厭氧處理工藝的典例-大連市夏家河污泥處理廠
大連東泰夏家河污泥處理廠BOT項目在厭氧處理工藝圈內(nèi)可謂首屈一指，作為典型案例在不同場合被屢屢提起。下面，針對這一項目的真實運營情況一一解讀。
一、資料來源
根據(jù)對大連市中心城區(qū)現(xiàn)有污水處理廠實際產(chǎn)泥量的調(diào)查和對擬建污水處理廠產(chǎn)泥量的估算預(yù)測，現(xiàn)有規(guī)模下的污水處理廠產(chǎn)泥量為330-600t/d(含水率80%)。該項目采用BOT的建設(shè)方式，通過政府公開招標確定由大連東泰產(chǎn)業(yè)廢棄物處理有限公司中標。項目規(guī)劃占地面積4.11公頃，一期征地2.47公頃，建設(shè)規(guī)模為日處理市政污泥600噸，項目總投資約15000萬元，運行費用為130-150元/噸(含水率80%)，每日水耗為：中水約400噸、自來水70噸，每日電耗為15000-18000千瓦時。
二、設(shè)計條件下的基本參數(shù)
1、沼氣產(chǎn)量
根據(jù)陳文，本項目年產(chǎn)生664.3萬立方米沼氣，日產(chǎn)沼氣量27600立方米，沼氣自用量30%。如果將年總氣量6643000除以日產(chǎn)氣量27600，得到年設(shè)計生產(chǎn)日數(shù)僅241天，這似乎是不可能的，此值應(yīng)是可對外供氣的沼氣量，即年運行日數(shù)如果以365天計算，則產(chǎn)氣量(含自用部分)應(yīng)為365×27600=10074000立方米/年。
關(guān)于沼氣量，還有另外一種說法，中國水網(wǎng)的評選資料表格顯示，沼氣產(chǎn)量32000立方米/日，甲烷含量≥60%。根據(jù)筆者的分析，此值較難采信。本文以27600立方米/日沼氣量作為設(shè)計基準。
2、噸污泥處理投資
本項目日處理含固率20%的污泥600噸，干基污泥量120噸/日，投資14913萬元，則以含固率20%濕泥計的單位處理投資為14913/600=25萬元/日•噸。
3、厭氧消化裝置及其池容產(chǎn)氣率
本項目采用了直徑16m、高度15m、有效高度11.2m、有效容積2230立方米的消化罐12個，則總有效容積為2230*12=26760立方米。
以設(shè)計值27600立方米沼氣計算，池容產(chǎn)氣率為27600/26760=1.03m3/m3。
如果產(chǎn)氣量32000立方米沼氣屬實，則池容產(chǎn)氣率可高達1.2m3/m3。
4、關(guān)于天然氣產(chǎn)量的不同版本
關(guān)于天然氣產(chǎn)量，有三個不同的說法。一個是中國水網(wǎng)評選2010年十大推薦污泥處置項目時的對外公布數(shù)據(jù)16500立方米/日，一個是遼寧日報刊登的新聞通稿11000立方米，此外是陳文“現(xiàn)日產(chǎn)天然氣10000立方米”的說法。
陳文采用了沼氣熱值5200kcal/m3，可知此沼氣的含甲烷量約55%(根據(jù)甲烷燃燒熱890.31kJ/mol折算)，假設(shè)制取天然氣的甲烷收率為95%，16500立方米的天然氣需要16500/55%/95%=31579立方米的沼氣。顯然，即使不考慮自用沼氣，設(shè)計值27600的沼氣量也不足以有16500立方米的天然氣產(chǎn)出。
以陳文所公布的“實際數(shù)據(jù)”10000立方米天然氣產(chǎn)量而言，所需沼氣量應(yīng)在19000立方米左右(10000/55%/95%=19135立方米)。
5、由消化器的耗熱量反推天然氣的設(shè)計產(chǎn)量
本項目采用中溫消化，溫度為35±1度。消化的加熱量決定了可供制取天然氣的沼氣可用量。
本項目的入消化器固體濃度為10%，停留時間22天。根據(jù)給出的消化器尺寸，采用大連地區(qū)的氣候數(shù)據(jù)，假設(shè)罐頂、罐底、罐底的傳熱系數(shù)分別為0.7、0.7和0.52kcal/m2.h.K，可以得到本項目消化罐的加熱量冬季最大1723000kcal/h，夏季最小900000kcal/h，年平均1280000kcal/h？紤]沼氣鍋爐的熱效率90%，管路熱損失3%，則加熱所需的沼氣平均需用量約為6614m3/d，這樣額定設(shè)計產(chǎn)氣量下所能提供給天然氣制取系統(tǒng)的沼氣量為20976m3/d，產(chǎn)天然氣量大約10920立方米/日，即大約76%的沼氣用于制取天然氣，24%用于消化器加熱。
這一數(shù)據(jù)比陳文所提到的自用氣量30%略為樂觀，因此10000~11000立方米/日左右的天然氣產(chǎn)量可能是設(shè)計值。
6、污泥的有機質(zhì)含量
以設(shè)計有效池容26760立方米、日處理120干噸污泥固體、入消化罐含固率10%考慮，設(shè)計停留時間為22.3天，與陳文所報道的數(shù)據(jù)22天相符。
中溫35度消化，時間為22天，有機質(zhì)降解率可能在40-50%之間。取降解率50%，沼氣的甲烷含量55%，單位有機質(zhì)降解的甲烷產(chǎn)率為0.42m3/kg.VSSr，則120tds/d污泥固體中的可揮發(fā)性有機質(zhì)含量應(yīng)該在60.25%以上。如果是取降解率40%，可揮發(fā)性有機質(zhì)含量則應(yīng)該在75%以上。筆者以為，本項目的設(shè)計值可能就是有機質(zhì)含量60%，消化降解率50%。
7、電耗
按照公布的數(shù)據(jù)，電耗15000-18000kWh/d。以有效厭氧池容(26760立方米)的單位電耗看，此項目的每1000立方米池容電耗高達23-28kW/km3(整個項目，含輸送等)，高于一般沼氣發(fā)電項目的池容電耗10-20kW/km3(青島麥島測算值為12.4kW/km3，德國漢堡為23.4kW/km3，僅消化和發(fā)電部分為10.1kW/km3)。
8、沼液處理
根據(jù)介紹，本項目消化后沼液脫水后的廢液先經(jīng)除磷脫氮處理，再進入夏家河污水處理廠。理論上，污泥處理廠需承擔將沼液從COD15000-20000以上降到500mg/l以下的污水處理成本。本文假設(shè)污水部分的消耗均為電費，已包含在內(nèi)。
9、沼渣出路
該項目的沼渣作為填埋土或綠化用途，不計填埋成本。
10、設(shè)計值下的運行成本評估
直接運行成本可做如下評估：
電費=15000kW/d*0.65元/kW=9750元/日
人工費=30000元/人月×12人/30天=986元/日
藥劑耗(因天然氣脫硫要求較高，假設(shè)噸濕泥脫硫費用10元)=10*600=6000元/日
假設(shè)總投資1.4913億元中，設(shè)備費約1.2億，取大修維護系數(shù)2.5%，維護費=8219元/日
綜合以上諸項費用，折合到噸濕泥處理量中的直接運行成本為42元/噸。
11、設(shè)計值下的財務(wù)成本
作為BOT項目，有必要計算以下財務(wù)成本。假設(shè)項目為全額貸款，銀行年息5.94%，還款期20年，則日折舊及財務(wù)成本為28721元，折合脫水污泥48元/噸。
12、綜合收入
假設(shè)天然氣銷售價格為2.4元/立方米，則設(shè)計條件下(天然氣產(chǎn)量11000立方米/日)的天然氣銷售產(chǎn)值為11000×2.4=26400元(天然氣實際價格根據(jù)淡旺季有差別，為3.5-3.9元/立方米)。
根據(jù)中國水網(wǎng)公布的數(shù)據(jù)，大連市財政局每噸污泥(含固率20%)處理補貼為135元(2011年已上升為170元)，則設(shè)計條件下的污泥處置費為600×135=81000元/日。
這意味著噸污泥的產(chǎn)值約為179元。減去運行成本和財務(wù)成本，噸濕泥處理量的凈盈利為89.5元。
顯然，在設(shè)計條件下，大連夏家河BOT項目應(yīng)具有較好的盈利能力。
三、實際運行值
根據(jù)遼寧日報文，“夏家河污泥處理廠于2009年4月29日投料試運行，目前已累計處理污泥3.5萬噸，共生產(chǎn)沼氣175萬立方米，生產(chǎn)腐殖土1萬噸”，由采訪日期12月17日反推，日歷時間大約為232天。
根據(jù)大連日報文，“據(jù)統(tǒng)計，該廠從去年4月29日投料運行，當年12月17日就將天然氣送入煤氣新廠。截至今年4月30日，該廠共處理污泥及其他可降解有機廢物6.5萬噸，其中包括工業(yè)類似污泥8380噸、糞便130噸、餐飲垃圾90噸及海關(guān)查沒食品50噸;產(chǎn)沼氣394萬立方米、外售天然氣110萬立方米;產(chǎn)沼渣2.5萬噸，外售腐殖土1.5萬噸”。日歷時間正好足一年(367天)。
將上述兩組數(shù)據(jù)進行分析，可對實際運行數(shù)據(jù)解析如下：
1、處理量
按照遼寧日報文提供的數(shù)據(jù)，232天里處理了污泥35000t，則實際日均處理污泥量為151噸(35000t/232d=151t/d);
按照大連日報提供的數(shù)據(jù)，一年時間里處理了污泥56350噸(65000噸減去非大連財政局付費的廢棄物量)，則實際日均處理污泥量為154噸(56350t/365d=154t/d);
這就是說，在實際運行中，該項目實際處理污泥量僅為設(shè)計值600噸/日污泥的25%強。
2、池容產(chǎn)氣率
按遼寧日報數(shù)據(jù)，175萬立方米沼氣除以天數(shù)(232天)，日均產(chǎn)氣量約為7543立方米。
按大連日報數(shù)據(jù)，394萬立方米沼氣除以天數(shù)(367天)，日均產(chǎn)氣量為10736立方米。
按照有效池容考慮，實際池容產(chǎn)氣率為0.282~0.401m3/m3，遠低于設(shè)計值1.03。
以設(shè)計產(chǎn)氣量27600立方米/日考慮，沼氣產(chǎn)出率(分別為7543和10736立方米)分別為27%和39%。與實際污泥處理量為設(shè)計值25%的進行比較，沼氣產(chǎn)出率27-39%似乎高于25%，一個可能的原因是高含有機質(zhì)廢物的引入。依靠高有機質(zhì)的有機廢棄物，可使項目的產(chǎn)氣率提高。
3、自用沼氣率
按大連日報數(shù)據(jù)，394萬立方米沼氣，產(chǎn)生天然氣量110萬立方米，以沼氣的甲烷含量55%、甲烷收率95%考慮，則自用沼氣比例為46.6%。
以等比來判讀遼寧日報數(shù)據(jù)，175萬立方米沼氣，自用沼氣比例為46.6%，可產(chǎn)生天然氣量大約488000立方米(12月17日前未能進網(wǎng)出售)。
自用沼氣比例遠高于設(shè)計值30%，其中的一部分可能是調(diào)試期火炬燃燒造成的。但從消化器的熱量供應(yīng)角度看，每小時的有效給熱量大約為685900和974860kcal/h(考慮了鍋爐熱效率90%)，與設(shè)計條件下的值(均值1272000kcal/h)相比，約為54~77%。其中的原因可能是消化器未滿負荷運行(有的消化器未開)，但總體來看，沼氣自用率偏高。
4、噸廢棄物產(chǎn)氣率
由于非污泥物料的含水率情況不詳，這里無法對有機質(zhì)降解的產(chǎn)氣率進行比較。只能就濕基物料進行一粗略比較。
根據(jù)設(shè)計值，噸含固率20%濕泥的產(chǎn)氣量應(yīng)為27600/600=46立方米/噸。
根據(jù)遼寧日報的數(shù)據(jù)，噸污泥產(chǎn)氣率為1750000/35000=50立方米/噸。
根據(jù)大連日報的數(shù)據(jù)，如果將非市政污泥考慮進來，噸濕基廢棄物的產(chǎn)氣率為3940000/65000=60.6立方米/噸。
這些數(shù)字說明，在污泥處理量遠低于設(shè)計值的情況下，產(chǎn)氣量高于同比預(yù)期，應(yīng)該有兩個可能性：1)被消化物質(zhì)的有機質(zhì)提高了，因此沼氣收率增加;2)由于處理量遠低于設(shè)計值，而自用氣量比例大幅度提高，說明在消化器中的實際固體停留時間可能延長了。
5、運行成本和投資成本
根據(jù)大連日報數(shù)據(jù)，外售沼氣110萬立方米，意味著日均產(chǎn)生天然氣2997立方米，相當于設(shè)計值11000立方米的27%。
廢棄物總處理量65000噸，則日均處理量177噸，僅為設(shè)計值600噸的29.5%。
從收入角度看，噸廢棄物處理的產(chǎn)值下降為
(2997*2.4+177*135)/177=176元/噸
在日運行成本方面，除藥劑消耗可按比例下降外，其余變化不會很大，假設(shè)維護費維持8219元/日，藥劑和消耗品177噸×10元/噸=1770元/日，電費9750×80%=7800元/日，人員986元/日，則噸處理量的直接運行成本上升為106元。
投資成本方面，將原設(shè)計工況下的日折舊及財務(wù)成本28721元分攤到177噸日處理量上，將面臨每噸162元的高額折舊。
這就是說，如果大連日報所報道的數(shù)據(jù)屬實，則大連夏家河項目第一年的運行效益很可能是負的。
四、結(jié)語
通過以上分析發(fā)現(xiàn)，受到媒體和專家一致追捧的大連夏家河污泥處理項目，其實存在很多“硬傷”。
1、所謂的先進性問題
夏家河項目以日處理污泥600噸立項，運行的第一年，實際平均處理污泥量僅150-170噸/日，為設(shè)計值的不足30%;就沼氣產(chǎn)出量而言，只實現(xiàn)了設(shè)計值的不到40%;以池容產(chǎn)氣率論，不足德國漢堡的一半(0.4對0.9，比青島麥島的0.59還低1/3)(池容產(chǎn)氣率數(shù)據(jù)沒有考慮只開部分厭氧罐的情況，此時比較這個數(shù)據(jù)可能沒有意義);此外，無論自用氣比例(實際是消化罐熱耗)，還是電耗，均不如上述兩個參考項目。以其高固體濃度(10%)的消化設(shè)計而言，不應(yīng)如此。
該項目被評為當年污泥處理十大推薦項目之首，相關(guān)廠家不斷以“第一名”的頭銜自我宣傳，實在令人感到有些肉麻;所有媒體報道中均冠以“最先進厭氧消化技術(shù)”的所謂“最先進性”，實在不知是從何談起;設(shè)計方在論文中蓋棺論定般的結(jié)論，“從試運行至今污泥處理廠運行穩(wěn)定，各項指標均優(yōu)于設(shè)計”，則更是不知是真是假了……
2、厭氧是處置還是處理的問題
夏家河的厭氧消化加制取天然氣和青島麥島的厭氧消化消化其實是類似的，消化脫水后污泥(沼渣)仍未安全處置。至少，消化后污泥(沼渣)的填埋處置成本是未考慮在內(nèi)的。
對消化后污泥/沼渣的定義，是厭氧路線支持者僥幸心態(tài)的一種折射。定義為沼渣，似可直接還田，由此可避免后續(xù)的處置費用，從而使厭氧消化成為一種廉價的解決方案。但如果定義為污泥，則消化只不過是昂貴處置過程的第一段而已。以國內(nèi)重金屬、持久性有機污染物的污染程度而言，筆者以為恐怕只有后者才是目前唯一合理的定義。
厭氧消化還有一項重要的處置成本：高濃度廢液，它一直是所有消化、熱水解工藝的重要“后遺癥”，其處理難度和費用均不可小視。夏家河項目作為BOT項目，能將簡單處理后的污水打入附近的夏家河污水處理廠代為處理，從而節(jié)約大量成本，不能不說是此項目獲得經(jīng)濟性的一個重要因素，但作為污泥處理項目，厭氧廢水的處理成本應(yīng)考慮在內(nèi)。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
