Transcript 污泥与秸秆混合厌氧消化研究 - 天津水与燃气信息技术开发有限公司首页

2013年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会
雾霾危机与污泥沼气化技术的发展机遇
季 民， 王芬， 赵晴
天津大学环境科学与工程学院
Email: [email protected]
2013.05.11
目 录
?
雾霾与污泥处理？
是风马牛不相及？还是紧密相关？
严重的雾霾危机会给污泥处理技术
发展带来什么样的影响？
会创造什么样的机遇？
会促使污泥处理技术向何方向发展？
区域大气环境污染与灰霾防控学术研讨会
---天津大学环境科学与工程学院 2013.3
中国是全球PM2.5浓度最高的区域
2013年1月，罕见的连续高强度大气灰霾污染席卷了中国
中东部、东北及西南共计10个省市区，受害人口高达8亿
以上，其中污染最严重的为京津冀区域。----郝吉明
霾危机
• 1月13日10时，北京甚至发布了北京气象史上首个霾橙色
预警，空气污染形势十分严峻。
• 1月份，天津一共遭遇25天雾霾日，气象台1月中下旬发布
4次大雾橙色预警，3次霾黄色预警。
6小时内可能出现能见度小于2000米的霾， 霾橙色预警信号 图
标或者已经出现能见度小于2000 米的霾且可能持续。
2013年1月京津冀的5次强霾污染
第一次
发生时间
PM2.5最高浓度
（µg/m3）
PM2.5浓度大于
300µg/m3时间
1月6日-8日
第二次
第三次
1月9日-15日 1月17日-19日
第四次
第五次
1月22日-23日
1月25日-31日
320
680
320
400
530
1
＞46
1
＞21
＞50
（国家空气质量二级标准：75
石家庄成为最严重污染城市
µg/m3）
霾的危害
• 公众健康，PM2.5对人体有害，严重者会导致死亡。1月份，北
京、济南、石家庄、南宁等城市各大医院里，呼吸内科、过敏
源测试科等接诊人数在短短几天时间里飙升了7至8倍。
• 能见度降低，影响交通出行。
PM霾的成因--2.5来源复杂, 受多种污染物影响
灰尘颗粒、空气中的灰尘、硫酸、硝酸、
有机碳氢化合物等
大气化学反应
NO
污
染
源
排
放
hv
RO 2, HO 2
VOCs
NO2
O3
OH
SO 2
H2SO4
N 2O5
HNO 3
一次颗粒物
(如BC）
H 2O 2
NH 3
2
SO4 +
NO 3NH 4
二次无机颗粒
物
SNA
…
二次有机颗粒
物
SOA
雾霾成因与来源
2
1
二氧化硫、氮氧化物
和可吸入颗粒物这三项是雾
霾主要组成，前两者为气态
污染物，后者颗粒物才是加
重雾霾天气污染的罪魁祸首。
它们与雾气结合在一起，让
天空瞬间变得灰蒙蒙的。
城市有毒颗粒物主要来源是
汽车尾气，使用柴油的大型
车和使用汽油的小型车均会
产生大量颗粒污染物，加重
雾霾。
建筑工地、散堆煤场、土场
和道路交通产生的扬尘。
火力发电、燃煤锅炉、工业
生产排放的废气。大量汽修
喷漆、建材生产窑炉燃烧排
放的废气。
4
3
雾霾危机与污泥处理技术的发展趋势
霾的污染源解析
北京PM2.5排放源解析结果
* 依据北京&上海环保局发布数据整理
上海PM2.5排放源解析结果
汽车尾气和燃煤是城市雾
霾形成的主要原因
大气污染防治法难以有效解决现存问题
我国城市的大气污染主要来源
1987
1995
大气法颁布
APCL
第一次修订
2000
2012
第二次修订
???
2000
2012
污染物
SO2, PM10
PM10, PM2.5, O3 (及所有前体物)
地区
城市
区域
主要来源
煤
煤，移动源等
降低GDP增长速度，
限制汽车，
绿化，
控尘，
调整工业结构，
加强气体污染物
净化
减轻和消除雾霾
污染的必由之路
调整产业和能源结构
减少传统能源的消耗量（煤、
石油）
大力发展绿色能源（生物能
（沼气）、太阳能、风能等）
由污泥及其他生物质厌氧发酵产生的沼气
是补充或替代化石燃料的主要绿色能源
污泥
发电
其它
生物质
厌氧发酵
生物沼气
车用燃料
生物沼气替代燃煤和石油的减排效果分析
天然气用于驱动汽车的减排效果
清华大学环境科学与工程系研究数据显示：
国四排放标准的柴油公交车每公里会排放 0.075 克PM2.5
天然气公交车同等路程仅排放 0.005 克 PM2.5 ，减排比例
可达到 93% 。
按每辆车每年行驶 12 万公里计算，柴油公交车每年排放的
PM2.5 达 180 吨，而天然气公交车仅排放12吨。
天然气汽车排放的尾气中不含硫化物和铅，
★一氧化碳排放量比燃油汽车减少90%以上，
★碳氢化合物排放减少70%以上，
★氮氧化合物排放减少35%以上，
★可吸入颗粒物PM2.5的排放量更是比汽油车削减98%以上
汽车使用沼气燃料优势：
• 减排效果显著：使用沼气燃料可显著降低
汽车尾气中铅化物、SO2, CO等有害气体成
分，与使用汽油相比，可减少温室气体排
放93%，比使用天然气减少25%；
• 沼气燃料生产原料廉价，经济性好。使用
沼气燃料比使用汽油要节省费用20-60%，
比使用柴油节省费用20-40%。
发展污泥厌氧发酵制生物沼气是国家需求
• 中国政府最高领导层已经意识到雾
霾污染的严重性和治理雾霾污染的
决心；
• 污泥及其他生物质厌氧发酵产生沼
气是一种能够减少pm2.5的有效技
术
• 雾霾危机为污泥产沼气技术带来极
大的发展机遇。污泥产沼气技术在
未来5-10年必将得到大力发展。
李克强指出，要进
一步加强空气污染
防治，抓紧做好增
加PM2.5监测指标的
准备，…逐步与国际
标准接轨。
生物沼气技术在国外的发展
• 德国、瑞典、美国等发达国家都有鼓励发
展沼气生物能的鼓励政策
• 瑞典2005就制定法规，禁止有机废物直接
填埋。有机废物：
---2/3 的污水厂污泥厌氧消化产沼
气；
---1/3 的污泥采用其他稳定方法：
石灰稳定法， 堆肥，干化床，好氧消化等
Biogas in Sweden 2011
Biogas use
1.5 TWh/year
50% Vehicle fuel
38% Heat
3% Electricity
8 % flare
Urban and agricultural
waste
6,5 million ton wet weight/year
Sludge (86,1%)
Food waste (3%)
Slaughter house waste (1,8%)
Food industry (1,8%)
Manure (4,0%)
Energy crops (0.4%)
Others (2,5%)
Biogas upgrading plants
48 plants
34 water scrubber
7 pressure swing absorption
(PSA)
7 Chemical absorption
Biogas plants
233 plants
135 sludge biogas plant
(volume 65%, gas 43%)
Digestion residue
55 landfill
924 000 ton/year used as
fertilizer, 60% of total
19 co-digestion
19 farm
5 industry
Quality secured by
certification systems
SPCR120 and REVAQ
521 692 m3 total digester
volume
沼气在瑞典的应用
• 2004 年，沼气驱动公交车在瑞典首都斯德哥尔摩街道上开始运
行，该城市计划到 2025 年将所有公交车都用可再生能源驱动。
• 2005 年，世界上首列沼气火车在瑞典投入运营。
• 2006 年，瑞典政府宣布将在 15 年内摆脱对石油的依赖，成为
世界上 第一个不依赖石油的国家，即成为世界上第一个以替代
能源为主的“无油经济体”。
目前欧美已有规模化车用沼气
生产厂32座，沼气已经成功地用作
汽车、火车燃料，技术已经成熟，
也形成了良好的运行模式，并建立
了沼气作汽车燃料的标准。
雾霾危机与污泥处理技术的发展趋势
发展沼气（生物天然气）公交车、出
租车是减少城市大气污染的途径之一
世界上首列沼气火车在瑞典投入
运营
•这列 火车只有一个车厢，可乘坐60名乘客，时速达到130km，安
装有11个储气罐，一次充气行驶距离为600km。
雾霾危机与污泥处理技术的发展趋势
德国的经验
在德国，沼气也用作汽车燃料。
Wusthof Biogas GmbH在德国北部
Jameln建立的第一个公共沼气加气站
已于2006年6月开张营业。
我国“缺电、缺油、少气”，沼
气作为廉价的环保型燃料，是解决这
两大问题的最好办法。因此，沼气替
代柴油、汽油和天然气是我国未来公
交燃料发展的必然选择之一。
雾霾危机与污泥处理技术的发展趋势
车用生物沼气在我国已开始应用
2012年12月10日，海口车用沼气
示范项目建设单位与瑞典Malmberg环
保公司就进口车用沼气提纯净化设备
在海口签署了采购合同。本次进口的
沼气提纯净化设备将被运用于海口车
用沼气示范项目的首个沼气工厂——
澄迈沼气工厂，同时，这也是国内首
个引进世界先进成套沼气提纯净化装
置生产车用沼气的项目。
瑞典首都斯德哥尔摩街上的小汽车
雾霾危机与污泥处理技术的发展趋势
污泥厌氧消化技术的新涵义
• 随着空气污染越来越严重，人们对清洁空
气的需求越来越迫切，传统上以污泥处理
为主要目的的环保型厌氧消化技术，将向
以产沼气为主要目的的产业化技术发展
• 污泥厌氧消化是否可以盈利？什么条件下
可以盈利？
厌氧消化的技术经济性分析
• 厌氧消化1m3污泥（含水率80%计），运行费用约100元。
• 约可产沼气（含甲烷60%计）50m3, 如果沼气价格2元/m3,
（一般民用2-4元）则该污泥处理厂投入与支出相抵。如果
沼气大于此价格，则有净收入。
• 如果将沼气（含甲烷60%）净化为生物天然气（含甲烷
97%），则可得到生物天然气： 30m3
• 如果生物天然气售价 5元/m3以上，则可有净收入（扣除厌
氧消化和沼气净化费用）（现在一般4-5元）
• （天然气供需矛盾加剧，中石油迫切希望天然气价格上涨！
涨价虽然招到民众的反对，但资源涨价是必然趋势。发展生
物沼气可以抑制天然气价格过快上涨）
厌氧消化技术推广应用
的管理与技术瓶颈
• 政府应给予污泥和有机废物生物沼气项目
更大的支持力度和政策优惠（补贴）
• 应制定污泥和有机废物优先利用生物能法
规（限制不利用生物能的技术）
厌氧消化技术推广应用
的技术瓶颈
• 厌氧消化池的运行稳定性？
----发展厌氧消化优化运行控制反馈技术
厌氧消化优化运行控制
厌氧消化工艺智能控制
运行监测反馈控制
消化池优化运行
IWA 的厌氧消化模型
厌氧消化技术推广应用
的技术瓶颈
• 厌氧消化产沼气的高效性？
改善泥质：
----发展低能耗污泥预处理技术--改善污泥物理和化学性能，提高污泥消化
速率和产气量；
----污泥与其他有机质混合发酵技
术—改善污泥化学性质（C/N,有机份含
量），提高产气量、产气稳定性
厌氧消化技术推广应用
的技术瓶颈
• 提高厌氧消化管理人员的技术水平
---关于污泥厌氧消化的专门书籍还很少
---厌氧消化涉及技术和安全问题，应对运行
操作人员进行较严格的技术培训
---应制定厌氧消化设计和运行管理技术规范
目 录
天津大学关于污泥厌氧消化的技术成果
及正在进行的研究工作
一
超声破解预处理强化厌氧消化
二
污泥与秸秆混合厌氧消化
三
污泥与餐厨垃圾混合厌氧消化
四
沼气净化技术
五
消化污泥余热回收技术与装置
超声破解预处理强化厌氧消化
城市污泥
污泥破解
预处理
效果研究
超声预处理
超声破解促进
污泥厌氧水解
000
酸化速率研究
超声破解对中
温厌氧消化促
000
进作用研究
中温厌氧消化
超声破解对
高温厌氧消化
促进作用研究
33
超声破解对中温厌氧消化的促进作用
控制组
破解5min
破解10min
破解15min
控制组
300
生物气产量(mL/d)
生物气产量(mL/d)
350
250
200
150
100
50
0
0
5
10
运行时间(d)
15
10％投配率下，厌氧消化产气量的逐日变化图
20
破解5min
破解10min
破解15min
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0
2
4
6
运行时间(d)
8
10
12.5％投配率下，厌氧消化产气量的逐日变化图
34
超声破解对高温厌氧消化的促进作用
控制组
破解污泥占30%
500
400
投配率5%
300
200
100
115
114
113
112
111
110
109
108
107
106
105
104
103
102
0
101
生物气产量（mL/d）
破解90min
运行时间（d）
生物气产量(mL/d)
破解90min
控制组
破解60min
1100
1000
投配率12.5%
900
800
700
147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 159 160
运行时间(d)
35
污泥与秸秆混合厌氧消化
城市污泥
秸秆不完
全燃烧产
生大量的
颗粒物、
二氧化硫、
一氧化碳
等污染物
农作物秸秆
玉米秸秆预处
理效果研究；
中温厌氧消化
污泥与秸秆
000
混合厌氧消化研究
36
秸秆和污泥混合厌氧发酵静态试验
累积产气量（ml）
7000
1#
3#
水预处理
6000
2#
4#
纯泥
5000
4000
3000
2000
1000
0
1 3
5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35
产气时间（d）
37
秸秆与污泥混合厌氧消化动态试验
• 厌氧消化反应器4%投配率不同混合比例下日产气量的变化
500
1#
450
2#
3#
4#
水处理
纯泥
400
日产气量/mL
350
300
250
200
150
100
50
28
9.
26
9.
24
9.
22
20
9.
日期
9.
18
9.
16
9.
14
9.
12
9.
10
9.
8
9.
6
9.
4
9.
9.
2
0
1#、2#、3#、4#剩余污泥和玉米秸秆的VS质量混合比例分别为：1.6：1、1.2：1、0.8：1和0.4：138
秸秆与污泥混合两相双温发酵
产氢产甲烷的研究
产氢相温度55℃，产甲烷相温度37℃，
进行两相厌氧发酵
的各试验组，甲烷
产率均远高于单相
产甲烷的对照组。
证明生物质经两相
发酵，不仅可以收
集氢气，对后续产
甲烷也有促进作用。
污泥与餐厨垃圾混合厌氧消化研究
城市污泥
餐厨垃圾
中温厌氧消化
300.0
25g/L
餐厨垃圾与污泥混合发酵产氢产
甲烷研究；
15g/L
10g/L
200.0
氢气(ml)
餐厨垃圾与污泥混
000
合发酵产甲烷研究
20g/L
250.0
5g/L
30g/L
150.0
100.0
50.0
0.0
0
10
20
30
时间(h)
40
50
40
沼气净化技术
天津大学环境学院开发设计的高压水吸收沼气净化技术可同时脱除二
氧化碳和硫化氢，工艺简单、投资成本低，解吸方式简单，耗能少；
沼气经净化，甲烷含量可达97%以上，热值大于31.4MJ/m3，达到一级天
然气的标准。
41
开发消化污泥余热回收技术与装置
中温厌氧消化
消化污泥余热回收
将低温热泵技术应用到污泥处理系统中实现
低温余热的回收利用；
开发出自除污型热管换热器
加热200m3污泥的加热能耗由原来的
8000kW下降到1600kW左右，节能效果达
到80%；折合年天然气节省量为25.1万立方
/年，CO2减排量为617吨/年，节能减排的
双重效果都是十分明显的。
开发污泥热源
热泵技术及其
配套设备
42
结束语
污泥预处理
强化厌氧
消化
缓解
雾霾
危机
污泥与餐厨
垃圾。农业
生物质等混
合发酵
降低
PM2.5
排放量
提高厌氧消化
效率，提高
产气量
利用清洁能源
沼气发电，替
代车用天然气
结束语
污泥厌氧消化技术将从
污泥处理为主要目的向
产生物能为目标转变
45