垃圾焚烧厂渗滤液厌氧处理产沼发电研究

垃圾焚烧厂渗滤液厌氧处理产沼发电研究浦燕新，乐晨（江苏维尔利环保科技股份有限公司，江苏常州213000）[摘要]采用UBF厌氧+外置式MBR+NF/RO组合工艺处理垃圾焚烧厂渗滤液，出水可达到生活垃圾填埋污染控制标准（GB16889-2008）表2排放标准。UBF厌氧所产生的沼气经过脱硫、过滤、除湿等预处理后，可进入沼气发电机组进行发电，渗滤液沼气发电所产生的经济效益为15.06元/m3，有效地降低了渗滤液处理成本。[关键词]垃圾渗滤液；厌氧反应器；沼气发电[中图分类号]X703.1[文献标识码]A[文章编号][作者简介]浦燕新（1978—），男，江苏常州人，工程师，留德硕士，主要从事垃圾渗滤液处理技术研究和工程管理工作[基金项目]江苏省企业院士工作站（BM2015397）[联系手机]0519-85125884[联系邮箱][e-mail][收书地址]江苏省常州市新北区汉江路156号维尔利环保（213000）ResearchonBiogasPowerGenerationfromAnaerobicTreatmentofLandfillLeachateinIncinerationPowerPlantPuYanxin,LeChen(JiangsuWelleEnvironmentalCo.,Ltd,Changzhou213000,China)Abstract:UBF-MBR-NF/ROprocessisappliedtotreatlandfillleachateinincinerationpowerplant,andtheeffluentcouldmeetthedischargestandardintable2,whichbelongsto“StandardforPollutionControlontheLandfillSiteofMunicipalSolidWaste”(GB16889-2008).Afterdesulfurization,filteringanddehumidification,biogasfromUBFanaerobicreactorcouldbeusedforpowergeneration.Theeconomybenefitofpowergenerationofbiogasfromleachateis15.06yuanperton,whichreducingthecostofleachatetreatment.Keywords:Landfillleachate;Anaerobicreactor;Biogaspowergeneration中国的原生生活垃圾的典型特点是厨余物含量高、含水率高、有机物含量高，混合收集，相对热值较低[1-2]。因此，国内生活垃圾焚烧厂设计中，垃圾坑的储存容量为3-7天的垃圾处理量；即垃圾在垃圾坑中储存经过3-7天的发酵熟化，以达到将垃圾中的水份沥出，提高垃圾燃烧热值的目的，从而减少辅助燃料投加，增加发电量，提高垃圾焚烧发电厂的效率。但同时也产生了渗滤液废水的问题。垃圾焚烧厂渗滤液的有机污染物浓度很高[3]。一般情况下，COD浓度在40000~80000mg/L，BOD浓度在20000~40000mg/L。除此之外，还有大量其他的金属、无机污染物。常见的焚烧渗滤液处理工艺为厌氧+好氧+膜深度处理。焚烧渗滤液厌氧产生的沼气的处理方式主要包括：沼气锅炉利用、火炬燃烧、焚烧炉焚烧和沼气发电[4]。其中，采用沼气锅炉对产生的沼气进行燃烧产生热水或热蒸汽，用于加热或供暖等需要的地方，但垃圾焚烧厂本身产生余热蒸汽，如采用沼气锅炉进行燃烧并不能产生有效的经济意义；采用燃烧器（火炬）对沼气进行燃烧处理，尾气净化后排放，不具有任何的经济意义；沼气回喷垃圾焚烧炉用作辅助燃料可提升焚烧热值，降低焚烧炉所需辅助燃料的用量，该方法对于焚烧厂而言意义较大，可有效节省辅助燃料的用量。沼气发电方案经济效益较为明显，每立方沼气可发电1.7-1.8kW.h，可完全覆盖渗滤液处理厂的设备用电。虽然此方案一次性投资成本较大，但从长远利益考虑是最经济合理的[5]。1工程概况江苏省某生活垃圾焚烧发电厂渗滤液处理系统一期工程日焚烧处理生活垃圾2000吨，年焚烧垃圾70万吨，配套建设了500m3/d渗滤液处理系统，出水达到生活垃圾填埋污染控制标准（GB16889-2008）表2排放标准，设计进出水水质和排放标准如表1所示。表1设计进出水水质和排放标准Tab.1Designedinfluentandeffluentwaterqualityanddischargestandard水质指标pHCOD（mg/L）BOD5（mg/L）氨氮（mg/L）总氮（mg/L）SS（mg/L）原水4-68000035000200023003000出水6-96020103010排放标准6-9≤100≤30≤25≤40≤30该焚烧厂渗滤液设计处理工艺为UBF厌氧+外置式MBR+NF/RO。其中，厌氧段设计COD去除率为80%，出水COD为16000mg/L。UBF厌氧反应器直径为14.6m，高度为16.8m，容积为2811m3，设计容积负荷为8kgCOD/m3·d，沼气产率为0.43Nm3/kgCOD，沼气产量为13292Nm3/d。沼气成分如表2所示。表2沼气成分表Tab.2Biogascompositiontable成分甲烷二氧化碳氮气氢气硫化氢占比（V/V）65-72%20-30%3-10%0.05-0.15%1500ppm从表2可以看出，沼气中可燃性气体占比较高，另外还有少量的有毒、有害气体（硫化氢和一氧化碳）。2沼气发电工艺流程采用厌氧沼气进行发电再生利用、沼气处理和沼气发电流程设计如图1所示。图1沼气发电工艺流程Fig.1Processflowdiagramofpowergenerationusingbiogas如上图所示，来自厌氧的沼气进入沼气储存装置，沼气储存装置为湿式储柜，中间管路设有阻火器，沼气储存装置具有稳定沼气压力以及沼气气量的作用。经过沼气储存装置收集的沼气进入湿法脱硫装置，对沼气中的硫化氢进行脱除。经过脱硫的沼气进入后续的沼气预处理及增压装置，沼气预处理主要对沼气进行过滤、除湿等处理，经过预处理和增压后进入沼气发电机组进行发电。为了保障沼气发电系统检修时，沼气能及时处理，设计有沼气应急燃烧火炬，在沼气发电系统不运行时对沼气进行无害化燃烧。本项目厌氧的沼气产量为554Nm3/h，根据实际工程检测，UBF厌氧产生的沼气中甲烷含量65-72%，以机组效率30%计算，发电机的装机容量在950kW左右。考虑渗滤液的水质波动以及日常检修等因素，本项目设计两台400kW的沼气发电机组，沼气发电与焚烧厂的发电机组并网运行。3沼气发电预处理工艺设计3.1沼气脱硫厌氧产生的沼气一般硫化氢约为1000-2500ppm，本项目发电机组和火炬的进气质量要求沼气含硫量低于厌氧产沼气湿式沼气储柜湿法脱硫装置沼气应急燃烧火炬预处理增压装置发电余热回收阻火器阻火器沼气发电机组180ppm。因此，需要对沼气进行收集、脱硫、过滤、除湿、增压等预处理，使沼气达到燃气发电机组对燃气质量、压力、流量和热值等方面的要求，保证燃气发电机正常、安全、高效地运行。因此，设计采用湿法氧化脱硫装置对沼气进行脱硫。湿法氧化脱硫法以纯碱（Na2CO3）溶液为吸收介质，配合沼气脱硫专用催化剂，脱除率在98%以上，这样可防止含硫气体进入到后续系统中对整个发电系统的设备和管阀造成腐蚀。3.2沼气过滤和冷却从脱硫塔中出来的沼气中仍然含有大量水蒸气，出于保护风机和减轻后续滤器过滤强度的目的，在进入风机前需要将气体引入一个进气罐，通过气体流速的降低和罐内滤网的过滤，将大部分固体杂质和液滴去除并保留在罐底的空间内。整个气体输送采用罗茨风机组作为动力，在风机入口前的管道和设备中形成负压。风机组由二台罗茨风机组成，每台输送能力为800m3/h，一用一备。控制系统控制投入的风机数量和转速来得到不同的抽气量。进入风机的沼气水蒸气含量处于饱和状态，气体增压后从风机排出时，气体温度将上升约40℃。然而，发电机组要求燃气温度不能太高，因此气体还须经过一个后冷器进行降温。在进入发电机组之前，沼气还需经过一套聚结分离器，过滤掉可能还存在的微小颗粒和液滴。为了保证系统安全，气体还需通过一套阻火器。经过阻火器后，再通过一套燃气稳压阀，将燃气压力稳定到发动机要求的范围。在沼气的产生和输送过程中，由于气体温度、压力、流速等参数的变化以及在过滤器的作用下会产生凝水现象。本方案以风机为界限分为风机前和风机后两部份，分别进行凝水的收集和排放。沼气的冷凝液由于溶解了气体中的具有腐蚀性的成分，因此会对管道和设备产生化学腐蚀。为了防止这种情况发生，整个凝液排放设备和管道采用HDPE管或304不锈钢制作。4沼气发电工艺设计沼气发电系统主要内包括沼气发动机、沼气发电机、冷却循环系统和控制系统组成。其核心为两台额定功率为400kW的沼气发电机组，发电总容量为800kW。采用美国真空度式混合器，对燃气与空气进行预混合，混合后增压中冷；使用GAC电子调速器、分电器点火系统和进口火花塞；机组启动性好，运行平稳，各项性能指标优良。机组具有超速、水温低、油压低等自动保护功能，可实时显示机组缸温、排温、发电电压、电流、频率、功率、功率因数、转速、油压、水温等参数。带失压脱机装置的空气开关和浮充电源，可开机后自动为蓄电池充电。其主要性能参数如表3所示。表3沼气发电机组性能参数表Tab.3Parametersofbiogasgeneratorunit额定电功率400kW持续电功率320kW燃料垃圾填埋气体燃料压力8kPa～20kPa冷却方式闭式水冷额定电压400V发电效率31％发电机类型同步电机，400伏，3相，50赫兹外形尺寸(长×宽×高)5800mm×2300mm×2300mm重量约4000kg5沼气发电系统收益分析按照年运行时间8040小时计算，发电功率640kWh/h计，年发电量为5145600kWh，按照上网电价0.6元/kWh计算，每年发电收益约为309万元。沼气发电成本包括湿法脱硫和发电机组运行维护费用。湿法脱硫综合成本（药剂+电费）为3.6元/kg硫化氢，按照沼气400m3/h、硫化氢含量2500ppm计，则每天需要脱除硫化氢约为24kg，即脱硫成本为86.4元/天，年成本约为3.2万元。发电机组的运行维护费用为0.06元/kWh发电量，合计每年运行维护费用约为30.9万元。总计沼气发电系统每年成本费用约为34.1万元。根据计算，每年沼气发电的净收益（去除运行成本后）为274.9万元，经折合后，渗滤液处理成本可降低15.06元/m3。6结论（1）采用UBF+MBR+NF/RO组合工艺处理垃圾焚烧厂渗滤液，出水可满足排放标准，UBF厌氧所产沼气可资源化利用。（2）UBF厌氧产生的沼气经过脱硫、过滤、除湿等预处理后，可进入沼气发电机组进行发电。（3）以500m3/d焚烧厂渗滤液项目为例，沼气发电年收益约为309万元，年成本费用约为34.1万元，净收益为274.9万元，有效地降低了渗滤液处理成本。参考文献[1]李炜臻,白庆中.纳滤膜分离技术在垃圾填埋场渗滤液处理中的应用[J].安徽农业科学,2007,24:7582-7583.[2]郑理慎,陈志平,方卫,林培真,邱飞,孙国萍.ABR处理垃圾渗滤液及其颗粒污泥的研究[J].安徽农业科学,2009,14:6577-6580.[3]曹冬辉,刘阳,卢海威,李娟,曹东阳,赵汉雨.MBR-纳滤工艺在垃圾渗滤液处理改造中的应用[J].安徽农业科学,2010,35:20304-20305.[4]张璐,李武,桂宏桥等.垃圾焚烧发电厂渗滤液处理系统中的能源回收[C].//中国环境科学学会2013年学术年会论文集.2013:3768-3773.[5]杨晓秋,蒋健翔,万先凯,次新波.造纸废水厌氧处理产沼气发电研究[J].环境污染与防治,2010,09:46-49.