探析造纸厂沼气回收发电项目的环境影响
摘要：2017年1月发布的《国务院关于印发“十三五”节能减排综合工作方案的通知》中指出，在造纸厂中推行清洁生产不但可以减少对环境的污染，而且可以提高产品质量。故造纸厂在生产过程中对大气环境、水环境、土壤环境等都会产生污染，但在治理这些环境污染的同时可以通过提升污染治理工艺的技术水平，将隐藏在废弃物中的有效资源经简易处理后利用，实现建设单位的资源化再利用。其中废水厌氧处理过程中产生的沼气就是可再生的清洁能源，将厌氧沼气经干燥脱硫后回用于厂内进行发电或供热，可使建设项目达到节能减排效果。
关键词：造纸厂；沼气回收发电；环境工程影响
中图分类号：X829 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）06-0028-01
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.06.015
Abstract： The “Notice of the State Council on Printing and Distributing a Comprehensive Work Plan for Energy Saving and Emission Reduction during the Thirteenth Five-Year Plan” issued by the State Council in January 2017 pointed out：The implementation of cleaner production in paper mills will not only reduce environmental pollution but also improve product quality. It is imperative to promote clean production in order to achieve sustainable development strategies， control pollutant emissions， and produce in production. In the production process， paper mills will pollute the atmospheric environment， water environment， noise environment， and soil environment. However， in the treatment of these environmental pollutions， it is also possible to increase the level of pollution control technology and effectively hide the waste. The resources are used after being dealt with simply to realize the resource recycling of the construction unit. The biogas produced during the anaerobic treatment of wastewater is a renewable clean energy. After the anaerobic biogas is desulfurized and dried， it can be used for power generation or heating in the plant， which will enable the construction project to achieve energy-saving and emission reduction effects.
Keywords： Paper mill； Biogas recovery power generation； Environmental engineering impact
1 沼氣的概念及成分
沼气是活性微生物在厌氧、适宜的生长温度、pH值等的条件下，对有机物质进行发酵分解所产生的一种可燃烧气体，密度约为空气的55%，难溶于水。沼气属于二次可再生能源，其组成成分及特性与天然气相似，当空气中含有8.6%～20.8%（按体积计）的沼气时，就会与空气混合形成易爆气体[1]。沼气主要由50%～80%甲烷（CH4）、20%～45%二氧化碳（CO2）、0.0%～10%的氢气（H2） 与0.01%～0.07%硫化氢（H2S）等气体组成。由于沼气中含有少量H2S，所以略带臭鸡蛋味[2]。
2 沼气回收发电的工艺流程
造纸厂在纸浆造纸的生产加工过程中有大量的废水产生，该废水中的COD、BOD浓度较高，可生化程度较大，大多数利用厌氧+好氧生化处理工艺联合治理。在对造纸废水进行厌氧处理时会有沼气产生，目前大多数造纸厂直接采用火炬燃烧的模式来处置生产废水治理过程中产生的沼气，没有得到资源化利用。
由于废水厌氧处理过程中产生的沼气可以收集预处理后直接回收用于燃烧发电或者供热，1m3沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7kg无烟煤提供的热量，综合利用后可减少厂内的能源消耗，节约成本。
图1 某造纸厂废水厌氧处理产生的沼气回收发电工艺图
某造纸厂废水厌氧处理产生的沼气回收发电工艺说明：（1）废水治理设施中的厌氧塔在厌氧处理过程中产生的沼气经加压风机加压推进气液分离器中干燥气体，减少沼气从厌氧塔中所带出的水分，该过程有干燥冷凝水产生；（2）干燥后的沼气进入脱硫塔中进行湿式催化氧化脱硫去除沼气中少量的 H2S，减轻 H2S在燃烧过程中产生的SO2，该过程中有脱硫废水产生；（3）预处理去H2S后的沼气暂存在沼气柜中，使用时进入沼气发电机中燃烧发电[3]。
3 环境影响分析及防治措施
3.1 水环境的影响分析及防治措施
由于沼气从厌氧塔中加压逸出时会有少量游离水带出，在脱硫前需要进行气液分离将其中的少量游离水分离干燥，气体干燥过程中游离水蒸气聚积起来冷凝成水，经收集后转移至厂区内污水处理设施中进行统一处理，无需新建废水处理设施，不会增加项目内废水产生量及排放量。在沼气湿法脱硫工序中产生的废水主要为含盐废水，其主要成分有碳酸钠、碳酸氢钠、硫代硫酸钠等，可经沉淀后循环使用，不外排，不会对周边环境造成影响。
3.2 大气环境的影响分析及防治措施
本案例中的造纸厂废水厌氧处理过程中产生的沼气主要用于燃烧发电，供应厂区内人们生产生活使用。造纸厂内设有2台500kW燃沼气发电机，沼气燃烧过程中会产生燃烧废气，其主要污染物为 SO2、NOx和烟尘。由于沼气属于清洁能源，其组成成分类似于天然气，故其污染物的产生浓度较低，可以经由排气筒引至高空直接排放，排放浓度达到《火电厂大气污染物排放标准》（ GB13223-2011）表2中以气体为燃料的锅炉或燃气轮机组特别排放限值，不会对周围环境造成明显影响。
4 沼气回收发电效率及环境效益分析
本案例中的造纸厂沼气回收发电项目主要对废水厌氧处理工艺配套沼气回收发电系统，对厌氧塔中产生的沼气进行简易干燥脱硫后输送到厂区内燃沼气发电机中进行燃烧发电，供应厂区内人们生产生活使用，减少企业的用电负荷，以达到资源化利用的目的，节约成本。厌氧塔处理生产废水的过程中沼气产生量是依据废水的处理水量以及废水处理前后需氧量（COD）浓度计算而来，在正常的厌氧工艺运行条件下，V沼气=0.538QSr（式中：V沼气为沼气产量，m3/d；Q为进料流量，m3/d；Sr为去除的COD，kg/m3）。
根据本案例中的造纸厂提供数据，项目的废水进料量为：5000m3/d；COD的处理前浓度按3150mg/L计，处理后浓度按900mg/L计。
则V沼气=0.538×5000×（（3150-900）×10-3）=6052.5m3/d，取整为：6053m3/d。
根据资料显示，每1m3沼气可发电约1.8 kW·h，则项目每天发电的量为：10895.4kW·h，即每年（以年工作330天计算）发电量约359.55万kW·h。 故项目每年可节省企业市政用电约359.55万kW·h。沼气属于低碳清洁燃料，其温室气体排放因子远低于日常使用的化石燃料，且厂内废水厌氧处理工艺产生的沼气经湿法催化氧化脱硫后去除了硫化氢成分，减轻了在燃烧发电过程中产生SO2而造成大气污染。根据2014年公布的《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014～2020年）》，到2020年，现役燃煤发电机组改造后平均供电煤耗低于310g/kW?h [4]，以本例中的造纸厂沼气回收发电项目年发电359.55万kW·h计算，理论上该造纸厂沼气发电系统每年节省煤炭约1114.6 t [4]。
5 结语
通过对造纸厂生产废水厌氧处理后沼气回收发电项目的环境影响评价分析，了解到沼气在燃烧发电过程中基本对水环境不会产生不良影响，对大气、声环境会产生少量的不良影响，但通过相应的环境治理措施后可达标排放，减轻对环境的污染。由于废水厌氧处理工艺在生产生活中已得到广泛利用且运行稳定，在该治理过程中所产生的沼气属于可再生的清洁能源，建设单位将该部分的沼气收集以后经脱水、脱硫后可直接用于厂区内的能源供应，起到有效的节能减排效果。若将沼气回收综合利用推广到各行业的废水处理中，必可节省化石燃料的使用，降低SO2、氮氧化物的排放，缓解自然资源消耗的压力和减轻对自然环境的不良影响。
参考文献
[1]国务院.国务院关于印发“十三五”节能减排综合工作方案的通知[S].
[2]鲁楠.新能源概论[D].北京：中国农业出版社，1997.175.
[3]杨晓凯，造纸废水厌氧处理产沼气发电[J].环境污染与防治，2010，（3）：44.
[4]中华人民共和国国家发展和改革委员会[C].煤电节能减排升级与改造行动计划，2014.
收稿日期：2018-04-19
作者簡介：陈慧珊（1989-），女，本科，中级工程师，研究方向为环境影响评价。
关键词：造纸厂；沼气回收发电；环境工程影响
中图分类号：X829 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）06-0028-01
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.06.015
Abstract： The “Notice of the State Council on Printing and Distributing a Comprehensive Work Plan for Energy Saving and Emission Reduction during the Thirteenth Five-Year Plan” issued by the State Council in January 2017 pointed out：The implementation of cleaner production in paper mills will not only reduce environmental pollution but also improve product quality. It is imperative to promote clean production in order to achieve sustainable development strategies， control pollutant emissions， and produce in production. In the production process， paper mills will pollute the atmospheric environment， water environment， noise environment， and soil environment. However， in the treatment of these environmental pollutions， it is also possible to increase the level of pollution control technology and effectively hide the waste. The resources are used after being dealt with simply to realize the resource recycling of the construction unit. The biogas produced during the anaerobic treatment of wastewater is a renewable clean energy. After the anaerobic biogas is desulfurized and dried， it can be used for power generation or heating in the plant， which will enable the construction project to achieve energy-saving and emission reduction effects.
Keywords： Paper mill； Biogas recovery power generation； Environmental engineering impact
1 沼氣的概念及成分
沼气是活性微生物在厌氧、适宜的生长温度、pH值等的条件下，对有机物质进行发酵分解所产生的一种可燃烧气体，密度约为空气的55%，难溶于水。沼气属于二次可再生能源，其组成成分及特性与天然气相似，当空气中含有8.6%～20.8%（按体积计）的沼气时，就会与空气混合形成易爆气体[1]。沼气主要由50%～80%甲烷（CH4）、20%～45%二氧化碳（CO2）、0.0%～10%的氢气（H2） 与0.01%～0.07%硫化氢（H2S）等气体组成。由于沼气中含有少量H2S，所以略带臭鸡蛋味[2]。
2 沼气回收发电的工艺流程
造纸厂在纸浆造纸的生产加工过程中有大量的废水产生，该废水中的COD、BOD浓度较高，可生化程度较大，大多数利用厌氧+好氧生化处理工艺联合治理。在对造纸废水进行厌氧处理时会有沼气产生，目前大多数造纸厂直接采用火炬燃烧的模式来处置生产废水治理过程中产生的沼气，没有得到资源化利用。
由于废水厌氧处理过程中产生的沼气可以收集预处理后直接回收用于燃烧发电或者供热，1m3沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7kg无烟煤提供的热量，综合利用后可减少厂内的能源消耗，节约成本。
图1 某造纸厂废水厌氧处理产生的沼气回收发电工艺图
某造纸厂废水厌氧处理产生的沼气回收发电工艺说明：（1）废水治理设施中的厌氧塔在厌氧处理过程中产生的沼气经加压风机加压推进气液分离器中干燥气体，减少沼气从厌氧塔中所带出的水分，该过程有干燥冷凝水产生；（2）干燥后的沼气进入脱硫塔中进行湿式催化氧化脱硫去除沼气中少量的 H2S，减轻 H2S在燃烧过程中产生的SO2，该过程中有脱硫废水产生；（3）预处理去H2S后的沼气暂存在沼气柜中，使用时进入沼气发电机中燃烧发电[3]。
3 环境影响分析及防治措施
3.1 水环境的影响分析及防治措施
由于沼气从厌氧塔中加压逸出时会有少量游离水带出，在脱硫前需要进行气液分离将其中的少量游离水分离干燥，气体干燥过程中游离水蒸气聚积起来冷凝成水，经收集后转移至厂区内污水处理设施中进行统一处理，无需新建废水处理设施，不会增加项目内废水产生量及排放量。在沼气湿法脱硫工序中产生的废水主要为含盐废水，其主要成分有碳酸钠、碳酸氢钠、硫代硫酸钠等，可经沉淀后循环使用，不外排，不会对周边环境造成影响。
3.2 大气环境的影响分析及防治措施
本案例中的造纸厂废水厌氧处理过程中产生的沼气主要用于燃烧发电，供应厂区内人们生产生活使用。造纸厂内设有2台500kW燃沼气发电机，沼气燃烧过程中会产生燃烧废气，其主要污染物为 SO2、NOx和烟尘。由于沼气属于清洁能源，其组成成分类似于天然气，故其污染物的产生浓度较低，可以经由排气筒引至高空直接排放，排放浓度达到《火电厂大气污染物排放标准》（ GB13223-2011）表2中以气体为燃料的锅炉或燃气轮机组特别排放限值，不会对周围环境造成明显影响。
4 沼气回收发电效率及环境效益分析
本案例中的造纸厂沼气回收发电项目主要对废水厌氧处理工艺配套沼气回收发电系统，对厌氧塔中产生的沼气进行简易干燥脱硫后输送到厂区内燃沼气发电机中进行燃烧发电，供应厂区内人们生产生活使用，减少企业的用电负荷，以达到资源化利用的目的，节约成本。厌氧塔处理生产废水的过程中沼气产生量是依据废水的处理水量以及废水处理前后需氧量（COD）浓度计算而来，在正常的厌氧工艺运行条件下，V沼气=0.538QSr（式中：V沼气为沼气产量，m3/d；Q为进料流量，m3/d；Sr为去除的COD，kg/m3）。
根据本案例中的造纸厂提供数据，项目的废水进料量为：5000m3/d；COD的处理前浓度按3150mg/L计，处理后浓度按900mg/L计。
则V沼气=0.538×5000×（（3150-900）×10-3）=6052.5m3/d，取整为：6053m3/d。
根据资料显示，每1m3沼气可发电约1.8 kW·h，则项目每天发电的量为：10895.4kW·h，即每年（以年工作330天计算）发电量约359.55万kW·h。 故项目每年可节省企业市政用电约359.55万kW·h。沼气属于低碳清洁燃料，其温室气体排放因子远低于日常使用的化石燃料，且厂内废水厌氧处理工艺产生的沼气经湿法催化氧化脱硫后去除了硫化氢成分，减轻了在燃烧发电过程中产生SO2而造成大气污染。根据2014年公布的《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014～2020年）》，到2020年，现役燃煤发电机组改造后平均供电煤耗低于310g/kW?h [4]，以本例中的造纸厂沼气回收发电项目年发电359.55万kW·h计算，理论上该造纸厂沼气发电系统每年节省煤炭约1114.6 t [4]。
5 结语
通过对造纸厂生产废水厌氧处理后沼气回收发电项目的环境影响评价分析，了解到沼气在燃烧发电过程中基本对水环境不会产生不良影响，对大气、声环境会产生少量的不良影响，但通过相应的环境治理措施后可达标排放，减轻对环境的污染。由于废水厌氧处理工艺在生产生活中已得到广泛利用且运行稳定，在该治理过程中所产生的沼气属于可再生的清洁能源，建设单位将该部分的沼气收集以后经脱水、脱硫后可直接用于厂区内的能源供应，起到有效的节能减排效果。若将沼气回收综合利用推广到各行业的废水处理中，必可节省化石燃料的使用，降低SO2、氮氧化物的排放，缓解自然资源消耗的压力和减轻对自然环境的不良影响。
参考文献
[1]国务院.国务院关于印发“十三五”节能减排综合工作方案的通知[S].
[2]鲁楠.新能源概论[D].北京：中国农业出版社，1997.175.
[3]杨晓凯，造纸废水厌氧处理产沼气发电[J].环境污染与防治，2010，（3）：44.
[4]中华人民共和国国家发展和改革委员会[C].煤电节能减排升级与改造行动计划，2014.
收稿日期：2018-04-19
作者簡介：陈慧珊（1989-），女，本科，中级工程师，研究方向为环境影响评价。
