厌氧消化技术在造纸废水治理中的应用

2022-01-12何东发

能源研究与利用 2021年6期

何东发

(永丰余造纸(扬州)有限公司，江苏扬州 225131)

1 改造背景

制造业要向清洁低碳发展，开发利用生物质资源已经是全球共同关注的问题；永丰余造纸(扬州)有限公司在生产过程中会产生大量的综合废水，年排放量超过700万t。经该公司原有的配套污水处理厂好氧系统处理后的废水，COD排放浓度约为90～100 mg/L，无法稳定达到新标准90 mg/L以下的要求。另外，系统产生的废气形成无组织排放，达到一定浓度后会产生臭味。

为此，该公司立即确定绿色化治理目标：1)将原有好氧系统全部改造成厌氧系统，进一步降减废水COD运行，稳定达标排放；2)原有好氧敞开系统全部改造成厌氧密闭系统，降低配套污水处理设施周边逸散废气二次污染，最大程度地将废气(沼气)提纯净化利用[1]；3)将具有好氧性(好氧系统的氧气供给，造成大量的电力消耗)、能耗较高的原MBBR生物处理系统淘汰掉。

2 改造技术路线

为了解决上述问题以及高质量的规划发展，该公司治理主要技术措施、路线如下：

(1)为了稳定降低废水中COD含量，降低污水处理供氧能耗，该公司在清洁生产审核的基础上，分别引进世界知名纸机生产商-德国福伊特公司旗下生产的R2S厌氧反应器和荷兰帕克公司公司旗下生产的 BIOPAQ®ICX 厌氧反应器，将污水处理场的废水经过厌氧反应处理后，克服了一般反应器污泥钙化沉积等问题，达到了运行稳定、降低电耗和降减废水COD排放的目的。

(2)厌氧反应产生了大量的沼气，日产生沼气量最大可达35 000 m3。沼气经过脱硫、脱碳和深度脱水等净化提纯工艺制成生物质气，该成品气气质达到《天然气》(GB17820-2018)Ⅱ类标准；成品气直接输送进入城市燃气网(中燃公司)输送到用气单位或居民使用[2]。

3 沼气综合利用思路

3.1 造纸废水中的沼气产生

造纸废水在原有的调节池及初沉池，由泵送到新增的预酸化池，经过两级厌氧处理。在第一级(预酸化池)污水被部分预酸化，并通过投加营养盐控制碳：氮：磷的比例及控制预酸化度在30%～50%。在第二级厌氧内循环厌氧反应器中，厌氧反应主要将生物降解性 COD 转化为沼气，主要步骤是：厌氧→水解→酸化→产乙酸→甲烷。整个生物厌氧反应过程可描述为：

COD→CH4↑+ CO2↑+新生厌氧污泥。

新生的厌氧污泥经由储槽储存，部分厌氧污泥可以回用于厌氧塔，多余的厌氧污泥则外售给需要厌氧塔系统的企业使用，沼气则进行能源化综合利用，厌氧进水水质水量的设计参数见表1。

表1 厌氧进水水质水量的设计参数表

一般在厌氧条件下，每降解1 kg的COD约产生2%～8%厌氧污泥，且能量的传递效率是随食物链流动而逐级递减；故1 kg的COD中只有0.68～0.92 kg的物质转化为甲烷，理论在标态下，沼气中甲烷的含量一般占总体积的50%～70%。沼气产生量计算：沼气产量=废水浓度×设备转化率×废水日排放量×产沼气率(实测为43%)，每天最低产气量是30 700.08 m3，最低产气量计算见表2。

表2 最低产气量计算

3.2 沼气能量利用

沼气的主要利用方式有：1)直接民用取暖、照明和炊事等；2)直接燃烧产生蒸汽，用于工业供热；3)内燃机发电上网；4)经净化提纯后并入天然气管网或用作车用燃料等。在一般的大型造纸污水处理厂和垃圾填埋厂等产生的沼气，一般就地燃烧供热或发电上网[3]。

3.2.1 沼气资源化利用分析

造纸废水经厌氧反应产生的沼气，通常采取燃烧和发电等方式进行处理，这种处理方式一方面会产生大量的硫化物和含碳化合物污染，另一方面对沼气中的能源没有进行最大程度利用。沼气中含有大量的甲烷，甲烷是能源物质，因此目标是“增产减污”：既要最大程度的充分利用沼气热能，又要减少污染物的排放量；对沼气进行长达2个月时间进行采样和检测，沼气取样参数见表3。

表3 沼气取样参数

沼气供应具有可燃性、腐蚀性和非常强的区域性，输送距离有限。另外沼气发电工程需额外负担昂贵的上网费用，再加上国内内燃发电机组发电效率低、使用寿命短和大型沼气发电机组数量不多等因素，我国一般的沼气发电项目都很难单独盈利。沼气通过提纯制取天然气，不仅能增加燃烧的热值，还能减轻环境污染，是一种较好的沼气利用方式，沼气几种处理方式比较见表4。

表4 沼气几种处理方式比较表

由表4可知，沼气提纯净化制取BNG的能量损失最小(14.6%)，且得到的可输送能量最多(79.6%)。相比其它几种沼气利用方式，将沼气提纯后作为燃气或者汽车燃料等可实现沼气的高效利用，是最有前景的一种利用方式；另外从政策层面上看，分布式生物质能源综合利用也是国家鼓励发展的清洁低碳项目。

从2013年开始，国家自上而下开始推行“煤改气”工作后，近年来在冬季采暖期时期，天然气就会发生严重气荒现象；从沼气净化成生物质天然气的化验报告来看，完全可以替代管道天然气使用；生物质天然气与天然气质量对比见表5。

表5 生物质天然气与天然气质量对比

符合现行国家标准《天然气》(GB17820-2018)Ⅱ类气质指标要求，沼气通过预处理系统和增压系统出站的生物天然气气质质量完全能够符合《车用压缩天然气》(GB18047-2000)的气质指标。

受到废水产生量不恒定、冬季夏季温度变化、厌氧菌活力和营养源多少的影响，产生的沼气量也会有较大的波动；显然易见，利用沼气来产生蒸汽或者热电联产，都难以保证设备稳定运行或经济运行。

扬州市气体能源(天然气)在冬季采暖期时期供应严重不足，此时生物质天然气通过管网联网后可直接供应，从而有效避免天然气短缺的问题。

生物质气作为一种清洁的气体能源，以其不断循环、变“废”为“宝”、副产品可利用、成本低廉和技术成熟易推广等特点，在补充扬州市气体能源(天然气)不足方面大有作为。

3.2.2 沼气净化天然气工艺流程

在改造后的废水处理工艺中，有机污染物与厌氧塔中厌氧菌混合通过新陈代谢最终转化为无机物。在厌氧条件下，大分子有机化合物被降解，不溶于水的物质被酶转化，通过兼性厌氧和厌氧细菌转换为短链有机酸、氢气和二氧化碳从而直接转化为沼气。

一般而言，脱硫和脱碳是沼气提纯的重点技术难点，也是能否成功综合利用的关键所在；脱硫可根据原料气中的潜硫量(H2S)来确定大致的脱硫方法。当潜硫量在10 t/d以上时，可选择化学和物理溶剂吸收法脱除，再配置Claus工艺将H2S转化为硫磺回收。根据实际情况，综合考虑处理气量、H2S含量、净化的程度、操作成本和环保等因素，项目采用生物法脱硫工艺，将沼气中的H2S脱除至10-4以内进入精脱硫塔，出口气体的H2S浓度低于10-5。原设计的过程工艺流程如图1所示。

图1 原设计的过程工艺流程

沼气脱碳提纯的主要方法有膜分离法、吸收法、低温冷凝法和变压吸附提纯法四种，综合考虑项目规模及扬州当地能源价格的特点，选用变压吸附提纯法。变压吸附提纯法是利用吸附剂(如分子筛等)吸附：沼气在加压条件下，其二氧化碳被吸附在吸附塔内，甲烷等其它弱吸附性气体作为净化气排出，当吸附饱和后将吸附柱减压甚至抽成真空使被吸附的二氧化碳释放出来。为了保证对气体的连续处理要求，变压吸附提纯法需要多个吸附塔交替自动切换工作[5]。