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郝晓地 干化焚烧而非厌氧消化乃污泥处置的终极方向

来源:中国环联 作者:郝晓地 人气: 发布时间:2018-04-29


报告人:北京建筑大学  北京未来城市高精尖创新中心   中―荷未来污水处理技术研发中心  郝晓地 教授


郝晓地:各位来宾下午好!刚刚主持人也介绍了我发言的题目。这两天我注意到大家大部分谈论的是技术,今天我讲理念和思路。因为在我看来理念比技术重要,思路比方案高超。我是这样认为的。今天我发言的大概的内容主要就是这么多。



谈到污泥处理处置,必不可少的涉及到污水处理的问题。大家知道,剩余污泥是污水处理的一种附产物。有关污水处理未来发展或技术方向,我已经多次文章还有各种不同会议阐明。我曾经总结过,用一个中心两个基本点把未来污水处理技术进行了概括。一个中心就是可持续,这是一个永恒的话题。两个基本点就是磷回收与碳中和(或者叫碳平衡)。

 

今天我的发言既与碳中和有关也跟磷回收有关。那么,关于碳中和谈得是污水处理的耗能过程,有机物及氮磷去除要消耗能量,碳中和即需要从污水处理厂或污水里找到能量去弥补能耗。对此,大家更多会想到剩余污泥里有大量含能有机物,这也是我们搞污水处理人所关注的,所以,污泥厌氧消化从传统到现在,以至于有更多的人前赴后继对厌氧消化进行优化提高其能量转化效率,包括前处理,比如说,高碑店现在的热水解,就是希望最大化把污泥中的有机能源转化出来。但是,我们搞污水处理的人忽视了一个问题,就是说除了有机物形成的化学能以外,还有大量污水中的余温热能。请大家看这个图,有机物中的化学能与污水中余温热能相比,很少、很少。理论上一个75%,一个25%。也就是说污泥中有机物的化学能只占整个污水中潜能的25%,75%是热能。我们给大家先看这样一个概念,也就是说我们所关注的厌氧消化转化的能源占整个污水中的潜能,理论值是25%。那么这25%的有机能源又能转化多少呢?显然这是个理论值,不可能100%转化。



我们来看这个三环、四环污水潜能计算图。刚刚提到的25%有机物化学能,经过最优化的厌氧消化以及热电联产后,电、热一起用(最优化的),即,现在技术手段、设备所能达到的,只能转化不到15%。我们测算了一个厂,只有13%。这个是化学能,我们根据是污水处理厂COD=400mg/L。因为COD就是能源,大家看这个大黄圈就表示理论化学能,我们给它折算成电能,理论化学能COD是400的话,每立方米污水中含有1.54度电,当然这是理论值。经过厌氧消化、热电联产后实际能够真正转化的能量只有13%,折合0.2度电。而我们测算的实际污水处理厂的能耗是0.37度。也就是说,你要想达到碳中和还有47%的缺口,也就是说化学能不够用!不够用,于是我们就想,不够的能源,即,这个赤字的能源从哪来呢?我们就想到水源热泵。这是一个水源热泵经过测算的数据结果,如果说水源热泵按4度温差提取热量的话,在冬季供热的时候,理论能量大概是4.64度电,这是理论的,也就是污水余温含的热量。但是,实际水源热泵也不可能100%把理论值全部转化,经过实际计算,包括最优化的水源热泵,我们发现只有38%可以转化为可用的热能。也就是说,这38%意味着每立方米污水中大概有1.77度电(当量)可以转化。制冷时它的能量效率会低一些,大概1.18度电,但也比较高。因此说,刚才讲了化学能能够满足53%的能耗,其余47%我们只用非常少的水量热量交换,比如说供热的时候9.8%,不到10%,制冷的时候14.7%,还不到15%,就可以满足碳中和47%能量赤字。

 

从这个图上的结果来看,我们从污水中回收能量更应关注热能,而不是传统上认知的有机物化学能,也就是所谓的厌氧消化。因此,从能量角度上说,我们认为污泥处置路线应该策略性的改变,这就是我今天要给大家讲的理念。接下来我们再详细结合工艺进行能量衡算、投资成本、运行费用分析。

 

污泥终极处理是这样一条路线。在此之前我先说一下,很多人这次会议还有以前的会议问过我,郝老师,你觉得污泥处理有什么好办法吗?你经常写文章,对国际上的事情了解的多一些。我说用两个字或者是两个极端可以概括:。扔最简单、最便宜的办法,但是会被抓的,所以,“扔”这个极端显然走不通。那么,再看另外一个极端。如果不能扔了,无论是填埋、回田,这条路就死了,欧洲情况就是这样。如果这条路是死的,下一个极端就是烧了。处于中间阶段的好氧堆肥和厌氧消化都可能是权宜之计。我首先把结论说出来。一个是“扔”,显然“扔”肯定是不行的。有人说搞堆肥,首先环保部、农业部、卫生部不让堆肥进田,就是说污泥堆肥回田有病原菌,有这个重金属那个重金属。我说,就是这些部门不设置限制,农民也不会要你的污泥。为什么?大家想一想,农民现在连自己的粪尿都不用了,要你的污泥!农民要的是肥效,要能长庄稼、打粮食的化肥,污泥肥效远不如粪尿,搞园林还凑合(但也不能长用!),肥效是缓释的。所以,我说污泥返田是条死路。很多人污泥可以说搞绿化,我说可以,对人体没伤害。但不要忘了污泥里还有大量的无机物,一年两年还行,三年五年行,十年二十年,最后肥堆的比树都高了,草没了、树也被埋没了,所以,这也是一个死路。我说新疆可能可以乱扔,但昨天有人说了,我们在新疆做项目乱扔也会被抓的。新疆也不让扔,所以,污泥乱扔注定是一条死路。

 

因此,最后只有去“烧”!但是,“烧”必须要经过机械脱水,含水率99%的污泥首先降至80%;然后,再热干化到40%以下。到40%就可以自持燃烧了。烧,但污泥焚烧千万不能放在水泥窑中同水泥一块烧。这样不对。会把磷就全部固定在水泥里,磷再也不能回用了!所以,要单独烧。最多可以跟有机垃圾一块烧。烧完以后,大量的磷都在灰分里面,需要提取。当然了,大家知道,脱水、热干化、单独焚烧都是要输入能量的,当焚烧之后也会产生能量。现在我们有一个问题,就是输入能量和产生的能量能否达到平衡?我们需要计算一下,如果能打个平手那就是很了不起的事了。



接下来我们看一下计算结果。大家知道,机械脱水有各种各样的方法,99%~80%,这里列了很多技术与设备,我也不一一汇报了。常见的是带式压滤机,能达到80%含水率的要求,所以,我们就以带式压滤机为例进行计算,大概耗能折合成干固体每吨是60千瓦小时,即,60度电。热干化,也就是从80%~40%,我知道搞干化设备的人有很多,到40%以后基本上就可以自持燃烧了。干化的时候输入热能进行蒸发,所需热量一个是用于污泥中水分升温继而蒸发的热量,还有就是污泥升温的热量。



干化又分两种,一个是高温干化,一个是低温干化。高温干化可以用高温烟气、过热蒸汽,甚至燃油等。这是高温干化热量的一个计算公式。还有低温干化,在20~80oC范围均可实现。当然,晒太阳也是干化,这是自然干化。温度越高,干化反应时间就越短。昨天我跟搞干化设备的人谈过,他们说我们需要最低的水温是85oC才能形成热蒸汽。关于低温干化,刚才也讲到了污水余温,水源热泵。水源热泵输出的水温是40~80oC,刚好跟低温干化所需温度非常接近,所以,可以就近利用水源热泵。

 

单独焚烧,含水率40%~0%。不可与水泥窑混烧,但可与有机垃圾混烧。焚烧有热量损失,焚烧炉输出的热量,比如说炉内壁挂损失、焚烧炉散热损失等等,所有损失加在一起,以鼓泡流化床为例,大概就是7%,即占焚烧产生热量的7%,这都是有文献可查的。污泥焚烧也产生热量,这个热量主要跟有机质有关,这个是计算公式。我们国家有机质含量比较低,在30%~60%的范围,我们计算时取污泥有机质含量中间值53%,北京大概是60%。计算污泥燃烧热为1.2GJ/kgDS。这是不同国家污泥燃烧值,中国大概在个范围,平均是11850kJ/kgDS。我们的计算跟这个1.185GJ/kgDS基本接近,这都是从文献来的数据。这样经过计算以后,污泥脱水+干化+焚烧,脱水要输入能量,干化要输入能量,焚烧产生能量;最后的结果会发现总耗能是3091度电每吨干固体。总产能11.1GJ,利用热电联产转换为电当量为2467度电。也就是说整个工艺的能量输入为624度电。下面是详细的计算表,不讲了。



我们再看一下工艺成本,包括投资成本、运行费用。我们以活性污泥法为例,以处理量为50万吨/日的厂举例进行匡算。机械脱水污泥产量为400吨/日(80%含水率),干污泥为80吨/日。投资成本有基建成本、设备成本,运行费用里面有电、水、药剂、工资福利、折旧大修等等。最后计算结果是,投资成本大概是每吨干污泥是374万元,运行成本每吨干污泥是2663元。

 

工艺比较。我们知道,用重力浓缩可以把污泥含水率降地两、三个百分点。有什么好处呢,能降体积!比如说,从含水率99%降到97%,体积便可减少2/3!这样的话对机械脱水、污泥干化、单独焚烧设备体积可大为减少,后面的投资、运行费也都少了。实际上,重力浓缩能耗相对以上能耗来说是非常少的,可以忽略不计,能耗节省没有太大的意思。虽然体积的减少导致后面设备基建、运行费用的节省,但前面重力浓缩池仍需要投资、维护。这样的话,我们综合计算结果是,这样一条工艺投资成本是456万元,运行成本是2755元。可与上面进行一个比较。

 

第二个比较就是跟传统厌氧消化进行比较。传统厌氧消化前面有重力浓缩,含水率99%~97%,然后厌氧消化,含水率再略微增加一点点。因为厌氧消化之后至少还有60%左右的有机物残留,你还得脱水、干化。干化后污泥焚烧是跑不掉的。大家看一下,我们厌氧消化以后含水率按97.5%计,剩余污泥有机物含量是53%,熟污泥VSS/TSS是37%。



各个单元能量消耗,以及厌氧消化产生能量,污泥焚烧产生能量计算,净结果是,这条工艺总能耗是3730度电,总产能是12.95GJ,利用热电联产转换为电当量为2878度电,能量赤字852度电;我们净输入的能量每吨干污泥为852度电。跟刚才推荐的工艺624度电能输入大很多。下面是个详细的计算表。


最后,把我们推荐工艺与重力浓缩后再机械脱水、干化焚烧工艺,以及传统厌氧消化后干化焚烧工艺进行一下比较。直接干化焚烧能量消耗是最小的。从投资和运行成本来看,无论是投资成本、运行费用,在这三个比较中都是最低的。


最后得到这样一个结论,我们所推荐的工艺,机械脱水、热媒干化、单独焚烧,它在输入能量节省、投资成本、运行费用方面都是最低的,特别是能量赤字可以减少27%,基建投资减少41%。这是大家最关心的,直接烧是不是成本高、能耗高?大家看看能耗还低了228度电。关键是能量输入减少了27%,基建投资减少了41%。这个是非常可观的。如果采用水源热泵提供热量,那么这个节省将更大,这个效益将是更加明显。现在主要是靠烧煤、烧油提供化石能量。前天早上我看到一个消息,美国纽约一个著名律师、生态活动家在纽约一公园焚烧自杀了,什么原因?他就是以他的死来抗议人类过多依赖使用化石燃料对生态造成严重破坏,以他的死来警告人类。所以我们在座的也应该明白为什么。

 


最后的结论,机械脱水、热媒干化、单独焚烧必将是污泥处置的终极方向。谢谢大家!


主持人:谢谢郝老师!不愧为北京未来城市创新研究中心的教授,他提出污泥焚烧新的技术观点,认为是直接脱水+热媒干化+单独焚烧。做了一些详细的能耗分析。本来是半小时,讲了25分钟,咱们提两个问题。



本来是半小时,讲了25分钟,咱们提两个问题。


提问

污泥焚烧之后的灰分,是当危险品处置还是什么?


郝晓地

灰分应该不是危险品,它是一种资源。刚刚提到了把磷从灰分里面提取以后,甚至还有其他有用的元素,然后做建材,它当然不是危险品。哪来的危险品?无非就是担心烧完以后重金属,我们可以同样去提取重金属,而不应当危险品处置。


提问

我们参观过污泥单独焚烧项目,都把它作为危险物定义了。


郝晓地

那是定义人的眼光有限、知识有限。


提问

为您鼓掌。


主持人:下一个问题。


提问

您说污泥单独焚烧产生的热能跟干化自身湿污泥的这个热能匹配,是基本匹配还是什么?


郝晓地

我们倡导、推荐的污泥处置路线是机械脱水+热媒干化+单独焚烧。这个总的输入能量和产出能量有略微的差异,差在哪呢?你要输入624度电。也就是说有624度电的赤字,而厌氧消化+干化焚烧是852度电。大家没想到吧!都说厌氧消化以后应该产能啊,它怎么耗能更大呢?因为厌氧消化产能,它本身也需要耗能,再者,污泥消化产能后,焚烧热能便低了。我说的厌氧消化还没有算热水解能耗和投资,如果加上热水解则会更大。大家没有想到吧,在我讲之前很多人都认为这个厌氧消化应该是净能耗较少。实际上不是的,它是个耗能过程。


提问

焚烧产生的热跟机械压滤加干化这两者之间差624度电。


郝晓地

脱水+干化+焚烧。三个单元加一起。


提问

如果脱水去掉呢。


郝晓地

你的意思是说从99%直接干化到40%?


提问

一般给你的污泥是80%的含水率。


郝晓地

那是机械脱水之后。


提问

对。我就是说机械之后的,80%到40%所需要的热能跟40%含水率污泥烧了产生的热能。


郝晓地

刚刚我的片子里全有,我现在记不清了。回头我们下面可以继续交流。


主持人:好!由于时间关系,有问题下面再跟郝老师交流。谢谢郝老师!


THE END 


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