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污泥围城困局如何破解?且看威立雅的治泥之道

时间:2019-08-20  点击:178 次 字号+  字号-
长久以来,“重水轻泥”一直是我国水处理行业十分普遍的现象。目前,污泥产量增长迅速,高难度的污泥处理处置问题给我国环境带来了十分恶劣的影响。如何提高我国污泥处理效率,将污泥进行有效环保的处置已成为行业内亟待解决的问题。近日,威立雅水务技术亚太区市政工程设计总监陈晓华博士、威立雅水务亚太区市政工艺经理宫曼丽博士接受《水工业市场》杂志的采访,就威立雅在污泥处理处置领域的技术工艺、项目经验、市场布局以及面临的挑战与机遇等内容进行了详解,并对我国污泥处理处置现状发表看法,对未来行业的发展前景进行了展望。

威立雅水务技术亚太区市政工程设计总监陈晓华博士
 
威立雅水务亚太区市政工艺经理宫曼丽博士

记者:“治水不治泥,污染大转移”,污泥治理一直是令行业头疼的问题。目前污泥的处理处置有哪些先进的工艺?各自有何优缺点?

宫曼丽:据不完全统计,截止目前全国每年产生含水率为80%的污泥约4000万吨左右,其中10%左右用作堆肥、30%填埋、10%焚烧、10%制肥、5%建材、35%进行了其他处置方式。可以说“重水轻泥”是目前中国水处理行业难以走出的怪圈,许多城市出现了“污泥围城”的现象,而由于污泥处理设备投入不足、污泥处理达不到处置的要求,大量城镇污水厂剩余污泥一直存在解决不了出路的问题。

近几年来,国内大城市如北京、上海、郑州等在污泥处理处置上做了大量工作,使得污泥无害化处理率大大提高,其他城市如深圳和广州也都有宏伟的污泥焚烧计划。“水十条”要求地级及以上城市实行无害化和资源化处理,处理率2020年底前要达到90%以上,这给污泥处理技术和产业发展带来了前所未有的挑战和发展机遇。随着我国污泥产量的增多,业界分外关注如何选择先进适用的创新技术工艺,落实(水十条)政策规定,满足无害化、减量化、稳定化、资源化的处理处置的技术要求,避免环境的二次污染等。

在中国,污泥处理和处置工艺很多,目前有堆肥、消化+发电、高干度板框脱水、低温干化、污泥热水解+消化、消化+干化、焚烧等,此外还有如污泥裂解、从污泥提取蛋白等相关技术。总体而言,适合大城市污泥处理处置的工艺主要有两大路线:

一是消化路线,其中包括简单消化、消化+发电、消化+干化、热水解+消化+沼气利用(包括发电,提纯注入市政管网)。北京市采用了热水解+消化技术,通过产生大量富余沼气进一步加以利用。2007年威立雅在青岛建立了一座污水处理厂,其应用的污泥消化发电系统至今运行效果良好,在2010年被评为了中国污泥处理处置十大案例之一,为国内污泥消化路线起了良好的示范作用。

二是焚烧路线。在中国,焚烧路线一般是预干化+焚烧工艺,目前深圳、上海实行焚烧路线较多。

以上两种路线在国内属于主流工艺,相比较之下,消化路线投资较省,可以实现污泥资源化、稳定化,但污泥减量化不够彻底,在某些大城市污泥不让填埋的情况下仍然找不到出路。焚烧路线既可以实现污泥彻底减量化,同时也能实现稳定化、无害化及资源化,但投资较高,同时需要运营人员更专业。

记者:污泥资源化、能源化回收与利用过程中,会面临哪些成本问题?

陈晓华:污泥处理处置的新理念是污泥可以转换成热源、能源和肥料,而不是将其看成废物。用英语来说,是source of energy 即能源,或者resources recovery即资源回收。在这新理念的推动下,设计污泥处理工艺时一定要考虑水处理线的设计。水处理线的设计直接影响了污泥产量和污泥的质量。水处理线设计中需要让工艺多产泥,英文Produce more and consume less意思是多产污泥而降低水厂消耗。初沉池是一个很好的处理阶段,设了初沉池基本上免费去除了30%的污染物,降低了后续生物处理的投资和运营费用,而且初沉污泥产气率特别高。初沉池种类有传统初沉池,高密度沉淀池和一级强化高密度初沉池。其中高密度初沉池设计紧凑,效率高。更多的污泥通过消化,产生更多的沼气。沼气可以用于发电也可以被提纯注入天然气管网,从而使得整座污水处理厂运营更经济、污泥资源最大化。污水处理厂设计中将水线及污泥处理整体考虑是未来型水厂设计的重要一步。但是我们必须注意到污泥处理处置需要大量投资,基本要占整个污水处理厂投资的30%-50%,这些投资无法折旧。这就要靠政府的支持以及鼓励政策。污泥资源化可为污水处理厂降低运行成本,例如污泥产生沼气能发电自用,为处理厂节省30%-60%的电耗。青岛麦岛污水处理厂60%的电耗是自己发电机提供的。

污泥焚烧能彻底解决了污泥的问题,实现了最大程度的稳定化、无害化、减量化和资源化,减量化大大减少了污泥运输和填埋的费用。

另外,要注意到国内污泥的有机物含量低,同时含水率以及无机质含量高,这样中国的污泥资源化和能源回收效率没有国外高。例如在设计国内焚烧炉时,由于污泥热值低、含水率高,焚烧炉前需要加干化机、运行时需要补充热源以求运营优化,这样导致投资和运行费用比欧洲贵出30%。还要注意到中国各地区情况不一样。比如北方污泥比较‘肥’。而南方污泥的有机质比较低,污泥焚烧设计要充分考虑到不同原泥的情况。

在资源回收方面,威立雅研发了鸟粪石技术。以磷为基础的鸟粪石可在土壤中缓慢释放氮和磷,这个技术基本上成熟了。还有生物塑料提取技术,从污泥里面提取一种高分子物质即PHA,它是可生物降解的一种原料。但这种技术目前成本比较高,资源回收成本需要注意。比如,污泥制肥的成本通常也高于最终用户市场上直接购买肥料的花费。再比如,从污泥中回收生物塑料的成本可能是从土豆中提取生物塑料花费的2到3倍。

因此面对这种现状,国家的政策和激励机制非常重要。欧盟要求成员国2025年能源产出里有23%是可再生能源,这个比例到2030年要达到32%。因此污水处理厂里用污泥转换能源是个很有发展前景的业务。中国在这方面也有一些政策,比如污泥只有达到40%干度以上才能填埋。这些政策的导向性推动了技术的发展。政府的奖励机制,更加推动了资源回收。目前欧洲各国都有政府的相关激励措施,水务公司自产电能销售给电网的电价经常可以是从电网直接购电的两倍。以法国为例,绿色电能可以以0.14欧元/度卖出而以0.07欧元/度购入。另外沼气提纯注入市政天然气管网是一种越来越时髦的方法,在法国提纯沼气可以以0.5欧元/立方卖出,而以0.3欧元/立方购入。在中国,尽管水务公司也可以售电给电网,但因为销售的电价与购买的电价相同,所以大多处理厂还是选择将回收的电能厂内自用。我们盼望中国有关部门早日颁布绿色能源激励机制。

记者:在有效处理处置污泥方面,威立雅能为行业提供怎样的解决方案?特别是污泥焚烧方面。

宫曼丽:威立雅凭借其污水处理和污泥处置的一系列技术和运营经验,能够为用户提供全方位的解决方案,将污泥转化为资源再利用。中国的相关法规规定了污泥含固率必须达到40%才能进入垃圾填埋场。当前国内常用的有两种污泥处理工艺,第一种是热水解。在一些城市,脱水污泥无法在垃圾填埋场进行填埋。污泥消化结合上游先进的预处理技术如热水解(THP),是污泥稳定化的有效方法,可使污泥含固率达到30%至65%,同时可以减少部分泥量和生产沼气,但这种方法无法实现污泥彻底地减量化。

在这种情况下,第二种污泥处理工艺即污泥焚烧被认为是最适用的技术,我们从2006年开始一直在国内呼吁污泥焚烧。当时国内一些专家认为污泥焚烧在中国行不通。尽管它是众多先进污泥处理技术中成本偏高的一种,但它是中国特别是大型及特大型城市的污泥的唯一出路。我们的污泥焚烧是把污泥加热到850摄氏度,之后会释放大量的高温烟气。我们从高温烟气中回收热量,利用烟气余热来发电,或转化成蒸汽给前端的预干化使用,这些都是能源回收的方式。香港源·区(T-PARK)污泥焚烧项目就是一个成功的污泥焚烧+发电的案例。该项目日处理能力为2000吨湿污泥,也就是约为600吨干泥,处理来自全港11座污水厂的脱水污泥,是目前全世界最大的污泥焚烧处理项目。它采用了污泥处理和热量回收相结合的工艺。该污泥处理厂由威立雅建设运营,配备了2座14兆瓦发电机,其产生电力足够维持处理厂的运行,产生的剩余电力则出售给电网公司,大概可输出2兆瓦。

记者:能否请您分享一下香港T-PARK污泥焚烧项目的运营经验?
香港T-PARK污泥焚烧厂
 
陈晓华:在污泥处理和处置究竟用什么工艺的论证上,香港政府曾委托咨询公司做了很深入的可行性研究,即在10年间对不同的污水和污泥处理解决方案进行论证,最终推荐的解决方案就是建立一座集中式污泥焚烧厂。对于污泥焚烧厂来说,民众的接受意愿非常重要,不然项目无法实施。所以我们打造了一座非常高大上的建筑。在香港T-PARK污泥焚烧项目设计中,考虑了很多安全因素,比如该项目的烟气采用干式处理方法,香港环保署对处理后烟气实行24小时实时监测,因此焚烧工程安全可靠,居民不需要顾虑二次污染问题,此外,厂区内还设立了一座环境教育中心,免费接待公众参观,使民众对焚烧厂的接受起到了十分积极的作用。中国做污泥焚烧项目可借鉴这个项目上的成功经验。威立雅作为该项目总的承包商及运营商,有丰富的相关经验。项目设计中还考虑了可持续发展等多种因素,该厂的饮用水是海水淡化产生的饮用水,产生的废水通过厂内一座小型处理厂处理,处理后的水回用,而产生的污泥则和外来污泥混合被烧掉。该污泥焚烧厂的一个技术挑战是泥质的均匀性。由于香港T-PARK的污泥来自11座污水处理厂,因此污泥的均匀混合是个不容易解决的问题。该项目的污泥混合系统是借鉴了威立雅在荷兰的一个项目经验,做得比较成功,也很好地解决了这个困难,处理后烟气达到欧盟2000年指令性标准。最后,T-PARK污泥焚烧后的飞灰和余渣都在隔壁垃圾填埋场进行了填埋,而不需要做为危废处理。

宫曼丽:该污泥厂是孤岛运行模式。即外界没有任何的水、电、气供应,外界输入的只有污泥。除了水、电、气自给自足外,香港焚烧项目还能够向外输出剩余电能。

记者:您认为对于污泥处理处置目标来说,稳定化、无害化、减量化、资源化,哪一点最重要?为什么?

宫曼丽:在污泥需要实现的四化中,稳定化、无害化是最重要的,因为污泥管理不当会二次发酵,对环境造成二次污染,因此实现污泥稳定化和无害化,最大程度降低污泥的污染风险最为重要。在稳定化、无害化解决了之后,才会涉及污泥的减量化,通过提高污泥含固率,进一步降解有机物,目前我国要求污泥达到40%干度以上才可以填埋,同时减少运输和填埋费用,并减少填埋占地。在实现前面三点的前提下,如果条件允许可以追求污泥的资源化利用,使其变废为宝。目前国内污泥资源化再利用才刚刚起步,还有很长的路要走。

记者:目前中国市场污泥处理处置面临哪些行业问题与挑战?应当如何化解?

宫曼丽:我认为当前中国污泥处理处置市场主要面临三大挑战。

我们从目前工作当中也发现了一些问题。首先是污泥处理处置项目建设前期,必须对需要处理的初始污泥特性有一个正确的理解,这对项目顶层设计来说至关重要。污泥特性包括原泥种类(初沉污泥、二沉污泥或混合污泥)、挥发性有机物VSS、含固率、污泥热值LCV等。很多时候,国内业主缺乏这些数据,所以我们会根据我们的经验,给他们一些意见。例如,中国幅员辽阔,地区差异大,污泥特性也因此各不相同。例如,北方地区污泥有机质及热值高;南方地区污泥有机质低,但无机质和含沙量高。因此需要在正确认知污泥特性的基础上慎重选择技术工艺及设备材质等。
此外,公众对污泥焚烧厂的接受程度也是一个巨大的挑战。在国内,垃圾焚烧和污泥焚烧工程在建设之中被迫停下的情况时有发生。因此,邻避效应问题需要政府做大量工作,要让民众理解了焚烧工程不会产生二次污染,化解民众疑惑。香港T-PARK焚烧项目在这方面有很成功的经验可以借鉴。首先香港政府把该污泥焚烧项目打造成一座高档次、高品位的地标性建筑,在厂中专门建造了环境教育中心,每天可以供250位香港市民参观。注册参观的市民中有很多是中小学生。这项举动让市民从小意识到污泥焚烧设施和我们是共生的互惠互利的。

最后的挑战是高干度焚烧的相关问题。目前国家规范要求污泥填埋需要达到40%含固率,但一些城市已经开始推广60%的含固率要求了。威立雅认为,60%含固率和污泥焚烧并不兼容。首先,60%含固率的污泥焚烧在国外也还没有业绩。欧洲处理污泥的进泥方式一般采用柱塞泵,该技术最多也只能接受45%含固率以下的污泥;而日本采用的螺旋进泥,对污泥的要求也是和原泥混合后达到40%含固率。此外,60%污泥有可能是通过投加大量无机物得到的,这种含大量无机物的污泥进入焚烧炉也不能实现体积的大幅减量。总体而言,高干度进泥需要极其苛刻的运行条件,不同含固率污泥的混合方式、流化风量设定、炉子板结问题、热平衡等参数都需要论证,最后才能确认高干度焚烧的可行性。

记者:您认为污泥处理处置未来的技术方向与目标是什么?威立雅在这些方面做了哪些布局?

陈晓华:国内和世界各国专家有个共识,即未来污泥处理处置主要有两个技术方向:一是污泥消化路线,包括消化和干化组合或热水解预处理和消化相结合。这些工艺能实现污泥稳定化,无害化,减量化和资源化,它们是很好的工艺组合。二是污泥焚烧。威立雅在全世界有40多座焚烧建造业绩和20多个焚烧厂的运营业绩。在国内,我们正在完成郑州新区污水厂的一座大型污泥消化项目,现在正在调试。该项目包括6座消化池,单池体积12700立方米,后接干化机,这样污泥可实现资源化和减量化。威立雅还有一种污泥处理的技术,即污泥湿式氧化技术,这是十多年前开发出的一种无焰焚烧技术,该工艺将浓缩污泥置于高压 45至50公斤的反应器中,然后注入纯氧,反应器升温到200-250摄氏度,污泥全部被氧化,产出少量的飞灰。欧洲一些城市目前已经采用湿式氧化法进行污泥处理处置。例如,法国和比利时现共有四到五座湿式氧化项目,其中最大的案例是比利时北部污水处理厂,规模达到150万当量人口。可以说,在不允许污泥焚烧的情况下,湿式氧化法提供了一种更环保的焚烧替代方式。我们还在研发其它一些污泥处理的设备如提高污泥干度的设备。最后说一下各水厂也在尝试智能化。威立雅的数字化服务工具叫做AquavistaTM,该产品结合威立雅在污水污泥处理方面的运营经验,充分利用大数据分析平台,且全球共享威立雅优秀的技术专家团队指导,可以优化污水和污泥厂的投资和运营费用、及时预判和诊断问题、寻求最优解决方案。

记者:最后,面对目前政府重水轻泥的政策现状,您对未来政府在污泥新政的建立实施上有什么建议。

陈晓华:首先,国内现有的相关政策需要加大监督力度。另外,还应有比如PPP这样的投资的新模式来吸收社会资金,将社会资金融入污泥处理和处置工程。最后,就是进一步推广消化和焚烧模式。我们认为未来5年污泥处理的前景是非常好的。

宫曼丽:此外,还希望国家推出行业的奖励机制,比如绿电政策,在污泥处理得到的能源回收或者发电并网方面,希望国家能够更加开放。

左起:威立雅水务技术市场部经理安源、威立雅水务技术亚太区市政工程设计总监陈晓华博士、威立雅水务亚太区市政工艺经理宫曼丽博士

关于陈晓华

陈晓华博士是业界公认的自来水,污水及污泥处理领域专家。自1996年前威立雅水务进入中国市场以来,一直担任工艺设计工作。1984年本科毕业于天津大学土木工程系给水排水专业,1986年在法国高等道桥学院获得环境技术与管理硕士,1989年在巴黎第六大学获得水处理博士学位。在威立雅公司总部工作10年后,2003年陈晓华被总部任命为威立雅水务技术亚洲地区设计总监。上任以后,陈博士根据中国和东南亚国家的具体情况,将公司总部的很多先进处理工艺,如紧凑型水处理工艺 (如高速沉淀池,曝气生物滤池等)、通风除臭工艺、污泥处理(消化/热点联产,污泥焚烧等)进行本土化的工程设计使得威立雅在中国及东南亚获得了200多座市政水厂业绩。

关于宫曼丽

宫曼丽,女,博士,亚太区市政工艺经理。毕业于哈尔滨工业大学市政环境工程学院,师从中国工程院院士任南琪教授。自2008年加入威立雅以来,一直从事污泥处理相关工艺的研发和设计工作。主要工作领域集中在污泥干化和焚烧、污泥热水解和消化、沼气提纯和利用、除臭工艺设计等方面。

关于威立雅水务技术

威立雅水务技术为工业和市政客户提供全面的饮用水和污水处理设施和系统的设计、建设、维护以及升级改造的服务。公司广泛的技术组合包含在线故障诊断解决方案、蒸发结晶、能源可回收的污泥处理、先进的脱盐工艺、实验室水处理和移动水处理服务等。通过对工艺和运行监测的优化,威立雅水务技术帮助客户减少水足迹,同时节约能源和化学消耗。
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