土地利用受到限制、運(yùn)輸費(fèi)用增加，對(duì)溫室氣體排放的關(guān)注等一系列原因引起了污水處理廠對(duì)固體廢物處理替代技術(shù)的關(guān)注。與此同時(shí)，焚燒爐裝置的能源利用效率變得更高，對(duì)環(huán)境更為友好。那么，這樣就可以認(rèn)為焚燒爐是固體廢物處理的“環(huán)保”型替代技術(shù)嗎?答案是肯定的。

焚燒爐的先進(jìn)行

據(jù)美國(guó)環(huán)保局估計(jì)，在美國(guó)大約有20%的廢水固渣被焚燒。焚燒爐有以下一些優(yōu)點(diǎn):將大量固體廢物變成可以處置或再利用的無(wú)菌灰燼，對(duì)環(huán)境影響小，可以全天候連續(xù)處理。大多數(shù)情況下，公司會(huì)采用比較先進(jìn)的焚燒技術(shù)。在大城市，老式的多爐腔焚燒爐已經(jīng)被新式的流化床焚燒爐所替代。然而，也有許多多爐腔焚燒爐采用排放控制設(shè)備進(jìn)行升級(jí)后再投入使用，這樣升級(jí)后的焚燒爐能夠通過更多的許可驗(yàn)收。

最近，焚燒爐在機(jī)械脫水和熱回收技術(shù)上的新進(jìn)展使其能夠自燃，即不需要任何輔助的化石燃料。自燃利用固體物質(zhì)的生物能可以提供額外的能源用于發(fā)電，并能夠降低溫室氣體和其他空氣污染物的排放。這些進(jìn)展使得焚燒成為了環(huán)保的固體廢物處理替代技術(shù)。

溫室氣體減排

雖然美國(guó)尚未簽訂京都議定書，但美國(guó)目前正在討論二氧化碳減排的可替代手段。因此，對(duì)溫室氣體減排的需要可能在不久的將來(lái)對(duì)焚燒裝置產(chǎn)生影響。

將焚燒評(píng)為“環(huán)保”技術(shù)的原因是:比起土地利用、填埋和熱干燥等固體廢物處理技術(shù)，最近“不使用化石燃料”焚燒爐的改進(jìn)使其可以減少溫室氣體的排放。

環(huán)保焚燒技術(shù)是指利用可再生能源或生物質(zhì)能源—這里指的是廢水固渣，而不是化石燃料—進(jìn)行固體廢物處理。利用生物質(zhì)燃料進(jìn)行固體廢物處理比使用石化燃料更具經(jīng)濟(jì)效益。生物質(zhì)燃料是一種“碳中性”燃料:生物質(zhì)燃料的燃燒或者氧化會(huì)釋放出二氧化碳，但等量的二氧化碳會(huì)被大氣所吸收。這樣，生物質(zhì)燃料僅使大氣碳進(jìn)行了循環(huán)而不是增加了大氣中碳含量。而使用不可再利用的化石燃料可能會(huì)增加大氣中的碳含量。

可再生溫室氣體排放包括：環(huán)境和生物質(zhì)的熱氧化，使用沼氣和垃圾填埋氣作燃料。不可再生源包括:生物質(zhì)燃燒所需的輔助燃料，運(yùn)輸生物質(zhì)所需燃料，生物質(zhì)燃料使用過程中風(fēng)扇、水泵和其他設(shè)備所消耗的電能。

實(shí)際的例子

我們?cè)u(píng)估了三種設(shè)備來(lái)確定從焚燒爐中釋放出的溫室氣體，其中有兩種設(shè)備是自燃型焚燒爐，僅需要少量或者不需要化石燃料來(lái)產(chǎn)生輔助熱量;另外一種是流化床焚燒爐，需要一些輔助化石燃料。

安大略省的皮爾地區(qū)

Lakeview污水處理廠有4臺(tái)流化床焚燒爐，每臺(tái)焚燒爐的額定容量是100 Mg/d。自2006年2月已有一臺(tái)裝置投人使用，剩下的3臺(tái)到2009年才更新完畢。更新完畢后，這將是北美最大的流化床裝置，總?cè)萘渴?00 Mg/d。

這些設(shè)備有幾個(gè)方面的特點(diǎn)促成了自燃。熱風(fēng)箱設(shè)計(jì)使得加熱的流化空氣溫度高達(dá)650 C。此外，初級(jí)熱交換器采用高溫廢氣來(lái)加熱進(jìn)人焚燒爐的流化空氣。流化空氣除了流化床體，還提供助燃?xì)狻Ｗ詈�，離心機(jī)將未消化的固體脫水，使干固體的含量達(dá)到28%，這樣可以減少水分蒸發(fā)所需要的能量。

綠灣(威斯康辛州)都市區(qū)的污水收集系統(tǒng)

自二十世紀(jì)70年代綠灣污水處理廠建廠時(shí)建造的兩個(gè)多爐膛焚燒爐從始自終不間斷地運(yùn)行。最近，人們將焚燒爐的廢氣洗滌塔進(jìn)行了更新，同時(shí)為了燃燒更完全、廢氣排放量更少、操作更自由還進(jìn)行了其他更新。其中一臺(tái)設(shè)備于2005年重新投入使用，其容量達(dá)到了44 Mg/d。另一臺(tái)設(shè)備于2007年完成了更新。更新后的焚燒爐提高了燃燒廢水固渣的能力，降低了石化燃料的使用和廢氣排放量。

以下幾個(gè)因素促進(jìn)了自燃燒。首先，二級(jí)爐腔取代了一個(gè)燃燒后爐腔，這樣可以不再額外使用燃料。而且，新的爐腔使得停留時(shí)間更長(zhǎng)(1-2s)，能在較低的溫度下使氣體流中的有機(jī)物完全燃燒。而且，嚴(yán)格的空氣控制使得不必再將多余空氣加熱到燃點(diǎn)。有過量空氣的氣流時(shí)在這一過程中需要額外的熱量。而且，帶式壓濾機(jī)可以提供給焚燒爐23%-28%的干固體。因?yàn)楣腆w具有更高的熱值，自燃燒需要至少26%的干固體。最后，鍋爐的廢熱還能夠提供34 bar的蒸汽，可以減少石化燃料的使用，降低溫室氣體的排放。雖然目前該技術(shù)尚未實(shí)施，但從焚燒爐廢氣中回收熱量確實(shí)可以產(chǎn)生蒸汽，生成清潔、綠色的電能供給污水處理廠使用或者進(jìn)行出售。

該裝置說明對(duì)于多爐腔焚燒爐來(lái)說實(shí)現(xiàn)自燃是可能的，但這可能僅僅是個(gè)特例，大多數(shù)多爐腔焚燒爐還需要輔助燃料。

辛辛那提的都市下水道

俄亥俄的小邁阿密廢水處理廠用一臺(tái)流化床焚燒爐替代了原有的多爐腔焚燒爐。該裝置自從2000年開始運(yùn)行，其容量達(dá)到了65 Mg/d。小邁阿密的情況類似于Lakeview，但其二級(jí)熱交換器被用于羽流抑制。

和Lakeview污水處理廠一樣，這里的裝置也采用了熱風(fēng)箱設(shè)計(jì)，初級(jí)熱交換裝置也利用高溫廢氣來(lái)加熱流化氣蒸汽。然而，該裝置的額定容量是通常的一半，而且不能夠自燃。帶式壓濾機(jī)不能夠連續(xù)對(duì)未消化的固體進(jìn)行脫水，一般可獲得22%的干固體。當(dāng)干固體含量超過26%時(shí)，該裝置就可以自燃燒了。

自從2005年一系列項(xiàng)目改進(jìn)后，該污水處理廠對(duì)天然氣的使用量從11.4 GJ/Mg降到了5.7 GJ/Mg ,二氧化碳的排放降低到了9.5 kg/d.該廠還計(jì)劃用高固體離心機(jī)替代帶式壓濾機(jī)，以降低或者消除對(duì)輔助燃料的使用。

溫室氣體排放比較

項(xiàng)目組列出了下列四種情形來(lái)比較典型固體廢物處理過程中的溫室氣體排放:

案例1:厭氧消化+脫水十土地利用;

案例2:厭氧消化+脫水+干燥+土地利用;

案例3:脫水+流化床焚燒爐+托運(yùn)灰飛;
 
案例4:脫水+填埋。為了起點(diǎn)相同，假設(shè)每天都有100 Mg的廢水固渣進(jìn)人消化器(或者進(jìn)行脫水)，這樣消化對(duì)量的減少也包括在內(nèi)了。所有的情況中，電量的計(jì)算基于燃煤發(fā)電廠產(chǎn)生的電力。其他形式的無(wú)溫室氣體排放的電力來(lái)源，比氫能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、或者核能等能夠大大降低不可再利用部分溫室氣體的排放。目前美國(guó)大約有28%、安大略有多于58%的能量來(lái)源于非煤、非碳?xì)滟Y源。因此，實(shí)際的排放量應(yīng)該大大降低。
 
為了比較每種固體廢物處理過程中溫室氣體的排放，針對(duì)每種情形要依次列出下面幾點(diǎn):
 
*確定生物質(zhì)中可回收的二氧化碳?xì)怏w的量。
 
*比較不可再生溫室氣體的產(chǎn)生，包括發(fā)電和石化燃料燃燒產(chǎn)生的溫室氣體。
 
*確定可用于碳補(bǔ)償?shù)男庞妙~度，比如那些利用沼氣發(fā)電產(chǎn)生的二氧化碳。
 
*比較凈的溫室氣體排放結(jié)果。

結(jié)論
 
可再利用的溫室氣體
 
從生物質(zhì)燃料中釋放出的溫室氣體的量取決干生物質(zhì)燃料中揮發(fā)性固體的含量。在消化和干燥過程中，45%的揮發(fā)性固體被轉(zhuǎn)化成了沼氣。沼氣在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生溫室氣體。如果不將沼氣燃燒，其在空氣中將最終被氧化為二氧化碳。剩余55%的揮發(fā)性固體將在土地利用或者固體干燥過程中釋放出來(lái)。而對(duì)于焚燒法，在揮發(fā)性物質(zhì)燃燒過程中，所有的氣體都會(huì)從焚燒爐中釋放出來(lái)。
 
對(duì)于土地利用和填埋，轉(zhuǎn)化時(shí)間可能會(huì)很長(zhǎng)，可能要數(shù)十年，這取決于土地運(yùn)作。由于該項(xiàng)目的原因，我們假定60%的揮發(fā)性固體進(jìn)入填埋場(chǎng)能夠在較短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化為沼氣，而剩余物質(zhì)要在一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)被完全氧化。

不可再生溫室氣體

在能源處理、傳輸或作為原材料時(shí)會(huì)產(chǎn)生不可再利用溫室氣體。這包括電力能源使用、輔助或補(bǔ)充燃料、化學(xué)品或聚合物生產(chǎn)、運(yùn)輸用柴油燃料。用電產(chǎn)生的溫室氣體計(jì)算基于燃煤發(fā)電站排放的溫室氣體。

從此項(xiàng)分析中可以得出以下幾點(diǎn):

*土地利用生成不可再生溫室氣體的潛在可能性最小，而熱干燥最多。這可能有些出人意料，因?yàn)榧词故峭恋乩�，運(yùn)輸用燃料的影響也相對(duì)較小。

*對(duì)干熱干燥，輔助燃料是產(chǎn)生溫室氣體的最大來(lái)源，占溫室氣體排放量的62%。對(duì)于干燥，使用的輔助燃料的價(jià)值遠(yuǎn)大于土地利用和焚燒。

*用電是溫室氣體的最大產(chǎn)生者，占焚燒溫室氣體釋放量的85%，占土地利用釋放量的69 %

溫室氣體排放權(quán)

如果生物質(zhì)的生物能源價(jià)值更夠抵消燃煤電廠的電能，我們還確定了潛在的“排放配額”。對(duì)于土地利用和干燥，這包括利用沼氣通過發(fā)動(dòng)機(jī)一發(fā)電機(jī)發(fā)電。對(duì)于熱干燥，這包括利用沼氣進(jìn)行干燥以抵消對(duì)輔助燃料的需求。對(duì)于焚燒爐，可以收集垃圾填埋氣，用發(fā)動(dòng)機(jī)一發(fā)電機(jī)來(lái)發(fā)電。

消化比焚燒的排放配額高，因?yàn)橐姹葴u輪機(jī)在將能源轉(zhuǎn)換成電能方面效率高。引擎發(fā)電的效率大約是35%，而渦輪蒸汽機(jī)的效率僅有25%。

對(duì)于烘干機(jī)，大多數(shù)污水處理廠采用沼氣來(lái)提供50%一100%干燥所需的能源，以減少不可再生燃料的使用。

我們注意到土地利用的消化配額大于沼氣抵消的熱干燥。從一個(gè)大的視角來(lái)看，對(duì)于污水處理廠來(lái)說沼氣發(fā)電比購(gòu)買燃料用于干燥要有利得多。然而仍然存在的問題是:使用沼氣是不是真正能帶來(lái)益處?回答是:發(fā)動(dòng)機(jī)一發(fā)電機(jī)比燃煤電廠要高效得多，使用電能減少了溫室氣體的排放。

填埋和土地利用對(duì)溫室氣體排放的影響最小，熱干燥影響最大，焚燒居中。

污水處理廠可以采取的步驟

研究結(jié)果有些出人意料:除干燥之外，用電帶來(lái)的溫室氣體排放量在所有選項(xiàng)中最大。如果其他因素—比如商用氮肥或者熱干燥生產(chǎn)的燃料產(chǎn)品帶來(lái)的偏移可能會(huì)影響分析結(jié)果。干燥的燃料產(chǎn)品可以計(jì)入商業(yè)發(fā)電站補(bǔ)償煤的消耗。類似地，干燃料有時(shí)被用作水泥廠的原料。

有焚燒爐的污水處理廠可能想考慮具體行動(dòng)。最好的減少溫室氣體排放的方法是減少用于干燥的電能和輔助燃料的消耗。如果溫室氣體減排是最主要的目標(biāo)，價(jià)錢、操作的難易程度和維修問題是次要目標(biāo)，那么建議進(jìn)行以下的操作:

*優(yōu)化運(yùn)行，使設(shè)備在效率最高點(diǎn)附近運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷只有一半時(shí)應(yīng)將設(shè)備關(guān)掉。

*優(yōu)化脫水過程，因?yàn)樵撨^程占據(jù)了整個(gè)排放量的一大部分。用電及聚合物的排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于拖運(yùn)和土地利用。

*收集沼氣或垃圾填埋氣。電動(dòng)機(jī)一發(fā)電機(jī)發(fā)電的效率大約是35%,渦輪蒸汽機(jī)的發(fā)電效率僅有25 %。這些數(shù)據(jù)說明消化一部分廢水固渣再進(jìn)行焚燒，只要焚燒爐能夠進(jìn)行自燃，便可提供最多的溫室氣體排放份額。然而，我們要牢記，增加使用沼氣會(huì)增加污水處理廠的氣體排放量，可能會(huì)對(duì)清潔空氣法案第五條或其他空氣法規(guī)產(chǎn)生影響。

對(duì)于消化和垃圾填埋氣系統(tǒng)取得清潔系統(tǒng)操作成功非常重要。氣體清潔系統(tǒng)將去除濕氣、二氧化硫和硅氧烷。然而，一些市政污水處理廠發(fā)現(xiàn)難以達(dá)到嚴(yán)格的運(yùn)作和維修要求。

我們僅僅評(píng)估了各種固體廢物處理方法對(duì)溫室氣體排放的影響，但這不能作為選擇固體處理方法的唯一標(biāo)誰(shuí)。還應(yīng)該考慮:資本開支和運(yùn)營(yíng)成本;可供使用的土地利用場(chǎng)地或者填埋空間;公眾對(duì)交通、噪音、氣味和廢氣排放的關(guān)注;任何天氣狀況下運(yùn)行的可靠性;排放的其他氣體比如氮氧化物、硫氧化物和顆粒物對(duì)環(huán)境的影響;整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性和可維護(hù)性。

  使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”