雾霾危机与污泥沼气化技术的发展机遇

1. 2013年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会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: jimin@tju.edu.cn 2013.05.11

2. 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？

3. 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

4. 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

5. 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。

6. 2013年1月京津冀的5次强霾污染 （国家空气质量二级标准：75 µg/m3） 石家庄成为最严重污染城市

7. 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。

8. 大气化学反应 对流传输扩散 NO RO , HO 2 2 hv VOCs 污染源排放 NO 2 OH O 3 SO 2 H O 2 2 H2SO4 … N O 2 5 NH 3 二次有机颗粒物 SOA HNO 3 2 - + NO NH 3 4 - SO 一次颗粒物 (如BC） 二次无机颗粒物 SNA 4 界面反应；内混 PM2.5来源复杂, 受多种污染物影响 霾的成因---灰尘颗粒、空气中的灰尘、硫酸、硝酸、 有机碳氢化合物等

9. 2 1 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。 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。 4 3 雾霾成因与来源 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。 雾霾危机与污泥处理技术的发展趋势

10. 霾的污染源解析 北京PM2.5排放源解析结果 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 * 依据北京&上海环保局发布数据整理

11. 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 2000 2012 第一次修订 大气法颁布 APCL 第二次修订 ???

12. 减轻和消除雾霾污染的必由之路 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 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）

13. 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

14. 生物沼气替代燃煤和石油的减排效果分析

15. 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

16. 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%。

17. 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。

18. 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

19. 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 plants 233 plants 135 sludge biogas plant (volume 65%, gas 43%) 55 landfill 19 co-digestion 19 farm 5 industry 521 692 m3 total digester volume Digestion residue 924 000 ton/year used as fertilizer, 60% of total Quality secured by certification systems SPCR120 and REVAQ Biogas upgrading plants 48 plants 34 water scrubber 7 pressure swing absorption (PSA) 7 Chemical absorption

20. 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

21. 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

22. 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

23. 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

24. 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

25. 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？

26. 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）

27. 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）

28. 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

29. 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

30. 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

31. 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

32. 目 录 五 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 污泥与餐厨垃圾混合厌氧消化 三 沼气净化技术 四 消化污泥余热回收技术与装置

33. 超声破解预处理强化厌氧消化 城市污泥 超声预处理 中温厌氧消化 000 000 超声破解促进污泥厌氧水解酸化速率研究 污泥破解预处理 效果研究 超声破解对 高温厌氧消化 促进作用研究 超声破解对中温厌氧消化促进作用研究

34. 超声破解对中温厌氧消化的促进作用

35. 超声破解对高温厌氧消化的促进作用 投配率5% 投配率12.5%

36. 污泥与秸秆混合厌氧消化 城市污泥 中温厌氧消化 农作物秸秆 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 000 玉米秸秆预处理效果研究； 污泥与秸秆 混合厌氧消化研究

37. 秸秆和污泥混合厌氧发酵静态试验

38. 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 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0.4：1

39. 秸秆与污泥混合两相双温发酵产氢产甲烷的研究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。

40. 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 000 餐厨垃圾与污泥混合发酵产氢产甲烷研究； 餐厨垃圾与污泥混合发酵产甲烷研究

41. 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。

42. 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 开发污泥热源热泵技术及其配套设备 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。

43. 结束语 污泥与餐厨垃圾。农业生物质等混合发酵 提高厌氧消化效率，提高 产气量 污泥预处理 强化厌氧 消化 缓解 雾霾 危机 降低PM2.5 排放量 利用清洁能源沼气发电，替代车用天然气

44. 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