出　　自： 《中國給水排水》 1990年第2期第44頁
發表時間： 1990-2

馮生華

( 天津市市政工程勘測設計院)

為了消除水環境污染，污水處理廠的建設已日益引起人們的重視。建設污水處理廠需大量資金，建成投產后的電力消耗也相當可觀。因此，如何降低污水處理廠的造價和節省運行費用，是目前大家關心的問題。國外有的污水處理廠一方面采用微孔曝氣和溶解氧自控裝置減少電耗，另一方面采用高效率污泥消化池提高沼氣產量并提高沼氣的利用效率，使污水處理廠的電力消耗自給率達90%以上。因此，目前沼氣發電余熱回收已經被不少污水處理廠的設計采用。但是，也有一部份專家認為“沼氣發電量和設備投資相比不經濟。”為此，筆者試以氣溫較低的華北地區某污水處理廠設計對沼氣發電量進行分析，以對此進行探討。
某污水處理廠地處華北地區，全年各月氣溫及污泥溫度見表1。
表1

該廠日產污泥2460m 3 ，污泥含水率96%，污泥中揮發成份含量55%，消化過程中有機物降解率最低值為30%時，單方污泥產沼氣5.4m 3 ，日產沼氣最低為13，300m 3 。如果有機物降解率提高后，預期日產沼氣可達24，354m 3 ，即單方污泥產沼氣9.9m 3 。這從國內外消化池的運行經驗中可以得到證明，只要消化池溫度控制好，污泥攪拌充分，單方污泥的產氣率的提高是可以得到保證的。由於該污水處理廠從國外引進沼氣鍋爐及全套沼氣攪拌裝置，使污泥加熱得到保證，同時從沼氣攪拌裝置的“鋰元素攪拌效果試驗結果”中可證明:在消化池任意點投入鋰元素后，經過沼氣攪拌30分鐘后，實測結果，全池鋰元素分布已十分均勻。因此，可以預期單方污泥的產氣率將遠遠超出5.4m 3 。但為說明問題，本文仍先以單方污泥產沼氣5.4m 3 進行分析。

一、消化池的需熱量

消化池污泥主要用沼氣發電機的余熱進行加熱，余熱不足時，用沼氣鍋爐的熱量進行補充。有關設計參數如下:

中溫二級消化 33～35℃
消化池直徑 28.8m
一級消化池 4座
二級消化池 1座
全年氣溫 0.5～30.4℃
全年泥溫 10.3～26.6℃

消化池全年各月每日總需熱量的計算，見表2。
表2

消化池的最大需熱量是在每年的二月份，每日需供熱57920×10 3 KCaL；最小需熱量在每年的八月份，每日需供熱16027×10 3 KCaL。

二、沼氣發電機及沼氣鍋爐的不同組合工況

污水處理廠共引進沼氣發電機5臺，每臺發電機功率為284kw，用沼氣138m 3 /h，四臺工作一臺備用；沼氣鍋爐4臺，每臺供熱750×10 3 KCaL/h，三臺工作一臺備用。
從表3中可知，工況一、二、三的沼氣用量接近每日產氣量13300m 3 ，唯工況四的沼氣用量略為超過。其所需沼氣量14256m 3 /d折合污泥單方產氣率為5.8m 3 。從天津紀莊子污水處理廠運行經驗來看，1987年該廠消化池全年處理污泥235，962m 3 ，(含泥6.09%)在沼氣攪拌不充分的情況下，全年總產沼氣1，118，143m 3 ，折合單方產氣率為4.74m 3 。所以，如加強攪拌，提高管理水平，單方污泥產氣率提高至5.8m 3 是完全可能的。
現將幾種污泥的產氣率進行比較之，見表4。

三、全年發電量及年收益

表3

根據以上分析，全年6～9月，發電機余熱供污泥加熱已有富裕，而每年冬季則需開2～3臺沼氣鍋爐才能滿足污泥加熱的需要。
再將全年各種運行工況的發電量說明如表6。
電價計取較為復雜，現僅取基本電價0.12 元/度計算，則一年發電收益可達6，134，400×0.12=736，128元。發電機設備費620萬元，年大修費率取1.25%，扣去大修費用，年凈收益為658，628元。
再將發電機各種工況的余熱回收效益說明之，見表7。
表5

按市場燃煤價格每噸45元折算，每千克燃煤的熱量為5000KCaL，鍋爐效率取70%，則每千克燃煤實得熱量為3500KCaL，每噸燃煤可得熱量為3500×10 3 KCaL。全年發電機余熱回收的總熱量折算成燃煤為7，387，200÷3500=2110.63噸，價值94，978元。
表6

表7

兩項共計年凈收益753，606元。按n=14 年進行總收益貼現，貼現率為8%，則貼現系數，總收益貼現后為753，606元×8.244=6，212，727元。故設備費最晚14年即可回收。

四、關于沼氣發電效益的分析

從以上分析中可見影響效益的主要因素是污泥溫度和沼氣產量，如按外商測算的沼氣預期產量24，354m 3 /d組合沼氣發電機和沼氣鍋爐的運行工況，則沼氣發電的效益將更為顯著。
計算表明，由于余熱回收，沼氣鍋爐即使在冬季極端低溫達-23℃時也只需運行2臺就可以了，而沼氣用量僅為20544m 3 /d，為測量預期產氣量24354m 3 /d的84%。實際運行中，極端最低氣溫出現的機率極小，出現時其歷時也很短，一般氣量儲備充足就可應付。因此，五臺發電機有四臺可全年發電，全部設備費不到七年即可回收。可見沼氣發電不是得不償失，而是有很高的經濟效益的。況且目前電力不足是普遍問題，每度電的效益遠遠超出0.12元。增產電力不僅有巨大的經濟效益，更有其重要的社會效益。因此，筆者認為在華北地區設計污水處理廠時，采用沼氣發電是可取方案之一。當然，用沼氣內燃機帶動鼓風機，并進行余熱回收，節省電力，也是可取的方案。在一些發達國家，沼氣發電是沼氣利用的方案之一，英國最大的貝克登污水處理廠和法國最大的阿謝爾污水處理廠，都設有沼氣發電設備。英國貝克登污水處理廠沼氣發電功率達8000kW，發電的電力可滿足廠內用電量的50～60%。建議對沼氣發電的下列優點應在污水處理廠的設計中加以考慮。
表8

1.沼氣發電的電力與電網并網運行后可以保證污水處理廠的供電不會中斷，改變目前污水處理廠因中斷供電產生的許多問題，如微孔曝氣堵塞問題，污水溢流問題等。對提高系統的管理水平，延長設備的使用年限，都有好處。
2.沼氣用于發電并回收余熱，比沼氣用作鍋爐燃料，其收益相差很多。前述污水處理廠進口設備技術參數表明，每m 3 沼氣用于發電的收益為0.27元，而用作鍋爐燃料的收益僅0，06 元，兩者差4.5倍。
3.目前由于工農業生產的發展和人民生活水平的提高，各地電力普遍緊張，沼氣發電在運行管理、設備維護及環境保護等方面都優于一般用煤作燃料的火力發電。而每度電的社會效益將是很高的，國外一些污水處理廠將沼氣一部份用于內燃機直接帶動鼓風機，一部份用來發電，能源基本自給。有的國家，在用電高峰，電價高出平時一倍以上，污水處理廠在用電高峰根本不用外電網的電，不與社會爭電，其社會效益更為可觀。
4.為了節能，用溶解氧控制曝氣系統的供氣量已被廣為采用，而控制鼓風機的供氣量以達到節省電源的目的，其方法一是改變鼓風機的轉速，或是利用鼓風機的進風導葉片改變進風角度來控制供氣量，這是發達國家污水處理廠在用沼氣內燃機帶動鼓風機之外另設一部份用電動機帶動的鼓風機的原因之一。對實現鼓風機供氣量控制的自控系統來說，鼓風機的供油、進風、防喘振機構等最好采用電動機作動力最為有利。
總之，沼氣利用的途徑較多，發電并非是唯一選擇，應結合當地具體情況進行經濟比較。但對前述污水處理廠來說，沼氣發電的經濟效益是明顯的。至於設備能否正常運行，熱回收效率是否能達到預計的要求等，在外商的供貨合同中已做保證，不再贅述。