论文总字数：26681字

摘 要

摘要：随着工业的不断发展和居民生活水平的不断提高，产生污泥的数量不断增多。污泥处理不当会对人体健康和环境都造成很恶劣的影响。因而研究采用何种工艺处理污泥具有重要意义。

通过生命周期评价的方法，本文对污泥焚烧发电（包括生物质掺烧污泥发电、烟煤掺烧污泥发电）、污泥好氧发酵和污泥填埋做出了环境影响评价。从不同环境影响类型（酸化、富营养化、全球变暖、化石能源消耗以及固体废弃物）评估了几种工艺对环境的影响。同时评估了工艺流程中每个阶段对不同环境影响的贡献。

经过计算分析，在采用焚烧发电工艺时，环境污染物会随着发电系统效率降低而增多。其他条件相同的情况下，加入污泥的比例越多，燃料量的需求就越大，也会消耗更多资源同时导致环境影响负荷增加。在采用好氧发酵工艺时，鼓风系统耗能和排放占了很大部分，优化鼓风系统运行模式，可以有效减少好氧发酵工艺对环境的影响。采用填埋方式处理污泥时，污泥排放的温室气体是影响环境的主要因素；进行填埋时污泥渗漏液也会对环境造成较大影响。污泥无法进一步资源化是填埋工艺明显的缺陷。

关键词：生命周期评价；污泥；焚烧发电；好氧发酵；填埋；环境影响

LIFE CYCLE ASSESSMENT OF SEWAGE SLUDGE TREATMENT AND DISPOSAL TECHNOLOGIES

Abstract: With the development of the industry and the improvement of living standards, the amount of sludge is increasing. It is significant for environment protection to study the different sludge treatment and disposal processes.

Based on life cycle assessment, the environment evaluation of sludge incineration power generation (including co-firing of sewage sludge and biomass, co-firing of sewage sludge and coal), sludge aerobic fermentation and sludge landfill life cycle assessment is made. The effects of different environmental conditions (acidification, eutrophication, global warming, fossil energy consumption, and solid waste) were carried out in this paper. In addition, the contributions of each stage to the different environment categories are also analyzed.

The results show that the pollutant emissions increase with the reduction of the power generation system efficiency. When the other conditions are the same, the more fuel is needed because of the increasing of sewage sludge. At the same time, the higher proportion of sewage sludge would consume more resources. In the aerobic fermentation process, most of energy is depleted by ventilation system. The amount of pollutant emissions will reduce if the ventilation system is improved. In the process of sludge landfill, emission of greenhouse gas is major problem. The defect of landfill is that sewage sludge cannot be used as resources any more. At the same time, leakage of sewage sludge is another factor of environment pollution.

Key words: life cycle assessment; sewage sludge; incineration power generation; aerobic compost; landfill; environmental impact

目录

第一章 绪 论 6

1.1 引言 6

1.2 污泥特性 6

1.3 生命周期评价 6

1.4对污泥处理工艺引入生命周期评价 7

1.5不同污泥处理工艺分析 7

1.5.1污泥焚烧发电工艺分析 7

1.5.2污泥好氧发酵工艺分析 8

1.5.3污泥填埋工艺分析 8

第二章 污泥掺烧发电生命周期评价 9

2.1污泥掺烧生物质生命周期评价 9

2.1.1研究对象 9

2.1.2系统边界 9

2.1.3清单分析 10

2.1.4工作步骤 12

2.1.5 评价模型 13

2.2污泥掺烧烟煤生命周期评价 15

2.2.1研究对象 15

2.2.2清单分析 16

2.3环境排放影响因素 18

2.3.1发电系统效率对环境排放影响 18

2.3.2污泥掺烧比例对环境排放影响 20

2.3.3掺烧燃料种类对环境排放影响 23

第三章 污泥发酵生命周期评价 26

3.1研究对象 26

3.2清单分析 26

3.2.1运输阶段 26

3.2.2玉米秆生长阶段 27

3.2.3好氧发酵阶段 27

3.2.4清单数据 27

3.3污泥发酵生命周期不同阶段对各个环境影响类型贡献分析 29

3.4鼓风设备耗电量变化对好氧发酵过程环境排放影响分析 29

第四章 污泥填埋生命周期评价 31

4.1 研究对象 31

4.2 清单分析 31

4.2.1 运输阶段 31

4.2.2 填埋阶段 31

4.2.3清单数据 31

4.3 污泥发酵生命周期不同阶段对各个环境影响类型贡献分析 33

第五章 不同污泥处置工艺比较分析 34

5.1污泥处理工艺不同环境影响类型比较 34

5.2总结 35

参考文献（References） 36

致谢 37

第一章 绪 论

1.1 引言

2010年，我国污水排放量达到617.3亿吨^[1],截至2013年底，全国城市污水处理率为89.21%。污泥作为污水处理的副产物，数量巨大，同时，污泥又具有含水率高、不稳定、易腐败、有恶臭等、含有大量致病菌等特点。因而需要有妥善的处理方法。

从人类开始建立污水处理厂并产生污泥开始，人们同时也在对污泥的处置方法也在不断改进。20世纪初，美国将污泥作为废料投入海洋，对海洋造成了极大的污染，将污泥投入海洋的做法在1992年被美国立法禁止。今天，对于污泥的处理有了焚烧、填埋、堆肥等等方法。这些方法追求的是将污泥对环境的污染降到最低，同时尽可能将污泥作为一种原料，使污泥成为一种可利用的资源。

在处理污泥使之成为资源的过程当中，同样也要投入其他资源并且对环境造成影响。通过评价污泥处理工艺的生命周期，可以了解在处理污泥的过程中消耗的资源、对环境造成的影响。从而评估不同污泥处理工艺的优缺点。

1.2 污泥特性

污泥是污水处理过程中产生的沉淀物质和从污水表面漂出的浮沫的总称。处理污水产生的污泥以其含有大量有毒有害物质、成分复杂而著称。处理得当可以减少环境污染并将其作为原料堆肥发电等等，但如果处理不当则会污染环境甚至对居民生活造成影响，甚至引发较大的环境污染事故。

污泥成分复杂，其中含有大量氮、磷等微量元素和有机物，同时含有难降解的有机物、病原菌、寄生虫和重金属等物质^[2]。

1.3 生命周期评价

生命周期评价评价产品或工艺整个生命周期系统过程中环境负荷的过程^[3]。之所以将其称为“生命周期”是在评价时将工艺过程作为一个逐渐生长和发展的过程。生命周期评价方法的研究随着人们对于全球环境问题的重视快速发展。

生命周期评价的基本结构包括定义目标与确定范围、清单分析、影响评价和改善评价四个部分^[4]。

图1-1 生命周期评价技术框架

清单分析是生命周期评价中的重要环节。评价时，需要一种比较直观的方法表述某种工艺在进行过程中对资源的消耗以及对环境的影响。清单分析中，将对环境的排放和能源消耗通过既定的标准转化为数据。建立清单则是通过分析系统的输入（原材料、能源）和输出（工艺的产品、向环境中排放的废弃物），对流程的每个环节追踪分析^[5]。获得客观数据作为生命周期评价中的素材。

生命周期评价是现代工业发展的产物，随着工业过程越来越复杂，人依靠主观的判断和经验不再足够准确。生命周期评价可以起到管理环境和评价产品生产周期的作用，指导生产的全过程。

1.4对污泥处理工艺引入生命周期评价

随着我国经济发展，污水处理量大幅提高，不得不面对的问题就是如何处理大量的污泥。污泥需要妥善处理的重要性已经不需赘述。从美国等发达国家在经济发展的过程中对污泥处理的经验来看，评估整个处理过程中环境负荷是必要的。生命周期评价可以评价产品从原料投入到废料整个过程对环境的负荷。

在处理污泥的过程中，污泥利用率与环境效益并非呈正相关的关系。一些技术在追求污泥利用率更高的同时，也对技术本身投入了更多的资源，工艺在进行的过程当中消耗更多的能源、占用更多土地，给环境造成了更大的压力。所以最终的环境效益可能并不好。

在使用生命周期评价污泥处理工艺时，同样会评估各个阶段能源的消耗和对环境的影响。同时，比较和资源化后污泥有同种作用的其他产品^[6]。生命周期评价在实际应用的优势在于可以量化处理污泥过程中对环境的影响，不仅考虑在空间上对环境的使用、例如占地面积等，也考虑时间上的影响。有的污水处理方法会造成液体渗漏或气体排放，这个释放的过程会持续很多年。让非专业的环境管理者更直观的理解。同时对污泥资源化整体流程进行全程监督^[7]。

1.5不同污泥处理工艺分析

1.5.1污泥焚烧发电工艺分析

污泥之所以可以作为发电的原料是因为污泥中存在有机物，为了了解污泥在发电时特性，需要将污泥像煤炭等发电原料一样进行成分分析。分析污泥中的水分、灰分、挥发分、碳、氢等成分^[8]。

污泥掺烧技术有以下两种：脱水污泥直接焚烧技术和污泥干化焚烧技术。前者是只将污泥脱水，脱水后的污泥含水率依然在75%-85%^[9]。因为不需要干化，所以省去了干化系统的投资，系统也比较简单。但缺点也比较明显：热效率较低、锅炉效率低下，同时烟气系统磨损较大、输送系统能耗高以及污水处理能力较低。总体而言是一种对投资要求不大，系统不复杂，但损耗大、效率不高的解决方案。污泥干化焚烧技术对污泥先进行干化处理，用高温烟气直接干燥污泥或者用导热油等介质间接干燥污泥。因为干燥污泥需要消耗热量，污泥含水率越低则干燥时需要消耗的热量就越多，而污泥含水率过高则影响燃烧时的效率，所以存在一个中间值，达到最经济的效果。对于干燥热源的选择同样会影响经济性。干化焚烧对于脱水焚烧而言多了干燥的过程，但各项指标都优于脱水焚烧。

1.5.2污泥好氧发酵工艺分析

好氧发酵是指在氧气充足的条件下有机物进行分解的生物化学过程，其代谢产物主要为二氧化碳、水和热量。与无氧发酵相比，好氧发酵过程反应速度快、堆肥温度高、需要的时间也更短，也不易产生臭味。好氧发酵的优势还包括能使污泥脱水、消灭污泥中的病菌、能耗小、有机质稳定等等。可以用于直接土地利用和种植植物。好氧发酵时，采用强制通风的手段，这样可以利用微生物活动产生的热量蒸发污泥中的水分，达到为污泥脱水的目的。

好氧发酵主要环节包括四个部分：加入调理剂、微生物繁殖和有机物分解、干燥发酵物和回收调理剂、制作营养土和有机肥。

1.5.3污泥填埋工艺分析

污泥填埋是一种比较简便的处理污泥方式，主要表现在污泥填埋场建设相对简单，投入小，管理方便，不需要太多先进技术。污泥被填埋后降解的速度较快，填埋场若干年以后可以重新利用，而污泥中的重金属和病菌等有害成分得到了比较有效的抑制，不会再污染环境。可以最大限度避免污泥对人体健康和公共环境造成威胁。

污泥填埋存在的问题包括以下几个方面，由于污泥自身的粘聚力小等特性，填埋场有可能成为人工沼泽而影响后续的操作；在地下水分布比较丰富的地区，填埋污泥有可能造成地下水的污染；污泥填埋场必须采取措施保障操作人员的卫生健康等等。

第二章 污泥掺烧发电生命周期评价

2.1污泥掺烧生物质生命周期评价

2.1.1研究对象

研究对象为玉米秆和污水处理厂中含水率为80%的湿污泥，污泥成分分析与玉米秆成分分析如下表2-1和表2-2所示。

玉米秸秆传统的处理方法为等干枯后直接在田地里焚烧，焚烧时会产生大量烟气，造成大气污染。将玉米秸秆作为发电的生物质燃料可以将原本难以处理的农田肥料再次利用。而生物质发电的优势在于减少了开采燃料的环节，玉米秆不需要更多的处理即可作为燃料，而植物在生长过程中吸收大气中的二氧化碳，再作为发电燃料焚烧虽然产生二氧化碳但是对于环境来说达到了碳平衡。

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