國(guó)內(nèi)污泥厭氧消化裝置停運(yùn)或運(yùn)行不良的原因淺析-

1、國(guó)內(nèi)污泥厭氧消化裝置停運(yùn)或運(yùn)行不良的原因淺析高碑店消化發(fā)電項(xiàng)目數(shù)據(jù)解讀北京高碑店污水廠直到幾年前還一直是我國(guó)污水界最有代表性的工程之一,其厭氧消化更是繼天津的幾個(gè)厭氧消化項(xiàng)目之后,國(guó)內(nèi)建設(shè)最早、規(guī)模最大、設(shè)計(jì)配套最完整、運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的項(xiàng)目之一。但2008年奧運(yùn)會(huì)前,消化部分停止了運(yùn)行,至今尚未恢復(fù)生產(chǎn),時(shí)間已過(guò)去了三年多,甚至還有傳聞?wù)f消化罐等要徹底拆除,為計(jì)劃中的帶式干化項(xiàng)目讓地。關(guān)于高碑店的消化項(xiàng)目,有多篇已發(fā)表的論文可供參考。如張韻等高碑店污泥消化發(fā)電項(xiàng)目、張韻等高碑店污水處理廠污泥處理系統(tǒng)及設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的一些問(wèn)題、劉達(dá)克高碑店污泥消化的啟動(dòng)、李維、楊向平等高碑店污水處理廠沼氣熱電聯(lián)供情

2、況介紹、王立國(guó)高碑店厭氧消化與沼氣發(fā)電、宋曉雅等高碑店污水處理廠污泥處理系統(tǒng)工藝介紹及運(yùn)行分析等。本文擬采用這些論文所提供的數(shù)據(jù),建立一個(gè)厭氧消化的分析計(jì)算模型,以了解厭氧消化項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思想,并結(jié)合所報(bào)道的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),分析技術(shù)經(jīng)濟(jì)特征,進(jìn)而探討項(xiàng)目消化停運(yùn)的原因。一、項(xiàng)目設(shè)計(jì)條件與模型的建立資料顯示,一、二期項(xiàng)目在泥區(qū)物流、厭氧消化工藝方面的設(shè)計(jì)參數(shù)是基本一致的,所不同的地方僅在于消化器的攪拌形式、沼氣發(fā)電機(jī)的選型和配置、脫硫工藝類型等。這里按每期項(xiàng)目數(shù)據(jù)單獨(dú)分析?！霸O(shè)計(jì)水量50萬(wàn)m3/d,初沉泥和二沉池的混合污泥量為4417m3/d,污泥含水率97%”,則濃縮污泥的干固體量為132.5噸/

3、日。項(xiàng)目采用中溫兩級(jí)消化,溫度35度,一級(jí)消化的固體停留時(shí)間21天,二級(jí)7天,一級(jí)消化器12個(gè),二級(jí)4個(gè),則單體消化器的有效容積為7800立方米。入消化器濃縮污泥量2208立方米/日,則含固率的設(shè)計(jì)值為6%(實(shí)際4-5%;設(shè)計(jì)消化參數(shù)取值為干基有機(jī)質(zhì)含量60%,消化降解率50%。則每日有機(jī)質(zhì)降解量為39.75噸/日。設(shè)計(jì)日產(chǎn)氣量設(shè)計(jì)值為26500立方米。假設(shè)甲烷含量在60-65%之間,取中值63%,則日產(chǎn)甲烷量約16695立方米/日。由此可知,設(shè)計(jì)時(shí)可能采用了有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)甲烷系數(shù)0.42 Nm3/kg.VSSr。消化器的設(shè)計(jì)直徑20米,總高28.8米,其中地下5米。據(jù)此可得到消化器的表面積。二

4、期項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí),給出了項(xiàng)目“消化池冬季所需最大加熱量為226.8萬(wàn)Kcal/h。夏季最小加熱量為138.3萬(wàn)Kcal/h”的數(shù)據(jù),據(jù)此,可采用北京地區(qū)氣溫、土溫?cái)?shù)據(jù),建立適合此類消化池的加熱部分計(jì)算模型。kg/m3,MLVSS分解系數(shù)0.05,MLVSS/MLSS比0.60。在沼氣使用方面,一、二期項(xiàng)目裝機(jī)量均為2000 kW;以二期的設(shè)計(jì)發(fā)電效率38.3%考慮,需要耗用沼氣19955立方米/日;根據(jù)二期項(xiàng)目發(fā)電機(jī)余熱量50.3%,發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷時(shí)所產(chǎn)余熱應(yīng)能滿足冬季最大加熱量需求。這里為分析方便起見(jiàn),不采用全部余熱生成熱水的方法,而是考慮部分高溫余熱(相當(dāng)于發(fā)電沼氣輸入熱量的19.5%生成蒸汽或

5、導(dǎo)熱油用于干化,以此來(lái)考察厭氧消化的多余能量結(jié)合干化實(shí)現(xiàn)污泥減量的潛力。僅采用缸套冷卻水和潤(rùn)滑油冷卻水進(jìn)行熱水回收,這相當(dāng)于沼氣發(fā)電輸入熱量的28.5%。熱水不足部分,在專設(shè)的沼氣鍋爐中燃燒沼氣替代。滿足發(fā)電同時(shí)滿足消化供熱最大需求的沼氣剩余部分用于干化。干化數(shù)據(jù)采用動(dòng)態(tài)取值,升水蒸發(fā)量?jī)魺岷脑?60-720 kcal/kg之間,干化后含固率越高,凈熱耗越低。二、運(yùn)行效果與技術(shù)問(wèn)題從日產(chǎn)污泥的干固體量看,此項(xiàng)目如果不進(jìn)行消化,采用帶機(jī)假設(shè)可機(jī)械脫水至含固率20%的話,每日應(yīng)產(chǎn)生濕泥量663噸。按照設(shè)計(jì),厭氧消化可實(shí)現(xiàn)干固體減量30%,經(jīng)脫水后,獲得含固率25%的濕泥約371噸,相當(dāng)于總體濕泥減

6、量44%。在沼氣產(chǎn)量為26500立方米/日時(shí),維持設(shè)計(jì)發(fā)電量2000 kWh,需要將沼氣的75.3%需要用于發(fā)電,21.7%用于沼氣鍋爐生產(chǎn)蒸汽或熱水用于滿足最大熱能消耗下的保溫加熱,剩余的3%與來(lái)自沼氣發(fā)電機(jī)的余熱(回收為導(dǎo)熱油或蒸汽,可供蒸發(fā)1428 kg/h的水分,能將脫水至含固率25%的污泥干燥到大約27.5%。從本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)參數(shù)看,厭氧消化產(chǎn)生的能量用于發(fā)電后,剩余熱量?jī)H能滿足干化提升2.5個(gè)百分點(diǎn),能量產(chǎn)出有限。發(fā)電同時(shí)進(jìn)行熱干化的可能性較低,除非干化有大量廢熱可供利用,不占沼氣份額、從污泥減量看,厭氧消化在理論上十分有意義,消化后污泥的脫水性質(zhì)改善,可望實(shí)現(xiàn)污泥減量(以未消化濕泥

7、的脫水后含固率20%計(jì)的幅度較大。然而,實(shí)際運(yùn)行下來(lái),結(jié)果與設(shè)計(jì)值有較大的偏差。根據(jù)李維、楊向平等高碑店污水處理廠沼氣熱電聯(lián)供情況介紹(載給水排水2003年第12期,2003年初兩期項(xiàng)目均實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行后的實(shí)際總產(chǎn)氣量?jī)H為25000立方米/日,日均發(fā)電量55000千瓦,發(fā)電量約為設(shè)計(jì)值4000 kWh(實(shí)際3836 kWh的57%,產(chǎn)氣量相當(dāng)于設(shè)計(jì)值53000立方米的47%。該文分析,高碑店項(xiàng)目的實(shí)際來(lái)水量為80多萬(wàn)立方米/日,相當(dāng)于設(shè)計(jì)值100萬(wàn)立方米的80%,因此厭氧項(xiàng)目的產(chǎn)氣能力可望達(dá)到40000立方米/日,也就是設(shè)計(jì)值的75%以上。此時(shí)設(shè)施還應(yīng)有較好的經(jīng)濟(jì)效益。然而,幾年運(yùn)行下來(lái),產(chǎn)氣量

8、遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)規(guī)模,經(jīng)濟(jì)效益不佳,其間又出現(xiàn)過(guò)兩次重大安全事故,技術(shù)、管理、安全等多方面的原因,最終造成了項(xiàng)目的停運(yùn)。張韻等高碑店污水處理廠污泥處理系統(tǒng)及設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的一些問(wèn)題(2005年首屆中國(guó)城鎮(zhèn)水務(wù)發(fā)展戰(zhàn)略國(guó)際研討會(huì)論文集、宋曉雅等高碑店污水處理廠污泥處理系統(tǒng)工藝介紹及運(yùn)行分析(載給水排水2004年第12期對(duì)高碑店厭氧發(fā)電項(xiàng)目的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了較為全面的總結(jié),這里不做引述,僅提出幾個(gè)比較關(guān)鍵的問(wèn)題討論如下:1、進(jìn)泥含固率低的問(wèn)題原設(shè)計(jì)濃縮池出泥含水率為94%,而實(shí)際運(yùn)行的濃縮池出泥含水率9596%。固體回流給污水處理、脫水都帶來(lái)了問(wèn)題,但核心問(wèn)題是單位池容的產(chǎn)氣率降低。筆者以為,4-6%的

9、含固率是目前國(guó)內(nèi)厭氧消化項(xiàng)目的典型取值范圍,如果僅提高進(jìn)泥含固率就可以保證實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)氣率,這一問(wèn)題其實(shí)不難解決。由于水量減少了20%,這意味著干固體量也應(yīng)減少20%,但進(jìn)泥濃度下降為5%,仍可保持同樣的水力停留時(shí)間,消化率應(yīng)不受到什么影響。如果濃縮只能達(dá)到4%含固率的話,也可考慮將少量濃縮污泥進(jìn)行預(yù)脫水,然后將這部分脫水污泥打入消化罐混合而成5%,由此可徹底避免文章所提到的“固體回流現(xiàn)象”。含固率低一定會(huì)造成加熱量提高,有機(jī)質(zhì)負(fù)荷降低,池容產(chǎn)氣量減少,因此在池容一定的條件下,4%含固率的進(jìn)泥一定不如6%。含固率是對(duì)項(xiàng)目效益產(chǎn)生影響的因素之一,但還不是最主要的問(wèn)題。相反,低固體濃度,對(duì)于降低攪拌

10、的電力消耗、減少換熱器結(jié)垢只會(huì)有好處。2、脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型問(wèn)題來(lái)水變化對(duì)沼氣的構(gòu)成產(chǎn)生了重大影響,硫化氫濃度高于設(shè)計(jì)值10倍,導(dǎo)致沼氣脫硫效果不理想,引起后續(xù)處理設(shè)備的腐蝕(如球罐出現(xiàn)漏點(diǎn)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的汽水熱交換器發(fā)生腐蝕穿透等現(xiàn)象以及堵塞等,影響了發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率及余熱利用效率。設(shè)備腐蝕直接導(dǎo)致了運(yùn)行成本升高。沼氣的硫化氫濃度值是一般厭氧項(xiàng)目日常必測(cè)的項(xiàng)目,一旦發(fā)現(xiàn)硫化氫濃度超標(biāo)10倍,就應(yīng)采取措施,及時(shí)改造,如增加一級(jí)洗滌、增加化學(xué)品用量等。事實(shí)上,二期在一期干法脫硫不佳的影響下,已經(jīng)改為濕法,但效果仍然不好。業(yè)主其實(shí)已得出了“單獨(dú)的干式脫硫和濕式脫硫均不能解決脫硫問(wèn)題,必須考慮硫從系統(tǒng)

11、中去除和回收的問(wèn)題”(宋曉雅等高碑店污水處理廠污泥處理系統(tǒng)工藝介紹及運(yùn)行分析。實(shí)際沼氣產(chǎn)量低于設(shè)計(jì)值50%,實(shí)際脫硫負(fù)荷相對(duì)減低,但設(shè)備仍腐蝕嚴(yán)重,業(yè)主甚至為了降低備件成本還在2004年初就試用了兩臺(tái)國(guó)產(chǎn)發(fā)電機(jī),而未能采用治本方法解決硫的出路,這不能不說(shuō)是個(gè)遺憾。3、消化工藝問(wèn)題浮渣導(dǎo)致上清液管路易堵塞,沉砂在消化器底部堆積影響溢流排泥。浮渣是污泥厭氧消化的主要問(wèn)題之一,對(duì)采用氣體攪拌的來(lái)說(shuō)尤為典型。高碑店一期采用沼氣攪拌為主,循環(huán)攪拌為輔的方式。理論上不難理解,攪拌強(qiáng)度大,則有機(jī)質(zhì)降解率高,反之則低。攪拌本身會(huì)造成浮渣,加大攪拌強(qiáng)度,將使浮渣增多。宋曉雅等厭氧消化系統(tǒng)攪拌強(qiáng)度的探討一文提供的

12、數(shù)據(jù)顯示,一期采用低強(qiáng)度攪拌的方式運(yùn)行,有機(jī)質(zhì)降解率只有1530%,遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值的50%。以2003年的運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)看,全年有機(jī)質(zhì)降解率在20-60%之間,平均36%,也低于設(shè)計(jì)值。二期采用了連續(xù)機(jī)械攪拌,并設(shè)有頂部破浮渣攪拌器,但根據(jù)報(bào)道,浮渣問(wèn)題也還是未能徹底解決(宋曉雅等高碑店污水處理廠污泥處理系統(tǒng)工藝介紹及運(yùn)行分析。二期采用的靜壓溢流排泥方式還因沉砂導(dǎo)致了排泥問(wèn)題。砂含量已造成了濃縮環(huán)節(jié)輸送泵的磨損,已說(shuō)明高碑店污泥存在含砂量高的特點(diǎn)。大量砂礫進(jìn)入沒(méi)有底部連續(xù)排渣的消化池,可能擠占庫(kù)容,造成水力短流,阻礙排泥,影響攪拌效果,進(jìn)而影響產(chǎn)氣率。上述三個(gè)技術(shù)難題其實(shí)都是消化工藝常見(jiàn)的問(wèn)題,國(guó)外

13、實(shí)踐均已有解決方法。高碑店項(xiàng)目上未能徹底解決,并不能說(shuō)明這些就是導(dǎo)致無(wú)法運(yùn)行的技術(shù)瓶頸。三、投入產(chǎn)出與運(yùn)行成本問(wèn)題高碑店一、二期厭氧消化采用了不同工藝,進(jìn)行了大量艱苦的摸索實(shí)踐,暴露出了國(guó)內(nèi)厭氧消化所存在的一些典型問(wèn)題,這些問(wèn)題在吳靜等我國(guó)城市污水廠污泥厭氧消化系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀(載中國(guó)給水排水2008年22期一文中被總結(jié)為三個(gè)主要方面:污泥厭氧消化工藝操作比較復(fù)雜,運(yùn)行有難度;運(yùn)行費(fèi)用不足;存在消防隱患。上面討論的三個(gè)技術(shù)層面的問(wèn)題應(yīng)該均屬于第一類“污泥厭氧消化工藝操作復(fù)雜運(yùn)行難度高”。筆者認(rèn)為,造成厭氧設(shè)施停運(yùn)的更主要原因其實(shí)應(yīng)該是第二類,即經(jīng)濟(jì)層面的因素。由于缺乏高碑店污水廠泥區(qū)建設(shè)投資的完

14、整數(shù)據(jù),且年代已比較久遠(yuǎn),建設(shè)成本數(shù)據(jù)可能已缺乏可比性,這里采用上海白龍港消化項(xiàng)目(2008年6月的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)算。白龍港項(xiàng)目投資4.96億元,進(jìn)消化器干泥量204噸/日,折合含固率20%的脫水污泥1020噸。該項(xiàng)目含干化設(shè)施,最大蒸發(fā)量約7200 kg/h,相當(dāng)于220-240噸/日的濕泥全干化項(xiàng)目,按照流化床干化工藝在國(guó)內(nèi)幾個(gè)項(xiàng)目上的報(bào)價(jià)水平(20-30萬(wàn)/噸·日,干化項(xiàng)目的設(shè)備工程費(fèi)投資約7200萬(wàn)元,則厭氧部分(含土建安裝的投資為42400萬(wàn),折合含固率20%濕泥的噸厭氧消化成本為41.5萬(wàn)元。按照100萬(wàn)噸來(lái)水量設(shè)計(jì),北京高碑店項(xiàng)目的消化對(duì)象為663噸含固率20%的濕泥,以2

15、008年價(jià)格考慮,厭氧部分的投資應(yīng)在2.75億元左右。高碑店兩期發(fā)電設(shè)備(含沼氣儲(chǔ)存和處理的投資為1.1億元,這樣一個(gè)完整的高碑店泥區(qū)厭氧消化項(xiàng)目總投資應(yīng)在3.85億元左右,噸濕泥的厭氧發(fā)電項(xiàng)目聯(lián)合投資可達(dá)58萬(wàn)元/噸·日?？紤]采用國(guó)內(nèi)發(fā)電系統(tǒng),并扣除蛋形消化器的額外高成本,本文經(jīng)濟(jì)評(píng)估以40萬(wàn)元/噸·日,即泥區(qū)總投資2億元來(lái)進(jìn)行估算。在電能消耗方面,由于沼氣攪拌復(fù)雜,耗電量高,這里考慮僅采用機(jī)械攪拌形式進(jìn)行設(shè)計(jì),一個(gè)完整的項(xiàng)目(厭氧消化、沼氣處理和壓縮、發(fā)電、加熱裝機(jī)量大約為760 kW,耗電量約570 kW,自用電率為28.6%。以電能上網(wǎng)價(jià)格0.65元/千瓦考慮,厭氧

16、項(xiàng)目可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值約37元/噸濕泥(均以入消化濕泥含固率20%折算。按照項(xiàng)目的設(shè)計(jì)值,厭氧消化后的脫水污泥含固率25%,干基減量率30%(有機(jī)質(zhì)60%,降解率30%,設(shè)全年有效運(yùn)行時(shí)數(shù)8000小時(shí)、大修提存2.5%、定員15人、人均年薪3萬(wàn)元、藥劑費(fèi)15元/噸濕泥、消化后污泥填埋處置費(fèi)0元/噸,則直接成本為76元/噸濕泥。這就是說(shuō),污泥厭氧消化和發(fā)電項(xiàng)目從立項(xiàng)開(kāi)始,本就是一個(gè)“賠本”的項(xiàng)目(37-76=-39元,需要靠補(bǔ)貼來(lái)維持運(yùn)行。如果還要考慮折舊和財(cái)務(wù)成本的話,取還款期20年、銀行長(zhǎng)期貸款利率5.94%,則每噸財(cái)務(wù)成本需增加84元。這就是說(shuō),在不考慮填埋成本的情況下,厭氧發(fā)電項(xiàng)目的真正綜合運(yùn)營(yíng)

17、成本至少在每噸濕泥160元以上(84+76=160。如此之高的運(yùn)行成本,如果再因?yàn)楫a(chǎn)氣率低、發(fā)電量少,消化后污泥也根本實(shí)現(xiàn)不了25%的含固率而減量不大的話,那么國(guó)內(nèi)污泥厭氧消化技術(shù)“叫好不叫座”的真正原因也就不難明白了。將來(lái)水量改為80萬(wàn)立方米,進(jìn)口含固率為5%(池容、SRT不變,消化降解率改為36%,則沼氣產(chǎn)氣量將降為30528立方米/日(前文已引述資料,實(shí)際尚不及此,此沼氣量的62.3%可用于發(fā)電,其余需要用于加熱,方能保證冬季消化加熱的需求。此時(shí)兩期總共可發(fā)電1908 kW,自用電比例達(dá)59.9%。上網(wǎng)售電的產(chǎn)值降為15元/噸濕泥(就80萬(wàn)噸水產(chǎn)生530噸含固率20%污泥而言,直接運(yùn)行成

18、本增為93元,項(xiàng)目“賠本”78元(15-93=-78元。不考慮填埋處置成本,財(cái)務(wù)成本上升為106元/噸,這樣綜合運(yùn)營(yíng)成本就達(dá)到了199元(93+106=199。顯然,如此昂貴的厭氧消化發(fā)電,在目前的處理費(fèi)劃撥體系下,確實(shí)很難生存。那些能夠生存的項(xiàng)目(如青島麥島、大連夏家河一定有其特殊的原因(另文討論。四、結(jié)語(yǔ)關(guān)于第三個(gè)原因,所謂厭氧系統(tǒng)存在安全隱患的問(wèn)題,筆者以為其實(shí)不然。高碑店兩次出現(xiàn)惡性事故,其實(shí)都是操作人員素質(zhì)和不遵守安全操作規(guī)范等管理方面的問(wèn)題所造成的,但這兩次事故無(wú)疑給北京排水集團(tuán)的管理者帶來(lái)了巨大的心理陰影。消化停運(yùn)(高碑店和小紅門(mén)是技術(shù)、成本和管理方面諸多問(wèn)題交匯所造成的結(jié)果。一

19、個(gè)顯而易見(jiàn)的問(wèn)題是,為什么在歐美大量污水廠均采用厭氧消化,且視之為一個(gè)有效的污泥減量工具?為什么國(guó)外污泥消化能夠良好運(yùn)行?筆者以為,國(guó)內(nèi)外污泥處置差異的一個(gè)關(guān)鍵因素在于,國(guó)外的污泥作為污水處理必備的一環(huán),是將最終處置成本一起考慮的,其終端的高額填埋處置費(fèi),作為一種限制性處置資源,起到了自然選擇和調(diào)節(jié)的作用。直白一點(diǎn)說(shuō),由于污泥填埋費(fèi)太高,因此各種減量處理設(shè)施才有生存和發(fā)展的必要。仍以北京高碑店為例,在原設(shè)計(jì)條件下,如果將污泥填埋處置費(fèi)規(guī)定為175元,那么每日處置20%含固率污泥663噸的總費(fèi)用,就會(huì)超過(guò)厭氧加上處置含固率25%的消化污泥371噸的總額,因此厭氧處理也就會(huì)有原動(dòng)力。在一些發(fā)達(dá)國(guó)家,噸污泥的填埋處置費(fèi)在70150歐元,折合人民幣600-1300元,無(wú)論厭氧消化還是干化、焚燒,均能大幅度低于填埋,這也就