第一作者：周浩（中国地质大学（武汉））

通讯作者：张伟军 研究员（中国地质大学（武汉））、魏亮亮 教授（哈尔滨工业大学）

论文DOI: https://doi.org/10.1016/j.envint.2022.107378

成果简介

近日，中国地质大学（武汉）张伟军研究员和哈尔滨工业大学魏亮亮教授合作在环境领域高水平期刊《Environment International》上发表了题为“Environmental impacts and optimizing strategies of municipal sludge treatment and disposal routes in China based on life cycle analysis”的论文。本文系统调研了我国现行的市政污泥处理处置技术，选取了其中具有代表性的十二条工艺路线，使用生命周期评价（Life cycle assessment, LCA）方法对上述路线在实际运行过程中产生的系统级环境影响进行了定量化评估。结果表明，在国内“减污降碳，协同增效”这一政策背景下，权衡上述工艺路线运行过程中产生的毒性影响和碳排放后，与煤掺烧、单独焚烧、（热水解）厌氧消化可能是我国未来优先考虑使用的几条工艺路线。此外，本文也详细分析识别了十二条工艺路线中产生高环境影响的关键单元环节和具体来源，从而为我国现行的污泥处理处置工艺的优化及未来污泥处理处置工艺的选择和发展提出相应的策略。

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如何以可持续的方式管理和利用污泥，需要对不同污泥处理处置过程产生的环境影响进行系统分析。本研究根据我国代表性污泥处置项目的现有运营和建设条件，统计报告了十二条常见的污泥处理处置工艺路线，并使用国际标准化组织中LCA的标准步骤（ISO 14040和ISO 14044）来对上述十二条工艺的环境影响进行了定量化评价，结果表明，在国内“减污降碳，协同增效”这一政策背景下，权衡上述工艺路线运行过程中产生的毒性影响和碳排放后，与煤掺烧、单独焚烧、（热水解）厌氧消化可能是我国未来优先考虑使用的几条工艺路线。其中，由于与煤掺烧这一工艺路线中后续电能回收带来的环境效益的抵消，使其总人类毒性潜值、淡水生态毒性潜值、陆地生态毒性潜值和全球变暖潜值分别为-152.31 kg二氯苯（1,4-DB）当量/吨 绝干污泥、-127.40 kg 1,4-DB当量/吨 绝干污泥、-0.81 kg 1,4-DB当量/吨 绝干污泥和-27.26 kg CO₂当量/吨 绝干污泥均为负值，它们与其他十二条工艺路线中产生的毒性影响和碳排放相比，值相对较小，因此被推荐为最优工艺路线。同时，单独焚烧工艺的毒性影响值也相对较小，但仍需要进一步提高能量回收效率来减少其碳排放。尽管（热水解）厌氧消化技术是优良的负碳排放工艺（-572.44 kg CO₂当量/吨 绝干污泥，-474.92 kg CO₂当量/吨 绝干污泥），但由于厌氧消化污泥的后续土地利用过程中的重金属排放，它们会表现出严重的淡水生态毒性和陆地生态毒性影响。总之，该研究选择出了目前最为适合我国碳减排和污染控制的要求的污泥处理处置工艺路线，并对未来的污泥处理技术改进和发展提出了一定的优化建议。

引言

活性污泥法是世界范围内最为常用的污水处理技术并且在运行过程中会产生大量的污泥。在我国，由于工艺化和城市化的迅猛发展，污泥年产量（80%含水率计）在2019年达到了3904万吨。由于大量污泥的产生，我国环保部门要求深入推进污泥的安全处置和资源化。同时，污水处理行业的碳排放占到社会总碳排放的1%-2%，而污水中约50%的总有机碳在处理过程中会富集到污泥当中，因此实施低碳甚至“负”碳排放的污泥处理技术也将是大势所趋。如何以安全、低碳排放的方式来处理处置污泥已经成为我国环境工程领域最为热点的问题。

由于我国不同区域的经济社会发展不平衡，使得现行的污泥处理技术种类繁多。但总的来说，污泥处理过程包括三个步骤：预处理、有机质稳定化处理和最终处置。其中，预处理包括浓缩和脱水过程；有机质稳定化处理过程包括生物（厌氧消化和好氧堆肥等）、化学（石灰稳定等）、热处理或热化学处理（焚烧、热解、水热和湿式氧化等）；最终处置则分为安全填埋、土地利用和制造建筑材料三大类。我国实际运行的污泥处理处置项目采用的工艺路线一般是上述各单元过程的耦合。其中，焚烧、好氧堆肥、厌氧消化、热解碳化和水热炭化等工艺由于可以实现污泥的资源化回收而得到了广泛的关注，但在上述工艺运行过程中能量、资源的消耗和回收之间的关键权衡是模糊不清的。因此，迫切需要对各种污泥处理处置过程产生的环境影响和环境效益进行详细的分析。

目前，LCA已被广泛用于分析污泥处理处置过程中产生的环境影响，尽管对于污泥处理处置工艺的LCA研究已经较为成熟，但已有研究的系统边界差别较大，而且每项研究得到的LCA结果又取决于每项研究的具体数据来源，因此已有的污泥处理处置工艺的LCA结果很难进行统一和比较。同时，仍未有研究针对我国现行的所有的污泥处理处置工艺路线进行全面的系统评价，因此，该文选取了我国现行的且具有代表性的十二条污泥处理处置工艺路线作为评价对象，使用LCA的标准步骤对上述路线在实际运行过程中产生的系统级环境影响进行了定量化评估。

图文导读

 一、LCA方法论

• 1、LCA的目标和范围

在该LCA研究中，将一吨干固体（1t DS）污泥作为功能单元，污泥的基础性质为我国污泥的平均值，即总有机碳（TOC）的质量分数为干重的41.15%，总氮（TN）的质量分数为干重的3.02%，总磷（TP）的质量分数为干重的1.57%，同时污泥中的重金属（HMs）和持久性有机污染物（POPs）的含量也有所考虑。

为确保研究的代表性和全面性，文章根据我国污泥处置工程的实际运行和建设情况，选择了十二条国内普遍使用的污泥处理处置工艺路线。如图1所示，该文中十二条工艺路线的系统边界和详细信息如下：路线1（R1）：压滤脱水-石灰稳定-安全填埋；路线2（R2）：离心脱水-干化（半干化）-单独焚烧-安全填埋（飞灰）；路线3（R3）：离心脱水-干化（半干化）-与煤掺烧-安全填埋（飞灰）；路线4（R4）：离心脱水-湿式氧化-压滤脱水-安全填埋（灰渣）；路线5（R5）：离心脱水-干化（半干化）-制砖；路线6（R6）：离心脱水-水泥窑掺烧制水泥；路线7（R7）：离心脱水-好氧堆肥-土地利用（堆肥）；路线8（R8）：厌氧消化-压滤脱水-土地利用（沼渣）；路线9（R9）：常规热水解-厌氧消化-压滤脱水-土地利用（沼渣）；路线10（R10）：离心脱水-干化（全干化）-热解碳化-土地利用（热解炭）；路线11（R11）：离心脱水-水热碳化-水热炭干化（全干化）-土地利用（水热炭）；路线12（R12）：碱式热水解-离心脱水-干化（全干化）-土地利用（蛋白质肥料）。

此外，为了尽可能符合污泥处置项目的实际情况，在系统边界中进行了以下假设和限制：

（1）由于后续不同处理技术对污泥含水率的要求不同，采用压滤和离心两种方式来对浓缩后的污泥来进行污泥脱水，其可以将污泥含水率分别降至约60%和80%。其中，FeCl₃和PAM分别为压滤和离心脱水过程中使用的调理剂。

（2）系统边界中还涉及到了污泥脱水后产生的废水的处理过程。

（3）污泥处理处置工艺过程中产生的二氧化碳被视为碳中性的（生物源）。

（4）我国大多数安全填埋场没有能源/甲烷回收系统，因此假设R1-R4中安全填埋过程中没有能源回收过程。

（5）在污泥制砖或水泥的过程中，1吨干重污泥中只有约0.3吨的无机矿物是有效成分。因此，R5和R6中砖或水泥替代品的产量分别约为300 kg。

（6）单独焚烧（R2）、与煤掺烧（R3）、厌氧消化（R8、R9）和热解气/油焚烧工艺（R10）都具有电力再生过程。其中，R2和R3中热电联产系统的总热效率分别约为70%和80%，并最终导致约35%的热能转换为电能。同样，厌氧消化过程（R8、R9）产生的沼气也假设在热电联产系统中被收集起来燃烧产能，其中沼气中约35%的能量转换为电能，50%转换为热能。此外，假设R10中生成的热解油和热解气以85%的效率燃烧以提供给其自身热干化和热解炭化过程中消耗的热量。

（7）处理过程中产生的副产品，包括R7中的堆肥、R8和R9中的沼渣、R10中的热解炭、R11中的水热碳和R12中的蛋白质肥料，在土地利用期间可被假设为商业肥料的替代品。

（8）污泥的运输过程也包括在系统边界内，假设所有工艺路线的运输距离都为10km。

图1 本研究中十二条污泥处理处置工艺路线的系统边界

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2. 2. 生命周期清单数据来源和分析

生命周期清单是生命周期评价分析的基础，其由系统中的输入（材料、能量、化学品等）和输出（向空气、水和土壤排放的污染物质）的数据组成。该研究中，清单数据主要来源于各种文献、报告中的调查和实验数据。其中，根据现有研究中报告的参数，估算了不同污泥处理处置工艺路线过程中排入水体和土壤的HMs和POP含量。另外，通过质量守恒定律计算了污泥中碳、氮和磷在每个工艺路线中的形态变化。而该研究中使用的电力、化学品和材料背景数据清单来源于Ecoinvent 3.5数据库。

1. 3. 生命周期影响评价

该研究中使用的生命周期影响评价模型为CML-IA v3.06，该模型涵盖的影响指标包括人类毒性潜值（HTP；kg二氯苯（1,4-DB）当量）、淡水生态毒性潜值（FEP；kg 1,4-DB当量）、陆地生态毒性潜值（TEP；kg 1,4-DB当量）、富营养化潜值（EP；kg PO₄³⁻当量）、非生物资源耗竭潜值（ADP；kg Sb 当量）、非生物资源耗竭潜值（化石燃料方面）（ADP（F）；MJ 当量）、全球变暖潜值（GWP；kg CO₂ 当量）、臭氧层耗竭潜值（ODP；kg CFC-11 当量）、光化学氧化潜值（PO；kg C₂H₄当量）和酸化潜值（AP；kg SO₂ 当量）。以上环境影响指标类别代表了区域水、土壤和空气质量以及人类健康问题。随后，通过将上述环境影响特征化结果与“World 2000”中的标准化因子进行比值计算，得到了上述环境影响的标准化结果。整个生命周期影响评价过程在SimaPro v.9.1中进行，该软件由位于荷兰的PRé 公司开发。

1. 4. 不确定性和敏感性分析

LCA结果的不确定性和敏感性结果通过SimaPro v.9.1提供的蒙特卡洛分析来获取，这些不确定性主要来自公共数据库和该研究生命周期清单中输入参数的变化产生的。

二、主要的LCA结果

1、十二条污泥处理处置工艺路线的毒性影响

以不当的方式处理处置污泥会将大量HMs、POP和病原体释放到环境中，并导致严重的二次污染，因此，在污泥资源化利用之前，对污泥进行无害化处理已成为保障公众健康的必要条件。因此，污泥处理处置路线产生的HTP、FEP和TEP是最优先考虑的环境影响类别。图2（a）为十二条污泥处理处置工艺路线毒性影响的相对值。图2（b）、图2（c）和图2（d）分别列出了工艺流程和再生电/副产品对HTP、FEP和TEP的贡献。

如图2（a）、图2（b）和图2（c）所示，在十二条污泥处理处置工艺路线中，R5的HTP和FEP最高，R8的HTP最低，R3的FEP最低。尽管R5生产的粘土砖替代品和R6生产的水泥替代品将抵消一定的环境影响，但R5和R6的总净HTP和FEP值在十二条工艺中的排序没有改变。相比之下，由于R7-R12中的最终肥料替代品和R2、R3、R8和R9中的再生电力产生的环境效益，上述路线的总净HTP和FEP值显著降低，尤其是R2-R3、R7-R10的HTP和R2-R3的FEP（降低为负值）。此外，对于所有路线，有机质稳定化处理过程是HTP的主要贡献者。与HTP不同的是，对于每条路线产生的FEP，有机质稳定化处理只是R3-R6、R12的主要贡献过程。对于R7-R11，污泥的土地利用过程是对FEP贡献最大的过程，这是由与污泥中的重金属和POPs等污染物直接排放到土壤中引起的。最后，值得注意的是，与污泥脱水处理同步进行的相应的废水处理过程也会产生一定的HTP和FEP。

在十二条路线中，R9的TEP最高，其次是R8和R7，R3的TEP最低（图2（a）和图2（d））。R7-R11的最终土地利用处置过程，是上述工艺TEP的主要贡献者，其分别占R7-R11总净TEP的100.23%、100.59%、100.53%、100.40%、98.95%，这是由于R7-R11的处理过程尽管对重金属和POPs等污染物有着一定的稳定和去除作用，但堆肥后污泥（R7）、消化后污泥（R8、R9）和污泥碳（R10、R11）中仍残留一定的污染物（尤其是重金属），这些物质在污泥土地利用过程中会排放到土壤中导致较高的TEP。此外，所有路线的废水处理过程几乎不会产生TEP，而且副产品或电能回收带来的环境效益对产生的TEP的抵消也没有作用。

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2. 2. 十二条污泥处理处置工艺路线的碳排放

随着我国“双碳目标”的提出，各行业的碳减排得到了前所未有的关注。本研究明确分析了十二条污泥处理处置工艺路线的总净碳排放量（图5（a））。具体而言，R5的碳排放最高（9371.47 kg CO₂当量/吨 绝干污泥），其次是R6（3077.81 kg CO₂当量/吨 绝干污泥）。R3、R8和R9是负碳排放过程（-27.26、-572.44和-474.92kg CO₂当量/吨 绝干污泥），这是由于肥料替代品和再生电能的碳补偿引起的。除R1、R8和R9外，耗电产生的能量源碳排放在所有工艺路线产生的总碳排放中的贡献最大。此外，添加的材料/化学品（R1中的石灰；R5、R6中的煤；R5中的页岩、石灰和粘土；R6中的煤、石灰石、铁矿石和粘土；R12中的CaO和HCl；所有工艺路线脱水过程中的PAM或FeCl₃；所有路线废水处理过程中的FeCl₃）的间接碳排放也对上述工艺的总碳排放有很大贡献。虽然废水处理和最终处置过程（R1中的安全填埋；R7-R12中的土地应用）产生的逸散性碳排放（CH₄和N₂O温室气体的直接排放）也贡献了一定的总碳排放，但相对较小。

图3 十二条污泥处理处置工艺路线的碳排放

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2. 3. 十二条污泥处理处置工艺路线的标准化环境影响

下图为十二条污泥处理处置路线所有标准化环境影响的热点图。结果发现，HTP和FEP是R1、R4-R6和R11中最重要的两个影响，这是由于高能耗和高物耗导致的间接污染物排放引起的。相比之下，R7-R11中的两个关键环境影响是FEP和TEP，这意味着污泥中的HMs在土地利用过程中会导致较高的环境负担。此外，值得注意的是，R5和R6中的高能耗和高物耗也会导致高ADP（F）、EP、GWP、PO和AP。最后，考虑到副产品或者电能回收产生的环境效益的抵消，污泥处理处置工艺的一些环境影响会降到负值，例如R2、R3的HTP、FEP、TEP，R7-R9的ADP、ADP（F）、HTP，R3、R8、R9的GWP等。

三、结果讨论

1. 污泥处理处置过程中有毒物质的控制

重金属是导致污泥土地利用过程中FEP和TEP升高的主要原因，因此控制污泥中HMs的浓度具有重要意义。一般来说，污泥中的HMs主要是由工业废水处理厂中不完整的HMs处理系统引起的。因此，严格规定工业废水排放标准是降低污泥中HMs含量的根本途径。事实上，随着我国污水和工业废水分流管理的发展，近年来污泥中的HMs浓度呈持续下降趋势。此外，在污泥副产物土地利用之前对HMs进行固化和稳定也具有重要意义。例如，在好氧堆肥过程中添加粘土矿物、碳材料、材料、工业废物等钝化剂，或在热解炭化过程中优化反应条件以形成微晶玻璃等，都可以有效降低污泥中HMs的毒性。但从LCA角度来看，优化污泥处理技术消耗的材料或者化学品也会带来相应的环境影响的增加，因此上述工艺的优化仍需进一步的定量化计算。

2. 仅通过LCA结果来评估毒性影响的合理性

如上所述，LCA结果表明，HMs是污泥土地利用过程中产生高环境风险的主要污染物，而持久性有机污染物的影响可以忽略不计。然而，最近关于仅使用LCA方法评价毒性影响的观点存在一定的争议。这是因为LCA的毒性影响结果主要考虑污染物的排放浓度上，而不是污染物的最终受体上。此外，LCA无法准确估计复合污染物和新兴污染物（如微塑料、纳米材料等）的毒性影响。因此，除了考虑LCA中的毒性影响结果外，有必要开发污泥中有机有毒物质的提取和分析方法以及各种毒理学评估方法，如发光细菌检测、紫外变异试验、植物毒性等。总的来说，本研究中得到了十二条工艺路线的毒性影响结果有着一定的局限性，仍需要进一步研究来证实。

1. 3. 量化新兴污泥资源回收路线的环境效益的前景

污泥的高水平资源化利用已成为未来污泥处理的重要趋势。新兴的污泥资源回收技术，包括产酸发酵、、类海藻酸钠外聚合物的制造、水热腐殖化，在广泛实施之前，还需要从LCA进行系统评估。因此，量化污泥资源化产品的环境效益是一个重要而富有挑战性的问题。我们认为，准确计算污泥产物中碳、氮和磷的回收效率可能是一个有意义的解决方案。

结论和展望

本研究系统地分析了我国典型污泥处理处置工艺路线的环境影响和环境效益。根据生命周期评价结果，提出了现行污泥处理处置工艺路线的选择和优化建议。本研究扩展并补充了以往的污泥生命周期评价研究，主要结论如下：

（1）在我国“减污降碳，协同增效”战略下，可以优先考虑与煤掺烧、单独焚烧和（热水解）厌氧消化的工艺路线，因为它们都具有相对较低或负面的毒性影响和碳排放。

（2）与POPs相比，HMs是污泥土地利用过程中的主要污染物。

（3）在资源/能源消耗和回收之间进行权衡后，当前污泥资源回收过程（包括好氧堆肥、热解炭化、蛋白质回收和水热炭化）的环境可持续性能一般。

（4）污泥中污染物的直接排放并不是造成环境影响的唯一原因，高能耗和大量化学品/材料添加产生的污染物的间接排放也会产生较高的环境负担。因此，石灰稳定化、湿式氧化、水泥窑焚烧和砖窑焚烧等工艺路线的环境影响非常严重。

作者介绍

张伟军，工学博士，研究员，博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者。主要从事有机固废处理与资源化、污废水深度处理与资源化、湖泊沉积物污染控制等方面的研究工作；先后主持国家优秀青年科学基金（2021年）、国家自然科学基金面上项目、国家水体污染控制重大专项子课题、湖北省自然科学基金等项目10余项，参与国家自然科学基金重点项目1项；以第一和通讯作者身份，总计发表论文100余篇，其中在Water Research、Environment International、Environmental Science: Nano等期刊发表SCI论文70余篇（Water Research 16篇），SCI总计他引2000余次。申请国家发明专利14项，授权7项；获2021年华夏建设科学技术一等奖（排名第二）、2015年中国中化集团科技进步二等奖（排名第三）、2020年中国产学研合作创新成果二等奖（排名第二）等奖励。

参考文献：Zhou H., Wei L.*, Wang D., Zhang W.*, Environmental impacts and optimizing strategies of municipal sludge treatment and disposal routes in China based on life cycle analysis. Environment International, 2022, 166, 107378.

文章链接: https://doi.org/10.1016/j.envint.2022.107378