处理实际情况，舍弃政府间气候变化专门委员会国家温室气体排放清单编制指南中将污泥中化石碳占比取为缺省值0的做法，利用放射性碳测年法测定原始污泥中的化石碳比例，并创新性地提出了基于碳溯源的污泥深度脱水+应急填埋、厌氧消化+土地利用、好氧发酵+土地利用三种场景下的直接碳排放量核算方法，进而完善四种主流污泥处理处置情景下的碳排放因子核算方法，较现有碳排放核算模型可有效提高污泥处理路径碳排放因子的核算精确度。该发明可为度量污泥处理碳排放因子变化和环境影响提供方法指导，为制定和优化污泥低碳环保处置路径提供有效建议。

Description

一种基于碳溯源的污泥碳排放因子核算模型

技术领域

本发明涉及污泥处理处置方法技术领域，具体涉及一种基于碳溯源的污泥碳排放因子核算模型。

背景技术

污泥是污水处理时产生的伴生物，具有“资源”和“污染源”的双重属性，其不仅含有丰富的有机物(约60％)、植物营养元素等，还有重金属等污染物。如处置不当，极易腐化滋生病菌，造成水污染和重金属污染，威胁人类生活和生态环境。

污泥处理时需要输入电力、热力等二次能源和药剂来破坏污泥的絮状结构以降低污泥含水率。生产这些二次能源和药剂时需要消耗煤炭等化石能源，产生碳排放。并且污泥中的有机质在微生物降解和焚烧时也会产生CH₄、CO₂、N₂O等温室气体。

污泥处理遵循“减量化、无害化、资源化”的原则。目前我国有四种主流污泥处理技术：干化焚烧+灰渣综合利用、深度脱水+应急填埋、厌氧消化+土地利用、好氧发酵+土地利用，现阶段污泥处置以填埋为主。根据现有研究，污泥填埋处置碳排放水平最高，厌氧消化碳排放水平较低甚至是负碳。在“双碳”战略布局下，污泥处理处置将逐渐向可持续的碳中和甚至碳汇模式发展。因此，为给污泥碳减排提供有效的数据支撑，污泥处理处置碳排放的准确度量成为一项重要的基础工作。

目前污泥处理处置碳排放核算方法主要采用政府间气候变化专门委员会(IPCC)国家温室气体排放清单编制指南(以下简称IPCC指南)提供的方法，其原理为废弃物焚烧时核算N₂O和化石碳产生的CO₂以及废弃物处理场所中核算有机质厌氧条件下分解释放的CH₄。从碳溯源角度看，IPCC指南中认为污泥有机碳来自煤、石油等化石能源的含量很少，可以忽略不计，这部分有机碳被称为化石碳或矿物碳(Fossil Carbon，简称FC)；大部分有机碳来自原生态下的自然生活原料(如蔬菜水果)，这部分碳被称为生物碳或现代碳(BiogenicCarbon，简称 BC)，由这部分碳产生的CO₂被认为是与生物质进行光合作用所捕获的CO₂相平衡的。因此现有碳排放核算模型大多采用IPCC指南中污泥化石碳比例的缺省值0代入核算。然而随着以石油化工产品为主要制造原料的食品添加剂、洗涤剂、药品等的大量使用，污泥中的化石碳含量不容小觑。污泥实际焚烧时还会产生一定量的CH₄。因此，IPCC指南中根据缺省值核算污泥的碳排放量不够准确。所以准确测定污泥中的化石碳比例，构建一种基于碳溯源的不同污泥处理处置场景下的碳排放核算模型，即Fossil Carbon in Sludge模型(以下简称FCS模型)，为制定污泥低碳环保处置路径提供有效建议，是非常必要的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有污泥碳排放核算模型的不足，构建一种基于碳溯源的污泥碳排放因子核算模型(FCS模型)。该模型在IPCC指南提供的核算方法的基础上进一步改善，针对四种污泥处理处置场景：干化焚烧+灰渣综合利用、深度脱水+应急填埋、厌氧消化+土地利用、好氧发酵+土地利用，分别从直接碳排放、间接碳排放和碳补偿三大层次核算碳排放因子，解决了现有碳排放核算模型中忽视化石碳的问题。该模型可为污泥处理处置路径制定和优化提供数据支撑，并为度量污泥处理碳排放因子变化和环境影响提供方法指导。

一种基于碳溯源的污泥碳排放因子核算模型，用于计算四种主流污泥处理处置场景下的碳排放因子。碳排放因子EF等于单位干基污泥的净碳排放量，即污泥净碳排放量E除以污泥干基质量M_d。净碳排放量E等于直接碳排放量E₁加间接碳排放量E₂减去碳补偿量E₃。污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的碳排放因子EF_SI等于净碳排放量E_SI除以污泥干基质量M_d，E_SI等于污泥有机质焚烧引起的直接碳排放量E_SI1加该场景下电耗、热耗引起的间接碳排放量E_SI2并扣除替代标煤和灰渣综合利用的碳补偿量E_SI3；深度脱水+应急填埋场景下的碳排放因子EF_LF等于净碳排放量E_LF除以污泥干基质量M_d，E_LF等于该场景下污泥有机质分解产生的直接碳排放量E_LF1加该场景下电耗、药耗引起的间接碳排放量E_LF2并扣除填埋气回收利用的碳补偿量E_LF3；厌氧消化+土地利用场景下的碳排放因子EF_AD等于净碳排放量E_AD除以污泥干基质量M_d，E_AD等于该场景下污泥有机质厌氧消化和土地利用时产生的直接碳排放量E_AD1加该场景下电耗、药耗引起的间接碳排放量E_AD2并扣除土地利用的碳补偿量E_AD3；好氧发酵+土地利用场景下的碳排放因子EF_AC等于净碳排放量E_AC除以污泥干基质量M_d，E_AC等于该场景下污泥有机质好氧发酵和土地利用时产生的直接碳排放量E_AC1加电耗引起的间接碳排放量E_AC2并扣除该场景下土地利用的碳补偿量E_AC3。因此，四种污泥处理处置场景的碳排放因子核算如下：

A、污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的碳排放因子核算如下：

式中EF_SI为污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的碳排放因子tCO₂/tDS；E_SI为污泥干化焚烧+ 灰渣综合利用场景下的净碳排放量tCO₂；M为进入污泥焚烧炉焚烧的干化污泥质量t；dm为污泥干基质量占比tDS/(t干化污泥)；

E_SI＝E_SI1+E_SI2-E_SI3 (2)

式中E_SI1为污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的直接碳排放量tCO₂；E_SI2为污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的间接碳排放量tCO₂；E_SI3为污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的碳补偿量tCO₂；

而且，污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的直接碳排放量E_SI1来自有机质焚烧排放的CO₂、 CH₄、N₂O，故其核算公式如下：

式中E_SI1，CO2为污泥化石碳焚烧产生的CO₂排放量tCO₂；E_SI1，CH4为污泥焚烧产生的CH₄排放量tCH₄； GWP_CH4为CH₄的100年全球增温潜势，取25tCO₂/tCH₄；GWP_N2O为N₂O的全球增温潜势，取 298tCO₂/tN₂O；CF为干基污泥中的碳含量比例；X_f为污泥总有机碳中的化石碳比例；OF为污泥焚烧的碳氧化率，即碳在燃烧过程中被氧化成二氧化碳的比率；44/12为碳与二氧化碳的换算系数；EF_SI1，CH4为污泥焚烧CH₄排放因子，取0.02425kgCH₄/tDS；EF_SI1，N2O为污泥焚烧N₂O排放因子，取0.99kgN₂O/tDS；

在焚烧炉中污泥和煤掺烧，假设焚烧炉内污泥和煤的碳氧化率相同，故污泥焚烧碳氧化率OF的计算公式如下：

式中G_渣为炉渣产量t；C_渣为炉渣含碳量％；G_灰为飞灰产量t；C_灰为飞灰含碳量％；η_除尘为除尘系统平均除尘效率％；FC_混合为污泥和煤消耗量之和t；NCV_混合为污泥与煤混合后的平均低位发热量kJ/kg；CC_混合为污泥和煤混合后的单位热值含碳量，tC/TJ；

而且，污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的间接碳排放量E_SI2由污泥热干化时消耗热量以及污泥热干化、污泥焚烧等主要用电环节耗电产生，故其核算公式如下：

式中E_{SI2，热干化}为污泥热干化产生的间接碳排放量tCO₂；E_SI2，电耗为污泥焚烧处置方式下主要用电环节耗电产生的间接碳排放量tCO₂；Q_热干化为用于污泥热干化消耗的蒸汽携带的热量kJ；q_标煤为标准煤热值29.27MJ/kg；η_干燥机为污泥干燥机的热效率％；EF_标煤为标准煤的碳排放因子2.493tCO₂/tce；M_S为进入污泥干燥机的湿污泥处理量t；TS为湿污泥含固率tDS/(t湿污泥)； W_{E，热干化}为污泥热干化单位耗电量MWh/tDS，取0.05MWh/tDS；W_E，焚烧为污泥焚烧单位耗电量 MWh/tDS，取0.4MWh/tDS；EF_电耗为电力碳排放因子tCO₂/MWh；

而且，污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的碳补偿量E_SI3来自污泥焚烧替代标煤和灰渣综合利用(如替代水泥熟料)，故其核算公式如下：

E_SI3＝E_{sI3，替代标煤}+E_{SI3，灰渣利用} (6)

＝B·EF_标煤+M_灰渣·EF_灰渣

式中E_{SI3，替代标煤}为污泥焚烧替代标煤产生的碳补偿量tCO₂；E_{SI3，灰渣利用}为污泥焚烧后的灰渣进行综合利用产生的碳补偿量tCO₂；B为污泥焚烧替代的标煤量t；M_灰渣为污泥焚烧产生的灰渣质量 t；EF_灰渣为灰渣综合利用的碳排放因子，取0.52tCO₂/(t灰渣)。

B、污泥深度脱水+应急填埋场景下的碳排放因子核算如下：

式中EF_LF为污泥深度脱水+应急填埋场景下的碳排放因子tCO₂/tDS；E_LF为污泥深度脱水+应急填埋场景下的净碳排放量tCO₂；

E_LF＝E_LF1+E_LF2-E_LF3 (8)

式中E_IFl为污泥深度脱水+应急填埋场景下的直接碳排放量tCO₂；E_LF2为污泥深度脱水+应急填埋场景下的间接碳排放量tCO₂；E_LF3为污泥深度脱水+应急填埋场景下的碳补偿量tCO₂；

而且，污泥在填埋场中以厌氧消化为主，总有机碳中的化石碳降解率为12％，生物碳降解率为54％，有机质在微生物降解作用下产生填埋气，以CH₄和CO₂为主，分别为60％和40％，填埋气逸散于大气中，导致产生直接碳排放量E_LFl，故其核算公式如下：

式中E_LF1，CH4为污泥在填埋场产生的CH₄排放量tCH₄；E_LF1，CO2为污泥在填埋场产生的CO₂排放量tCO₂； TOC为污泥干基中的总有机碳含量％；DR_f为化石碳降解率，取12％；X_b为污泥总有机碳中的生物碳比例；DR_b为生物碳降解率，取54％；R_CH4为填埋气中CH₄占比，取60％；R_CO2为填埋气中CO₂占比，取40％；

而且，污泥在填埋之前需进行深度脱水，会产生电耗和药耗，导致间接碳排放，常用的污泥调理剂为聚丙烯酰胺PAM、FeCl₃、CaO，经深度脱水后泥饼含水率为45％-60％，故该场景下的间接碳排放量E_LF2核算如下：

式中E_LF2，电耗为污泥深度脱水过程中因耗电产生的间接碳排放量tCO₂；E_LF2，药耗为污泥深度脱水过程中因药耗产生的间接碳排放量tCO₂；W_{E，深度脱水}为深度脱水时单位干基污泥的耗电量MWh/tDS，取0.125MWh/tDS；W_{i，M，深度脱水}为深度脱水时单位干基污泥的药耗量，t/tDS，其中PAM、FeCl₃、 CaO投加量分别为1％、6％、10％；EF_i，药耗为药剂碳排放因子，PAM、FeCl₃、CaO的碳排放因子分别为25tCO₂/(tPAM)、8.3tCO₂/(tFeCl₃)、1.4tCO₂/(tCaO)；

而且，由于我国污泥填埋场大多为厌氧填埋场，且无专门的填埋气收集装置，导致大量温室气体无组织泄露，因此污泥填埋处置方式中假设甲烷回收率为0，即污泥填埋没有产生碳补偿，故污泥填埋的碳补偿量E_LF3核算如下：

E_LF3＝0 (11)

C、污泥厌氧消化+土地利用场景下的碳排放因子核算如下：

式中EF_AD为污泥厌氧消化+土地利用场景下的碳排放因子tCO₂/tDS；E_AD为污泥厌氧消化+土地利用场景下的净碳排放量tCO₂；M_调质为污泥调质后的质量t；TS’为污泥调质后的含固率tDS/ (t调质污泥)；

E_AD＝E_AD1+E_AD2-E_AD3 (13)

式中E_ADl为污泥厌氧消化+土地利用场景下的直接碳排放量tCO₂；E_AD2为污泥厌氧消化+土地利用场景下的间接碳排放量tCO₂；E_AD3为污泥厌氧消化+土地利用场景下的碳补偿量tCO₂；

而且，厌氧消化对污泥含水率要求较高，需调质至90％，厌氧消化时污泥总有机碳中化石碳的降解率为12％，生物碳的降解率为54％；污泥厌氧消化产生的沼气主要成分是CH₄和CO₂，分别占比60％和40％，沼气部分泄露产生直接碳排放；厌氧消化后的沼渣制成泥饼在土地利用时生物降解也会产生直接碳排放；故污泥厌氧消化+土地利用场景下的直接碳排放量E_AD1核算如下：

式中E_AD1,降解为污泥有机质厌氧消化泄露的CH₄和CO₂的碳排放当量tCO_2e；E_{AD1,土地利用}为泥饼用作肥料覆土时有机质降解产生的直接碳排放量tCO₂；

为沼气泄露率；R_CH4’为沼气中CH₄占比，取60％；R_CO2’为沼气中CO₂占比，取40％；16/12为碳和甲烷的转换系数；M_泥饼为污泥沼渣进行机械脱水后的泥饼质量t；TS_泥饼为污泥泥饼含固率tDS/(t泥饼)；EF_LU,CH4为污泥泥饼土地利用CH₄排放因子，典型值取为0.02kgCH₄/tDS；EF_LU,N2O为污泥泥饼土地利用N₂O排放因子，取 0.0011kgN₂O/tDS；

而且，污泥在厌氧消化后需经过机械脱水至含水率为60％，制成泥饼，消耗的药剂主要是FeCl₃和CaO，产生电耗和药耗；故污泥厌氧消化+土地利用场景下的间接碳排放量E_AD2核算如下：

式中E_AD2,电耗为污泥沼渣机械脱水过程中因电耗产生的间接碳排放量tCO₂；E_AD2,药耗为污泥沼渣机械脱水过程中因药耗产生的间接碳排放量tCO₂；M_S’为厌氧消化后污泥沼渣的质量t；TS”为厌氧消化后污泥沼渣的含固率tDS/(t沼渣)；W_{E,机械脱水}为污泥沼渣机械脱水单位耗电量kW·h/tDS，取50kWh/tDS；W’_{i,M,机械脱水}为污泥机械脱水单位药耗量t/tDS，其中FeCl₃、CaO投加量分别为 3％和5％；

而且，污泥厌氧消化处置以两种方式产生碳补偿量：一是沼气利用，二是厌氧消化后的沼渣经过机械脱水以泥饼的形式用做园林覆土或园林用有机肥等；故污泥厌氧消化+土地利用场景下的碳补偿量E_AD3核算如下：

式中E_AD3,沼气为污泥厌氧消化沼气利用产生的碳补偿量tCO₂；E_{AD3,土地利用}为污泥沼渣制成的泥饼替代肥料产生的碳补偿量tCO₂；P_沼气为污泥厌氧消化的沼气产量m³；q_沼气为沼气热值21520MJ/m³；λ_AD为沼气热能回收率，取45％；W_AD,N为干基泥饼中的氮含量，取0.0621tN/tDS；EF_尿素为尿素的碳排放因子，2.041tCO₂/tN。

D、污泥好氧发酵+土地利用场景下的碳排放因子核算如下：

式中EF_AC为污泥好氧发酵+土地利用场景下的碳排放因子tCO₂/tDS；E_AC为污泥好氧发酵+土地利用场景的净碳排放量tCO₂；

E_AC＝E_AC1+E_AC2-E_AC3 (18)

式中E_AC1为污泥好氧发酵+土地利用场景下的直接碳排放量tCO₂；E_AC2为污泥好氧发酵+土地利用场景下的间接碳排放量tCO₂；E_AC3为污泥好氧发酵+土地利用场景下的碳补偿量tCO₂；

而且，污泥在好氧发酵过程将大部分可降解有机碳DOC转化为CO₂和腐殖质，产生的直接碳排放主要来自发酵产生的CO₂、局部厌氧消化产生的CH₄、硝化和反硝化过程中产生的N₂O，并且好氧发酵后的腐熟料在土地利用时有机质生物降解也会产生直接碳排放；故污泥好氧发酵时有机质降解和土地利用产生的直接碳排放量E_AC1核算如下：

式中E_AC1，CH4为湿污泥好氧发酵过程中局部厌氧产生的CH₄排放量tCH₄；E_AC1，N20为湿污泥好氧发酵过程中产生的N₂O排放量tN₂O；E_AC1，CO2为湿污泥好氧发酵过程中直接产生的CO₂排放量tCO₂； E_{AC1，土地利用}为污泥腐熟料进行土地利用时降解产生的CO₂排放量tCO₂；EF_AC1，CH4为污泥好氧发酵局部厌氧CH₄排放因子，取0.2kg/(t湿污泥)；EF_AC1，N2O为污泥好氧发酵N₂O排放因子，0.6kgN₂O/tDS； DOC为可降解有机碳含量tC/tDS，取15％；DOC_F为经过异化的可降解有机碳的比例，取0.67； M_腐熟料为污泥好氧发酵后的腐熟料的质量t；TS_熟料为污泥腐熟料的含固率tDS/(t腐熟料)； EF_LU，CH4为腐熟料土地利用CH₄排放因子，典型值取为0.02kgCH₄/tDS；EF_LU，N20为腐熟料土地利用 N₂O排放因子，典型值取为0.0011kgN₂O/tDS；

而且，污泥在好氧发酵后无需脱水即可进行土地利用，避免污泥调理剂的大量使用，因此该场景下主要是电耗产生的间接碳排放量E_AC2，核算如下：

E_AC2＝E_AC2，电耗 (20)

＝M_S·TS·W_{E，好氧发酵}·EF_电耗

式中E_AC2，电耗为污泥好氧发酵过程中因电耗产生的间接碳排放量tCO₂：W_{E，好氧发酵}为污泥好氧发酵过程中的单位耗电量，取0.06MW·h/tDS；

而且，污泥好氧发酵后产生的腐熟料可用做园林覆土或园林用有机肥，替代肥料而产生碳补偿量E_AC3，核算公式如下：

E_AC3＝M_腐熟料·W_AC，N·EF_尿素 (21)

式中W_AC，N为腐熟料中的氮含量，取0.05tN/(t腐熟料)；EF_尿素为尿素的碳排放因子，2.041tCO₂/tN。

本发明的先进之处和有益效果是：

本发明的一种基于碳溯源的污泥碳排放因子核算模型，即FCS模型，以化石碳比例、生物碳比例、化石碳降解率、生物碳降解率、沼气泄露率等以及灰渣、标煤、尿素等碳排放因子缺省值为主要参数，以污泥干化焚烧+灰渣综合利用的碳排放因子EF_SI、深度脱水+应急填埋的碳排放因子EF_LF、厌氧消化+土地利用的碳排放因子EF_AD、好氧发酵+土地利用的碳排放因子EF_AC为研究对象，综合比较污泥四种主流处理场景的碳排放水平。

本发明的一种基于碳溯源的污泥碳排放因子核算模型，立足污泥处理实际情况，舍弃IPCC 指南中将污泥中化石碳占比取为缺省值0的做法，利用放射性碳测年法测定原始污泥中的化石碳比例，并创新性提出了基于碳溯源的污泥深度脱水+应急填埋、厌氧消化+土地利用、好氧发酵+土地利用三种场景下的直接碳排放量计算方法，并从直接碳排放、间接碳排放和碳补偿三大层次完善四种主流污泥处理处置情景下的碳排放因子核算方法，解决了现有碳排放核算模型中忽视化石碳的问题，使其涵盖范围更加全面和准确，较现有碳排放核算模型可有效提高污泥处理路径碳排放因子的精确度。该发明可为度量污泥处理碳排放因子变化和环境影响提供方法指导，为制定和优化污泥低碳环保处置路径提供有效建议。

附图说明

图1为四种污泥主流处理处置路径的碳排放源及排放边界分析；

图2为碳14循环原理图；

图3污泥制备石墨样品的流程图；

图4为石墨样品在加速器质谱仪中进行碳14测定的流程图；

图5为FCS模型与现有模型下污泥四种主流处理处置方式的碳排放因子比较；

图6为FCS模型下不同污泥处理处置环节碳排放因子；

图7为FCS模型下四种敏感因子对碳排放因子的相关性分析；

图8为FCS模型下典型污泥化石碳比例对碳排放因子的影响。

具体实施方式

为进一步阐述本发明的内容、特点和应用效果，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下。需说明的是，本实施例是描述性的而非限定性，不能由此限定本发明的保护范围。

本发明所采用的技术方案是，一种基于碳溯源的污泥碳排放因子核算模型，即FCS模型，根据四种污泥主流处理处置特点，从直接碳排放、间接碳排放和碳补偿三大层次识别碳排放源并标注污泥各处理环节中释放的主要温室气体的类型。从污泥碳溯源的角度出发，仅核算化石碳转化而来的CO₂、化石碳和生物碳转化而来的CH₄以及氮元素转化而来的N₂O，而生物碳转化而来的CO₂与形成生物碳时从大气吸收的CO₂相中和，因此不纳入核算范围中。如图1和表1分析了四种污泥主流处理处置路径的碳排放源及排放边界。

表1四种污泥主流处理处置路径的碳排放源

结合碳排放源和排放边界分析，四种主流污泥处理处置场景下的碳排放因子EF等于净碳排放量E除以污泥干基质量M_d，净碳排放量E等于直接碳排放量E₁加间接碳排放量E₂减去碳补偿量E₃。具体为：污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的碳排放因子EF_SI等于净碳排放量E_SI除以污泥干基质量M_d，E_SI等于污泥有机质焚烧引起的直接碳排放量E_SI1加该场景下电耗、热耗引起的间接碳排放量E_SI2并扣除节省标煤和灰渣综合利用的碳补偿量E_SI3；深度脱水+应急填埋场景下的碳排放因子EF_LF等于净碳排放量E_LF除以污泥干基质量M_d，E_LF等于该场景下污泥有机质分解产生的直接碳排放量E_LF1加该场景下电耗、药耗引起的间接碳排放量E_LF2并扣除填埋气回收利用的碳补偿量E_LF3；厌氧消化+土地利用场景下的碳排放因子EF_AD等于净碳排放量E_AD除以污泥干基质量M_d，E_AD等于该场景下污泥有机质厌氧消化和土地利用时产生的直接碳排放量E_AD1加该场景下电耗、药耗引起的间接碳排放量E_AD2并扣除土地利用的碳补偿量E_AD3；好氧发酵+土地利用场景下的碳排放因子EF_AC等于净碳排放量E_AC除以污泥干基质量M_d，E_AC等于该场景下污泥有机质好氧发酵和土地利用时产生的直接碳排放量E_AC1加电耗引起的间接碳排放量E_AC2并扣除该场景下土地利用的碳补偿量E_AC3。因此，四种污泥处理处置场景的碳排放因子核算如下：

1一种基于碳溯源的污泥碳排放因子核算模型(FCS模型)的核心核算公式为：

EF＝E/M_d

式中EF为碳排放因子tCO₂/tDS；E为净碳排放量tCO₂；M_d为污泥干基耗量tDS；

E＝E₁+E₂-E₃

式中E₁为直接碳排放量tCO₂；E₂为间接碳排放量tCO₂；E₃为碳补偿量tCO₂。

1.1污泥干化焚烧+灰渣综合利用的碳排放因子(EF_SI)

式中EF_SI为污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的碳排放因子tCO₂/tDS；E_SI为污泥干化焚烧+ 灰渣综合利用场景下的净碳排放量tCO₂；M为进入污泥焚烧炉焚烧的干化污泥质量t；dm为污泥干基质量占比tDS/(t干化污泥)；

E_SI＝E_SI1+E_SI2-E_SI3

式中E_SI1为污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的直接碳排放量tCO₂；E_SI2为污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的间接碳排放量tCO₂；E_SI3为污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的碳补偿量tCO₂。

(1)污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的直接碳排放量(E_SI1)

式中E_SI1，CO2为污泥化石碳焚烧产生的CO₂排放量tCO₂；E_SI1，CH4为污泥焚烧产生的CH₄排放量tCH₄； GWP_CH4为CH₄的100年全球增温潜势，取25tCO₂/tCH₄；GWP_N2O为N₂O的全球增温潜势，取 298tCO₂/tN₂O；CF为干基污泥的碳含量比例；X_f为污泥总有机碳中的化石碳比例；OF为污泥焚烧氧化率，即碳在燃烧过程中被氧化成二氧化碳的比率；44/12为碳与二氧化碳的换算系数；EF_SI1，CH4为污泥焚烧CH₄排放因子，取0.02425kgCH₄/tDS；EF_SI1，N2O为污泥焚烧N₂O排放因子，取0.99kgN₂O/tDS；

而且，在焚烧炉中污泥和煤掺烧，假设污泥和煤的碳氧化率相同，故污泥碳氧化率OF的计算公式如下：

式中G_渣为炉渣产量t；C_渣为炉渣含碳量％；G_灰为飞灰产量t；C_灰为飞灰含碳量％；η_除尘为除尘系统平均除尘效率％；FC_混合为污泥和煤消耗量之和t；NCV_混合为污泥与煤混合后的平均低位发热量kJ/kg；CC_混合为污泥和煤混合后的单位热值含碳量，tC/TJ。

(2)污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的间接碳排放量(E_SI2)

污泥热干化时产生热耗，并且热干化和焚烧环节需要消耗电力故该场景下的间接碳排放量核算如下：

式中E_{SI2，热干化}为污泥热干化消耗热量产生的间接碳排放量tCO₂；E_SI2，电耗为污泥焚烧处置方式下主要用电环节耗电产生的间接碳排放量tCO₂；Q_热干化为用于污泥热干化消耗的蒸汽携带的热量 kJ；q_标煤为标准煤热值29.27MJ/kg；η_干燥机为污泥干燥机的热效率；EF_标煤为标准煤的碳排放因子2.493tCO₂/tce；M_S为进入污泥干燥机的湿污泥处理量t；TS为湿污泥含固率tDS/(t湿污泥)；W_{E，热干化}为污泥热干化单位耗电量MWh/tDS，取0.05MWh/tDS；W_E，焚烧为污泥焚烧单位耗电量MWh/tDS，取0.4MWh/tDS；EF_电耗为电力碳排放因子tCO₂/MWh。

(3)污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的碳补偿量(E_SI3)

该场景下的碳补偿量E_SI3来自污泥焚烧替代标煤和灰渣综合利用(如替代水泥熟料)，核算公式如下：

E_SI3＝E_{SI3，替代标煤}+E_{SI3，灰渣利用}

＝B·EF_标煤+M_灰渣·EF_灰渣

式中E_SI3，标煤为污泥焚烧替代标煤产生的碳补偿量tCO₂；E_{SI3，灰渣利用}为污泥焚烧后的灰渣进行综合利用产生的碳补偿量tCO₂/年；B为污泥焚烧替代的标煤量t；M_灰渣为污泥焚烧产生的灰渣质量t；EF_灰渣为灰渣综合利用的碳排放因子，取0.52tCO₂/(t灰渣)。

1.2污泥深度脱水+应急填埋的碳排放因子(EF_LF)

式中EF_LF为污泥深度脱水+应急填埋场景下的碳排放因子tCO₂/tDS；E_IF为污泥深度脱水+应急填埋场景下的净碳排放量tCO₂；

E_LF＝E_LF1+E_LF2-E_LF3

式中E_IF1为污泥深度脱水+应急填埋场景下的直接碳排放量tCO₂；E_IF2为污泥深度脱水+应急填埋场景下的间接碳排放量tCO₂；E_IF3为污泥深度脱水+应急填埋场景下的碳补偿量tCO₂。

(1)污泥深度脱水+应急填埋的直接碳排放量(E_LF1)

污泥深度脱水后进行应急填埋，其中的有机质在微生物降解作用下产生填埋气，以CH₄和CO₂为主，取为60％和40％。填埋场中的污泥以厌氧消化为主，总有机碳中的化石碳降解率为12％，生物碳降解率为54％，填埋气逸散于空气中，导致产生直接碳排放量E_LF1，故核算公式如下：

式中E_LF1，CH4为污泥在填埋场产生的CH₄排放量tCH₄；E_LF1，CO2为污泥在填埋场产生的CO₂排放量tCO₂； TOC为污泥干基中的总有机碳含量％；DR_f为化石碳降解率，取12％；X_b为污泥总有机碳中的生物碳比例；DR_b为生物碳降解率，取54％；R_CH4为填埋气中CH₄占比，取60％；R_CO2为填埋气中CO₂占比，取40％。

(2)污泥深度脱水+应急填埋的间接碳排放量(E_LF2)

污泥在填埋之前需进行深度脱水，会产生电耗和药耗，导致间接碳排放量，常用的污泥调理剂为聚丙烯酰胺PAM、FeCl₃、CaO，经深度脱水后泥饼含水率为45％-60％，故污泥填埋的间接碳排放量E_LF2核算公式如下：

E_LF2＝E_LF2，电耗+E_LF2，药耗

＝M_S·TS·W_{E，深度脱水}·EF_电耗+M_S·TS·∑_iW_{i，M，深度脱水}·EF_i，药耗

式中E_LF2，电耗为污泥深度脱水过程中因耗电产生的间接碳排放量tCO₂；E_LF2，药耗为污泥深度脱水过程中因药耗产生的间接碳排放量tCO₂；W_{E，深度脱水}为深度脱水时单位干基污泥的耗电量MWh/tDS，取0.125MWh/tDS；W_{i，M，深度脱水}为深度脱水时单位干基污泥的药耗量，t/tDS，其中PAM、FeCl₃、 CaO投加量分别为1％、6％、10％；EF_i，药耗为药剂碳排放因子，PAM、FeCl₃、CaO的碳排放因子分别为25tCO₂/(tPAM)、8.3tCO₂/(tFeCl₃)、1.4tCO₂/(tCaO)。

(3)污泥深度脱水+应急填埋的碳补偿量(E_LF3)

由于我国污泥填埋场大多为厌氧填埋场，且无专门的填埋气收集装置，导致大量温室气体无组织泄露，因此污泥填埋处置方式中假设甲烷回收率为0，即污泥填埋没有产生碳补偿，故污泥填埋的碳补偿量核算如下：

E_LF3＝0

1.3污泥厌氧消化+土地利用场景下的碳排放因子(EF_AD)

式中EF_AD为污泥厌氧消化+土地利用场景下的碳排放因子tCO₂/tDS；E_AD为污泥厌氧消化+土地利用场景下的净碳排放量tCO₂；M_调质为污泥调质后的质量t；TS’为污泥调质后的含固率tDS/ (t调质污泥)；

E_AD＝E_AD1+E_AD2-E_AD3

式中E_AD为污泥厌氧消化+土地利用场景下的净碳排放量tCO₂；E_AD1为污泥厌氧消化+土地利用场景下的直接碳排放量tCO₂；E_AD2为污泥厌氧消化+土地利用场景下的间接碳排放量tCO₂；E_AD3为污泥厌氧消化+土地利用场景下的碳补偿量tCO₂。

(1)污泥厌氧消化+土地利用的直接碳排放量(E_AD1)

厌氧消化对污泥含水率要求较高，需调质至90％，泥总有机碳中化石碳的降解率为12％，生物碳的降解率为54％；污泥厌氧消化产生的沼气主要是CH₄和CO₂，分别占比60％和40％，沼气部分泄露产生直接碳排放；厌氧消化后的沼渣制成泥饼在土地利用时因生物分解也会产生直接碳排放；故污泥厌氧消化+土地利用场景下的直接碳排放量E_AD1核算如下：

式中E_AD1，降解为污泥有机质厌氧消化泄露的CH₄和CO₂的碳排放当量tCO_2e；E_{AD1，土地利用}为泥饼用作肥料覆土时有机质降解产生的直接碳排放量tCO₂；

为沼气泄露率；R_CH4’为沼气中CH₄占比，取60％；R_CO2’为沼气中CO₂占比，取40％；16/12为碳和甲烷的转换系数；M_泥饼为污泥沼渣进行机械脱水后的泥饼质量t；TS_泥饼为泥饼含固率tDS/(t泥饼)；EF_LU，CH4为污泥泥饼土地利用CH₄排放因子，典型值取为0.02kgCH₄/tDS；EF_LU，N2O为污泥泥饼土地利用N₂O排放因子，取 0.0011kgN₂O/tDS。

(2)污泥厌氧消化+土地利用的间接碳排放量(E_AD2)

污泥在厌氧消化后需经过机械脱水至含水率为60％，制成泥饼，消耗的药剂主要是FeCl₃和CaO，产生电耗和药耗；故污泥厌氧消化+土地利用场景下的间接碳排放量核算如下：

E_AD2＝E_AD2，电耗+E_AD2，药耗

＝M′_s·TS″·W_{E，机械脱水}·EF_电耗+M′_s·TS″·∑_iW′_{i，M，机械脱水}·EF_i，药耗

式中E_AD2，电耗为污泥沼渣机械脱水过程中因电耗产生的间接碳排放量tCO₂；E_AD2，药耗为污泥沼渣机械脱水过程中因药耗产生的间接碳排放量tCO₂；M_S’为厌氧消化后污泥沼渣的质量t；TS”为厌氧消化后污泥沼渣的含固率tDS/(t沼渣)；W_{E，机械脱水}为污泥沼渣机械脱水单位耗电量kW·h/tDS，取50kWh/tDS；W’_{i，M，机械脱水}为污泥机械脱水单位药耗量t/tDS，FeCl₃、CaO投加量分别为3％和 5％。

(3)污泥厌氧消化+土地利用的碳补偿量(E_AD3)

污泥厌氧消化处置以两种方式产生碳补偿量：一是沼气利用，二是厌氧消化后的沼渣经过机械脱水以泥饼的形式用做园林覆土或园林用有机肥等；故污泥厌氧消化+土地利用场景下的碳补偿量E_AD3核算如下：

式中E_AD3，沿气为污泥厌氧消化沼气利用产生的碳补偿量tCO₂；E_{AD3，土地利用}为污泥沼渣制成的泥饼替代肥料产生的碳补偿量tCO₂；P_沿气为污泥厌氧消化的沼气产量m³；q_沿气为沼气热值21520MJ/m³；λ_AD为沼气热能回收率，取45％；W_AD，N为干基泥饼中的氮含量，取0.0621tN/tDS；EF_尿素为尿素的碳排放因子，2.041tCO₂/tN。

1.4污泥好氧发酵+土地利用的碳排放因子(EF_AC)

式中EF_AC为污泥好氧发酵+土地利用场景下的碳排放因子tCO₂/tDS；E_AC为污泥好氧发酵+土地利用场景的净碳排放量tCO₂；

E_AC＝E_AC1+E_AC2-E_AC3

式中E_AC1为污泥好氧发酵+土地利用场景下的直接碳排放量tCO₂；E_AC2为污泥好氧发酵+土地利用场景下的间接碳排放量tCO₂；E_AC3为污泥好氧发酵+土地利用场景下的碳补偿量tCO₂。

(1)污泥好氧发酵+土地利用的直接碳排放量(E_AC1)

污泥在好氧发酵过程将大部分可降解有机碳DOC转化为CO₂和腐殖质，产生的直接碳排放主要来自发酵产生的CO₂、局部厌氧消化产生的CH₄、硝化和反硝化过程中产生的N₂O，并且好氧发酵后的腐熟料在土地利用时也会产生直接碳排放；故该场景下的直接碳排放量E_AC1核算公式如下：

式中E_AC1，CH4为湿污泥好氧发酵过程中局部厌氧产生的CH₄排放量tCH₄；E_AC1，N2O为湿污泥好氧发酵过程中产生的N₂O排放量tN₂O：E_AC1，CO2为湿污泥好氧发酵过程中直接产生的CO₂排放量tCO₂； E_{AC1，土地利用}为污泥腐熟料进行土地利用时降解产生的CO₂排放量tCO₂；EF_AC1，CH4为污泥好氧发酵局部厌氧CH₄排放因子，取0.2kg/(t湿污泥)；EF_AC1，N2O为污泥好氧发酵N₂O排放因子，0.6kgN₂O/tDS；DOC为可降解有机碳含量tC/tDS，取15％；DOC_F为经过异化的可降解有机碳的比例，取为0.67； M_腐熟料为污泥好氧发酵后的腐熟料的质量t；TS_腐熟料为腐熟料的含固率tDS/(t腐熟料)；EF_LU，CH4为腐熟料土地利用CH₄排放因子，典型值取为0.02kgCH₄/tDS；EF_LU，N2O为腐熟料土地利用N₂O排放因子，典型值取为0.0011kgN₂O/tDS。

(2)污泥好氧发酵+土地利用的间接碳排放量(E_AC2)

污泥在好氧发酵后无需脱水即可进行土地利用，避免了污泥调理剂的大量使用，因此该场景下主要是电耗产生的间接碳排放量，核算公式如下：

E_AC2＝E_AC2，电耗

＝M_S·TS·W_{E，好氧发酵}·EF_电耗

式中E_AC2，电耗为污泥好氧发酵过程中因电耗产生的间接碳排放量tCO₂：W_{E，好氧发酵}为污泥好氧发酵过程中的单位干基污泥的耗电量，取0.06MW·h/tDS。

(3)污泥好氧发酵+土地利用的碳补偿量(E_AC3)

污泥好氧发酵后产生的腐熟料可用做园林覆土或园林用有机肥，替代肥料而产生碳补偿，核算公式如下：

E_AC3＝M_腐熟料·W_AC，N·EF_尿素

式中W_AC，N为腐熟料中的氮含量，取0.05tN/(t腐熟料)；EF_尿素为尿素的碳排放因子，2.041tCO₂/tN。

1.5四种污泥主流处理处置场景的碳排放因子核算方法总结如下：

表2碳排放因子核算方法

2污泥元素分析、工业分析及热值测定如下：

四种原始污泥来自浙江省某污泥干化协同焚烧项目现场，其中，纺织印染污泥、制革污泥及工业污泥含水率相对低，湿基含水率分别为65.06％、64.40％和56.83％，且均呈深褐色；市政污泥含水率较高，湿基含水率为76.79％，呈黑色。在项目现场取样时，进入污泥干化系统的四种污泥混合比例为工业污泥：制革污泥：纺织印染污泥：市政污泥＝0.01：0.12：0.58： 0.29，因此混合污泥含水率在65％左右，经过干燥后，干污泥含水率在35％左右。四类污泥均有较浓的臭味。为使实验期间污泥原始含水率不发生较大的浮动，污泥均密封保存。

将四种原始污泥放至105℃烘箱中烘干48h，研磨。入炉时干污泥消耗量：原煤消耗量≈ 0.623：0.377。将四种原始污泥、混合污泥、煤和污泥混合样品分别进行工业分析、元素分析和热值测定，结果表3。

表3干燥污泥和煤混合样收到基工业分析、低位热值分析及元素分析汇总表

3化石碳比例测定过程及结果如下：

污泥中的有机碳是化石碳和生物碳的混合产物，其比例可通过放射性碳测年法测定，即检测¹⁴C的含量。¹⁴C的产生有两种形式，一是天然形成：由于宇宙辐射在大气中产生的中子与N、O、C的稳定同位素发生相互作用产生¹⁴C，¹⁴C与氧反应或与CO或CO₂分子中的稳定碳同位素发生交换反应而存在于CO₂中；二是通过核爆形成。现代生物在生长过程中吸收现代大气中的CO₂进行光合作用，通过光合作用和呼吸作用，生物质基来源的碳具有与现代大气平衡的同位素特征。当植物停止新陈代谢后，¹⁴C循环停止，滞留在植物体内的¹⁴C经过衰变后含量逐渐减少(如图2)。¹⁴C的半衰变为5730年，而化石燃料(煤、石油、天然气)通常经历几百万年形成，因此化石燃料中的¹⁴C衰变完全，理论上其燃烧后产生的CO₂不含¹⁴C，这种不含¹⁴C被称作“死碳”。

污泥中的有机碳是化石碳和生物碳的混合产物，其比例可通过放射性碳测年法测定，即检测¹⁴C的含量。放射性碳测年法可分为三大步骤：(1)石墨样品制备；(2)加速器质谱仪测定；(3)数据分析计算。具体如下：

(1)石墨样品制备：①样品前处理：污泥在110℃烘箱中烘干24h，研磨后过100目筛；②除去无机碳：对污泥进行酸碱酸处理，除去污泥中的无机碳；③氧化反应：将污泥样品与氧化铜粉末和银丝混合装于石英燃烧管内，利用高真空排气台抽尽燃烧管中的空气，随后置于马弗炉中高温850℃充分反应，利用氧化铜中的氧将污泥中的有机碳全部氧化为CO₂；④纯化CO₂：利用液氮冷阱除去CO₂中的杂气，并利用液氮酒精冷阱除去CO₂中的水蒸汽；⑤还原反应：冷冻纯CO₂并转移至反应管中，反应后的CO₂在定量管中通过压力计定量，利用Zn/Fe 火焰封管法在马弗炉中将CO₂还原为石墨(如图3)。

(2)加速器质谱分析：利用铯(Cs)离子束轰击石墨样，在磁铁的偏转作用和静电分析器的作用下，根据电荷/质量比辨别通过的¹⁴C离子束，仅让¹⁴C³⁺通过，排除其他分子离子以及散射粒子的干扰(如图4)。

(3)数据分析计算：根据同位素的两端元混合模型计算污泥有机碳中的化石碳与生物碳的比例。根据相关研究结果和国际标准ASTM D6866-18(如表4)，随着化石燃料燃烧不断向现代大气中排放死碳，现代大气中¹⁴C水平不断被稀释。选用2019年的实测REFatm值(100.0pMC)进行计算。

表4近年现代大气¹⁴C监测值(REFatm)

年代	REF<sub>atm</sub>(pMC)
		2015	102.0
2016	101.5
		2017	101.0
2018	100.5
		2019	100.0
2020	待测，推断值99.5
		2021	待测，推断值99.0

对五种污泥样品进行石墨样品制备和加速器质谱分析，得到分析结果如表5。工业污泥和纺织印染污泥中有机碳的化石碳比例最高，分别为75.02％和85.02％。市政污泥有机碳中化石碳比例为41.12％，制革污泥的有机碳中化石碳比例较低，为13.62％。

表5四种污泥化石碳分析结果

4污泥干化焚烧项目运营情况

该污泥干化焚烧项目2021年1-4月份运营情况如表6。由于送入厂中的污泥含水率有高低之分，含水率高(65％左右)的湿污泥需进入污泥干燥机干化降低含水率，含水率低(40％左右) 的污泥不需要干化。项目1-4月进炉干污泥消耗量为18.14万t。由于入炉时干污泥消耗量：原煤消耗量≈0.623：0.377，因此1-4月份原煤消耗量约为11万t。

表6 2021年1-4月份污泥消耗情况

	1月	2月	3月	4月
					污泥进厂量(×10<sup>4</sup>t)	7.48	3.78	7.27	8.10
干化系统运行时间(h)	11476	6012	11826	11790
					湿污泥进料量(t)	51642	27055	53220	56626
干污泥出料量(t)	28403.1	14880.25	29271	31144.3
					进炉干污泥消耗量(t)	51561.1	25625.25	48751	55518.3
锅炉出口蒸汽总流量(t)	140290	83523.25	382427.75	379050.75

污泥干燥机中，一部分在汽轮机作功后的蒸汽(0.81MPa，271℃)被引出经减温减压后 (0.55MPa，)引入污泥干燥机与污泥间接换热。湿污泥升温，蒸发出水分和产生废气，抽出的蒸汽经污水沉淀池后纳入污水处理厂，蒸发出的污泥废气经冷凝后被抽入焚烧炉作为二次风参与焚烧。干化后的污泥含水率在35％～40％左右，经污泥输送皮带送至干燥棚，随后混合原煤送入焚烧炉焚烧。7台污泥干燥机的运行参数如表7。

表7污泥干燥机运行参数

通过公式

计算污泥干燥机的平均热效率，式中I_S2为干污泥带出干燥机的热量kJ/h；I_S1为湿污泥带入干燥机的热量kJ/h；H_q1为入口蒸汽比焓kJ/kg；

为污泥干燥机保热系数；H_q2为出口蒸汽比焓kJ/kg。

通过计算，污泥干燥机平均热效率为η＝63.69％。

干化后的污泥在高温高压循环流化床锅炉中焚烧，污泥和煤在一次风、二次风的作用下半悬浮，有利于燃烧和燃烬。床内温度容易控制，反应温度均匀。污泥和煤焚烧的化学能转化为蒸汽的热能，主要用于发电供热，一部分引入污泥干燥机。焚烧锅炉运行参数如表8。

表8焚烧锅炉运行参数

利用公式

计算污泥干化焚烧项目的节约的标煤量，式中B为同一时间段内污泥干化焚烧项目的节约的标煤量t；B_污泥为相同时间段内干污泥的消耗量t；Q_{污泥,net,ar}为干污泥的收到基低位发热量kJ/kg；Q_{标煤,net,ar}为标煤的低位发热量kJ/kg。

经计算，2021年1-4月份污泥干化焚烧可节省标准煤3.81万t。

5现有文献中的污泥碳排放核算模型

现有文献中的污泥碳排放核算模型在间接碳排放和碳补偿两大层次与FCS模型核算步骤一致，不同的是直接碳排放层次的核算方法，具体如下；

5.1现有模型中污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的直接碳排放量(E_IC1’)

现有核算模型中，污泥焚烧产生的直接碳排放不考虑二氧化碳排放量，仅计算CH₄、N₂O 的产生量。计算公式如下：

式中E_IC1’为现有核算模型中污泥焚烧产生的直接碳排放量tCO₂；E_IC1,CH4’为现有核算模型中污泥焚烧产生的CH₄排放量tCH₄；E_IC1,N2O’为现有核算模型中污泥焚烧产生的N₂O排放量tN₂O。

5.2现有模型中污泥深度脱水+应急填埋场景下的直接碳排放量(E_LF1’)

污泥填埋处置方式中的直接碳排放仅考虑填埋场逸散到大气中的CH₄，计算公式如下：

式中E_LF1’为现有核算模型中污泥填埋产生的直接碳排放量tCO₂；E_LF1,CH4’为现有核算模型中污泥填埋产生的CH₄排放量tCH₄；L₀为CH₄排放潜力tCH₄/tDS；R为CH₄回收量tCH₄，对于开放的污泥填埋场R＝0；OX为氧化因子比例，取0.1；MCF为甲烷修正因子，取1.0；DOC为可降解有机碳比例tC/tDS，取15％；DOC_F为经过异化的可降解有机碳的比例，取0.5；F为CH₄在污泥填埋气体中的比例，取60％。

5.3现有模型中污泥厌氧消化+土地利用场景下的直接碳排放量(E_AD1’)

假设污泥中的有机质降解率为50％，根据DOC含量推荐值为15％，则沼气产率分别为 75m³/tDS。沼气燃烧产生的CO₂的温室效应较CH₄小，CH₄的全球增暖潜势是CO₂的25倍，因此可忽略不计。直接碳排放的计算公式如下：

式中E_AD1’为现有核算模型中污泥厌氧消化产生的直接碳排放量tCO₂；E_AD1,CH4’为现有核算模型中污泥厌氧消化因泄露产生的CH₄排放量tCH₄；E_{AD1,土地利用}’为现有核算模型中沼渣泥饼土地利用产生的碳排放量tCO₂；k₁为污泥沼气产率；F_AD为沼气中CH₄占比，取为60％。

5.4现有模型中污泥好氧发酵+土地利用场景下的直接碳排放量(E_AC1’)

污泥好氧发酵中产生的CO₂被认为是生源性的，所以现有核算方法中仅考虑好氧发酵中厌氧区域产生的CH₄以及硝化和反硝化过程中产生的N₂O。因此直接碳排放的计算公式如下：

式中E_AC1’为现有核算模型中污泥好氧发酵产生的直接碳排放量tCO₂；E_AC1,CH4’为现有核算模型中污泥好氧发酵产生的CH₄排放量tCH₄；E_{AC1,土地利用}’为现有核算模型中污泥腐熟料土地利用产生的碳排放量tCO₂。

6四种污泥处理处置场景下的碳排放因子研究

6.1FCS模型与现有模型碳排放因子比较分析

如图5比较了FCS模型和现有模型下碳排放因子核算结果。分析如下：(1)干化焚烧+ 灰渣综合利用处置场景下，FCS模型的直接碳排放因子和总排放因子均比现有模型的核算结果大，分别为0.849tCO₂/tDS和0.097tCO₂/tDS，现有模型下分别为0.296tCO₂/tDS和 -0.456tCO₂/tDS。(2)深度脱水+应急填埋处置场景下，FCS模型的直接碳排放因子较现有模型核算结果偏大，分别为1.350tCO₂/tDS和1.205tCO₂/tDS；总排放因子较现有模型的核算结果偏小，分别为2.192tCO₂/tDS和2.337tCO₂/tDS。(3)厌氧消化+土地利用处置场景下，FCS模型的直接碳排放因子与现有模型的核算结果相差无几，分别为0.029tCO₂/tDS和0.028tCO₂/tDS；总排放因子结果也接近，分别为0.054tCO₂/tDS和0.067tCO₂/tDS。(4)好氧发酵+土地利用处置场景下，FCS模型的直接碳排放因子和总排放因子均比现有模型的核算结果大，分别为0.429tCO₂/tDS和0.446tCO₂/tDS，现有模型下分别为0.193tCO₂/tDS和0.210tCO₂/tDS。

综上，现有模型对污泥氧化处置的碳排放因子计算误差较大。FCS模型计算氧化处置路径的直接碳排放因子是现有模型的2.2-2.9倍。现有模型下焚烧路线总碳排放因子呈碳汇性，而FCS模型下焚烧路线呈现碳源性，即焚烧处置并不是一种负碳路径。这也证明了考虑化石碳氧化分解产生的碳排放量的必要性和重要性。污泥深度脱水+应急填埋路线下的碳排放因子最大，因此从资源利用和生态环境来看，该路径不适宜可持续发展。

6.2不同污泥处理环节碳排放因子分析

分析污泥不同处置环节的碳排放占比有利于直观认识污泥碳排放规律，不同污泥处理环节下的碳排放因子如图6所示。结果分析如下：(1)干化焚烧+灰渣综合利用场景中污泥焚烧产生的直接碳排放和电耗产生的间接碳排放占比最大，其次是污泥热干化引起的间接碳排放。这说明提高污泥热干化效率有利于减少碳排放，如使用热效率更高的污泥干燥机。污泥焚烧后的灰渣进行综合利用是减少碳排放的有利途径，可用于替代水泥等建筑原材料。(2)深度脱水+应急填埋处置路线中，污泥降解产生的碳排放最多，其次是深度脱水过程中药耗产生的间接碳排放，使得该污泥处理路线处于碳排放高水平。由于我国污泥填埋场大多为厌氧填埋场，且无专门的填埋气收集装置，导致大量温室气体无组织泄露，使得污泥填埋路线碳排放因子在四种污泥处理处置方式中最高。深度脱水药耗产生的碳排放占比不容忽视，因此探索创新低碳节能的污泥深度脱水方式势在必行。(3)厌氧消化+土地利用处理路线下，沼渣机械脱水药耗产生的间接碳排放占比最高，其次是污泥有机质厌氧消化产生的直接碳排放。沼气利用可产生碳汇抵消一部分碳排放，使得该污泥处理路线处于碳排放低水平。(4)污泥好氧发酵降解率较厌氧消化高，且在发酵后无需脱水即可进行土地利用，避免了复杂且能耗高的污泥脱水过程。因此该污泥处理路线下有机质好氧降解产生的直接碳排放占比最高，其次是电耗产生的间接碳排放。

综上，通过对不同污泥处理环节的碳排放因子占比分析，有利于针对性地改良污泥处理工艺，并选择性地进行多种低碳污泥处理工艺耦合，如污泥厌氧消化+干化焚烧+灰渣综合利用，制定高效低碳环保的污泥处理路线。

6.3四种敏感因子对碳排放因子的相关性分析

如图7，研究化石碳比例(X_f)、低位发热量(Qner,ar)、收到基灰分含量(Aar)和收到基含碳量(Car)这4种敏感因子对污泥碳排放因子的影响，发现这4种敏感因子均能一定程度上影响污泥碳排放因子。其中化石碳比例与碳排放因子在总体趋势上呈现一定的正相关性；而低位发热量、收到基灰分含量和收到基含碳量对碳排放因子的影响曲线大体上呈现出先上升后下降的规律。

6.4典型污泥化石碳对碳排放因子的影响

如图8，四种污泥处置方式下，化石碳比例较高的污泥在焚烧时的污泥碳排放因子较高。在好氧发酵处置方式下，污泥碳排放因子大体随着污泥化石碳比例增大而增大。而污泥应急填埋和厌氧消化路线下的碳排放因子随化石碳比例增加变化无明显规律。四种污泥中，制革污泥化石碳比例较低，且低位发热量高，与其他污泥相比，除了厌氧消化+土地利用路线，其余处理路线下的碳排放因子均较小。这说明制革污泥在资源化利用和碳减排方面潜力较大。四种污泥在四种处理处置方式下的碳排放因子均呈现出相似规律：污泥深度脱水+应急填埋路线下的碳排放因子最高，厌氧消化+土地利用路线均为低碳排放水平。

综上，有机碳中化石碳比例较高(＞50％)的污泥宜采用厌氧消化+土地利用处理路线，化石碳比例较小(＜50％)而低位发热量较高(＞6500kJ/kg)的污泥如制革污泥宜采取干化焚烧+ 灰渣综合利用的处理路线。

本发明首次针对典型污泥开展碳溯源研究，创新性地提出了基于碳溯源分析的FCS碳排放核算模型，为准确核算污泥碳排放提供了理论和实践基础，并针对典型污泥的处理处置方式提出了行之有效的合理建议。

最后，凡依本发明的原理进行简化或等效变化，均包括于本发明的保护范围内。对于该技术领域的技术人员，可对所描述的具体实施例进行改进、变换或替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于碳溯源的污泥碳排放因子核算模型，其特征在于：所述碳排放因子核算模型用于核算污泥四种主流处理处置场景的碳排放因子，所述污泥四种主流处理处置场景包括干化焚烧+灰渣综合利用、深度脱水+应急填埋、厌氧消化+土地利用和好氧发酵+土地利用；所述碳排放因子EF等于单位干基污泥的净碳排放量，即污泥净碳排放量E除以污泥干基质量M_d；所述净碳排放量E等于直接碳排放量E₁加间接碳排放量E₂减去碳补偿量E₃；

干化焚烧+灰渣综合利用场景下的碳排放因子EF_SI等于净碳排放量E_SI除以污泥干基质量M_d，E_SI等于污泥有机质焚烧引起的直接碳排放量E_SI1加该场景下电耗、热耗引起的间接碳排放量E_SI2并扣除替代标煤和灰渣综合利用的碳补偿量E_SI3；

深度脱水+应急填埋场景下的碳排放因子EF_LF等于净碳排放量E_LF除以污泥干基质量M_d，E_LF等于该场景下污泥有机质分解产生的直接碳排放量E_LF1加该场景下电耗、药耗引起的间接碳排放量E_LF2并扣除填埋气回收利用的碳补偿量E_LF3；

厌氧消化+土地利用场景下的碳排放因子EF_AD等于净碳排放量E_AD除以污泥干基质量M_d，E_AD等于该场景下污泥有机质厌氧消化和土地利用时产生的直接碳排放量E_AD1加该场景下电耗、药耗引起的间接碳排放量E_AD2并扣除土地利用的碳补偿量E_AD3；

好氧发酵+土地利用场景下的碳排放因子EF_AC等于净碳排放量E_AC除以污泥干基质量M_d，E_AC等于该场景下污泥有机质好氧发酵和土地利用时产生的直接碳排放量E_AC1加电耗引起的间接碳排放量E_AC2并扣除该场景下土地利用的碳补偿量E_AC3。

2.根据权利要求1所述的一种基于碳溯源的污泥碳排放因子核算模型，其特征在于：所述污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的碳排放因子EF_IC核算如下：

E_SI＝E_SI1+E_SI2-E_SI3 (2)

式中EF_SI为污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的碳排放因子tCO₂/tDS；E_SI为污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的净碳排放量tCO₂；M为进入污泥焚烧炉焚烧的干化污泥质量t；dm为污泥干基质量占比tDS/(t干化污泥)；E_SI1为污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的直接碳排放量tCO₂；E_SI2为污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的间接碳排放量tCO₂；E_SI3为污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的碳补偿量tCO₂。

3.根据权利要求2所述的一种基于碳溯源的污泥碳排放因子核算模型，其特征在于：所述污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的直接碳排放量E_SI1来自污泥有机质焚烧排放的CO₂、CH₄、N₂O；间接碳排放量E_SI2由污泥热干化时消耗热量以及用电环节耗电产生；碳补偿量E_SI3来自污泥焚烧替代标煤和灰渣综合利用；故三者核算公式如下：

A、污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的直接碳排放量E_SI1

式中E_SI1,CO2为污泥化石碳焚烧产生的CO₂排放量tCO₂；E_SI1,CH4为污泥焚烧产生的CH₄排放量tCH₄；GWP_CH4为CH₄的100年全球增温潜势，取25tCO₂/tCH₄；GWP_N2O为N₂O的全球增温潜势，取298tCO₂/tN₂O；CF为干基污泥中的碳含量比例；X_f为污泥总有机碳中的化石碳比例；OF为污泥焚烧的碳氧化率，即碳在燃烧过程中被氧化成二氧化碳的比率；44/12为碳与二氧化碳的换算系数；EF_SI1,CH4为污泥焚烧CH₄排放因子，取0.02425kgCH₄/tDS；EF_SI1,N2O为污泥焚烧N₂O排放因子，取0.99kgN₂O/tDS；

在焚烧炉中污泥和煤掺烧，假设焚烧炉内污泥和煤的碳氧化率相同，则污泥焚烧碳氧化率OF的计算公式如下：

式中G_渣为炉渣产量t；C_渣为炉渣含碳量％；G_灰为飞灰产量t；C_灰为飞灰含碳量％；η_除尘为除尘系统平均除尘效率％；FC_混合为污泥和煤消耗量之和t；NCV_混合为污泥与煤混合后的平均低位发热量kJ/kg；CC_混合为污泥和煤混合后的单位热值含碳量，tC/TJ；

B、污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的间接碳排放量E_SI2

式中E_{SI2,热干化}为污泥热干化消耗热量产生的间接碳排放量tCO₂；E_SI2,电耗为污泥焚烧处置方式下用电环节耗电产生的间接碳排放量tCO₂；Q_热干化为用于污泥热干化消耗的蒸汽携带的热量kJ；q_标煤为标准煤热值29.27MJ/kg；η_干燥机为污泥干燥机的热效率％；EF_标煤为标准煤的碳排放因子2.493tCO₂/tce；M_S为进入污泥干燥机的湿污泥处理量t；TS为湿污泥含固率tDS/(t湿污泥)；W_E,热干化为污泥热干化单位耗电量MWh/tDS，取0.05MWh/tDS；W_E,焚烧为污泥焚烧单位耗电量MWh/tDS，取0.4MWh/tDS；EF_电耗为电力碳排放因子tCO₂/MWh；

C、污泥干化焚烧+灰渣综合利用场景下的碳补偿量E_SI3

E_SI3＝E_{SI3,替代标煤}+E_{SI3,灰渣利用} (6)

＝B·EF_标煤+M_灰渣·EF_灰渣

式中E_SI3,标煤为污泥焚烧替代标煤产生的碳补偿量tCO₂；E_{SI3,灰渣利用}为污泥焚烧后的灰渣进行综合利用产生的碳补偿量tCO₂；B为污泥焚烧替代的标煤量t；M_灰渣为污泥焚烧产生的灰渣质量t；EF_灰渣为灰渣综合利用的碳排放因子，取0.52tCO₂/(t灰渣)。

4.根据权利要求1所述的一种基于碳溯源的污泥碳排放因子核算模型，其特征在于：所述污泥深度脱水+应急填埋场景下的碳排放因子EF_LF核算如下：

E_LF＝E_LF1+E_LF2-E_LF3 (8)

式中EF_LF为污泥深度脱水+应急填埋场景下的碳排放因子tCO₂/tDS；E_LF为污泥深度脱水+应急填埋场景下的净碳排放量tCO₂；E_LF1为污泥深度脱水+应急填埋场景下的直接碳排放量tCO₂；E_LF2为污泥深度脱水+应急填埋场景下的间接碳排放量tCO₂；E_LF3为污泥深度脱水+应急填埋场景下的碳补偿量tCO₂。

5.根据权利要求4所述的一种基于碳溯源的污泥碳排放因子核算模型，其特征在于：所述污泥深度脱水后进行应急填埋，其中的有机质在微生物降解作用下产生填埋气，以CH₄和CO₂为主，各取为60％和40％；填埋场中的污泥以厌氧消化为主，总有机碳中的化石碳降解率为12％，生物碳降解率为54％，产生直接碳排放量E_LF1；污泥深度脱水时，使用的污泥调理剂有聚丙烯酰胺PAM、FeCl₃、CaO，该过程消耗电力和药剂，即产生间接碳排放量E_LF2；污泥填埋过程中假设甲烷回收率为0，即污泥填埋没有产生碳补偿；故三者核算公式如下：

A、污泥深度脱水+应急填埋场景下的直接碳排放量E_LF1

式中E_LF1,CH4为污泥在填埋场产生的CH₄排放量tCH₄；E_LF1,CO2为污泥在填埋场产生的CO₂排放量tCO₂；TOC为干基污泥的总有机碳含量％；DR_f为化石碳降解率，取12％；X_b为污泥总有机碳中的生物碳比例；DR_b为生物碳降解率，取54％；R_CH4为填埋气中CH₄占比，取60％；R_CO2为填埋气中CO₂占比，取40％；

B、污泥深度脱水+应急填埋场景下的间接碳排放量E_LF2

式中E_LF2,电耗为污泥深度脱水过程中因耗电产生的间接碳排放量tCO₂；E_LF2,药耗为污泥深度脱水过程中因药耗产生的间接碳排放量tCO₂；W_{E,深度脱水}为深度脱水时单位干基污泥的耗电量MWh/tDS，取0.125MWh/tDS；W_{i,M,深度脱水}为深度脱水时单位干基污泥的药耗量t/tDS，其中PAM、FeCl₃、CaO投加量分别为1％、6％、10％；EF_i,药耗为药剂碳排放因子，PAM、FeCl₃、CaO的碳排放因子分别为25tCO₂/(tPAM)、8.3tCO₂/(tFeCl₃)、1.4tCO₂/(tCaO)；

C、污泥深度脱水+应急填埋场景下的碳补偿量E_LF3

E_LF3＝0 (11)。

6.根据权利要求1所述的一种基于碳溯源的污泥碳排放因子核算模型，其特征在于：所述污泥厌氧消化+土地利用场景下的碳排放因子EF_AD核算如下：

E_AD＝E_AD1+E_AD2-E_AD3 (13)

式中，EF_AD为污泥厌氧消化+土地利用场景下的碳排放因子tCO₂/tDS；E_AD为污泥厌氧消化+土地利用场景下的净碳排放量tCO₂；M_调质为污泥调质后的质量t；TS’为污泥调质后的含固率tDS/(t调质污泥)；E_AD1为污泥厌氧消化+土地利用场景下的直接碳排放量tCO₂；E_AD2为污泥厌氧消化+土地利用场景下的间接碳排放量tCO₂；E_AD3为污泥厌氧消化+土地利用场景下的碳补偿量tCO₂。

7.根据权利要求6所述的一种基于碳溯源的污泥碳排放因子核算模型，其特征在于：厌氧消化对污泥含水率要求较高，需调质至90％，厌氧消化时污泥总有机碳中化石碳的降解率为12％，生物碳的降解率为54％，产生的沼气成分是CH₄和CO₂，分别占比60％和40％；直接碳排放量E_AD1来自沼气部分泄露和厌氧消化后的沼渣制成泥饼在土地利用时生物降解产生的温室气体；沼渣经过机械脱水制成泥饼，消耗的药剂为FeCl₃和CaO，产生电耗和药耗，导致间接碳排量E_AD2；该场景以两种方式产生碳补偿量E_AD3：一是沼气利用，二是厌氧消化后的沼渣以泥饼的形式替代肥料进行土地利用；故三者核算公式如下：

A、污泥厌氧消化+土地利用场景下的直接碳排放量E_AD1

式中E_AD1,降解为污泥有机质厌氧消化泄露的CH₄和CO₂的碳排放当量tCO_2e；E_{AD1,土地利用}为泥饼用作肥料覆土时有机质降解产生的直接碳排放量tCO₂；

为沼气泄露率；R_CH4’为沼气中CH₄占比，取60％；R_CO2’为沼气中CO₂占比，取40％；16/12为碳和甲烷的转换系数；M_泥饼为污泥沼渣进行机械脱水后的泥饼质量t；TS_泥饼为泥饼含固率tDS/(t泥饼)；EF_LU,CH4为污泥泥饼土地利用CH₄排放因子，取0.02kgCH₄/tDS；EF_LU,N2O为污泥泥饼土地利用N₂O排放因子，取0.0011kgN₂O/tDS；

B、污泥厌氧消化+土地利用场景下的间接碳排量E_AD2

式中E_AD2,电耗为污泥沼渣机械脱水过程中因电耗产生的间接碳排放量tCO₂；E_AD2,药耗为污泥沼渣机械脱水过程中因药耗产生的间接碳排放量tCO₂；M_S’为厌氧消化后污泥沼渣的质量t；TS”为厌氧消化后污泥沼渣的含固率tDS/(t沼渣)；W_{E,机械脱水}为污泥沼渣机械脱水单位耗电量kW·h/tDS，取50kWh/tDS；W’_{i,M,机械脱水}为污泥机械脱水单位药耗量t/tDS，FeCl₃、CaO投加量分别为3％和5％；

C、污泥厌氧消化+土地利用场景下的碳补偿量E_AD3

式中E_AD3,沼气为污泥厌氧消化沼气利用产生的碳补偿量tCO₂；E_{AD3,土地利用}为污泥沼渣制成的泥饼替代肥料产生的碳补偿量tCO₂；P_沼气为污泥厌氧消化的沼气产量m³；q_沼气为沼气热值21520MJ/m³；λ_AD为沼气热能回收率，取45％；W_AD,N为干基泥饼中的氮含量，取0.0621tN/tDS；EF_尿素为尿素的碳排放因子，2.041tCO₂/tN。

8.根据权利要求1所述的一种基于碳溯源的污泥碳排放因子核算模型，其特征在于：所述污泥好氧发酵+土地利用场景下的碳排放因子EF_AC核算如下：

E_AC＝E_AC1+E_AC2-E_AC3 (18)

式中EF_AC为污泥好氧发酵+土地利用场景下的碳排放因子tCO₂/tDS；E_AC为污泥好氧发酵+土地利用场景下的净碳排放量tCO₂；E_AC1为污泥好氧发酵+土地利用场景下的直接碳排放量tCO₂；E_AC2为污泥好氧发酵+土地利用场景下的间接碳排放量tCO₂；E_AC3为污泥好氧发酵+土地利用场景下的碳补偿量tCO₂。

9.根据权利要求8所述的一种基于碳溯源的污泥碳排放因子核算模型，其特征在于：污泥在好氧发酵过程将大部分可降解有机碳DOC转化为CO₂和腐殖质，产生的直接碳排放E_AC1来自发酵产生的CO₂、局部厌氧消化产生的CH₄、硝化和反硝化过程中产生的N₂O和好氧发酵后的腐熟料在土地利用时生物降解产生的温室气体；污泥中可降解有机碳的化石碳和生物碳比例取为污泥总有机碳中的化石碳和生物碳比例；污泥在好氧发酵后无需脱水即可进行土地利用，因此该场景下间接碳排放量E_AC2来自电耗；污泥好氧发酵后产生的腐熟料用做园林覆土或园林用有机肥，替代肥料而产生碳补偿量E_AC3；故三者核算公式如下：

A、污泥好氧发酵+土地利用场景下的直接碳排放量E_AC1

式中E_AC1,CH4为湿污泥好氧发酵过程中局部厌氧产生的CH₄排放量tCH₄；E_AC1,N2O为污泥好氧发酵过程中产生的N₂O排放量tN₂O；E_AC1,CO2为湿污泥好氧发酵过程中直接产生的CO₂排放量tCO₂；E_{AC1,土地利用}为污泥腐熟料进行土地利用时降解产生的CO₂排放量tCO₂；EF_AC1,CH4为湿污泥好氧发酵局部厌氧CH₄排放因子，取0.2kgCH₄/(t湿污泥)；EF_AC1,N2O为污泥好氧发酵N₂O排放因子，取0.6kgN₂O/tDS；DOC为可降解有机碳含量tC/tDS，取15％；DOC_F为经过异化的可降解有机碳的比例，取0.67；M_腐熟料为污泥好氧发酵后的腐熟料的质量t；TS_腐熟料为腐熟料的含固率tDS/(t腐熟料)；EF_LU,CH4为腐熟料土地利用CH₄排放因子，取0.02kgCH₄/tDS；EF_LU,N2O为腐熟料土地利用N₂O排放因子，取0.0011kgN₂O/tDS；

B、污泥好氧发酵+土地利用场景下的间接碳排放量E_AC2

式中E_AC2,电耗为污泥好氧发酵过程中因电耗产生的间接碳排放量tCO₂：W_{E,好氧发酵}为污泥好氧发酵过程中的单位干基污泥的耗电量，取0.06MW·h/tDS；

C、污泥好氧发酵+土地利用场景下的碳补偿量E_AC3

E_AC3＝M_腐熟料·W_AC,N·EF_尿素 (21)

式中W_AC,N为腐熟料中的氮含量，取0.05tN/(t腐熟料)；EF_尿素为尿素的碳排放因子，2.041tCO₂/tN。

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