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以最大程度资源回收为目标的新加坡污泥处理与处置

发布日期:2017-07-03    【字号:  

















曹业始-- 新加坡公用事业局(PUB) 首席专家(污水处理) 荷兰代尔夫特科技大学(TUD) 博士

        新加坡PUB是新加坡公用事业局的缩写,隶属于新加坡水资源和环境部,是一个副部级国家的水管理机构,所有跟新加坡水有关的业务都在他的管理之下。
        我曾经在新加坡PUB污水管理部(司级单位),称之为回用水管理部,担任相当长时间的首席工程师。
        今天,主要介绍一下新加坡污泥处理和处置的特征,以能量回收为重点。首先讲一下背景,资源回收的优先顺序、现状、技术参数、路线图。而新加坡现在已经制定了到2025年污水处理规划,并且已经到工艺设计阶段,这阶段哪些技术应用在污泥资源回收呢?我也会给大家做一个介绍。
        (详见PPT)新加坡现有4个污水处理厂,总处理量是160万吨。三个红块称之为第二阶段的污水处理厂。这两个现有污水处理厂在新厂建成以后就要废除了,到2025年新加坡会就有三个污水处理厂,总处理量到时候是240万立方米/天。
        当我们谈污泥污水回收的时候要介绍一下背景,在新加坡污水处理是分流系统,有机碳是550-650,新加坡华人占人口约75%,饮食习惯和大陆没有区别。但是污水的COD的含量是在正常水平。污水处理量目前是160万吨,污水处理主要是应用脱氮活性污泥工艺,污泥每天约800立方米,20%的含固量。
        资源回收的优先顺序:作为一个很小的缺乏天然资源的城市国家,新加坡把资源回收作为放在很重要的地位,像大家知道由于天然的水资源的短缺,水的回收放在第一位,现有的150万吨的污水处理,一半以上的出水用双模技术生产新生水。而到2025年的时候,除初期雨水外,其余的出水做饮用水级的再应用。
       第二是能源的回收,能源的回收最终目标是整个厂的运行最后能够达到不需要从外部输入能源。再就是资源节约,作为一城市国家土地的稀有,要求建设占地面积尽可能小。
       (详见PPT)这张图看似很简单,今天污水处理厂能源回收主要是应用污泥厌氧反应器。厌氧反应器主要是由初沉池排放的泥和活性污泥池剩余污泥作为“饲料”输到这个反应器里,而产生的生物气再由发电机转化供应电源。当然,在理论上来说,脱水的污泥可以再产生能源,但目前使用还不普遍。所以从现有的污水处理厂产生能源来看,重要的因素是高效的初沉池和厌氧消化反应器、高效的发电机。
        如果抓住这几个环节以后,就可以有相当的电能的回收,即我们称之为能源回收的第一版。目前,在新加坡所有的污泥都进行中温的厌氧消化,固体挥发物的去除率是大约40%,达到国际上的公认的水平。
        能源的转换,发电机从煤气的能量到电转换电的效率约为25%。污水发电水平是每立方米可以产生0.13kW·h的电量,这相当于工艺过程用电量的1/3。这个水平相当于欧洲的平均水平。而干燥和脱水后的污泥都是焚烧处置。
        (详见PPT)这张图就显示干化率、污泥体积和能源的需求关系,新加坡最早是脱水达到20%含固率以后就进行的土地的填埋,但是没有多久就填满填埋场了,所以现在进行焚烧处置。据我所知,在北欧许多国家焚烧是最后处置方法。当然北京、上海最后怎么样做?我们眼前下结论还为时尚早。
        简单讲,如果污泥含固率为20%,焚烧以后含固率达90%,这个体积比为1/10。
        当新加坡规划提高能源效率时,首先学习国际先进水平在哪里?我们知道世界有一个厂在奥地利的Strass废水厂,在2005年的时候已经达成了能源自给,我们参观该厂,也派了人去仔细学习,也请他们的人到我们这边来做介绍。
        这张图是整个厂里面碳的流向,你可以看到每一个过程碳的分布,而重要的是有多少碳进入了厌氧消化池,而产生的多少甲烷气。
        采用他们的经验,我们在新加坡几个大厂也进行了物料衡算研究,我们要知道碳氮磷在这个厂是怎么的流向的。
        我们用我们的结果与Strass厂进行比较,看看差距在什么地方,可以在什么方面进行改进。迄今为止,我们4个厂都建立了物料衡算,每个月的月报首先要报告你物料衡算有什么样的变化,反应在运作上有什么问题。
        PUB下一个目标就是要达到国际先进水平,每立方污水产生0.3 kW·h的电能,称之为能源回收第二版。
        为达到能源自给,采用了下面一系列的措施。
        1.污泥的预处理。(详见PPT)包括先进行了中试规模的超声波预处理的实验。紧跟着一个生产规模装置的运行。可以带来约10%的沼气的增加。从前两年开始我们也向Strass学习,更换了部分旧的发电机,安装了具有38%转化率的新的发电机,就带来了50%的电量增加。
        2.热水解,我们建立了一个生产规模的热水解,研究带来的具体净能量增加是多少。并且估计在今后维修和更新带来的工作量。
        3.把外面的碳源加到消化池当中去。在工业装置当中我们已经做了实验,证明可以把要处理的食品废弃物加进去,由此产生了相当可观的沼气增长。
          到2025年新加坡三个水厂建成的时候,能量回收的情况如何呢?污水处理最大的困境就是碳的管理,本身让碳源要用来去除营养物又产能源的时候,是很难两全其美的,这就是我们现在要谈主流厌氧氨氧化的问题。未来处理厂的概念,如果这概念厂能实现,今后的处理厂可可以把尽量多的碳拿下来送到厌氧消化里面去产生能源。但是条件是什么呢?后面的营养物的去除不需要碳源,或者是需要的很少,这就提供了一种能源平衡和剩余的可能性。比如说我们先的现在的初沉池碳去除是40%,你就可以增长到60%,相当于50%能源的增加。
        (详见PPT)目前新加坡樟宜再生水厂,20万吨的主流厌氧消化过程已经报告了,是世界上最大的部分短程氨氧化和氨厌氧化过程,并且在2014年,我们跟美国的两家水务系统和Strass废水处理厂一起赢得了国际水协的发明大奖。
        (详见PPT)这张图是一年的操作数据,出水氨氮的平均浓度是1.7毫克升,亚硝酸氮是1.1毫克升,硝酸和氮只有1毫克升,这就显示了这个过程的优越性,有没有继续改进的空间呢?有,现在还是用的传统的初沉池,相当量的碳还是进入这个系统,要把这个过程更有效地应用到新的污水处理厂,有三大问题要解决:对现有的过程有深刻的理解。膜生物反应器带来的额外的影响。因为我们现在用的是常规的活性污泥。而在第二阶段深沟污水处理厂用膜生物反应器。另外高效率的碳捕捉的过程的开发和它的应用,这都是要解决的问题。
        所以从2011年以来,新加坡PUB做了一系列的研发项目,三个中试的项目就着眼于回答这些问题。而最新的就是日处理1.2万吨称之为示范厂的项目,是模拟今后的第二阶段的污水处理,看看主流厌氧氨氧化能不能实现。
        我们也采用了侧流的污泥回流液氨厌氧氧化过程,也保留着用侧流过程强化主流氨厌氧氧化的可能性。
        已建立生产规模的装置,进行单独的食物废弃物消化和与污泥混合的厌氧消化,这两个项目现在已经在运行。
        最后一个项目把新的污水厂里脱水的污泥就近送到旁边的城市固体废弃物处理厂,与城市固体一起焚烧,产生的电源送回到污水处理厂。
        到2025年的时候,新加坡再生水厂的能源回收在没有外加碳源的情况下可以达到0.3千瓦时每立方米污水。应用食物残渣和城市固体废弃物的协同焚烧,整个新加坡污水处理厂包括新生水厂可以达到能源自给,从而实现新加坡污水能源回收的第三版。
        总结一下:新加坡PUB的方法。
        提早规划,2025年离现在还有七八年,概念设计已经完成,主要技术路线已经选定,现在已经开始工艺设计。根据新加坡的条件制定高资源回收指标。采用一流的技术水准和实践。投资在开发上一步一步的验证,最佳技术适用性。
        (详见PPT)本手册包括了对现有主要技术的筛选,根据新加坡的情况,哪些技术可以考虑并进行重点开发,这本书是我们根据若干与能源有关项目的一个出版物。
        在此,感谢PUB提供许多照片,不少是现在正在进行的工程,PUB也同意与大家共享。谢谢大家!

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