粪便污泥热解全处理设施的财务可行性与环境可持续性分析
转载 发布时间:2022-09-09 浏览次数: 831 来源: ACS美国化学会

核心提示:美国伊利诺伊大学-香槟分校学土木与环境工程学院的Jeremy Guest团队通过量化可持续设计工具对粪便污泥热解全处理设施的全生命周期碳排放和成本进行量化分析,结果表明,热解全处理设施的碳排放小于常用的厌氧处理。不确定性和敏感性分析明确了减碳降成本的关键过程。


  美国伊利诺伊大学-香槟分校学土木与环境工程学院的Jeremy Guest团队通过量化可持续设计工具对粪便污泥热解全处理设施的全生命周期碳排放和成本进行量化分析,结果表明,热解全处理设施的碳排放小于常用的厌氧处理。不确定性和敏感性分析明确了减碳降成本的关键过程。

  背景

  消除全球环境公共卫生的差距是联合国可持续发展目标之一。但是目前全球环境公共卫生设施的覆盖率和污水处理率不理想。集中式的污水处理设施和系统投资与运营维护成本高。传统的坑式厕所仍然是超过15亿人的主要环境卫生设施。近些年尿液分离免水冲厕所作为比较安全的粪便收集设施得到越来越多关注。坑厕和免水冲厕所都需要定期清理,收集和集中处理粪便污泥需要大量的人力物力。

  热处理技术是处理粪便污泥的路径之一。通过高温热解将粪便污泥转换为生物炭,实现一定的资源回收。热能可以用于发电或者污泥干燥。这一类技术得到美国比尔和梅琳达-盖茨基金会的“厕所再造挑战”支持,已经形成了创新性的全处理设施(Omni Processers)。通过技术优化、设计创新与远程监控,实现对粪便污泥的高效处理。但是,目前就决策者会关心的全生命周期可持续性、设施成本等指标尚未有定量的分析。

  文章解读

  Jeremy Guest团队利用开源的量化可持续设计(Quantitative Sustainable Design, QSD)工具,设定了坑厕和免水冲厕所的两种粪便污泥收集、预处理和热处理应用场景(图1),分析热处理技术的环境可持续性与财务可行性。计算热处理技术的成本考虑了设备的投资成本与运营维护成本。环境分析主要是温室气体排放,基于粪便卫生系统建设用到的材料和使用过程中的电力消耗,结合Ecoinvent和美国EPA的Traci估算温室气体。作者通过碳氮比和运营工况对热处理的过程中产生的直接排放做了系列假设和估算。作者分别对粪便污泥的收集、预处理和应用区域的社会环境经济背景做了详细的说明,帮助读者理解应用场景的具体设置细节。最后作者利用蒙特卡洛和斯皮尔曼秩相关系数对结果的不确定性和输入参数的敏感性做了详细的剖析。


  图1.针对坑厕和免水冲厕所两种设施从收集到热处理的全过程和系统边界

  结果显示坑厕尿粪混合的热处理全生命周期成本低于免水冲厕尿液分离后的粪便污泥,但是坑厕尿粪混合的热处理带来的全生命周期碳排放要高于免水冲厕尿液分离后的粪便污泥处理的排放(图2a)。在不同的国家,坑厕尿粪混合的热处理碳排放差异很大(图2b)。高热量摄入国家粪便的有机质含量高, 坑测尿粪混合的热处理碳排放也较高。免水冲厕尿液分离的粪便污泥热处理排放差异较小,主要是因为密封的收集系统避免了粪便堆积的温室气体逃逸。但是免水冲厕尿液分离的粪便污泥热处理成本差异较大。主要因为高的蛋白质摄入需要更多的药剂投入实现资源回收。作者也提到,针对不同国家的情景设计没有全面涵盖所有可能对热解全处理设施的机制。总体而言,热解全处理设施的碳排放要低于用厌氧发酵处理技术,而成本又高于厌氧发酵。


  图2.a) 坑厕尿粪混合和免水冲厕的热处理全生命周期碳排放和成本对比;b)不同国家两种应用场景下热处理全生命周期碳排放和成本对比。

  坑厕尿粪混合的热处理成本集中于坑厕建设、尿粪混合的预处理和热解全处理设施的运营和管理。坑厕直接排放占坑厕尿粪混合的热处理全生命周期碳排放的64%(39%-78%)。脱水过程的能源消耗和坑厕建设是次要的碳排放过程。免水冲厕尿液分离的粪便污泥热处理成本集中于高频次的收集运输、尿液的处理和尿液分离的免水冲厕所建设。免水冲厕尿液分离的粪便污泥热处理全生命周期碳排放主要来自于免水冲厕所的建设中用到的大量砖块来建设收集容器,占55%(38%-80%)。尿液处理和收集运输是次要的碳排放过程。总体而言,热解全过程设施因为规模化处理粪便污泥,其占整个粪便收集和处理中的成本占比不高。

  后续敏感性分析进一步揭示热解全处理设施的全生命周期碳排放和成本的关键因素(图3)。家庭人口、厕所的使用人数同时影响碳排放和成本。在一定程度上建立合适规模的粪便集中收集和存储设施对于降碳和降低成本都有有益的。粪便中的有机质含量对坑厕尿粪混合的热处理全生命周期的碳排放影响较大。敏感性的分析也说明针对特定社会经济环境开展细致研究的必要性。作者在敏感性分析的基础上也进一步如何规划、建设和利用好粪污热解全处理设施,达到减碳降本给出了一些详细的建议。最后,作者对热解得到的生物炭的碳固存价值进行了简洁评估。

  作者最后总结了文章的未来可以改进的地方。热解全处理的分散式还是集中式空间规划有待分析。粪污的收集和管理规则也有待细化。技术层面的假设主要基于实验室和现场观察,还需要更多的实践数据支持。总体而言,热解全处理设施用于无污水管网地区的粪污处理,还是比较有环境与经济效益。


  图3. 坑厕尿粪混合和免水冲厕的热处理全生命周期碳排放和成本的参数敏感性分析

  该项目得到了美国比尔和梅琳达-盖茨基金会部分支持。研究的相关结果已发表于ACS Environmental Au。

  英文原题:

  Financial Viability and Environmental Sustainabilityof Fecal Sludge Treatment with Pyrolysis Omni Processors

  作者:Lewis Stetson Rowles*Lewis Stetson Rowles, Victoria L. Morgan, Yalin Li, Xinyi Zhang, Shion Watabe, Tyler Stephen, Hannah A. C. Lohman, Derek DeSouza, Jeff Hallowell, Roland D. Cusick, and Jeremy S. Guest*

  通讯作者:Jeremy S. Guest,美国伊利诺伊大学-香槟分校土木与环境工程学院;Lewis Stetson Rowles,美国伊利诺伊大学-香槟分校可持续,能源与环境研究所

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