厌氧处理工艺的典例-大连市夏家河污泥处理厂

大连东泰夏家河污泥处理厂BOT项目在厌氧处理工艺圈内可谓首屈一指，作为典型案例在不同场合被屡屡提起。下面，针对这一项目的真实运营情况一一解读。 一、资料来源 根据对大连市中心城区现有污水处理厂实际产泥量的调查和对拟建污水处理厂产泥量的估算预测，现有规模下的污水处理厂产泥量为330-600t/d(含水率80%)。该项目采用BOT的建设方式，通过政府公开招标确定由大连东泰产业废弃物处理有限公司中标。项目规划占地面积4.11公顷，一期征地2.47公顷，建设规模为日处理市政污泥600吨，项目总投资约15000万元，运行费用为130-150元/吨(含水率80%)，每日水耗为：中水约400吨、自来水70吨，每日电耗为15000-18000千瓦时。 二、设计条件下的基本参数 1、沼气产量 根据陈文，本项目年产生664.3万立方米沼气，日产沼气量27600立方米，沼气自用量30%。如果将年总气量6643000除以日产气量27600，得到年设计生产日数仅241天，这似乎是不可能的，此值应是可对外供气的沼气量，即年运行日数如果以365天计算，则产气量(含自用部分)应为365×27600=10074000立方米/年。 关于沼气量，还有另外一种说法，中国水网的评选资料表格显示，沼气产量32000立方米/日，甲烷含量≥60%。根据笔者的分析，此值较难采信。本文以27600立方米/日沼气量作为设计基准。 2、吨污泥处理投资 本项目日处理含固率20%的污泥600吨，干基污泥量120吨/日，投资14913万元，则以含固率20%湿泥计的单位处理投资为14913/600=25万元/日·吨。 3、厌氧消化装置及其池容产气率 本项目采用了直径16m、高度15m、有效高度11.2m、有效容积2230立方米的消化罐12个，则总有效容积为2230*12=26760立方米。 以设计值27600立方米沼气计算，池容产气率为27600/26760=1.03m3/m3。 如果产气量32000立方米沼气属实，则池容产气率可高达1.2m3/m3。 4、关于天然气产量的不同版本 关于天然气产量，有三个不同的说法。一个是中国水网评选2010年十大推荐污泥处置项目时的对外公布数据16500立方米/日，一个是辽宁日报刊登的新闻通稿11000立方米，此外是陈文“现日产天然气10000立方米”的说法。 陈文采用了沼气热值5200kcal/m3，可知此沼气的含甲烷量约55%(根据甲烷燃烧热890.31kJ/mol折算)，假设制取天然气的甲烷收率为95%，16500立方米的天然气需要16500/55%/95%=31579立方米的沼气。显然，即使不考虑自用沼气，设计值27600的沼气量也不足以有16500立方米的天然气产出。 以陈文所公布的“实际数据”10000立方米天然气产量而言，所需沼气量应在19000立方米左右(10000/55%/95%=19135立方米)。 5、由消化器的耗热量反推天然气的设计产量 本项目采用中温消化，温度为35±1度。消化的加热量决定了可供制取天然气的沼气可用量。 本项目的入消化器固体浓度为10%，停留时间22天。根据给出的消化器尺寸，采用大连地区的气候数据，假设罐顶、罐底、罐底的传热系数分别为0.7、0.7和0.52kcal/m2.h.K，可以得到本项目消化罐的加热量冬季最大1723000kcal/h，夏季最小900000kcal/h，年平均1280000kcal/h。考虑沼气锅炉的热效率90%，管路热损失3%，则加热所需的沼气平均需用量约为6614m3/d，这样额定设计产气量下所能提供给天然气制取系统的沼气量为20976m3/d，产天然气量大约10920立方米/日，即大约76%的沼气用于制取天然气，24%用于消化器加热。 这一数据比陈文所提到的自用气量30%略为乐观，因此10000～11000立方米/日左右的天然气产量可能是设计值。 6、污泥的有机质含量 以设计有效池容26760立方米、日处理120干吨污泥固体、入消化罐含固率10%考虑，设计停留时间为22.3天，与陈文所报道的数据22天相符。 中温35度消化，时间为22天，有机质降解率可能在40-50%之间。取降解率50%，沼气的甲烷含量55%，单位有机质降解的甲烷产率为0.42m3/kg.VSSr，则120tds/d污泥固体中的可挥发性有机质含量应该在60.25%以上。如果是取降解率40%，可挥发性有机质含量则应该在75%以上。笔者以为，本项目的设计值可能就是有机质含量60%，消化降解率50%。 7、电耗 按照公布的数据，电耗15000-18000kWh/d。以有效厌氧池容(26760立方米)的单位电耗看，此项目的每1000立方米池容电耗高达23-28kW/km3(整个项目，含输送等)，高于一般沼气发电项目的池容电耗10-20kW/km3(青岛麦岛测算值为12.4kW/km3，德国汉堡为23.4kW/km3，仅消化和发电部分为10.1kW/km3)。 8、沼液处理 根据介绍，本项目消化后沼液脱水后的废液先经除磷脱氮处理，再进入夏家河污水处理厂。理论上，污泥处理厂需承担将沼液从COD15000-20000以上降到500mg/l以下的污水处理成本。本文假设污水部分的消耗均为电费，已包含在内。 9、沼渣出路 该项目的沼渣作为填埋土或绿化用途，不计填埋成本。 10、设计值下的运行成本评估 直接运行成本可做如下评估： 电费=15000kW/d*0.65元/kW=9750元/日 人工费=30000元/人月×12人/30天=986元/日 药剂耗(因天然气脱硫要求较高，假设吨湿泥脱硫费用10元)=10*600=6000元/日 假设总投资1.4913亿元中，设备费约1.2亿，取大修维护系数2.5%，维护费=8219元/日 综合以上诸项费用，折合到吨湿泥处理量中的直接运行成本为42元/吨。 11、设计值下的财务成本 作为BOT项目，有必要计算以下财务成本。假设项目为全额贷款，银行年息5.94%，还款期20年，则日折旧及财务成本为28721元，折合脱水污泥48元/吨。 12、综合收入 假设天然气销售价格为2.4元/立方米，则设计条件下(天然气产量11000立方米/日)的天然气销售产值为11000×2.4=26400元(天然气实际价格根据淡旺季有差别，为3.5-3.9元/立方米)。 根据中国水网公布的数据，大连市财政局每吨污泥(含固率20%)处理补贴为135元(2011年已上升为170元)，则设计条件下的污泥处置费为600×135=81000元/日。 这意味着吨污泥的产值约为179元。减去运行成本和财务成本，吨湿泥处理量的净盈利为89.5元。 显然，在设计条件下，大连夏家河BOT项目应具有较好的盈利能力。 三、实际运行值 根据辽宁日报文，“夏家河污泥处理厂于2009年4月29日投料试运行，目前已累计处理污泥3.5万吨，共生产沼气175万立方米，生产腐殖土1万吨”，由采访日期12月17日反推，日历时间大约为232天。 根据大连日报文，“据统计，该厂从去年4月29日投料运行，当年12月17日就将天然气送入煤气新厂。截至今年4月30日，该厂共处理污泥及其他可降解有机废物6.5万吨，其中包括工业类似污泥8380吨、粪便130吨、餐饮垃圾90吨及海关查没食品50吨；产沼气394万立方米、外售天然气110万立方米；产沼渣2.5万吨，外售腐殖土1.5万吨”。日历时间正好足一年(367天)。 将上述两组数据进行分析，可对实际运行数据解析如下： 1、处理量 按照辽宁日报文提供的数据，232天里处理了污泥35000t，则实际日均处理污泥量为151吨(35000t/232d=151t/d)； 按照大连日报提供的数据，一年时间里处理了污泥56350吨(65000吨减去非大连财政局付费的废弃物量)，则实际日均处理污泥量为154吨(56350t/365d=154t/d)； 这就是说，在实际运行中，该项目实际处理污泥量仅为设计值600吨/日污泥的25%强。 2、池容产气率 按辽宁日报数据，175万立方米沼气除以天数(232天)，日均产气量约为7543立方米。 按大连日报数据，394万立方米沼气除以天数(367天)，日均产气量为10736立方米。 按照有效池容考虑，实际池容产气率为0.282～0.401m3/m3，远低于设计值1.03。 以设计产气量27600立方米/日考虑，沼气产出率(分别为7543和10736立方米)分别为27%和39%。与实际污泥处理量为设计值25%的进行比较，沼气产出率27-39%似乎高于25%，一个可能的原因是高含有机质废物的引入。依靠高有机质的有机废弃物，可使项目的产气率提高。 3、自用沼气率 按大连日报数据，394万立方米沼气，产生天然气量110万立方米，以沼气的甲烷含量55%、甲烷收率95%考虑，则自用沼气比例为46.6%。 以等比来判读辽宁日报数据，175万立方米沼气，自用沼气比例为46.6%，可产生天然气量大约488000立方米(12月17日前未能进网出售)。 自用沼气比例远高于设计值30%，其中的一部分可能是调试期火炬燃烧造成的。但从消化器的热量供应角度看，每小时的有效给热量大约为685900和974860kcal/h(考虑了锅炉热效率90%)，与设计条件下的值(均值1272000kcal/h)相比，约为54～77%。其中的原因可能是消化器未满负荷运行(有的消化器未开)，但总体来看，沼气自用率偏高。 4、吨废弃物产气率 由于非污泥物料的含水率情况不详，这里无法对有机质降解的产气率进行比较。只能就湿基物料进行一粗略比较。 根据设计值，吨含固率20%湿泥的产气量应为27600/600=46立方米/吨。 根据辽宁日报的数据，吨污泥产气率为1750000/35000=50立方米/吨。 根据大连日报的数据，如果将非市政污泥考虑进来，吨湿基废弃物的产气率为3940000/65000=60.6立方米/吨。 这些数字说明，在污泥处理量远低于设计值的情况下，产气量高于同比预期，应该有两个可能性：1)被消化物质的有机质提高了，因此沼气收率增加；2)由于处理量远低于设计值，而自用气量比例大幅度提高，说明在消化器中的实际固体停留时间可能延长了。 5、运行成本和投资成本 根据大连日报数据，外售沼气110万立方米，意味着日均产生天然气2997立方米，相当于设计值11000立方米的27%。 废弃物总处理量65000吨，则日均处理量177吨，仅为设计值600吨的29.5%。 从收入角度看，吨废弃物处理的产值下降为 (2997*2.4+177*135)/177=176元/吨 在日运行成本方面，除药剂消耗可按比例下降外，其余变化不会很大，假设维护费维持8219元/日，药剂和消耗品177吨×10元/吨=1770元/日，电费9750×80%=7800元/日，人员986元/日，则吨处理量的直接运行成本上升为106元。 投资成本方面，将原设计工况下的日折旧及财务成本28721元分摊到177吨日处理量上，将面临每吨162元的高额折旧。 这就是说，如果大连日报所报道的数据属实，则大连夏家河项目第一年的运行效益很可能是负的。 四、结语 通过以上分析发现，受到媒体和专家一致追捧的大连夏家河污泥处理项目，其实存在很多“硬伤”。 1、所谓的先进性问题 夏家河项目以日处理污泥600吨立项，运行的第一年，实际平均处理污泥量仅150-170吨/日，为设计值的不足30%；就沼气产出量而言，只实现了设计值的不到40%；以池容产气率论，不足德国汉堡的一半(0.4对0.9，比青岛麦岛的0.59还低1/3)(池容产气率数据没有考虑只开部分厌氧罐的情况，此时比较这个数据可能没有意义)；此外，无论自用气比例(实际是消化罐热耗)，还是电耗，均不如上述两个参考项目。以其高固体浓度(10%)的消化设计而言，不应如此。 该项目被评为当年污泥处理十大推荐项目之首，相关厂家不断以“第一名”的头衔自我宣传，实在令人感到有些肉麻；所有媒体报道中均冠以“最先进厌氧消化技术”的所谓“最先进性”，实在不知是从何谈起；设计方在论文中盖棺论定般的结论，“从试运行至今污泥处理厂运行稳定，各项指标均优于设计”，则更是不知是真是假了…… 2、厌氧是处置还是处理的问题 夏家河的厌氧消化加制取天然气和青岛麦岛的厌氧消化消化其实是类似的，消化脱水后污泥(沼渣)仍未安全处置。至少，消化后污泥(沼渣)的填埋处置成本是未考虑在内的。 对消化后污泥/沼渣的定义，是厌氧路线支持者侥幸心态的一种折射。定义为沼渣，似可直接还田，由此可避免后续的处置费用，从而使厌氧消化成为一种廉价的解决方案。但如果定义为污泥，则消化只不过是昂贵处置过程的第一段而已。以国内重金属、持久性有机污染物的污染程度而言，笔者以为恐怕只有后者才是目前唯一合理的定义。 厌氧消化还有一项重要的处置成本：高浓度废液，它一直是所有消化、热水解工艺的重要“后遗症”，其处理难度和费用均不可小视。夏家河项目作为BOT项目，能将简单处理后的污水打入附近的夏家河污水处理厂代为处理，从而节约大量成本，不能不说是此项目获得经济性的一个重要因素，但作为污泥处理项目，厌氧废水的处理成本应考虑在内。