意大利南部普利亚地区污泥处理过程中温室气体排放的评估

《Journal of Water Process Engineering》：Evaluation of greenhouse gas emissions from sludge treatment in Apulia, Southern Italy

本研究评估了意大利南部185个污水处理厂污泥处理线的温室气体排放，发现无氧消化相比有氧处理可减少11.2%排放，情景三实现1917 kgCO?eq/tDS的减排效果。

　　

埃齐奥·拉涅里（Ezio Ranieri）|詹弗兰科·唐吉亚（Gianfranco D’Onghia）|弗朗切斯卡·拉涅里（Francesca Ranieri）|路易吉·洛波波洛（Luigi Lopopolo）|莎拉·格雷戈里奥（Sarah Gregorio）|阿达·克里斯蒂娜·拉涅里（Ada Cristina Ranieri）

意大利巴里大学（Università degli Studi di Bari），生物科学、生物技术与环境系（Dipartimento di Bioscienze, Biotecnologie ed Ambiente），巴里

摘要

本文报告了意大利南部185个市政污水处理厂在污泥处理过程中产生的温室气体（GHG）排放情况，以及旨在减少温室气体排放的不同改进方案。分析了每个处理环节（包括污泥浓缩、好氧消化、厌氧消化和脱水过程）中的CO₂、CH₄和N₂O排放量。评估内容涵盖了由于电力消耗产生的CO₂当量间接排放，以及基于脱水过程中聚合物使用的化学物质消耗。研究了三种方案：SC1（当前估计值），即厌氧消化产生的气体通过燃烧方式排放，不进行能量回收；SC2（脱水工艺改进）；SC3（脱水工艺改进+沼气回收），通过提高脱水效率来回收沼气。分析结果表明，与好氧消化相比，采用厌氧消化工艺能够提高污泥的脱水性能，从而减少需要处置的污泥体积。相应地，每吨干污泥产生的CO?当量有所增加。最终，采用厌氧消化工艺的方案使温室气体排放量减少了11.2%，使得基于厌氧消化的污水处理厂的总体温室气体排放量降至1917公斤CO?当量/吨干污泥。

引言

污水处理是温室气体排放的重要来源之一。据估计，污水处理厂占意大利温室气体总排放量的1%，约占非CO₂温室气体排放量的6% [1]、[2]、[3]、[4]、[5]。同时，实现污水处理过程的能源中性（甚至能源正向）的可能性引起了广泛关注，一些机构呼吁完全抵消污水处理过程中的温室气体排放，以实现气候中和 [6]。

污水处理过程中的温室气体排放来源于多个环节：首先是生物处理过程，其中厌氧消化会产生含有甲烷和二氧化碳的沼气 [7]、[8]；其次是好氧处理过程，硝化和反硝化过程中会释放一氧化二氮，其排放量受操作条件影响 [9]；最后是污泥的最终处置过程，燃烧、焚烧和填埋会导致额外的二氧化碳和其他污染气体排放 [10]。

污水处理会产生两种主要类型的污泥：初级污泥（由悬浮固体沉淀形成）和二级污泥（含有生物处理过程中的微生物）。全球污泥产量估计约为每年4500万吨干物质，其中欧洲、美国和中国的产量尤为突出 [11]。污泥的处理方法包括浓缩和脱水以减少体积、提高处置效率，通过厌氧消化生产沼气和生物质稳定化，以及堆肥和热处理以实现物质和能源回收 [12]、[13]。然而，这些方法都会对温室气体排放产生影响，因此有必要对其整体环境影响进行评估 [14]、[15]、[16]。

污水处理在运营成本和环境影响方面都面临挑战，尤其是与处理和处置过程相关的温室气体排放 [17]、[18]。近年来，通过工艺优化和先进技术的整合，已经开发出多种减少污泥产量和降低环境影响的策略 [12]、[19]。

为了减少污泥处理过程中的温室气体排放，正在采取多种措施，例如通过联合发电从沼气中回收能源或净化后将其接入电网 [4]，在处理厂中使用可再生能源以降低能源消耗带来的间接排放 [16]，以及采用碳封存技术（如利用污泥衍生的生物炭改良土壤 [13]。这些策略结合循环经济的理念，有助于推动该行业的脱碳进程 [20]。

近年来，人们开发了多种创新方法来减少污泥产量而不影响处理效率，包括使用先进生物工艺（如捕食性细菌或解耦代谢），引入机械和化学技术（如超声波、臭氧处理和热处理 [12]），以及使用膜反应器以提高固体分离效率并减少生物质产生 [13]。这些方法减少了污泥产量，从而降低了处理和处置的相关成本和排放。

厌氧消化结合污泥的土地施用已成为一种有前景且广泛应用的处理和处置技术 [21]，有助于实现更可持续和循环的经济模式。厌氧消化能有效将污泥转化为沼气，这种沼气可作为可再生能源使用，减少对化石燃料的依赖 [22]，并通过燃烧发电机组发电来抵消污泥处理过程中的温室气体排放。多项研究评估了沼气生产在减少温室气体排放方面的潜力 [23]、[24]。

污水处理厂的污泥管理是一个复杂的课题，既涉及技术层面也涉及环境问题。该行业的温室气体排放量较大，但通过工艺优化、能源回收和采用创新技术可以加以缓解。对包括污泥处理在内的整个污水处理过程进行全面的碳足迹（Carbon Footprint, CF）分析对于制定区域管理策略和实现净零排放目标至关重要 [25]、[26]、[27]、[28]。

本研究旨在分析意大利普利亚地区所有污水处理厂的污泥处理过程，特别是脱水与消化环节，以量化温室气体排放量并提出减排措施。

材料与方法

本研究旨在全面了解意大利普利亚地区的市政污水处理厂情况。这些污水处理厂被分为两类：好氧污泥消化厂和厌氧污泥消化厂（见图1）。

基于拉涅里等人之前的研究 [14]，利用2018至2023年的数据集评估了普利亚地区所有185家污水处理厂的CO₂排放情况。

结果与讨论

通过对2018至2023年间每家污水处理厂的数据进行分析，计算出了好氧消化和厌氧消化厂每人每天产生的干固体当量（PE），结果如图2a所示。

如图2a所示，使用Welch的t检验方法比较了两种处理方式，发现两组之间没有统计学上的显著差异（29.25 ± 6.68 vs 28.41 ± 6.72 gDS/PE·d；p = 0.48）。

结论

对185家污水处理厂的污泥处理过程进行了广泛的温室气体排放分析，发现厌氧消化系统和好氧消化系统之间存在显著差异。

结果表明，两种处理方式产生的干固体量相当，两者之间没有统计学上的显著差异（29.25 ± 6.68 vs 28.41 ± 6.72 gDS/PE·d；p = 0.48）。

作者贡献声明

埃齐奥·拉涅里（Ezio Ranieri）：项目监督、管理及概念设计。詹弗兰科·唐吉亚（Gianfranco D’Onghia）：数据验证。弗朗切斯卡·拉涅里（Francesca Ranieri）：数据可视化、调查分析。路易吉·洛波波洛（Luigi Lopopolo）：软件开发、方法论设计。莎拉·格雷戈里奥（Sarah Gregorio）：软件开发、方法论设计。阿达·克里斯蒂娜·拉涅里（Ada Cristina Ranieri）：论文撰写与编辑、初稿撰写、数据整理与分析。

资金支持

本研究未使用任何特定资金。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢瓦内萨·帕拉维奇尼（Vanessa Parravicini）在论文撰写过程中提供的宝贵建议。同时感谢“普利亚水务局”（Autorità Idrica Pugliese, AIP）提供相关污水处理厂的电力数据。本研究是在意大利“国家重大项目”（Progetti di Rilevante Interesse Nazionale, PRIN）S⁴WAT（项目编号P2022234RJ）的资助下完成的。