德国城市污泥处理中沼气回收利用的现代技术水平

1TitelderPräsentation13.September2014德国城市污泥处理中沼气回收利用的现代技术水平RWTHAachenUniversity,GermanyInstituteforEnvironmentalEngineering报告人姚刚德国亚琛工业大学环境工程研究所2TitelderPräsentation前言近年来世界范围内，针对能源问题的讨论成为政治和社会的重要议题。原因如下：由于有限的化石能源，导致能源价格日益剧涨，而且化石能源的利用加速了气候变化；核能利用的安全隐患问题；努力提高可再生能源的开发利用；致力于提高能源利用效率3TitelderPräsentation污水与能源的关系来自德国的经验表明，在工业化国家城镇污水处理厂的电能消耗占总电能消耗的0.6%-1%（德国0.7%），是城镇的最大能耗单位。另一方面，污水中含有能量，以热能和有机化学能的形式存在于污水中。其中的化学能，可在污水处理过程中，通过厌氧处理工艺回收利用。其中潜在的能量可提供污水处理所需要的能量。4TitelderPräsentation城市污水中的能量潜力污水中有机污染物的化学能：1gCOD14kJ1)（ca.3,9Wh）120gCOD/(p•d)43,8kgCOD/(p•a)ca.170,0kWh/(p•a)1)QuelleH.Kroiss;EnergiebedarfvonAbwasserreinigungsanlagen污水处理厂人均电耗:35kWh/(p•a)说明：德国城镇污水处理的规模大小以设计服务人口值计以污染负荷为基准而不是以水利负荷为基准5TitelderPräsentation进水碳源厌氧条件进水碳源好氧条件生物处理工艺质量/能量平衡简化示意图50%CO250%生物质90-95%沼气(能量产出)1-5%生物质1-5%污水厂出水残留物放热无法利用Quelle:NachBrauer,H.,Chem.-Ing.-Tech63(1991)Nr.5,S.415-427沼气与空气隔绝曝气能量输入6TitelderPräsentation好氧污泥稳定的活性污泥法工艺(I)Quelle:NachSchröder沉砂池初沉池格栅污水主干管某些情况下设浓缩池ggf.Eindickung稳定池Stabilisierungsbecken剩余活性污泥浓缩池Eindicker污泥脱水Schlamm-entwässerung曝气池二沉池好氧稳定化处理分建式7TitelderPräsentation同步好氧污泥稳定的活性污泥法工艺(II)Quelle:NachSchröderundYaoInChina污泥脱水机械8TitelderPräsentation厌氧污泥稳定的活性污泥法工艺(III)InDeutschland85%Quelle:NachSchröderundYao9TitelderPräsentation经过厌氧消化后污泥的变化Quelle:NachSchröderundYao10TitelderPräsentation污泥稳定工艺的选择污泥稳定工艺的选择并不取决于法规的要求而主要是取决于其经济性，以及污泥稳定工艺的经济性与可供采用的污泥处置途径的要求相关。为了能进行经济性比较，必须考察各种污泥处理工艺流程对整个污水处理厂产生的影响。污泥稳定的目的主要次要11TitelderPräsentation生物稳定处理工艺的（经济）适用范围污泥厌氧处理anaerob85.4%污泥好氧处理aerob12.8%热和化学调理thermisch/chemisch1.8%厌氧消化Faulung好氧高温稳定aerobthermophileStabilisierung同步好氧稳定SimultaneareobeSchlammstabilisierung服务人口2万服务人口相当于4000m3/d12TitelderPräsentation厌氧消化产沼气技术浓缩污泥Dickschlamm沼气Faulgas:过程水Prozesswasser消化污泥Faulschlamm消化池Faulturm沼气Faulgas沼气利用Gasverwertung后浓缩Nacheindicker污泥脱水SchlammentwässerungQuelle:NachPinnekamp13TitelderPräsentation厌氧消化技术工艺搅拌接种投料供热厌氧消化技术设施计量安全沼气漂污Quelle:NachSchröderundYao14TitelderPräsentation厌氧消化技术工艺：投放和排泥•含固率:4%但是7%含固率大于7%时，消化池内的污泥的混合搅拌有困难•连续的投放和排泥！否则:-温度突变-有机物冲击负荷T=const.ΔT1°C15TitelderPräsentation厌氧消化技术工艺：搅拌可能的搅拌方式：加压气体搅拌搅拌机机械搅拌混合器（螺璇提升器）机械搅拌外部泵水力搅拌()16TitelderPräsentation厌氧消化技术工艺：消化池的常用池型顶部和底部为锥形的圆柱形inEU鹅卵形Ei(„klassische“Bauform)inDE理想的圆柱形IdealerZylinderindenUSA消化池的池型和搅拌方式密切相关Quelle:NachPinnekamp17TitelderPräsentation•沼气•生污泥•热水•热交•换器•射流混合器•配有安全设施的集气罩•压缩机•沼气利用•消化污泥•漂浮污泥的排去除•污泥•脱水•压缩•沼气•热污泥泵厌氧消化技术工艺：消化池的池型和搅拌Quelle:NachPinnekamp18TitelderPräsentation气体搅拌:运行费用明显高于混合器和搅拌机机械搅拌在运行中标准气管不可以拆卸泡沫问题严重启动阶段或运行问题：需要购买气体厌氧消化技术工艺：消化池的池型和搅拌19TitelderPräsentation搅拌机机械搅拌厌氧消化技术工艺：消化池的池型和搅拌Quelle:NachSchröder20TitelderPräsentation厌氧消化技术工艺：消化池的池型和搅拌搅拌机机械搅拌Quelle:NachSchröder21TitelderPräsentation圆柱池形采用搅拌机的问题:轴的强度断裂的危险双轴承技术缠绕:解决办法:短暂回转茶杯效应:解决办法:加设挡板厌氧消化技术工艺：消化池的池型和搅拌22TitelderPräsentation螺璇提升器UNO(由下向上)ONU(由上向下)厌氧消化技术工艺：消化池的池型和搅拌Quelle:NachSchröder23TitelderPräsentation经济评价:混合器搅拌机气体鹅卵形圆柱形圆柱形1搅拌费用-+--2池费用-++++?厌氧消化技术工艺：消化池的池型和搅拌Quelle:NachSchröderundYao24TitelderPräsentation混合器搅拌机气体鹅卵形圆柱形圆柱形1搅拌费用-+--2池费用-++++定性评估:123搅拌++-+-4运行问题++-+5TS/温度-梯度++(+-)+-6产气量++(+-)+7能耗+++--减少消化池的造价改善搅拌机的性能厌氧消化技术工艺：消化池的池型和搅拌Quelle:NachSchröderundYao25TitelderPräsentation沼气利用的基础单位产气量:450l/kgoTS（进入污泥消化池的有机干固体）52goTS/(E•d)23l沼气/(E•d)(最大值情况下)成分:ca.65%CH4,35%CO2能量含量:约为6.500kcal/m3150kcal/(E•d)150kcal/(E•d)63,7kWh/(E•a)沼气储存是必要的26TitelderPräsentation沼气直接利用去除二氧化碳后重整制成“氢气”去除其中的二氧化碳制成“天然气”沼气利用的主要途径Quelle:NachSchröder27TitelderPräsentation沼气利用的主要途径•沼气-热电联产发电机产生电和热•加氢站•在锅炉中利用沼气产生热能•输送氢气到外部用户•(•家庭燃烧器)•氢气-热电联产发电机产生热和电•沼气作为专门气体出售•输入天然气管网•天然气•沼气•氢•利用沼气直接驱动，例如鼓风机Quelle:NachSchröder28TitelderPräsentation德国沼气利用发展01.0002.0003.0004.0005.0006.000总沼气量用于产热/直接驱动的沼气.其他用途用于发电沼气损失沼气GWh/aStatistischesBundesamt(2014)29TitelderPräsentation沼气马达-热电联产发电机(BHKW)目前用燃气发动机－－污泥气－BHKW综合利用电能和热能是各种污泥气利用方法中能效最高、最经济的。因为全年产生的电能和热能可以在污水处理和厌氧消化工艺中得到利用。BHKW30TitelderPräsentation沼气马达-热电联产发电机-设计0,05,010,015,020,025,030,035,040,045,001.0002.0003.0004.0005.0006.0007.0008.0009.0000,02,55,07,510,012,515,017,520,022,5发电机使用时间[(度/(千瓦装机容量·年)]沼气利用费用[分尼/度]资本费用沼气利用费用[欧分/度]6.000h/a最短经济运行时间Düren污水厂没有EEG设计的太大==不经济设计的太小==沼气过剩7.500h/aDüren污水厂8.760h/a最长运行时间养护?沼气产量变化?沼气-马达运行费用+-Quelle:NachSchröder31TitelderPräsentation沼气马达-热电联产发电机(BHKW)应用举例亚琛污水处理厂能量消耗及费用运行方式没有BHKW使用BHKWkWh/aDM/am3/aDM/aDM/akWh/aDM/am3/aDM/aDM/a电能消耗13,000,0002,940,0004,500,0001,000,000天然气消耗150,00060,000900,000360,000BHKW运行费用-640,000总费用3,000,000马克/年2,000,000马克/年32TitelderPräsentation能量验证参考值理想值1.单位人口BOD总耗电量2.单位人口BOD活性污泥曝气耗电量3.沼气的总利用率4.沼气发电的电效率5.进入消化池每公斤有机干固体的沼气产量6.自给电量百分比3023211698993132450475989958777.自给热量百分比kWh/(EWa)kWh/(EWa)%%l/kgoTR%%Quelle:N.N.:HandbuchEnergieinKläranlagen.Hrsg.:MinisteriumfürUmwelt,RaumordnungundLandwirtschaftdesLandesNRW,Düsseldorf(1999)德国城市污水处理厂的能量检验目标德国污水技术联合会（DWA）2013年编制了一份“污水处理设施能量分析”规范（A216）（系统化、个性化）33TitelderPräsentation现代沼气马达-热电联产发电机的热、电效率(BHKW)燃料：100%沼气马达发电机8%能量损失（10%）机械损失热损失电能损失41%产电能51%产热能电网/自用自用/外销Quelle:nachGOUDYN-Goumans&Söhne34TitelderPräsentation举例：德国某城市污水厂能量自足之路19981999200020012002200320042005020406080100120140能量需求的百分比污水厂购买外部能量污水厂BHKW自产能量污水厂外销能量外来污泥混合发酵城市污水厂未来发展之路Quelle:NachKlärwerkGrevesmühlen到2002年，Grevesmühlen