——Tomando Beijing como ejemplo.
Zhang, Chen*, Zheng Guodi,
Centro de Restauración Ambiental, Instituto de Ciencias Geográficas y Recursos Naturales, Academia China de Ciencias, Beijing 100101.
Tomando Beijing como ejemplo, se estimaron los costos del vertedero de lodos urbanos, la incineración y el tratamiento y eliminación de compost bajo diferentes precios de electricidad y distancias de transporte. Sobre esta base se discutieron las perspectivas de diversas opciones de tratamiento y eliminación y se proyectó la salida al tratamiento y eliminación de lodos en Beijing. Los vertederos de lodos seguirán siendo el principal método de tratamiento y eliminación durante un cierto período de tiempo, pero su proporción disminuirá gradualmente; el compostaje es un método de tratamiento y eliminación económicamente viable y adecuado para su promoción; Con la mejora de la solidez económica y el nivel técnico, el método de incineración se puede aplicar a lugares especiales individuales. Al mismo tiempo, se analizó el impacto de los subsidios gubernamentales en la eficiencia del tratamiento y eliminación de lodos.
Palabras clave: lodos urbanos; costo de eliminación; vertedero; incineración; compost
Número de clasificación de la Biblioteca de China: X703 Número de identificación del documento: A Número de documento: 1672-2175 (2006) 0234-05
Los lodos urbanos son un subproducto del tratamiento de aguas residuales. Con un contenido de humedad del 97 %, representan entre el 0,3 % y el 0,5 % de las aguas residuales tratadas[1]. el tratamiento avanzado aumentará entre un 50% y un 100%. En la actualidad, el vertido anual de lodos secos en mi país es de aproximadamente 1,3×106 t, y está aumentando a un ritmo aproximado del 10%.
El volumen total de descarga de aguas residuales planificado en Beijing es de 330×104 m3/d, de los cuales el volumen de descarga de aguas residuales urbanas en 2003 fue de aproximadamente 230×104 m3/d[2]. Está prevista la construcción de 14 plantas de tratamiento de aguas residuales. En 2015, se espera que la capacidad de tratamiento de aguas residuales supere los 320×104 m3/d, y la tasa de tratamiento supere el 90%. Para 2008, se construirán nueve nuevas plantas de tratamiento de agua chinas en Beijing. La capacidad de tratamiento avanzado aumentará de la actual 1×104 m3/d a 47,6×104 m3/d, y se eliminarán los lodos urbanos con un contenido de humedad del 80%. producido cada año. El costo del transporte de lodos de la planta de tratamiento de aguas residuales de Gaobeidian, la planta de tratamiento de aguas residuales más grande de Beijing, representa 1/3 de los costos operativos totales de la planta.
La producción masiva de lodos urbanos ha provocado una contaminación secundaria cada vez más grave y se ha convertido en un cuello de botella en la industria del tratamiento de aguas residuales urbanas. Una razón importante para la baja tasa de tratamiento y eliminación de lodos es la limitación de los costos de inversión y operación. Pero hasta ahora no ha habido ningún análisis económico de las diferentes opciones de tratamiento y eliminación de lodos, lo que ha resultado en una gran ceguera en la elección de opciones por parte de diferentes unidades y diseñadores. Tomando a Beijing como ejemplo, se llevó a cabo un análisis económico de varios métodos típicos de tratamiento y eliminación de lodos urbanos para proporcionar una referencia para la selección de tecnologías de tratamiento y eliminación de lodos urbanos.
1 Estimación de costos de tratamiento y disposición de lodos urbanos
1.1 Método de estimación
Basado en 1 t de lodos secos (DS), costo integral = costo de operación + equipo Costo con descuento. Los costos operativos se estiman con base en los métodos de tratamiento y eliminación actualmente maduros.
El efecto de deshidratación mecánica de los lodos de Beijing suele rondar el 80%. Las estimaciones de costos en cada escenario involucran o incluyen tres procesos: incineración, transporte y relleno sanitario. El costo descontado del equipo es de 15 años de uso, la tasa de depreciación anual es del 7%, la tasa de interés social es del 10%, es decir, la tasa de descuento anual es del 17% y el tiempo de trabajo anual del equipo es de 8000 h. Por lo tanto, descuento de equipo = precio del equipo × Índice ×0,17/8000.
1.2 Reglas de estimación
(1) Costo unitario
Vertedero: el costo del vertedero sanitario de residuos domésticos es de aproximadamente 60 ~ 70 yuanes/t, vida útil de compactación. La relación volumen-peso de basura: suelo: lodo es de 0,8: 1: 1, y el costo del vertedero de lodos es de 48 a 56 yuanes/t, por lo que se considera 52 yuanes/t.
Secado: El consumo energético del secado es proporcional a la deshidratación. Cuando la eficiencia térmica del gas es del 85%, la eficiencia térmica de la caldera es del 70% y la pérdida de calor del proceso es del 5%, el consumo de energía de evaporación del agua es de 150 (kW?H)/t y la inversión en equipos para eliminar 1 t de agua por hora es 180×104 yuanes [4].
Incineración: en la actualidad, se utiliza principalmente la tecnología de lecho fluidizado. El costo del equipo para la incineración de 1 t de lodo seco por hora es de 528 × 104 yuanes, y el lodo se reduce en un 60 % en función de la masa seca. . El costo operativo de la incineración es de 24 RMB/t RMB/t, y el consumo de NaOH del tratamiento de gases de combustión es de aproximadamente 37 kg/t, lo que equivale a aproximadamente 128 RMB/t después del descuento [5].
Precio de la electricidad: El precio de la electricidad industrial de Beijing es de 0,278, 0,488, 0,725 yuanes/(kW?h). Según diferentes planes de subvenciones, el precio de la electricidad se fija en 0,30 y 0,60 yuanes/(kW?h). .
Tarifa de transporte: el precio del transporte en Beijing es de 0,45 ~ 0,65 RMB/(t?Km). El lodo es un tipo especial de residuo sólido que requiere camiones especiales para su transporte, y el precio es elevado. . Además, los precios del transporte han seguido una tendencia alcista en los últimos años. Por lo tanto, el flete es de 0,65 RMB/(t? kilómetros).
Además, para el secado y la incineración, se agrega el 30 % del consumo de material, los honorarios de gestión laboral y los honorarios de apoyo de ingeniería civil en función del costo del equipo.
(2) Contenido de humedad de los lodos
Los lodos tienen un alto contenido de materia orgánica y humedad, existiendo una serie de problemas en el vertido. Actualmente, la atención se centra principalmente en las propiedades mecánicas del suelo. Cuando el contenido de humedad es superior al 68%, se debe mezclar con el suelo según la relación m (suelo): m (lodo) = 0,4 ~ 0,6 [6-8]. Cuando el contenido de agua disminuye, las propiedades del lodo cambiarán repentinamente, por lo que los objetivos de deshidratación del vertedero se establecen en 80% y 30%.
El contenido de humedad es un factor clave en el tratamiento de incineración de lodos. El alto contenido de materia orgánica y el bajo contenido de humedad favorecen el mantenimiento de la combustión espontánea, y reducir el contenido de humedad de los lodos es muy importante para reducir los costos de tratamiento y equipos de incineración de lodos. Generalmente, la combustión espontánea puede ocurrir cuando la relación entre el contenido de humedad del lodo y el contenido volátil es inferior a 3,5 [9]. El contenido de materia orgánica del lodo de Beijing es inferior al 45%, por lo que el contenido de humedad del lodo para mantener la combustión espontánea debe ser inferior al 61,2%. Zhu Nanwen resumió varias tecnologías extranjeras de secado térmico de lodos, que pueden secar lodos hasta un contenido de humedad del 10% [10]. El coste global de la incineración de lodos cambia dinámicamente con el grado de secado. Cuanto mayor sea el grado de secado, mayor será el consumo de energía de secado y menores serán los costos operativos y del equipo de incineración. En aras de la simplicidad, este artículo no estima el costo de agregar petróleo pesado con un alto contenido de humedad bajo la premisa de mantener el equilibrio térmico de la combustión del lodo. Por tanto, los objetivos de secado para la incineración de lodos son del 60% y del 10%.
Tabla 1 Descripción general de los vertederos de Beijing [11] La distancia más cercana a la planta de tratamiento de aguas residuales.
Tabla 1 Descripción de vertederos y plantas de tratamiento de aguas residuales
La distancia en línea recta más cercana entre la escala de eliminación del vertedero/(t?D-1) y la planta de tratamiento de aguas residuales más cercana a la esperada hora de cierre /km 1)
No. 20, Gaobeidian, No. 20, municipio de Ciqu, condado de Shutong, Beishen, 2006
No. Distrito, No. 36, Xiaohongmen, 2006
1500 Municipio de Yongfengtun, Liulitun, Distrito de Haidian 2017 Qinghe 15
1000 Pueblo de Louzizhuang, Distrito de Chaoyang, Gaoantun 15 2018 Gaobeidian 15
Asu, municipio de Xiaotangshan, distrito de Changping Wei 2000 2012 Qinghe y Beixiaohe 40
Jiaojiapo 600, pueblo de Yongding, distrito de Mentougou 2011 Puente Marco Polo 15
1) Los datos de distancia más cercana es medido por el autor.
En resumen, los métodos de tratamiento y disposición de lodos incluyen: compostaje, vertido cuando el contenido de humedad es del 80% y 30%, y secado hasta que el contenido de humedad es del 80% y 30% respectivamente.
Incineración al 60% y 10%.
1.3 Costo de vertedero
Costo de vertedero = costo de consumo de energía + costo de transporte + costo de vertedero + costo de descuento de equipo
Costo de consumo de energía = [1/ (1- η0)-1/(1-ηe)]×150×α×Pele.
Costo de transporte = 0,65× L/(1-η e)
Costo de vertedero = β pf/(1-η e)
Descuento en equipos = [ 1/(1-η0)-1/(1-ηe)]×180×α×0,17×104/8000.
Entre ellos, eta0 y etae son el contenido de humedad al inicio y al final del tratamiento respectivamente; Pele es el precio de la electricidad, ￥/(kW?h) es la distancia de transporte, km; se refiere a los costos de apoyo de la ingeniería civil y el índice de mano de obra, 1,3; β es el coeficiente de volumen, entre 1,4 y 1,6 cuando el contenido de humedad es ≥ 68%, y 1,5 cuando el contenido de humedad es < 68%; Pf es el precio del vertedero; De 40 a 60 yuanes/tonelada, tome 52 yuanes/tonelada.
Distancia de transporte hasta los vertederos de lodos: La capacidad de los vertederos existentes en Beijing es insuficiente para satisfacer las necesidades de tratamiento de residuos domésticos. Incluso después de que se complete el vertedero planificado, la capacidad restante del vertedero es limitada y es necesario encontrar un nuevo vertedero para el vertedero de lodos.
Con el desarrollo de las ciudades y los requisitos de las condiciones geológicas de los vertederos, las distancias de transporte serán cada vez mayores. Con referencia a la Tabla 1, la distancia de transporte de lodos al vertedero excederá los 40 kilómetros. Por lo tanto, al estimar los costos futuros del vertedero, las distancias de transporte a corto y largo plazo se consideran 50 kilómetros y 100. kilómetros respectivamente.
1.4 Costos y beneficios del compostaje
Los lodos urbanos compostados de manera inofensiva y luego utilizados en la tierra son un método de eliminación comúnmente utilizado a nivel internacional. El compostaje en pilas estáticas con ventilación forzada es la tecnología principal para el compostaje de lodos. Su costo de procesamiento está relacionado con el contenido de humedad inicial del lodo, la escala del procesamiento, la distancia entre la planta de compostaje y la planta de tratamiento de aguas residuales y la fuente del equipo. . La planta de compostaje debería construirse alrededor de la planta de tratamiento de aguas residuales sin costes de transporte. Los costos de compostaje consisten principalmente en el consumo de energía para soplado, secado y cribado, así como costos descontados de acondicionadores y equipos. El precio de mercado actual de los productos de compost es de 350 a 500 yuanes/t después de deducir el 15% de la humedad, el precio es de 500 yuanes/t ds.
La aplicación del sistema de control automático de compostaje CTB [12, 13] en el compostaje de pilas estáticas con ventilación forzada en Luohe, provincia de Henan, muestra que cuando el contenido de humedad del lodo no supera el 80%, el consumo de energía de explosión es de 40 a 60 (kW? H)/t DS, tome 60 (kW? h)/t DS. El precio del acondicionador CTB es de 300 yuanes/t y la tasa de pérdida es generalmente del 5% [14]. Después de 10 a 14 días de compostaje, la materia seca del lodo disminuyó en un 30% y el contenido de humedad fue del 45%. La tecnología de secado térmico se utiliza para secar hasta un contenido de humedad del 15% y la carga de deshidratación es de 0,45 t/t DS; el acondicionador se tamiza antes del secado y luego se seca de forma natural, lo que requiere un consumo de energía para el tamizado de 9,3 t/t; t DS, capacidad de cribado 1 t/h, potencia 3 kW. El consumo total de energía es de 95 (kW?H)/t DS. Considerando el consumo de energía desconocido, tome 100 (kW?h)/t DS.
Descuento en equipos: la capacidad de tratamiento de lodos secos es de 0,3×104. La inversión en equipos para una planta de compostaje de lodos de t/a es de aproximadamente 7 millones de yuanes, y el descuento en equipos es de 182 yuanes/t ds (incluido el costo del terreno), que es de 200 yuanes/t ds.
1.5 Costos de incineración
Considerando cuestiones como las emisiones de gases residuales de la incineración, lo mejor es incinerar a más de 30 kilómetros fuera del país, al recorrer 30 kilómetros la incineración se reduce en un 60%; basado en materia seca, y el residuo después de la incineración debe transportarse al vertedero, la distancia de transporte es de 50 kilómetros. Según la Tabla 3, el costo de incineración del secado al 10% es menor que el costo de incineración del secado al 60%. Cuanto mayor sea la sequedad, menor será el área de la planta de incineración. Es conveniente secar al 10% antes de la incineración.
1.6 Costos agrícolas del secado
Los lodos no estabilizados tienen riesgos de seguridad en la aplicación Debido al efecto de estabilización deficiente y la seguridad limitada del secado, no se realiza ninguna estimación.
2 Discusión y análisis
2.1 Costos y beneficios económicos del tratamiento
Tabla 2 Costos y beneficios del tratamiento y disposición de 1 tonelada de lodos municipales (peso seco)
Tabla 2 Comparación de costos y beneficios de diferentes métodos de tratamiento y/o eliminación de lodos de depuradora
Relleno y vertedero
Costo integral/yuanes del transporte seco y vertedero
Consumo de energía objetivo/descuento de equipo/distancia/km flete/costo de relación de llenado//
80% 0 0 50 163 50% 390 5531),5532)
30% 2091),4182) 178 50 46 0 74 5071),7162)
80% 0 0 100 325 50% 390 7151),7152)
30 % 2091),4182) 178 100 93 0 74 5541),7632)
Incendiado
Costo integral de secado, incineración y residuos de incineración/yuan
Objetivo Consumo de energía/Descuento de equipos/Operación/Descuento de equipos/Hidróxido de sodio/Transporte/Vertedero/.
60% 1461),2932) 124 60 365 128 13 20 8561),10022)
10% 2281),4552) 193 27 162 128 13 20 7711),9982)
Fertilizante para compost
Consumo de energía/descuento de equipos/pérdida de aire acondicionado/coste total/ventas/ingresos totales/.
391),782) 200 75 3141),3532) 410 961),572)
1) Precio de la electricidad 0,30 yuanes/(kW?h 2) Precio de la electricidad 0,60; yuanes/ (kW?h)
El proceso de estimación de costos y los resultados de varios métodos de tratamiento se muestran en la Tabla 2. Como se puede observar en la Tabla 2, el costo del tratamiento y eliminación de lodos es el compost.
El más bajo es de aproximadamente 300~350 yuanes/t ds; el método de vertedero es de aproximadamente 500~760 yuanes/t ds. Los costos de incineración son los más altos, alrededor de 800 a 1.000 yuanes/t ds. El costo del compostaje es menor que el del vertedero y la incineración. A medida que aumenta la distancia de transporte, el costo del vertedero es significativamente mayor que el del compostaje. Además, la incineración de lodos supone una gran inversión única y los mayores costes de operación y mantenimiento.
Entre los diversos métodos de tratamiento, el vertedero de lodos no tiene recuperación de recursos y el beneficio es cero; considerando el nivel de poder calorífico del lodo, la posibilidad de recuperar la energía térmica de la incineración es baja y tiene poco impacto en el beneficio neto. El secado de lodos puede lograr la deshidratación, pero el efecto de estabilización es limitado. Además, el proceso de secado es fácil de explotar y el efecto fertilizante es lento, por lo que no es recomendable. Cuando las ventas del producto son buenas, el compost puede generar ganancias de 50 a 100 yuanes/t ds, dependiendo del precio de la electricidad.
2.2 Ventajas y desventajas de diversas tecnologías de tratamiento y eliminación
La mayoría de los vertederos existentes tienen bajos estándares de diseño y construcción, falta de medidas de control de la contaminación y poca estabilidad, lo que genera gases y emisiones. del olor y la contaminación de las aguas subterráneas no pueden garantizar la seguridad de los residuos de los vertederos. Sólo pueden retrasar la contaminación, pero en última instancia no pueden eliminarla. Para minimizar los problemas anteriores, algunos países han establecido estándares mínimos para las propiedades físicas de los lodos a tratar, lo que aumenta considerablemente el costo de su eliminación en vertederos. Por ejemplo, Alemania exige que el contenido de base seca de los lodos de vertedero no sea inferior al 35%. Para evitar la contaminación de las aguas subterráneas causada por la descomposición de la materia orgánica en los lodos, Alemania promulgó en 1992 el "Esquema técnico para el control y eliminación de residuos municipales", que exige que el contenido orgánico de cualquier material que se deposite en vertederos no supere el 5% del 2005 [15], lo que significa que incluso después del secado, los lodos no pueden cumplir con los requisitos de los vertederos. Los vertederos de lodos enfrentan múltiples presiones por parte de los vertederos, el público y las regulaciones, y el costo del vertido aumentará gradualmente. En los últimos años, la proporción de métodos de tratamiento de lodos extranjeros en vertederos se ha vuelto cada vez menor [6].
Si se debe promover el compostaje para tratar los lodos urbanos, primero debemos evaluar los posibles riesgos ambientales del compostaje de lodos. Du Bing et al. [16] han demostrado que, en comparación con países extranjeros, los niveles de contaminación de fenoles, ftalatos e hidrocarburos aromáticos policíclicos en las plantas de tratamiento de aguas residuales típicas de Beijing son más bajos. La alta temperatura continua del compost puede garantizar la eliminación de bacterias y la seguridad agrícola de los lodos. Chen et al. [17] estudiaron el contenido de metales pesados y su tendencia cambiante en los lodos urbanos de mi país. Los resultados muestran que el contenido promedio de metales pesados en los lodos urbanos en mi país es generalmente bajo, y el contenido de metales básicamente no excede los estándares agrícolas [18] y muestra una tendencia a la baja. En los últimos años, investigaciones relevantes también han demostrado que el uso científico y razonable de los lodos urbanos para la agricultura no causará contaminación por metales pesados del suelo y los productos agrícolas [19]. Los riesgos ambientales de los metales pesados en el uso del suelo de aguas residuales urbanas en mi país no son tan graves como la gente piensa.
La tasa de reducción de volumen es la más significativa después de la incineración. La tasa de reducción de volumen después de la incineración de lodos con un contenido de humedad del 80% supera el 90%. Sin embargo, los lodos contienen diversas materias orgánicas, que pueden producir una gran cantidad de sustancias nocivas, como dioxinas, dióxido de azufre, ácido clorhídrico, etc. Debido a las limitaciones de la tecnología de incineración doméstica, el problema de la contaminación por dioxinas no se ha resuelto bien. Los gases de combustión de metales pesados y las cenizas de combustión también pueden causar contaminación secundaria. Además, la incineración desperdicia nutrientes en los lodos. En comparación con los tres métodos de tratamiento y eliminación, la incineración de lodos ocupa el área más pequeña, pero tiene el costo general más alto, altos requisitos de mantenimiento de equipos y altos riesgos ambientales. Estas deficiencias limitan la amplia aplicación de la tecnología de incineración de lodos.
En resumen, el compostaje es la principal dirección de desarrollo de la tecnología de tratamiento y eliminación de lodos. Con una aplicación científica y razonable, puede lograr la utilización de los recursos de los lodos, garantizar la salud y la seguridad y la seguridad de los metales pesados, y ser más. económico. Sin embargo, desde la perspectiva de las ventas de mercado, es necesario mejorar los canales de venta de productos de compost de lodos. La Tabla 3 (página siguiente) resume las ventajas y desventajas de varios métodos de tratamiento.
2.3 Impacto del precio de la electricidad y los subsidios gubernamentales
El precio de la electricidad afecta el costo del tratamiento y eliminación de lodos. El precio de la electricidad se reduce de 0,60 RMB/(kW?h) a 0,30 RMB/(kW?h). El costo integral de varios métodos de tratamiento se reduce en 40 ~ 230 RMB/t·ds respectivamente. Si el precio de la electricidad alcanza el precio durante el período de bajo consumo de electricidad o menos, el costo se puede reducir aún más.
Tabla 3 Comparación de las ventajas y desventajas de diversas tecnologías de tratamiento y eliminación
Tabla 3 Comparación de vertedero de lodos, compostaje e incineración
Ingresos y gastos de tratamiento y métodos de eliminación/ (RMB? T-1) 1) Si los requisitos del sitio de dificultad técnica se pueden reciclar.
El vertido -507~ -763 es demasiado simple para retrasar la contaminación y, en última instancia, no elimina el riesgo de contaminación.
El compostaje 57~96 es relativamente simple cuando los metales pesados de baja energía son inferiores a los estándares agrícolas, puede cumplir con los requisitos de inocuidad.
Los requisitos del equipo técnico de Incineration-771~-1000 varían de mayor a menor y los gases de escape pueden causar contaminación secundaria.
1) La distancia de transporte es de 100 km, el precio de la electricidad es de 0,60 yuanes/(kW?h), el costo del vertedero con un contenido de humedad del 80% es ligeramente menor que el costo del vertedero con un contenido de humedad del 30%, pero su superficie es esta última 5,25 veces mayor, por lo que el 30% es vertedero.
Cuando el contenido de humedad de los lodos es del 80% y 60%, el terreno ocupado por vertedero es 5,25 veces y 1,75 veces el del 30%, respectivamente. El gobierno puede asignar racionalmente la inversión en tratamiento de aguas residuales a las unidades de tratamiento de lodos mediante subsidios, reducir los precios de la electricidad y otras medidas regulatorias, que pueden reducir los costos de incineración, el área de vertederos y los costos de compostaje de las unidades de tratamiento de lodos. Los subsidios gubernamentales pueden desempeñar el papel de influencia económica, ajustar el estado de insumos y productos de la industria de tratamiento de lodos y favorecer el desarrollo saludable de la industria de tratamiento y eliminación de lodos. En resumen, el gobierno debería proporcionar subsidios adecuados para el tratamiento y eliminación de lodos.
3 Conclusiones
(1) El costo del compostaje de lodos cambia con los precios de la electricidad en aproximadamente 300 a 350 yuanes/t ds. Las ventas de compost pueden compensar parte de los costos de procesamiento, lo que hace que. compostaje de lodos de bajo nivel de rentabilidad. La aplicación razonable de compost puede proporcionar nutrientes y materia orgánica y es una dirección importante en la tecnología de tratamiento y eliminación de lodos.
(2) La operación del vertedero de lodos es simple, pero su costo es de aproximadamente 500 a 760 yuanes/t·ds, lo cual es más alto que el compostaje. Teniendo en cuenta la creciente escasez de recursos terrestres y la contaminación secundaria, así como la experiencia de los países desarrollados, los vertederos de lodos se restringirán gradualmente, por lo que su proporción de aplicación debería reducirse gradualmente.
(3) La incineración de lodos tiene el efecto de reducción más obvio, pero su inversión inicial y sus costos operativos son los más altos. Su costo integral es de aproximadamente 771 ~ 1000 yuanes/t·ds. El mantenimiento del equipo es complicado y el tratamiento inadecuado de los gases de escape provocará contaminación secundaria.
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