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》、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0.42Nm3/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BOD5200mg/l，出水20mg/l，TSS进水200mg/l，初沉池固体去除率50%，剩余污泥产率系数0.60kg/kg，MLVSS浓度1.6kg/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2000kW；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660-720kcal/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2000kWh，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1428kg/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4000kWh（实际3836kWh）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7200kg/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760kW，耗电量约570kW，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