張懷宇|污泥好氧發(fā)酵:污泥物料回歸的微循環(huán)之路
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中國市政工程中南設計研究總院 張懷宇
本文看點
➤ 背景
➤有效性和安全性
➤污泥好氧發(fā)酵的技術經(jīng)濟指標
➤與前序污水收集、處理過程的協(xié)調
➤與后序處置的協(xié)調
➤結語與展望
背景
1、污泥產(chǎn)量提升與處置的矛盾
➢ 城鎮(zhèn)污水實際處理量逐年上升,污泥量也同步上升,預測2018年城鎮(zhèn)污泥4400萬噸;
➢ 十二五規(guī)劃中污泥項目的超低完成率的影響,將在后續(xù)年份中繼續(xù)發(fā)酵;
➢2018年環(huán)保督察中多省出現(xiàn)城鎮(zhèn)污泥違規(guī)傾倒現(xiàn)象,標明仍未得到妥善處置;
➢ 污泥出路未來將是艱巨的任務。
2、污泥土地利用節(jié)能減排效果顯著,但NPK總量占比有限
➢ 盡管城鎮(zhèn)污泥量迅速增長,從宏觀角度總量仍然相當有限;
➢ 如以30%城鎮(zhèn)污泥土地利用,則相對與化肥生產(chǎn)過程,從2014年的節(jié)能13.40萬tCE增加到2018年的節(jié)能21.05萬tCE(預測);
➢ 自2015年后,化肥產(chǎn)量已有大幅度下降,但2018年預測污泥蘊含的N、P、K僅相當于化肥產(chǎn)量的0.23%~0.30%;
➢ 可以得出結論,我國從總體上污泥土地的出路仍然是廣闊的。
3、沖突與問題
➢ 兩個相互沖突的結論:
日益增長的污泥量造成了很多問題和麻煩;
污泥的土地利用不僅可以實現(xiàn)節(jié)能減排,在總體上的出路是廣闊的。
➢ 問題的導出:
污泥的土地利用是否有效和安全?
污泥的土地利用是否經(jīng)濟?
當前的技術體系是否適應土地利用的模式?
當前的管理體系是否適應土地利用的導向?
土地利用的有效性和安全性
1、國內(nèi)外污泥處理處置(農(nóng)用、園林)標準對比
國外:
◆ 40CFR PART503(美國標準,2018年版);
◆ 86-278-EEC(歐盟標準86);
◆ Working document on sludge, 3rd draft(歐盟草案2000)。
國內(nèi):
◆ GB 4284-2018 農(nóng)用污泥中污染物控制標準(2019年6月生效);
◆ GB 4284-1984 農(nóng)用污泥中污染物控制標準(現(xiàn)行);
◆ GB 7959-2012 糞便無害化衛(wèi)生要求;;
◆ GB 18918-2002 城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準;
◆ GB/T 23486-2009城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 園林綠化用泥質;
◆ GB/T 24600-2009城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 土地改良用泥質;
◆CJ/T 510-2017 城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理 穩(wěn)定標準。
2、理化成分
3、重金屬
◆ 全部重金屬指標處于文獻報導的較低水平,Cu甚至低于文獻中的下限;
◆ 除Cd高于即將實施的農(nóng)用A類標準外,滿足B類標準及其他全部標準,以及美國、歐盟標準。
4、衛(wèi)生學指標
➢ 蛔蟲卵及沙門氏菌國標無定量指標;
➢ 衛(wèi)生學指標中,蛔蟲卵及沙門氏菌未檢出,糞大腸菌雖然部分超過國標限值,但經(jīng)過好氧發(fā)酵后可降低數(shù)個數(shù)量級,穩(wěn)定達標。
5、環(huán)境激素
➢ 本研究中的環(huán)境激素遠低于國內(nèi)文獻統(tǒng)計的均值;
➢ 環(huán)境激素指標符合當前最嚴格的標準(文獻中部分DEHP高于丹麥標準)。
土地利用的有效性和安全性小結
1. 產(chǎn)業(yè)驅動生活模式-選擇旅游型城鎮(zhèn);
2. 污泥中的營養(yǎng)成分較高,預期經(jīng)過好氧發(fā)酵后,能滿足土地利用(園林綠化或土地改良)的要求,其利用是有效的;
3. 研究對象的重金屬、衛(wèi)生學指標、環(huán)境激素等有害物質含量低,有害物質低于文獻中位值,除Cd不能滿足即將實施的污泥農(nóng)用A級標準(能滿足B級)外,經(jīng)過好氧發(fā)酵等穩(wěn)定化措施后,可以滿足國內(nèi)、美、歐相關標準,其利用是安全的;
4. 旅游型小城鎮(zhèn)相對人口流動大、可以預計,人口流動相對較小的城鎮(zhèn)的生活污水污泥,有效性和安全性能達到旅游型城鎮(zhèn)的水準,預期可作用農(nóng)用B級、園林綠化、土壤改良(營養(yǎng)土)。
污泥好氧發(fā)酵的技術經(jīng)濟指標
1、污泥好氧堆肥(發(fā)酵)工程實施及工藝設備應用情況調研
主要資料來源:污泥好氧堆肥(發(fā)酵)工程實施及工藝設備應用情況調研(中國市政工程中南設計研究總院有限公司、中國人民大學,2014-2015,國家污泥處理處置產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟委托)。
調研方式:實地調研、問卷調研、文獻調研。
2、調研對象的工藝統(tǒng)計
3、主要技術經(jīng)濟指標
調查項目中設施較為完備的污泥好氧發(fā)酵工程:
➢ 單位工程投資一般為25~45萬元/(t/d),平均34.71萬元/(t/d),單位工程投資在調研范圍內(nèi)未表現(xiàn)出顯著的規(guī)模效益;
➢ 直接運行費用均值138.1元/t,規(guī)模150t以內(nèi)者上下差異較大,未見均值隨規(guī)模的顯著變化;
➢占地指標0.164hm2/(t/d)。
4、成本壓力
成本主要來源于輔料、能耗、人工,其中人工一般規(guī)模大者單位泥量人工較低。
(1)輔料與返混
輔料與返混各工程相差懸殊。
輔料常用的有稻殼、秸稈、鋸末(木屑)、木塊、花生殼、稻草、酒渣等;返混料一般為陳化的產(chǎn)品,也有未經(jīng)陳化直接返混的,或添加菌種且不返混的。
以進場污泥為基數(shù),以重量比論,輔料添加量0-20%;以體積比論,輔料添加量0-100%。
以進場污泥為基數(shù),以體積比論,返混料添加量0-100%。
(2)能耗
共計10項工程獲得電耗指標的數(shù)值。其中60%項目的單位能耗集中中20.0-26.3 kWh/t的范圍內(nèi); 30%的項目單位能耗高于40 kWh/t;1項計10%采用自然通風的項目單位電耗8.0kWh/t?梢娚鲜龉こ痰碾姾闹笜丝煞譃3個群落:自然通風的項目單位電耗8.0kWh/t,常規(guī)能耗項目20.0-26.3kWh/t,高能耗項目40 kWh/t以上。高能耗項目均有較大的除臭風量。
(3)成本
輔料一般是污泥好氧發(fā)酵工藝的最大成本壓力項。一般在污泥處理場建設時,輔料成本相對較低;運營中當?shù)剌o料價格上漲較快,造成較大的成本壓力。部分廠商尋求輔料的替代品,包括惰性輔料、100%陳料替代輔料等,但尚無成熟的連續(xù)運行經(jīng)驗。
終端用戶建設的污泥處理場尚未見顯著輔料壓力,可能和這些用戶較為容易獲得輔料有關。用于制肥的,因污泥是添加的輔料而非主料,不需要采購木質、草質輔料;直接土地利用的用戶,園林廢棄物易于獲得。
污泥好氧發(fā)酵的技術經(jīng)濟指標-小結
1. 32項工程調研,覆蓋北部、中部、南部、東部、西部,規(guī)模15-1000t/d,涵蓋技術包括4個大類10個小類;
2. 平均單位投資34.71萬元/(t/d),直接運行費用均值138.1元/t,占地指標0.164hm2/(t/d);
3. 能耗指標:自然通風參考值8.0kWh/t; 常規(guī)污泥好氧發(fā)酵參考值20.0~26.3 kWh/t;高通風除臭項目參考值40+ kWh/t;
4. 污泥好氧發(fā)酵占地相對較大,投資和運行費用具有競爭力。
與前序污水收集、處理過程的協(xié)調
1、系統(tǒng)布局與工藝比選
(1)工業(yè)廢水和生活污水的總體布局
➣ 傳統(tǒng)的工業(yè)廢水和生活污水混合以利于處理轉向;
➣ 含有害物質的工業(yè)廢水分離和生活污水分離;
➣ 工業(yè)廢水強化預處理后的合并處理。
(2)污水處理廠工藝設計
➣ 有機物留給土地的環(huán)境和經(jīng)濟效益;
➣ 厭氧產(chǎn)能的經(jīng)濟效益。
2、處理廠污泥產(chǎn)率與能耗控制
(1)工藝的改變
➣ 有機物由曝氣氧化去除傾向于捕獲(節(jié)能);
➣ 氮由硝化-反硝化轉向剩余污泥對氮的捕獲(節(jié)能)
➣ 相應的產(chǎn)泥量增加。
(2)技術經(jīng)濟比較
➣ 處理廠對污泥由微觀的減量(減少處置費用)轉向宏觀的減量(基于土地利用的全局費用的降低);
➣ 水處理過程中的能耗降低+處置費用降低vs脫水+運輸費用的增加。
與后序處置的協(xié)調
1、污泥處置出路
(1)產(chǎn)品檢測與泥質
Ø 自檢率最高5項指標的依次為含水率、有機質或揮發(fā)性有機物、pH、N/P/K、種子發(fā)芽率等。自檢率分別為100%、62%、46%、31%、23%;
Ø 各污泥處理場的污泥基本都能達到土壤改良或綠化標準。
(2)處置
Ø 污泥處置主要目標依次為園林綠化利用、土壤改良、制肥;
Ø 園林綠化和土壤改良占比59%,接近六成。
2、投資來源
(1)投資方
◆ 調研項目中,投資部門分別來自市政部門、技術持有商、終端用戶,比例分別為56%、32%、12%。其中的技術持有方也包括采購技術的投資商。
◆ 實際項目中市政部門投資的可能比例更高,技術持有方、終端用戶投資的比例在本調研中放大。
(2)存在問題
◆ 部分項目的污泥經(jīng)過好氧發(fā)酵后沒有出路,以至于停產(chǎn)。這種情況同時存在于市政部門也存在于技術持有方(第三方)。
◆ 對最終利用的去向缺乏足夠的監(jiān)管和跟蹤。
結語與展望
1、樹立循環(huán)利用的觀念
(1)方案比選時,污泥好氧發(fā)酵經(jīng)常被視作技術水平不高的選項,從而被忽略;
(2)污泥好氧發(fā)酵-土地利用的過程中,有機質和營養(yǎng)物質的回歸是人類活動中物料循環(huán)的重要組成。在這個過程中同時實現(xiàn)了節(jié)能減排,也實現(xiàn)了土壤肥力的持續(xù);
(3)污水廠污泥有不經(jīng)處理的土地利用的現(xiàn)象;
(4)城市集中下水道出現(xiàn)后,出現(xiàn)集中的糞便制肥和利用,至化肥推廣后中斷;
(5)傳統(tǒng)的農(nóng)作中有糞便回田的物料循環(huán)利用(分散利用),污泥好氧發(fā)酵-土地利用不等同于糞便回田的概念。污泥好氧發(fā)酵與糞便回田相同的是循環(huán)利用,不同是科學的穩(wěn)定化過程,衛(wèi)生狀況不同。
2、樹立系統(tǒng)分析的觀念
(1)物料回收與循環(huán)
◆ 有機質:在污水處理廠內(nèi)耗費能量去除、在厭氧發(fā)酵過程中高損耗地轉化為高品能源(一般低于1/3),還是回歸土壤增加持久肥力(高效利用)?
◆ 營養(yǎng)物質(氮):去除或回收?
◆ 工業(yè)廢水和生活污水是分還是合?
◆ 目標定位土地利用后,污水處理的變化?
◆ 污泥處理:厭氧或好氧?
(2)污泥減量誤區(qū)矯正
◆ 狹義的“污泥減量”,不符合污泥好氧發(fā)酵的特征;
◆ 好氧發(fā)酵過程中,除水分的減少實現(xiàn)的減重以外,有機質以轉化為主、降解為輔;最終的產(chǎn)物堆積容重較低。狹義的減容、減重效果“不佳”;
◆ 污泥好氧發(fā)酵的減量是全局循環(huán)中實現(xiàn)100%減量,焚燒-危廢焚燒殘渣,填埋-碳排放。相對于其他工藝:減少了污水處理過程中的能耗、替代化肥的節(jié)能減排效應、回歸土壤的持久肥力。
3、展望
◆日益增長的污泥量的麻煩vs土地利用從宏觀上出路廣闊的沖突,表明今后隨著問題的解決,市場的潛力是巨大的、可持續(xù)的。
◆污泥好氧發(fā)酵的應用,將推動污水處理系統(tǒng)從收集到處理的模式。
◆污泥好氧發(fā)酵的應用還將推動投資、管理模式的變革。