张怀宇|污泥好氧发酵:污泥物料回归的微循环之路

     

 中国市政工程中南设计研究总院 张怀宇

本文看点

➤ 背景

➤ 有效性和安全性

➤ 污泥好氧发酵的技术经济指标

➤ 与前序污水收集、处理过程的协调

➤ 与后序处置的协调

➤ 结语与展望

背景

1污泥产量提升与处置的矛盾

➢ 城镇污水实际处理量逐年上升,污泥量也同步上升,预测2018年城镇污泥4400万吨;

➢ 十二五规划中污泥项目的超低完成率的影响,将在后续年份中继续发酵;

➢2018年环保督察中多省出现城镇污泥违规倾倒现象,标明仍未得到妥善处置;

➢ 污泥出路未来将是艰巨的任务。

2污泥土地利用节能减排效果显著,但NPK总量占比有限

➢ 尽管城镇污泥量迅速增长,从宏观角度总量仍然相当有限;

➢ 如以30%城镇污泥土地利用,则相对与化肥生产过程,从2014年的节能13.40万tCE增加到2018年的节能21.05万tCE(预测);

➢ 自2015年后,化肥产量已有大幅度下降,但2018年预测污泥蕴含的N、P、K仅相当于化肥产量的0.23%~0.30%;

➢ 可以得出结论,我国从总体上污泥土地的出路仍然是广阔的。

3、冲突与问题

➢ 两个相互冲突的结论:

日益增长的污泥量造成了很多问题和麻烦;

污泥的土地利用不仅可以实现节能减排,在总体上的出路是广阔的。

➢ 问题的导出:

污泥的土地利用是否有效和安全?

污泥的土地利用是否经济?

当前的技术体系是否适应土地利用的模式?

当前的管理体系是否适应土地利用的导向?

土地利用的有效性和安全性

1、国内外污泥处理处置(农用、园林)标准对比

国外:

◆ 40CFR PART503(美国标准,2018年版);

◆ 86-278-EEC(欧盟标准86);

◆ Working document on sludge, 3rd draft(欧盟草案2000)。

国内:

◆CJ/T 510-2017  城镇污水处理厂污泥处理 稳定标准。

2、理化成分

3、重金属

◆ 全部重金属指标处于文献报导的较低水平,Cu甚至低于文献中的下限;

◆ 除Cd高于即将实施的农用A类标准外,满足B类标准及其他全部标准,以及美国、欧盟标准。

4、卫生学指标

➢ 蛔虫卵及沙门氏菌国标无定量指标;

➢ 卫生学指标中,蛔虫卵及沙门氏菌未检出,粪大肠菌虽然部分超过国标限值,但经过好氧发酵后可降低数个数量级,稳定达标。

5、环境激素

➢ 本研究中的环境激素远低于国内文献统计的均值;

➢ 环境激素指标符合当前最严格的标准(文献中部分DEHP高于丹麦标准)。

土地利用的有效和安全性小结

1. 产业驱动生活模式-选择旅游型城镇;

2. 污泥中的营养成分较高,预期经过好氧发酵后,能满足土地利用(园林绿化或土地改良)的要求,其利用是有效的;

3. 研究对象的重金属、卫生学指标、环境激素等有害物质含量低,有害物质低于文献中位值,除Cd不能满足即将实施的污泥农用A级标准(能满足B级)外,经过好氧发酵等稳定化措施后,可以满足国内、美、欧相关标准,其利用是安全的;

4. 旅游型小城镇相对人口流动大、可以预计,人口流动相对较小的城镇的生活污水污泥,有效性和安全性能达到旅游型城镇的水准,预期可作用农用B级、园林绿化、土壤改良(营养土)。

污泥好氧发酵的技术经济指标

1、污泥好氧堆肥(发酵)工程实施及工艺设备应用情况调研

主要资料来源:污泥好氧堆肥(发酵)工程实施及工艺设备应用情况调研(中国市政工程中南设计研究总院有限公司、中国人民大学,2014-2015,国家污泥处理处置产业技术创新战略联盟委托)。

调研方式:实地调研、问卷调研、文献调研。

2、调研对象的工艺统计

3、主要技术经济指标

调查项目中设施较为完备的污泥好氧发酵工程:

➢ 单位工程投资一般为25~45万元/(t/d),平均34.71万元/(t/d),单位工程投资在调研范围内未表现出显著的规模效益;

➢ 直接运行费用均值138.1元/t,规模150t以内者上下差异较大,未见均值随规模的显著变化;

➢占地指标0.164hm

2

/(t/d)。

4、成本压力

成本主要来源于辅料、能耗、人工,其中人工一般规模大者单位泥量人工较低。

1辅料与返混

辅料与返混各工程相差悬殊。

辅料常用的有稻壳、秸秆、锯末(木屑)、木块、花生壳、稻草、酒渣等;返混料一般为陈化的产品,也有未经陈化直接返混的,或添加菌种且不返混的。

以进场污泥为基数,以重量比论,辅料添加量0-20%;以体积比论,辅料添加量0-100%。

以进场污泥为基数,以体积比论,返混料添加量0-100%。

2能耗

共计10项工程获得电耗指标的数值。其中60%项目的单位能耗集中中20.0-26.3 kWh/t的范围内; 30%的项目单位能耗高于40 kWh/t;1项计10%采用自然通风的项目单位电耗8.0kWh/t。可见上述工程的电耗指标可分为3个群落:自然通风的项目单位电耗8.0kWh/t,常规能耗项目20.0-26.3kWh/t,高能耗项目40 kWh/t以上。高能耗项目均有较大的除臭风量。

3成本

    辅料一般是污泥好氧发酵工艺的最大成本压力项。一般在污泥处理场建设时,辅料成本相对较低;运营中当地辅料价格上涨较快,造成较大的成本压力。部分厂商寻求辅料的替代品,包括惰性辅料、100%陈料替代辅料等,但尚无成熟的连续运行经验。

终端用户建设的污泥处理场尚未见显著辅料压力,可能和这些用户较为容易获得辅料有关。用于制肥的,因污泥是添加的辅料而非主料,不需要采购木质、草质辅料;直接土地利用的用户,园林废弃物易于获得。

污泥好氧发酵的技术经济指标-小结

1. 32项工程调研,覆盖北部、中部、南部、东部、西部,规模15-1000t/d,涵盖技术包括4个大类10个小类;

2. 平均单位投资34.71万元/(t/d),直接运行费用均值138.1元/t,占地指标0.164hm2/(t/d);

3. 能耗指标:自然通风参考值8.0kWh/t; 常规污泥好氧发酵参考值20.0~26.3 kWh/t;高通风除臭项目参考值40+ kWh/t;

4. 污泥好氧发酵占地相对较大,投资和运行费用具有竞争力。

与前序污水收集、处理过程的协调

1、系统布局与工艺比选

1工业废水和生活污水的总体布局

➣ 传统的工业废水和生活污水混合以利于处理转向;

➣ 含有害物质的工业废水分离和生活污水分离;

➣ 工业废水强化预处理后的合并处理。

2污水处理厂工艺设计

➣ 有机物留给土地的环境和经济效益;

➣ 厌氧产能的经济效益。

2、处理厂污泥产率与能耗控制

1工艺的改变

➣ 有机物由曝气氧化去除倾向于捕获(节能);

➣ 氮由硝化-反硝化转向剩余污泥对氮的捕获(节能)

➣ 相应的产泥量增加。

2技术经济比较

➣ 处理厂对污泥由微观的减量(减少处置费用)转向宏观的减量(基于土地利用的全局费用的降低);

➣ 水处理过程中的能耗降低+处置费用降低vs脱水+运输费用的增加

与后序处置的协调

1、污泥处置出路

1产品检测与泥质

Ø 自检率最高5项指标的依次为含水率、有机质或挥发性有机物、pH、N/P/K、种子发芽率等。自检率分别为100%、62%、46%、31%、23%;

Ø 各污泥处理场的污泥基本都能达到土壤改良或绿化标准。

2处置

Ø 污泥处置主要目标依次为园林绿化利用、土壤改良、制肥;

Ø 园林绿化和土壤改良占比59%,接近六成。

2、投资来源

(1)投资方

◆ 调研项目中,投资部门分别来自市政部门、技术持有商、终端用户,比例分别为56%、32%、12%。其中的技术持有方也包括采购技术的投资商。

◆ 实际项目中市政部门投资的可能比例更高,技术持有方、终端用户投资的比例在本调研中放大。

2存在问题

◆ 部分项目的污泥经过好氧发酵后没有出路,以至于停产。这种情况同时存在于市政部门也存在于技术持有方(第三方)。

◆ 对最终利用的去向缺乏足够的监管和跟踪。

结语与展望

1、树立循环利用的观念

(1)方案比选时,污泥好氧发酵经常被视作技术水平不高的选项,从而被忽略;

(2)污泥好氧发酵-土地利用的过程中,有机质和营养物质的回归是人类活动中物料循环的重要组成。在这个过程中同时实现了节能减排,也实现了土壤肥力的持续;

(3)污水厂污泥有不经处理的土地利用的现象;

(4)城市集中下水道出现后,出现集中的粪便制肥和利用,至化肥推广后中断;

(5)传统的农作中有粪便回田的物料循环利用(分散利用),污泥好氧发酵-土地利用不等同于粪便回田的概念。污泥好氧发酵与粪便回田相同的是循环利用,不同是科学的稳定化过程,卫生状况不同。

2、树立系统分析的观念

(1)物料回收与循环

◆ 有机质:在污水处理厂内耗费能量去除、在厌氧发酵过程中高损耗地转化为高品能源(一般低于1/3),还是回归土壤增加持久肥力(高效利用)?

◆ 营养物质(氮):去除或回收

◆ 工业废水和生活污水是分还是合

◆ 目标定位土地利用后,污水处理的变化?

◆ 污泥处理:厌氧或好氧

(2)污泥减量误区矫正

◆ 狭义的“污泥减量”,不符合污泥好氧发酵的特征;

◆ 好氧发酵过程中,除水分的减少实现的减重以外,有机质以转化为主、降解为辅;最终的产物堆积容重较低。狭义的减容、减重效果“不佳”;

◆ 污泥好氧发酵的减量是全局循环中实现100%减量,焚烧-危废焚烧残渣,填埋-碳排放。相对于其他工艺:减少了污水处理过程中的能耗、替代化肥的节能减排效应、回归土壤的持久肥力。

3、展望

日益增长的污泥量的麻烦vs土地利用从宏观上出路广阔的冲突,表明今后随着问题的解决,市场的潜力是巨大的、可持续的。

◆污泥好氧发酵的应用,将推动污水处理系统从收集到处理的模式。

◆污泥好氧发酵的应用还将推动投资、管理模式的变革。

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