國內(nèi)污泥厭氧消化裝置停運或運行不良的原因淺析-

1、國內(nèi)污泥厭氧消化裝置停運或運行不良的原因淺析高碑店消化發(fā)電項目數(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厭氧消化項目之后,國內(nèi)建設(shè)最早、規(guī)模最大、設(shè)計配套最完整、運行時間較長的項目之一。但2008年奧運會前,消化部分停止了運行,至今尚未恢復(fù)生產(chǎn),時間已過去了三年多,甚至還有傳聞?wù)f消化罐等要徹底拆除,為計劃中的帶式干化項目讓地。關(guān)于高碑店的消化項目,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)電項目、張韻等高碑店污水處理廠污泥處理系統(tǒng)及設(shè)計中應(yīng)注意的一些問題、劉達克高碑店污泥消化的啟動、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),建立一個厭氧消化的分析計算模型,以了解厭氧消化項目的設(shè)計思想,并結(jié)合所報道的實際運行數(shù)據(jù),分析技術(shù)經(jīng)濟特征,進而探討項目消化停運的原因。一、項目設(shè)計條件與模型的建立資料顯示,一、二期項目在泥區(qū)物流、厭氧消化工藝方面的設(shè)計參數(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)電機的選型和配置、脫硫工藝類型等。這里按每期項目數(shù)據(jù)單獨分析?！霸O(shè)計水量50萬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。項目采用中溫兩級消化,溫度35度,一級消化的固體停留時間21天,二級7天,一級消化器12個,二級4個,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)計值為6%(實際4-5%;設(shè)計消化參數(shù)取值為干基有機質(zhì)含量60%,消化降解率50%。則每日有機質(zhì)降解量為39.75噸/日。設(shè)計日產(chǎn)氣量設(shè)計值為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)計時可能采用了有機質(zhì)降解產(chǎn)甲烷系數(shù)0.42 Nm3/kg.VSSr。消化器的設(shè)計直徑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、期項目設(shè)計時,給出了項目“消化池冬季所需最大加熱量為226.8萬Kcal/h。夏季最小加熱量為138.3萬Kcal/h”的數(shù)據(jù),據(jù)此,可采用北京地區(qū)氣溫、土溫數(shù)據(jù),建立適合此類消化池的加熱部分計算模型。kg/m3,MLVSS分解系數(shù)0.05,MLVSS/MLSS比0.60。在沼氣使用方面,一、二期項目裝機量均為2000 kW;以二期的設(shè)計發(fā)電效率38.3%考慮,需要耗用沼氣19955立方米/日;根據(jù)二期項目發(fā)電機余熱量50.3%,發(fā)電機滿負荷時所產(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,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,以此來考察厭氧消化的多余能量結(jié)合干化實現(xiàn)污泥減量的潛力。僅采用缸套冷卻水和潤滑油冷卻水進行熱水回收,這相當于沼氣發(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)采用動態(tài)取值,升水蒸發(fā)量凈熱耗在660-720 kcal/kg之間,干化后含固率越高,凈熱耗越低。二、運行效果與技術(shù)問題從日產(chǎn)污泥的干固體量看,此項目如果不進行消化,采用帶機假設(shè)可機械脫水至含固率20%的話,每日應(yīng)產(chǎn)生濕泥量663噸。按照設(shè)計,厭氧消化可實現(xiàn)干固體減量30%,經(jīng)脫水后,獲得含固率25%的濕泥約371噸,相當于總體濕泥減

6、量44%。在沼氣產(chǎn)量為26500立方米/日時,維持設(shè)計發(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%與來自沼氣發(fā)電機的余熱(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%。從本項目的設(shè)計參數(shù)看,厭氧消化產(chǎn)生的能量用于發(fā)電后,剩余熱量僅能滿足干化提升2.5個百分點,能量產(chǎn)出有限。發(fā)電同時進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,可望實現(xiàn)污泥減量(以未消化濕泥

7、的脫水后含固率20%計的幅度較大。然而,實際運行下來,結(jié)果與設(shè)計值有較大的偏差。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年初兩期項目均實現(xiàn)穩(wěn)定運行后的實際總產(chǎn)氣量僅為25000立方米/日,日均發(fā)電量55000千瓦,發(fā)電量約為設(shè)計值4000 kWh(實際3836 kWh的57%,產(chǎn)氣量相當于設(shè)計值53000立方米的47%。該文分析,高碑店項目的實際來水量為80多萬立方米/日,相當于設(shè)計值100萬立方米的80%,因此厭氧項目的產(chǎn)氣能力可望達到40000立方米/日,也就是設(shè)計值的75%以上。此時設(shè)施還應(yīng)有較好的經(jīng)濟效益。然而,幾年運行下來,產(chǎn)氣量

8、遠遠達不到設(shè)計規(guī)模,經(jīng)濟效益不佳,其間又出現(xiàn)過兩次重大安全事故,技術(shù)、管理、安全等多方面的原因,最終造成了項目的停運。張韻等高碑店污水處理廠污泥處理系統(tǒng)及設(shè)計中應(yīng)注意的一些問題(2005年首屆中國城鎮(zhèn)水務(wù)發(fā)展戰(zhàn)略國際研討會論文集、宋曉雅等高碑店污水處理廠污泥處理系統(tǒng)工藝介紹及運行分析(載給水排水2004年第12期對高碑店厭氧發(fā)電項目的技術(shù)問題進行了較為全面的總結(jié),這里不做引述,僅提出幾個比較關(guān)鍵的問題討論如下:1、進泥含固率低的問題原設(shè)計濃縮池出泥含水率為94%,而實際運行的濃縮池出泥含水率9596%。固體回流給污水處理、脫水都帶來了問題,但核心問題是單位池容的產(chǎn)氣率降低。筆者以為,4-6%的

9、含固率是目前國內(nèi)厭氧消化項目的典型取值范圍,如果僅提高進泥含固率就可以保證實現(xiàn)設(shè)計產(chǎn)氣率,這一問題其實不難解決。由于水量減少了20%,這意味著干固體量也應(yīng)減少20%,但進泥濃度下降為5%,仍可保持同樣的水力停留時間,消化率應(yīng)不受到什么影響。如果濃縮只能達到4%含固率的話,也可考慮將少量濃縮污泥進行預(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”。含固率低一定會造成加熱量提高,有機質(zhì)負荷降低,池容產(chǎn)氣量減少,因此在池容一定的條件下,4%含固率的進泥一定不如6%。含固率是對項目效益產(chǎn)生影響的因素之一,但還不是最主要的問題。相反,低固體濃度,對于降低攪拌

10、的電力消耗、減少換熱器結(jié)垢只會有好處。2、脫硫系統(tǒng)設(shè)計選型問題來水變化對沼氣的構(gòu)成產(chǎn)生了重大影響,硫化氫濃度高于設(shè)計值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、發(fā)電機系統(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)致了運行成本升高。沼氣的硫化氫濃度值是一般厭氧項目日常必測的項目,一旦發(fā)現(xiàn)硫化氫濃度超標10倍,就應(yīng)采取措施,及時改造,如增加一級洗滌、增加化學(xué)品用量等。事實上,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)主其實已得出了“單獨的干式脫硫和濕式脫硫均不能解決脫硫問題,必須考慮硫從系統(tǒng)

11、中去除和回收的問題”(宋曉雅等高碑店污水處理廠污泥處理系統(tǒng)工藝介紹及運行分析。實際沼氣產(chǎn)量低于設(shè)計值50%,實際脫硫負荷相對減低,但設(shè)備仍腐蝕嚴重,業(yè)主甚至為了降低備件成本還在2004年初就試用了兩臺國產(chǎn)發(fā)電機,而未能采用治本方法解決硫的出路,這不能不說是個遺憾。3、消化工藝問題浮渣導(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題之一,對采用氣體攪拌的來說尤為典型。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,攪拌強度大,則有機質(zhì)降解率高,反之則低。攪拌本身會造成浮渣,加大攪拌強度,將使浮渣增多。宋曉雅等厭氧消化系統(tǒng)攪拌強度的探討一文提供的

12、數(shù)據(jù)顯示,一期采用低強度攪拌的方式運行,有機質(zhì)降解率只有1530%,遠低于設(shè)計值的50%。以2003年的運行數(shù)據(jù)來看,全年有機質(zhì)降解率在20-60%之間,平均36%,也低于設(shè)計值。二期采用了連續(xù)機械攪拌,并設(shè)有頂部破浮渣攪拌器,但根據(jù)報道,浮渣問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)致了排泥問題。砂含量已造成了濃縮環(huán)節(jié)輸送泵的磨損,已說明高碑店污泥存在含砂量高的特點。大量砂礫進入沒有底部連續(xù)排渣的消化池,可能擠占庫容,造成水力短流,阻礙排泥,影響攪拌效果,進而影響產(chǎn)氣率。上述三個技術(shù)難題其實都是消化工藝常見的問題,國外

13、實踐均已有解決方法。高碑店項目上未能徹底解決,并不能說明這些就是導(dǎo)致無法運行的技術(shù)瓶頸。三、投入產(chǎn)出與運行成本問題高碑店一、二期厭氧消化采用了不同工藝,進行了大量艱苦的摸索實踐,暴露出了國內(nèi)厭氧消化所存在的一些典型問題,這些問題在吳靜等我國城市污水廠污泥厭氧消化系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀(載中國給水排水2008年22期一文中被總結(jié)為三個主要方面:污泥厭氧消化工藝操作比較復(fù)雜,運行有難度;運行費用不足;存在消防隱患。上面討論的三個技術(shù)層面的問題應(yīng)該均屬于第一類“污泥厭氧消化工藝操作復(fù)雜運行難度高”。筆者認為,造成厭氧設(shè)施停運的更主要原因其實應(yīng)該是第二類,即經(jīng)濟層面的因素。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,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目(2008年6月的數(shù)據(jù)進行測算。白龍港項目投資4.96億元,進消化器干泥量204噸/日,折合含固率20%的脫水污泥1020噸。該項目含干化設(shè)施,最大蒸發(fā)量約7200 kg/h,相當于220-240噸/日的濕泥全干化項目,按照流化床干化工藝在國內(nèi)幾個項目上的報價水平(20-30萬/噸·日,干化項目的設(shè)備工程費投資約7200萬元,則厭氧部分(含土建安裝的投資為42400萬,折合含固率20%濕泥的噸厭氧消化成本為41.5萬元。按照100萬噸來水量設(shè)計,北京高碑店項目的消化對象為663噸含固率20%的濕泥,以2

15、008年價格考慮,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(含沼氣儲存和處理的投資為1.1億元,這樣一個完整的高碑店泥區(qū)厭氧消化項目總投資應(yīng)在3.85億元左右,噸濕泥的厭氧發(fā)電項目聯(lián)合投資可達58萬元/噸·日?？紤]采用國內(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)濟評估以40萬元/噸·日,即泥區(qū)總投資2億元來進行估算。在電能消耗方面,由于沼氣攪拌復(fù)雜,耗電量高,這里考慮僅采用機械攪拌形式進行設(shè)計,一個完整的項目(厭氧消化、沼氣處理和壓縮、發(fā)電、加熱裝機量大約為760 kW,耗電量約570 kW,自用電率為28.6%。以電能上網(wǎng)價格0.65元/千瓦考慮,厭氧

16、項目可實現(xiàn)產(chǎn)值約37元/噸濕泥(均以入消化濕泥含固率20%折算。按照項目的設(shè)計值,厭氧消化后的脫水污泥含固率25%,干基減量率30%(有機質(zhì)60%,降解率30%,設(shè)全年有效運行時數(shù)8000小時、大修提存2.5%、定員15人、人均年薪3萬元、藥劑費15元/噸濕泥、消化后污泥填埋處置費0元/噸,則直接成本為76元/噸濕泥。這就是說,污泥厭氧消化和發(fā)電項目從立項開始,本就是一個“賠本”的項目(37-76=-39元,需要靠補貼來維持運行。如果還要考慮折舊和財務(wù)成本的話,取還款期20年、銀行長期貸款利率5.94%,則每噸財務(wù)成本需增加84元。這就是說,在不考慮填埋成本的情況下,厭氧發(fā)電項目的真正綜合運營

17、成本至少在每噸濕泥160元以上(84+76=160。如此之高的運行成本,如果再因為產(chǎn)氣率低、發(fā)電量少,消化后污泥也根本實現(xiàn)不了25%的含固率而減量不大的話,那么國內(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。將來水量改為80萬立方米,進口含固率為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。此時兩期總共可發(fā)電1908 kW,自用電比例達59.9%。上網(wǎng)售電的產(chǎn)值降為15元/噸濕泥(就80萬噸水產(chǎn)生530噸含固率20%污泥而言,直接運行成

18、本增為93元,項目“賠本”78元(15-93=-78元。不考慮填埋處置成本,財務(wù)成本上升為106元/噸,這樣綜合運營成本就達到了199元(93+106=199。顯然,如此昂貴的厭氧消化發(fā)電,在目前的處理費劃撥體系下,確實很難生存。那些能夠生存的項目(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)語關(guān)于第三個原因,所謂厭氧系統(tǒng)存在安全隱患的問題,筆者以為其實不然。高碑店兩次出現(xiàn)惡性事故,其實都是操作人員素質(zhì)和不遵守安全操作規(guī)范等管理方面的問題所造成的,但這兩次事故無疑給北京排水集團的管理者帶來了巨大的心理陰影。消化停運(高碑店和小紅門是技術(shù)、成本和管理方面諸多問題交匯所造成的結(jié)果。一

19、個顯而易見的問題是,為什么在歐美大量污水廠均采用厭氧消化,且視之為一個有效的污泥減量工具?為什么國外污泥消化能夠良好運行?筆者以為,國內(nèi)外污泥處置差異的一個關(guān)鍵因素在于,國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,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。直白一點說,由于污泥填埋費太高,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)計條件下,如果將污泥填埋處置費規(guī)定為175元,那么每日處置20%含固率污泥663噸的總費用,就會超過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有原動力。在一些發(fā)達國家,噸污泥的填埋處置費在70150歐元,折合人民幣600-1300元,無論厭氧消化還是干化、焚燒,均能大幅度低于填埋,這也就