污水厂变“发电厂”？污水厂沼气发电系统性设计
北京市城区内建设的5座污泥处置中心已陆续全部投入使用，沼气产量稳步提升，急需扩大沼气利用规模，充分发挥沼气能源价值。通过分析污泥产气率、产气量等，确定沼气利用规模；探讨多种沼气利用形式，确定采用沼气发电的方式。根据发电机对燃气特性的要求和气源性质，确定生物脱硫+一级增压+干式脱硫+二级增压+除硅氧烷的沼气处理工艺路线。
2020年9月中国提出了双碳承诺，2021年10月发布了《2030年前碳达峰行动方案》，水处理行业应该积极拓宽思路，主动寻求碳减排方法，为我国实现双碳承诺做出贡献。北京市在水处理方面较早确定了污泥资源化，沼气利用的方向，为污水处理碳减排奠定基础。
根据北京市政府发布的《加快污水处理和再生水利用设施建设三年行动计划（2013~2015年）》方案，北京市城区内建设了5座污泥处置中心，总处理能力6 128t/d，均采用热水解-厌氧消化-板框脱水工艺，其中3座为全新设计，其余2座是在现况污泥处理设施的基础上进行升级改造，本文主要研究的北京市某大型污水处理厂（A厂）属于升级改造项目。目前5座污泥处置中心全部投入运行，A厂沼气产量较改造前至少有1~2倍的提升，现况沼气利用设施能力与沼气产量不匹配，急需扩大沼气利用规模，充分发挥沼气清洁能源的优势，打造绿色节能水厂，深挖碳中和运行潜力。
01 气量分析
A厂升级改造后的污泥处理工艺流程见图1，设计污泥处理能力为180 t DS/d，900t/d（含水率80%）。通过对A厂运行数据进行分析可知，污泥处理量（见图2）接近设计值，且有逐年升高的趋势；对应的产气率分析见图3，通过污泥热水解，污泥产气率有大幅提升。根据污泥有机物含量的检测情况看，冬季污泥有机份含量较高，最高可达70%以上，夏季为50%上下，且夏季5月、6月雨水较少，运行温度平稳，利于产气，所以冬季1月份和夏季5月份、6月份产气率较高，最高可达360m³/t DS，全年平均产气率约为310m³/t DS。
A厂沼气利用工程的目标是沼气全部利用，即产量峰值时也无沼气燃烧，废气燃烧器仅在设备维修等特殊情况下使用。故沼气利用工程的设计产气率为360m³/t DS，设计泥量为180 t DS/d，总设计沼气产量约为6.5万m³/d，与实际产气量（见图4，三角代表平均值）对比，设计涵盖率高，产期量波动大时，气柜进行调节。
A厂泥区升级改造时，新增热水解工艺，污泥热水解需要蒸汽，由现况蒸汽锅炉利用沼气作为能源产生蒸汽，保障生产。根据热水解工艺蒸汽消耗1.1t/tDS计算，平均每日热水解约消耗沼气2万m³/d，故作为新建沼气利用工程的设计气量为4.5万m³/d。
02 沼气利用形式
沼气利用形式较多，常见的有沼气提纯、沼气发电、沼气拖动鼓风机、沼气锅炉等。现况厂内存在两种沼气利用形式，沼气锅炉和沼气拖动鼓风机。3台6t/h的沼气锅炉为热水解提供蒸汽，3台3.1万m³/h沼气拖动鼓风机为生物池提供部分空气。
2.1 沼气拖动鼓风机
如果设计气量4.5万m³/d沼气全部采用拖动鼓风机的利用形式，根据该厂运行经验数据24m³/d的沼气对应90m³/h的曝气量，4.5万m³/d沼气可推动鼓风机气量约16.9万m³/h。由图5可知，A厂2018-2019年的实际曝气量远小于16.9m³/h，结合厂内的精确曝气改造，曝气量有下降趋势。这个方案显然达不到沼气全利用的目的，且沼气发动机拖动鼓风机运行，损失部分能量，综合能源利用率为55%~65%。现况厂内运行的沼气拖动鼓风机设备维修频率高，维护费用贵，市场设备品类少，所以不推荐沼气拖动鼓风机的利用形式。
2.2 沼气锅炉
全厂用热主要分为两部分，热水解工艺生产用热和冬季水区泥区的采暖用热。全年热量需求波动大，冬季最高总用热量约为6.5MW，6.5万m³/d的沼气量折算能量约为16.8MW，远高于厂内用热需求，故不推荐沼气锅炉的利用形式。
2.3 沼气提纯
沼气提纯是常用的沼气利用方式，沼气中成分主要是50%～70%CH4、25%～45%CO2及少量N2、H2S和H2O，其中CO2是影响沼气使用效果的最主要因素。浓度大于92%的甲烷气体符合《天然气》（GB 17820-2018）要求，从而可能并入天然气管网。但沼气提纯利润与发电相比较低，提纯后的产品厂内无法自己消化，且并网准入困难，故本工程不采用沼气提纯。
2.4 沼气发电
污水处理厂的用电特点是，用电量最大的设备集中在进水泵和鼓风机，占全厂用电量的约1/3，水区总用电负荷约为10.98MW，现况光伏发电能力为4.7MW,其余电量均需购买市电，且光伏发电不稳定，故需要大量电能。若采用沼气发电，发电量平稳，电能“反哺”水厂，降低外购电成本，还可并网上网，使用灵活，可取得明显的经济效益、环保效益和社会效益。
根据设计气量4.5万m³/d，沼气计算热值5 350千卡/m³（甲烷含量65%），发电效率按40%计算，装机规模为4.7MW，结合设备机型特点，确定采用4台1.2MW的沼气发电机。由图6可知，沼气发电的综合能源利用率可达80%，除产生电能外，利用烟气废热生产蒸汽，减少热水解沼气锅炉沼气用量；回收缸套水中冷水热量，满足厂区供暖需求；与常规的燃气锅炉或直燃机供热制相比，具有能源梯级利用，经济性好的特点，故本次工程采用沼气发电的利用形式。
03 沼气预处理
沼气发电机内部有较为精细的机械零件，对沼气特性有一定要求。在发电机燃烧做功的过程中，沼气内的H2S对发动机有强烈的腐蚀作用，且燃烧后产生SO2，对环境有不利影响，同时要去除沼气中的饱和水，调整气体压力，去除杂质灰尘等，才满足沼气发电机的进气要求。值得注意的是，沼气中的微量硅氧烷在发电机中燃烧时会被转化为微晶二氧化硅，严重损害沼气发电机的稳定高效运行，故去除硅氧烷也是保证平稳运行不可缺少的环节。沼气预处理可总结为脱硫、调压、除湿、除杂、去硅氧烷。
3.1 沼气预处理工艺路线
工艺路线的确定与现况设备设施情况有很大关系，例如气柜的形式，厌氧消化池的耐受压力，现况脱硫、除杂设备情况，现有设施的位置等，均会影响调压方案（是一次增加还是两次增压，每次增加的压力值）和处理设施放置的先后顺序。以A厂为例，现况沼气工艺路线见图7，结合实际情况本工程确定的沼气工艺路线见图8，图中所示压力值为理论计算作为参考，运行时可根据实际情况调整。
本次改造主要增加生物脱硫、增压和去硅氧烷设备。改造后，生物脱硫和干式脱硫共同承担脱硫任务，降低脱硫成本（与仅干式脱硫相比，联合脱硫的运行成本降低一半以上）。两次增压主要是为了控制沼气输送管道的压力不高于现况冷凝水罐的水封，否则改造量增加，影响现况生产运行。硅氧烷的去除主要为保护发电机稳定运行，降低故障率。
由于A厂的气柜形式为干式钢制气柜，具有较高的承压能力，所以生物脱硫放在一次增压的前面，充分利用沼气压力。经了解，某水厂气柜为双模气柜，由于承压能力及现况运行压力较低，故要先进行一级增压，再进行生物脱硫。在工程允许的情况下，尽量先脱硫，减小对后续工艺管道、气柜等设备的腐蚀。
制定工艺路线也需要考虑现况气柜的位置，当气柜处在工艺路线的中间时，气柜之前的设施为保证处理效果，处理能力需满足峰值气量，若沼气从消化池直接进气柜，且无条件改造时，后续设备的处理能力可适当降低，充分发挥气柜的调蓄作用。
3.2 沼气脱硫
根据《沼气电站技术规范》，当甲烷含量为50%~60%时，硫化氢含量要求不高于250mg/Nm³（约180 ppm），当甲烷含量不小于60%时，硫化氢含量要求不高于300mg/Nm³（约216 ppm）。A厂沼气的甲烷含量为55%~70%，结合现况沼气含硫量本底值、对管道设备保护及运行成本等因素，A厂设计要求是通过脱硫工艺后，沼气硫化氢含量控制在不高于50 ppm。
A厂现况脱硫方式仅为干式脱硫，原设计进口硫化氢浓度小于1 000 ppm，处理后沼气硫化氢浓度小于50 ppm。干式脱硫实测进出口沼气含硫量见图9，进气浓度经常超过设计值，出气浓度随进气浓度波动，有些未达到设计标准。A厂采用的干式脱硫为氧化铁法，当新填料开始用时，处理效果较好，但无法控制出气含硫量，随着使用时间的延长，去除效果越来越差，直至不满足出气标准，更换填料。泥区热水解改造后，实际产生的沼气量比设计值更高，脱硫填料更换频繁，基本每月更换全部填料，一次更换成本约50万元，费用较高。
基于现况情况，此次发电项目在干式脱硫前增设生物脱硫，生物脱硫的工艺见图10。沼气首先进入洗涤塔，在洗涤塔中与洗涤水（含NaOH）混合并分离，在弱碱性条件下去除H2S和CO2。吸收了H2S的洗涤水进入微曝气生物反应器，好氧硫细菌将硫氢化钠氧化成单质硫并恢复碱度，含NaOH的洗涤水回流至洗涤塔中再次利用，分离出来的硫污泥被转移出来以供进一步使用或处理。沼气通过生物脱硫后，H2S含量可降至200 ppm，干式脱硫再将H2S含量处理至50 ppm，这样大大降低了药剂的使用量，节约成本，两级脱硫，保证处理效果，为后续沼气利用提供更优良的气质，保障稳定生产。
3.3 沼气增压
发电机对沼气压力的要求约为8~20 kPa，不同品牌的设备略有不同，结合A厂现况运行情况，制定增压方案。A厂设计为两级增压方案，一级增压约5 kPa，目的是克服干式脱硫阻力和维持管道一定正压，厂区大部分沼气管线的压力均不超过7 kPa，保证安全输送，同时考虑现况水封高度。在发电机房外设置二级增压，增压约15 kPa，将沼气压力增大到发电机的需求值，这样最大限度保证沼气的安全转输和使用。
一级增压的工艺流程为：进气-初级过滤器-开压-降温除水-出气，沼气首先经过初级过滤器，去除大颗粒杂质，控制灰尘粒径小于30μm，进行升压后沼气温度升高，高温对后续处理尤其是生物脱硫影响较大（某些处理厂生物脱硫在一级增压后），最后沼气与冷却水进行热交换，降低沼气温度和湿度。二级增压的工艺流程为：进气-初级过滤器-降温降水-升压-降温降水-精密过滤-出水，沼气首先经过30μm的初级过滤器，去除大颗粒杂质，然后进入水-沼气换热器，将沼气从40℃降至20℃，产生的冷凝水从换热器底部排出，细小液滴随气流在旋风分离器中被去除，升压后的沼气通过3μm精密过滤器，达到发电机入口要求。
3.4 硅氧烷去除
沼气中的硅氧烷主要来自于厌氧消化过程中未被分解的化合物，这些化合物主要来自于化妆品、洗涤剂、建筑材料、纸张涂料、纺织品、药品等。硅氧烷燃烧转化成微晶二氧化硅，具有和玻璃相似的化学和物理特性，会使润滑油失活，还会沉积在发动机燃烧室内壁和活塞、阀门等发动机部件的表面，阻碍热传导并磨损发动机，大大缩短设备维修间隔和使用寿命，增加运行成本。
根据图11可知，A厂沼气中硅氧烷含量远超发电机进气要求，故硅氧烷的去除是必不可少的。目前去除方法有吸附法、吸收法、低温冷凝法、生物法、催化法及膜分离等，其中活性炭吸附法是应用最普遍成熟的，缺点是活性炭无法就地再生而得不到重复利用。
A厂拟采用吸附法，吸附剂为有机聚合物，其特点为可再生。每套设备含两条处理线，当a线吸附工作时，b线对吸附剂进行吹扫、加热再生、冷却和充压待切换4个步骤，两条处理线交替工作。这种方式降低处理成本，减少吸附剂使用量。
04 沼气系统设计要点
沼气系统设计必须要有系统思维，尤其是改造项目，需要充分了解实际运行情况，在气量、气压、气质处理等方面与现况设备结合，实现多种运行方式灵活切换。第一，确定合理的工艺路线是最重要的，需要考虑现况各工艺节点的运行压力，脱硫情况，现有设施和新建建构筑物位置关系，厂区管线等因素；第二，注重沼气的预处理十分必要，沼气温度、湿度、硫含量、杂质含量和尺寸都会对利用设施产生影响；第三，运行灵活度、成本与收益是运行阶段最关注的问题，例如该厂干湿脱硫结合，大大降低运行成本，在设计时充分与运行人员交流，得到生产一线的反馈，这些在设计时容易忽略。在该工程设计时，总结了以下几点设计细节：
沼气管道在厂区内有露天高架部分也有埋地时，管道内沼气温度易降低，尤其在冬季，注意增加排除冷凝水措施。
适当加大沼气管径，增加调蓄容量，增强系统运行稳定性。
根据沼气利用方式的不同，对沼气压力要求不同，本项目增设一级增压和二级增压，导致厂区沼气管线压力变化，现况水封高度需注意是否满足改造后沼气压力的要求。
一级增压、二级增压系统等设备为成套供货，但仍要注意厂家电气设计是否符合《爆炸危险环境电力装置设计规范》的要求，注意爆炸危险区域划分和爆炸性气体环境危险区域范围。
改造项目在设计管线时，尤其是沼气管线，注意与现况管线勾头点的减少，对正常生产的影响降到最低，并且在设计层面考虑实现多种运行方式的切换，增加运行管理灵活性。
05 结 论
通过分析A厂沼气产量和使用量，确定沼气利用工程规模是4.5万m³/d。结合厂内情况，政策导向和技术特点，确定沼气发电的利用方式。根据发电机对燃气特性要求，确定沼气预处理工艺路线为“脱硫、调压、除湿、除杂、去硅氧烷”，保证沼气处理后含硫量小于50 ppm，增压至8~20 kPa，相对湿度小于80%，杂质粒径不大于3μm，硅氧烷含量不高于5mg/m³，为实现发电机稳定运行打好基础。根据2018至2019年实际产气量进行测算，该厂可发电量约2 200万kW·h，每年能减排约1.3万t二氧化碳。
致谢：感谢北京市排水集团、北排建设团队对沼气发电设计方案提供的运行经验与相关技术支持。