干化焚燒而非厭氧消化乃污泥處置的終極方向

　　談到污泥處理處置，必不可少涉及到污水處理，剩余污泥是污水處理的一種附產(chǎn)物。郝曉地教授曾經(jīng)用“一個中心兩個基本點”對污水處理未來發(fā)展或技術(shù)方向進(jìn)行概括：“一個中心”就是可持續(xù)，這是一個永恒的話題；兩個“基本點”就是磷回收與碳中和（或者叫碳平衡）。

　　報告人：北京建筑大學(xué)  北京未來城市高精尖創(chuàng)新中心   中—荷未來污水處理技術(shù)研發(fā)中心  郝曉地 教授

　　郝曉地：各位來賓下午好！剛剛主持人也介紹了我發(fā)言的題目。這兩天我注意到大家大部分談?wù)摰氖羌夹g(shù)，今天我講理念和思路。因為在我看來理念比技術(shù)重要，思路比方案高超。我是這樣認(rèn)為的。今天我發(fā)言的大概的內(nèi)容主要就是這么多。

　　談到污泥處理處置，必不可少的涉及到污水處理的問題。大家知道，剩余污泥是污水處理的一種附產(chǎn)物。有關(guān)污水處理未來發(fā)展或技術(shù)方向，我已經(jīng)多次文章還有各種不同會議闡明。我曾經(jīng)總結(jié)過，用“一個中心兩個基本點”把未來污水處理技術(shù)進(jìn)行了概括?！耙粋€中心”就是可持續(xù)，這是一個永恒的話題。兩個“基本點”就是磷回收與碳中和（或者叫碳平衡）。

　　今天我的發(fā)言既與碳中和有關(guān)也跟磷回收有關(guān)。那么，關(guān)于碳中和談得是污水處理的耗能過程，有機物及氮磷去除要消耗能量，碳中和即需要從污水處理廠或污水里找到能量去彌補能耗。對此，大家更多會想到剩余污泥里有大量含能有機物，這也是我們搞污水處理人所關(guān)注的，所以，污泥厭氧消化從傳統(tǒng)到現(xiàn)在，以至于有更多的人前赴后繼對厭氧消化進(jìn)行優(yōu)化提高其能量轉(zhuǎn)化效率，包括前處理，比如說，高碑店現(xiàn)在的熱水解，就是希望最大化把污泥中的有機能源轉(zhuǎn)化出來。但是，我們搞污水處理的人忽視了一個問題，就是說除了有機物形成的化學(xué)能以外，還有大量污水中的余溫?zé)崮?。請大家看這個圖，有機物中的化學(xué)能與污水中余溫?zé)崮芟啾?，很少、很少。理論上一個75%，一個25%。也就是說污泥中有機物的化學(xué)能只占整個污水中潛能的25%，75%是熱能。我們給大家先看這樣一個概念，也就是說我們所關(guān)注的厭氧消化轉(zhuǎn)化的能源占整個污水中的潛能，理論值是25%。那么這25%的有機能源又能轉(zhuǎn)化多少呢？顯然這是個理論值，不可能100%轉(zhuǎn)化。

　　我們來看這個三環(huán)、四環(huán)污水潛能計算圖。剛剛提到的25%有機物化學(xué)能，經(jīng)過最優(yōu)化的厭氧消化以及熱電聯(lián)產(chǎn)后，電、熱一起用（最優(yōu)化的），即，現(xiàn)在技術(shù)手段、設(shè)備所能達(dá)到的，只能轉(zhuǎn)化不到15%。我們測算了一個廠，只有13%。這個是化學(xué)能，我們根據(jù)是污水處理廠COD=400mg/L。因為COD就是能源，大家看這個大黃圈就表示理論化學(xué)能，我們給它折算成電能，理論化學(xué)能COD是400的話，每立方米污水中含有1.54度電，當(dāng)然這是理論值。經(jīng)過厭氧消化、熱電聯(lián)產(chǎn)后實際能夠真正轉(zhuǎn)化的能量只有13%，折合0.2度電。而我們測算的實際污水處理廠的能耗是0.37度。也就是說，你要想達(dá)到碳中和還有47%的缺口，也就是說化學(xué)能不夠用！不夠用，于是我們就想，不夠的能源，即，這個赤字的能源從哪來呢？我們就想到水源熱泵。這是一個水源熱泵經(jīng)過測算的數(shù)據(jù)結(jié)果，如果說水源熱泵按4度溫差提取熱量的話，在冬季供熱的時候，理論能量大概是4.64度電，這是理論的，也就是污水余溫含的熱量。但是，實際水源熱泵也不可能100%把理論值全部轉(zhuǎn)化，經(jīng)過實際計算，包括最優(yōu)化的水源熱泵，我們發(fā)現(xiàn)只有38%可以轉(zhuǎn)化為可用的熱能。也就是說，這38%意味著每立方米污水中大概有1.77度電（當(dāng)量）可以轉(zhuǎn)化。制冷時它的能量效率會低一些，大概1.18度電，但也比較高。因此說，剛才講了化學(xué)能能夠滿足53%的能耗，其余47%我們只用非常少的水量熱量交換，比如說供熱的時候9.8%，不到10%，制冷的時候14.7%，還不到15%，就可以滿足碳中和47%能量赤字。

　　從這個圖上的結(jié)果來看，我們從污水中回收能量更應(yīng)關(guān)注熱能，而不是傳統(tǒng)上認(rèn)知的有機物化學(xué)能，也就是所謂的厭氧消化。因此，從能量角度上說，我們認(rèn)為污泥處置路線應(yīng)該策略性的改變，這就是我今天要給大家講的理念。接下來我們再詳細(xì)結(jié)合工藝進(jìn)行能量衡算、投資成本、運行費用分析。

　　污泥終極處理是這樣一條路線。在此之前我先說一下，很多人這次會議還有以前的會議問過我，郝老師，你覺得污泥處理有什么好辦法嗎？你經(jīng)常寫文章，對國際上的事情了解的多一些。我說用兩個字或者是兩個極端可以概括：“扔”、“燒”。扔最簡單、最便宜的辦法，但是會被抓的，所以，“扔”這個極端顯然走不通。那么，再看另外一個極端。如果不能扔了，無論是填埋、回田，這條路就死了，歐洲情況就是這樣。如果這條路是死的，下一個極端就是燒了。處于中間階段的好氧堆肥和厭氧消化都可能是權(quán)宜之計。我首先把結(jié)論說出來。一個是“扔”，顯然“扔”肯定是不行的。有人說搞堆肥，首先環(huán)保部、農(nóng)業(yè)部、衛(wèi)生部不讓堆肥進(jìn)田，就是說污泥堆肥回田有病原菌，有這個重金屬那個重金屬。我說，就是這些部門不設(shè)置限制，農(nóng)民也不會要你的污泥。為什么？大家想一想，農(nóng)民現(xiàn)在連自己的糞尿都不用了，要你的污泥！農(nóng)民要的是肥效，要能長莊稼、打糧食的化肥，污泥肥效遠(yuǎn)不如糞尿，搞園林還湊合（但也不能長用?。?，肥效是緩釋的。所以，我說污泥返田是條死路。很多人污泥可以說搞綠化，我說可以，對人體沒傷害。但不要忘了污泥里還有大量的無機物，一年兩年還行，三年五年行，十年二十年，最后肥堆的比樹都高了，草沒了、樹也被埋沒了，所以，這也是一個死路。我說新疆可能可以亂扔，但昨天有人說了，我們在新疆做項目亂扔也會被抓的。新疆也不讓扔，所以，污泥亂扔注定是一條死路。

　　因此，最后只有去“燒”！但是，“燒”必須要經(jīng)過機械脫水，含水率99%的污泥首先降至80%；然后，再熱干化到40%以下。到40%就可以自持燃燒了。燒，但污泥焚燒千萬不能放在水泥窯中同水泥一塊燒。這樣不對。會把磷就全部固定在水泥里，磷再也不能回用了！所以，要單獨燒。最多可以跟有機垃圾一塊燒。燒完以后，大量的磷都在灰分里面，需要提取。當(dāng)然了，大家知道，脫水、熱干化、單獨焚燒都是要輸入能量的，當(dāng)焚燒之后也會產(chǎn)生能量?，F(xiàn)在我們有一個問題，就是輸入能量和產(chǎn)生的能量能否達(dá)到平衡？我們需要計算一下，如果能打個平手那就是很了不起的事了。

　　接下來我們看一下計算結(jié)果。大家知道，機械脫水有各種各樣的方法，99%~80%，這里列了很多技術(shù)與設(shè)備，我也不一一匯報了。常見的是帶式壓濾機，能達(dá)到80%含水率的要求，所以，我們就以帶式壓濾機為例進(jìn)行計算，大概耗能折合成干固體每噸是60千瓦小時，即，60度電。熱干化，也就是從80%~40%，我知道搞干化設(shè)備的人有很多，到40%以后基本上就可以自持燃燒了。干化的時候輸入熱能進(jìn)行蒸發(fā)，所需熱量一個是用于污泥中水分升溫繼而蒸發(fā)的熱量，還有就是污泥升溫的熱量。

　　干化又分兩種，一個是高溫干化，一個是低溫干化。高溫干化可以用高溫?zé)煔?、過熱蒸汽，甚至燃油等。這是高溫干化熱量的一個計算公式。還有低溫干化，在20~80oC范圍均可實現(xiàn)。當(dāng)然，曬太陽也是干化，這是自然干化。溫度越高，干化反應(yīng)時間就越短。昨天我跟搞干化設(shè)備的人談過，他們說我們需要最低的水溫是85oC才能形成熱蒸汽。關(guān)于低溫干化，剛才也講到了污水余溫，水源熱泵。水源熱泵輸出的水溫是40~80oC，剛好跟低溫干化所需溫度非常接近，所以，可以就近利用水源熱泵。

　　單獨焚燒，含水率40%~0%。不可與水泥窯混燒，但可與有機垃圾混燒。焚燒有熱量損失，焚燒爐輸出的熱量，比如說爐內(nèi)壁掛損失、焚燒爐散熱損失等等，所有損失加在一起，以鼓泡流化床為例，大概就是7%，即占焚燒產(chǎn)生熱量的7%，這都是有文獻(xiàn)可查的。污泥焚燒也產(chǎn)生熱量，這個熱量主要跟有機質(zhì)有關(guān)，這個是計算公式。我們國家有機質(zhì)含量比較低，在30%~60%的范圍，我們計算時取污泥有機質(zhì)含量中間值53%，北京大概是60%。計算污泥燃燒熱為1.2GJ/kgDS。這是不同國家污泥燃燒值，中國大概在個范圍，平均是11850kJ/kgDS。我們的計算跟這個1.185GJ/kgDS基本接近，這都是從文獻(xiàn)來的數(shù)據(jù)。這樣經(jīng)過計算以后，污泥脫水+干化+焚燒，脫水要輸入能量，干化要輸入能量，焚燒產(chǎn)生能量；最后的結(jié)果會發(fā)現(xiàn)總耗能是3091度電每噸干固體?？偖a(chǎn)能11.1GJ，利用熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)換為電當(dāng)量為2467度電。也就是說整個工藝的能量輸入為624度電。下面是詳細(xì)的計算表，不講了。

　　我們再看一下工藝成本，包括投資成本、運行費用。我們以活性污泥法為例，以處理量為50萬噸/日的廠舉例進(jìn)行匡算。機械脫水污泥產(chǎn)量為400噸/日（80%含水率），干污泥為80噸/日。投資成本有基建成本、設(shè)備成本，運行費用里面有電、水、藥劑、工資福利、折舊大修等等。最后計算結(jié)果是，投資成本大概是每噸干污泥是374萬元，運行成本每噸干污泥是2663元。

　　工藝比較。我們知道，用重力濃縮可以把污泥含水率降地兩、三個百分點。有什么好處呢，能降體積！比如說，從含水率99%降到97%，體積便可減少2/3！這樣的話對機械脫水、污泥干化、單獨焚燒設(shè)備體積可大為減少，后面的投資、運行費也都少了。實際上，重力濃縮能耗相對以上能耗來說是非常少的，可以忽略不計，能耗節(jié)省沒有太大的意思。雖然體積的減少導(dǎo)致后面設(shè)備基建、運行費用的節(jié)省，但前面重力濃縮池仍需要投資、維護(hù)。這樣的話，我們綜合計算結(jié)果是，這樣一條工藝投資成本是456萬元，運行成本是2755元?？膳c上面進(jìn)行一個比較。

　　第二個比較就是跟傳統(tǒng)厭氧消化進(jìn)行比較。傳統(tǒng)厭氧消化前面有重力濃縮，含水率99%~97%，然后厭氧消化，含水率再略微增加一點點。因為厭氧消化之后至少還有60%左右的有機物殘留，你還得脫水、干化。干化后污泥焚燒是跑不掉的。大家看一下，我們厭氧消化以后含水率按97.5%計，剩余污泥有機物含量是53%，熟污泥VSS/TSS是37%。

　　各個單元能量消耗，以及厭氧消化產(chǎn)生能量，污泥焚燒產(chǎn)生能量計算，凈結(jié)果是，這條工藝總能耗是3730度電，總產(chǎn)能是12.95GJ，利用熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)換為電當(dāng)量為2878度電，能量赤字852度電；我們凈輸入的能量每噸干污泥為852度電。跟剛才推薦的工藝624度電能輸入大很多。下面是個詳細(xì)的計算表。

　　最后，把我們推薦工藝與重力濃縮后再機械脫水、干化焚燒工藝，以及傳統(tǒng)厭氧消化后干化焚燒工藝進(jìn)行一下比較。直接干化焚燒能量消耗是最小的。從投資和運行成本來看，無論是投資成本、運行費用，在這三個比較中都是最低的。

　　最后得到這樣一個結(jié)論，我們所推薦的工藝，機械脫水、熱媒干化、單獨焚燒，它在輸入能量節(jié)省、投資成本、運行費用方面都是最低的，特別是能量赤字可以減少27%，基建投資減少41%。這是大家最關(guān)心的，直接燒是不是成本高、能耗高？大家看看能耗還低了228度電。關(guān)鍵是能量輸入減少了27%，基建投資減少了41%。這個是非?？捎^的。如果采用水源熱泵提供熱量，那么這個節(jié)省將更大，這個效益將是更加明顯。現(xiàn)在主要是靠燒煤、燒油提供化石能量。前天早上我看到一個消息，美國紐約一個著名律師、生態(tài)活動家在紐約一公園焚燒自殺了，什么原因？他就是以他的死來抗議人類過多依賴使用化石燃料對生態(tài)造成嚴(yán)重破壞，以他的死來警告人類。所以我們在座的也應(yīng)該明白為什么。

　　最后的結(jié)論，機械脫水、熱媒干化、單獨焚燒必將是污泥處置的終極方向。謝謝大家！

　　主持人：謝謝郝老師！不愧為北京未來城市創(chuàng)新研究中心的教授，他提出污泥焚燒新的技術(shù)觀點，認(rèn)為是直接脫水+熱媒干化+單獨焚燒。做了一些詳細(xì)的能耗分析。本來是半小時，講了25分鐘，咱們提兩個問題。

　　本來是半小時，講了25分鐘，咱們提兩個問題。

　　提問

　　污泥焚燒之后的灰分，是當(dāng)危險品處置還是什么？

　　郝曉地

　　灰分應(yīng)該不是危險品，它是一種資源。剛剛提到了把磷從灰分里面提取以后，甚至還有其他有用的元素，然后做建材，它當(dāng)然不是危險品。哪來的危險品？無非就是擔(dān)心燒完以后重金屬，我們可以同樣去提取重金屬，而不應(yīng)當(dāng)危險品處置。

　　提問

　　我們參觀過污泥單獨焚燒項目，都把它作為危險物定義了。

　　郝曉地

　　那是定義人的眼光有限、知識有限。

　　提問

　　為您鼓掌。

　　主持人：下一個問題。

　　提問

　　您說污泥單獨焚燒產(chǎn)生的熱能跟干化自身濕污泥的這個熱能匹配，是基本匹配還是什么？

　　郝曉地

　　我們倡導(dǎo)、推薦的污泥處置路線是機械脫水+熱媒干化+單獨焚燒。這個總的輸入能量和產(chǎn)出能量有略微的差異，差在哪呢？你要輸入624度電。也就是說有624度電的赤字，而厭氧消化+干化焚燒是852度電。大家沒想到吧！都說厭氧消化以后應(yīng)該產(chǎn)能啊，它怎么耗能更大呢？因為厭氧消化產(chǎn)能，它本身也需要耗能，再者，污泥消化產(chǎn)能后，焚燒熱能便低了。我說的厭氧消化還沒有算熱水解能耗和投資，如果加上熱水解則會更大。大家沒有想到吧，在我講之前很多人都認(rèn)為這個厭氧消化應(yīng)該是凈能耗較少。實際上不是的，它是個耗能過程。

　　提問

　　焚燒產(chǎn)生的熱跟機械壓濾加干化這兩者之間差624度電。

　　郝曉地

　　脫水+干化+焚燒。三個單元加一起。

　　提問

　　如果脫水去掉呢。

　　郝曉地

　　你的意思是說從99%直接干化到40%？

　　提問

　　一般給你的污泥是80%的含水率。

　　郝曉地

　　那是機械脫水之后。

　　提問

　　對。我就是說機械之后的，80%到40%所需要的熱能跟40%含水率污泥燒了產(chǎn)生的熱能。

　　郝曉地

　　剛剛我的片子里全有，我現(xiàn)在記不清了。回頭我們下面可以繼續(xù)交流。

　　主持人：好！由于時間關(guān)系，有問題下面再跟郝老師交流。謝謝郝老師！

編輯：徐冰冰