【泥客庄主】国内污泥厌氧消化装置停运或运行不良的原因浅析

国内污泥厌氧消化装置停运或运行不良的原因浅析 ——高碑店消化发电项目数据解读 北京高碑店污水厂直到几年前还一直是我国污水界最有代表性的工程之一，其厌氧消化更是继 天津的几个厌氧消化项目之后，国内建设最早、规模最大、 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 配套最完整、运行时间较长的项目 之一。但 2008年奥运会前，消化部分停止了运行，至今尚未恢复生产，时间已过去了三年多，甚至 还有传闻说消化罐等要彻底拆除，为 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 中的带式干化项目让地。 关于高碑店的消化项目，有多篇已发表的论文可供参考。如张韵等《高碑店污泥消化发电项目》、 张韵等《高碑店污水处理厂污泥处理系统及设计中应注意的一些问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 》、刘达克《高碑店污泥消化 的启动》、李维、杨向平等《高碑店污水处理厂沼气热电联供情况介绍》、王立国《高碑店厌氧消 化与沼气发电》、宋晓雅等《高碑店污水处理厂污泥处理系统工艺介绍及运行分析》等。本文拟采 用这些论文所提供的数据，建立一个厌氧消化的分析计算模型，以了解厌氧消化项目的设计思想， 并结合所报道的实际运行数据，分析技术经济特征，进而探讨项目消化停运的原因。 一、项目设计条件与模型的建立 资料显示，一、二期项目在泥区物流、厌氧消化工艺方面的设计参数是基本一致的，所不同的 地方仅在于消化器的搅拌形式、沼气发电机的选型和配置、脱硫工艺类型等。这里按每期项目数据 单独分析。 “设计水量 50万 m3/d，初沉泥和二沉池的混合污泥量为 4417m3／d，污泥含水率 97％”，则浓 缩污泥的干固体量为 132.5吨/日。 项目采用中温两级消化，温度 35度，一级消化的固体停留时间 21天，二级 7天，一级消化器 12个，二级 4个，则单体消化器的有效容积为 7800立方米。 入消化器浓缩污泥量 2208立方米/日，则含固率的设计值为 6%（实际 4-5%）； 设计消化参数取值为干基有机质含量 60%，消化降解率 50%。则每日有机质降解量为 39.75吨/ 日。 设计日产气量设计值为 26500立方米。假设甲烷含量在 60-65%之间，取中值 63%，则日产甲烷 量约 16695立方米/日。由此可知，设计时可能采用了有机质降解产甲烷系数 0.42 Nm3/kg.VSSr。 消化器的设计直径 20米，总高 28.8米，其中地下 5米。据此可得到消化器的表面积。 二期项目设计时，给出了项目“消化池冬季所需最大加热量为 226.8万 Kcal／h。夏季最小加热 量为 138.3万 Kcal／h”的数据，据此，可采用北京地区气温、土温数据，建立适合此类消化池的加 热部分计算模型。 为使模型完整，根据进出水数据，反推得到污水处理工艺的设计数据如下：入水 BOD5 200 mg/l， 出水 20 mg/l，TSS进水 200 mg/l，初沉池固体去除率 50%，剩余污泥产率系数 0.60 kg/kg，MLVSS 浓度 1.6 kg/m3，MLVSS分解系数 0.05，MLVSS/MLSS比 0.60。 在沼气使用方面，一、二期项目装机量均为 2000 kW；以二期的设计发电效率 38.3%考虑，需要 耗用沼气 19955立方米/日；根据二期项目发电机余热量 50.3%，发电机满负荷时所产余热应能满足 冬季最大加热量需求。 这里为分析方便起见，不采用全部余热生成热水的方法，而是考虑部分高温余热（相当于发电 沼气输入热量的 19.5%）生成蒸汽或导热油用于干化，以此来考察厌氧消化的多余能量结合干化实 现污泥减量的潜力。仅采用缸套冷却水和润滑油冷却水进行热水回收，这相当于沼气发电输入热量 的 28.5%。热水不足部分，在专设的沼气锅炉中燃烧沼气替代。满足发电同时满足消化供热最大需 求的沼气剩余部分用于干化。 干化数据采用动态取值，升水蒸发量净热耗在 660-720 kcal/kg之间，干化后含固率越高，净热 耗越低。 二、运行效果与技术问题 从日产污泥的干固体量看，此项目如果不进行消化，采用带机假设可机械脱水至含固率 20%的 话，每日应产生湿泥量 663吨。 按照设计，厌氧消化可实现干固体减量 30%，经脱水后，获得含固率 25%的湿泥约 371吨，相 当于总体湿泥减量 44%。 在沼气产量为 26500立方米/日时，维持设计发电量 2000 kWh，需要将沼气的 75.3%需要用于发 电，21.7%用于沼气锅炉生产蒸汽或热水用于满足最大热能消耗下的保温加热，剩余的 3%与来自沼 气发电机的余热（回收为导热油或蒸汽），可供蒸发 1428 kg/h的水分，能将脱水至含固率 25%的污 泥干燥到大约 27.5%。 从本项目的设计参数看，厌氧消化产生的能量用于发电后，剩余热量仅能满足干化提升 2.5个百 分点，能量产出有限。发电同时进行热干化的可能性较低，除非干化有大量废热可供利用，不占沼 气份额、 从污泥减量看，厌氧消化在理论上十分有意义，消化后污泥的脱水性质改善，可望实现污泥减 量（以未消化湿泥的脱水后含固率 20%计）的幅度较大。 然而，实际运行下来，结果与设计值有较大的偏差。根据李维、杨向平等《高碑店污水处理厂 沼气热电联供情况介绍》（载《给水排水》2003年第 12期），2003年初两期项目均实现稳定运行后 的实际总产气量仅为 25000立方米/日，日均发电量 55000千瓦，发电量约为设计值 4000 kWh（实际 3836 kWh）的 57%，产气量相当于设计值 53000立方米的 47%。 该文分析，高碑店项目的实际来水量为 80多万立方米/日， 相当于设计值 100万立方米的 80%， 因此厌氧项目的产气能力可望达到 40000立方米/日，也就是设计值的 75%以上。此时设施还应有较 好的经济效益。 然而，几年运行下来，产气量远远达不到设计规模，经济效益不佳，其间又出现过两次重大安 全事故，技术、管理、安全等多方面的原因，最终造成了项目的停运。张韵等《高碑店污水处理厂 污泥处理系统及设计中应注意的一些问题》（2005年首届中国城镇水务发展战略国际研讨会论文集）、 宋晓雅等《高碑店污水处理厂污泥处理系统工艺介绍及运行分析》（载《给水排水》2004年第 12 期）对高碑店厌氧发电项目的技术问题进行了较为全面的总结，这里不做引述，仅提出几个比较关 键的问题讨论如下： 1、 进泥含固率低的问题 原设计浓缩池出泥含水率为 94%，而实际运行的浓缩池出泥含水率 95~96%。固体回流给污水处 理、脱水都带来了问题，但核心问题是单位池容的产气率降低。 笔者以为，4-6%的含固率是目前国内厌氧消化项目的典型取值范围，如果仅提高进泥含固率就 可以保证实现设计产气率，这一问题其实不难解决。由于水量减少了 20%，这意味着干固体量也应 减少 20%，但进泥浓度下降为 5%，仍可保持同样的水力停留时间，消化率应不受到什么影响。如果 浓缩只能达到 4%含固率的话，也可考虑将少量浓缩污泥进行预脱水，然后将这部分脱水污泥打入消 化罐混合而成 5%，由此可彻底避免文章所提到的“固体回流现象”。 含固率低一定会造成加热量提高，有机质负荷降低，池容产气量减少，因此在池容一定的条件 下，4%含固率的进泥一定不如 6%。含固率是对项目效益产生影响的因素之一，但还不是最主要的 问题。相反，低固体浓度，对于降低搅拌的电力消耗、减少换热器结垢只会有好处。 2、脱硫系统设计选型问题 来水变化对沼气的构成产生了重大影响，硫化氢浓度高于设计值 10倍，导致沼气脱硫效果不理 想，引起后续处理设备的腐蚀（如球罐出现漏点、发电机系统内的汽水热交换器发生腐蚀穿透等现 象）以及堵塞等，影响了发电机的发电效率及余热利用效率。设备腐蚀直接导致了运行成本升高。 沼气的硫化氢浓度值是一般厌氧项目日常必测的项目，一旦发现硫化氢浓度超标 10倍，就应采 取措施，及时改造，如增加一级洗涤、增加化学品用量等。事实上，二期在一期干法脱硫不佳的影 响下，已经改为湿法，但效果仍然不好。业主其实已得出了“单独的干式脱硫和湿式脱硫均不能解 决脱硫问题，必须考虑硫从系统中去除和回收的问题”（宋晓雅等《高碑店污水处理厂污泥处理系 统工艺介绍及运行分析》）。 实际沼气产量低于设计值 50%，实际脱硫负荷相对减低，但设备仍腐蚀严重，业主甚至为了降 低备件成本还在 2004年初就试用了两台国产发电机，而未能采用治本方法解决硫的出路，这不能不 说是个遗憾。 3、消化工艺问题 浮渣导致上清液管路易堵塞，沉砂在消化器底部堆积影响溢流排泥。 浮渣是污泥厌氧消化的主要问题之一，对采用气体搅拌的来说尤为典型。高碑店一期采用沼气 搅拌为主，循环搅拌为辅的方式。理论上不难理解，搅拌强度大，则有机质降解率高，反之则低。 搅拌本身会造成浮渣，加大搅拌强度，将使浮渣增多。宋晓雅等《厌氧消化系统搅拌强度的探讨》 一文提供的数据显示，一期采用低强度搅拌的方式运行，有机质降解率只有 15~30%，远低于设计值 的 50%。以 2003年的运行数据来看，全年有机质降解率在 20-60%之间，平均 36%，也低于设计值。 二期采用了连续机械搅拌，并设有顶部破浮渣搅拌器，但根据报道，浮渣问题也还是未能彻底 解决（宋晓雅等《高碑店污水处理厂污泥处理系统工艺介绍及运行分析》）。二期采用的静压溢流 排泥方式还因沉砂导致了排泥问题。 砂含量已造成了浓缩环节输送泵的磨损，已 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 高碑店污泥存在含砂量高的特点。大量砂砾进 入没有底部连续排渣的消化池，可能挤占库容，造成水力短流，阻碍排泥，影响搅拌效果，进而影 响产气率。 上述三个技术难题其实都是消化工艺常见的问题，国外实践均已有解决方法。高碑店项目上未 能彻底解决，并不能说明这些就是导致无法运行的技术瓶颈。 三、投入产出与运行成本问题 高碑店一、二期厌氧消化采用了不同工艺，进行了大量艰苦的摸索实践，暴露出了国内厌氧消 化所存在的一些典型问题，这些问题在吴静等《我国城市污水厂污泥厌氧消化系统的运行现状》（载 《中国给水排水》2008年 22期）一文中被总结为三个主要方面：①污泥厌氧消化工艺操作比较复杂， 运行有难度；②运行费用不足；③存在消防隐患。上面讨论的三个技术层面的问题应该均属于第一 类“污泥厌氧消化工艺操作复杂运行难度高”。笔者认为，造成厌氧设施停运的更主要原因其实应 该是第二类，即经济层面的因素。 由于缺乏高碑店污水厂泥区建设投资的完整数据，且年代已比较久远，建设成本数据可能已缺 乏可比性，这里采用上海白龙港消化项目（2008年 6月）的数据进行测算。白龙港项目投资 4.96亿 元，进消化器干泥量 204吨/日，折合含固率 20%的脱水污泥 1020吨。该项目含干化设施，最大蒸 发量约 7200 kg/h，相当于 220-240吨/日的湿泥全干化项目，按照流化床干化工艺在国内几个项目上 的报价水平（20-30万/吨·日），干化项目的设备工程费投资约 7200万元，则厌氧部分（含土建安 装）的投资为 42400万，折合含固率 20%湿泥的吨厌氧消化成本为 41.5万元。 按照 100万吨来水量设计，北京高碑店项目的消化对象为 663吨含固率 20%的湿泥，以 2008年 价格考虑，厌氧部分的投资应在 2.75亿元左右。高碑店两期发电设备（含沼气储存和处理）的投资 为 1.1亿元，这样一个完整的高碑店泥区厌氧消化项目总投资应在 3.85亿元左右，吨湿泥的厌氧发 电项目联合投资可达 58万元/吨·日。考虑采用国内发电系统，并扣除蛋形消化器的额外高成本， 本文经济评估以 40万元/吨·日，即泥区总投资 2亿元来进行估算。 在电能消耗方面，由于沼气搅拌复杂，耗电量高，这里考虑仅采用机械搅拌形式进行设计，一 个完整的项目（厌氧消化、沼气处理和压缩、发电、加热）装机量大约为 760 kW，耗电量约 570 kW， 自用电率为 28.6%。 以电能上网价格 0.65元/千瓦考虑，厌氧项目可实现产值约 37元/吨湿泥（均以入消化湿泥含固 率 20%折算）。 按照项目的设计值，厌氧消化后的脱水污泥含固率 25%，干基减量率 30%（有机质 60%，降解 率 30%），设全年有效运行时数 8000小时、大修提存 2.5%、定员 15人、人均年薪 3万元、药剂费 15元/吨湿泥、消化后污泥填埋处置费 0元/吨，则直接成本为 76元/吨湿泥。这就是说，污泥厌氧 消化和发电项目从立项开始，本就是一个“赔本”的项目（37-76=-39元），需要靠补贴来维持运行。 如果还要考虑折旧和财务成本的话，取还款期 20年、银行长期贷款利率 5.94%，则每吨财务成 本需增加 84元。这就是说，在不考虑填埋成本的情况下，厌氧发电项目的真正综合运营成本至少在 每吨湿泥 160元以上（84+76=160）。 如此之高的运行成本，如果再因为产气率低、发电量少，消化后污泥也根本实现不了 25%的含 固率而减量不大的话，那么国内污泥厌氧消化技术“叫好不叫座”的真正原因也就不难明白了。 将来水量改为 80万立方米，进口含固率为 5%（池容、SRT不变），消化降解率改为 36%，则 沼气产气量将降为 30528立方米/日（前文已引述资料，实际尚不及此），此沼气量的 62.3%可用于 发电，其余需要用于加热，方能保证冬季消化加热的需求。此时两期总共可发电 1908 kW，自用电 比例达 59.9%。上网售电的产值降为 15元/吨湿泥（就 80万吨水产生 530吨含固率 20%污泥而言）， 直接运行成本增为 93元，项目“赔本”78元（15-93=-78元）。不考虑填埋处置成本，财务成本上 升为 106元/吨，这样综合运营成本就达到了 199元（93+106=199）。 显然，如此昂贵的厌氧消化发电，在目前的处理费划拨体系下，确实很难生存。那些能够生存 的项目（如青岛麦岛、大连夏家河）一定有其特殊的原因（另文讨论）。 四、结语 关于第三个原因，所谓厌氧系统存在安全隐患的问题，笔者以为其实不然。高碑店两次出现恶 性事故，其实都是操作人员素质和不遵守安全操作 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 等管理方面的问题所造成的，但这两次事故 无疑给北京排水集团的管理者带来了巨大的心理阴影。消化停运（高碑店和小红门）是技术、成本 和管理方面诸多问题交汇所造成的结果。 一个显而易见的问题是，为什么在欧美大量污水厂均采用厌氧消化，且视之为一个有效的污泥 减量工具？为什么国外污泥消化能够良好运行？笔者以为，国内外污泥处置差异的一个关键因素在 于，国外的污泥作为污水处理必备的一环，是将最终处置成本一起考虑的，其终端的高额填埋处置 费，作为一种限制性处置资源，起到了自然选择和调节的作用。直白一点说，由于污泥填埋费太高， 因此各种减量处理设施才有生存和发展的必要。 仍以北京高碑店为例，在原设计条件下，如果将污泥填埋处置费规定为 175元，那么每日处置 20%含固率污泥 663吨的总费用，就会超过厌氧加上处置含固率 25%的消化污泥 371吨的总额，因此 厌氧处理也就会有原动力。 在一些发达国家，吨污泥的填埋处置费在 70~150欧元，折合人民币 600-1300元，无论厌氧消化 还是干化、焚烧，均能大幅度低于填埋，这也就是国外厌氧技术成熟和发达的根本原因。而在我国， 填埋费仅有几十元，不规范、超廉价的“填埋”，除了大量耗费稀缺的土地资源，成为大面积地下 水污染的潜在威胁外，它事实上阻碍了各种污泥处理处置技术的发展，这其中也包括被业内专家普 遍看好的厌氧消化。 污泥厌氧消化是一种中间处理过程，虽然有能源产出，但自身热量需求、有机质比例、降解率、 硫化氢浓度、投资都会大幅度影响项目运行的经济效果，其产出不一定是正的。在这个意义上，对 厌氧项目进行合理设计，如提高进泥含固率、联合消化以提高可降解有机质比例、水解或超声波预 处理等，消除或减少因工艺原因导致的运行不良（含砂量、浮渣、脱硫高等），是今后厌氧项目努 力的方向。这方面可讨论的内容实在太多了，从国内外各种类型的项目中汲取成功和失败的经验与 教训，无论如何是值得深入做下去的第一步。 笔者以为，高碑店消化项目停运，技术、运行费着落、对安全的担心等三个方面的原因均有， 其中技术方面如果与一些成功项目进行比较，就可发现需要改进的内容所在；对安全的担心，有过 度的倾向，只能靠提高企业管理水平来解决；运行费无着落，则是业内目前面临的最普遍难题。如 果这个问题在政府的政策层面不解决，各种严肃的污泥处理处置，包括厌氧消化本身，恐怕都很难 进行。一些号称“运行良好”的污泥处置项目（如嘉兴的两大锅炉掺烧污泥项目），靠的是打政策 擦边球，上大火电、大热电，以火电、热电的利润割肉补疮，自我补贴，本质上是置环境于不顾， 如此污泥处置恐怕永远也走不上正轨。 泥客庄主 2011年 6月 12-23日