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          技術支持
          污泥厭氧消化池工藝設計概述
          日期:2013/1/29 11:55:35 人氣:5608
          概 要:本文根據工程設計經驗,簡要介紹污泥厭氧消化池池型及攪拌器的形式及選擇原則。

            污泥的厭氧消化,是在無氧條件下依靠厭氧微生物,使有機物分解的生物處理方法。適用于有機物含量較高的污泥。

          1 污泥厭氧消化的目的

            (1)減少污泥體積
            減少污泥中可降的有機物含量,使污泥的體積減少。與消化前相比,消化污泥的體積一般可減少1/2~1/3。
            (2)穩定污泥性質
            減少污泥中可分解、易腐化物質的數量,使污泥性質穩定。
            (3)提高污泥的脫水效果
            未消化的污泥呈粘性膠狀結構,不易脫水。消化過的污泥,膠體物質被氣化、液化或分解,使污泥中的水分與固體易分離。
            (4)利用產生的甲烷氣體
            污泥在消化過程中產生沼氣,沼氣中有用的甲烷氣體約占2/3,可做為燃料用來發電、燒鍋爐、驅動機械等。
            (5)消除惡臭
            污泥在厭氧消化過程,硫化氫分離出硫分子或與鐵結合成為硫化鐵,因此消化后的污泥不會再發出惡臭。
            (6)提高污泥的衛生質量
            污泥中含有很多有毒物質如細菌、病原微生物、寄生蟲卵,極不衛生。污泥在消化過程中,產生的甲烷菌具有很強的抗菌作用,可殺死大部分病原菌以及其它有害微生物,使污泥衛生化。

          2 保證厭氧消化池良好運行的主要設計條件

            要使投產使用的消化池具有良好的消化功能,設計階段的優化是至關重要的。工程設計人員不僅要基于生物反應過程的知識進行正確的設計,而所選擇的池形和相應設備的選擇也很重要。生物系統只有在相應的物理邊界條件下才能創造出最佳的運行效果。為此,消化池的工藝設計應滿足以下要求:
            (1)適宜的池形選擇;
            (2)最佳的設計參數;
            (3)節能、高效、易操作維護的設備;
            (4)良好的攪拌設備,使池內污泥混合均勻,避免產生水力死角;
            (5)原污泥均勻投入并及時與消化污泥混合接種;
            (6)最小的熱損失,及時的補充熱量,最大限度避免池內溫度波動;
            (7)消化池產生的沼氣能及時從消化污泥中輸導出去;
            (8)具有良好的破壞浮渣層和清除浮渣的措施;
            (9)具有可靠的安全防護措施;
            (10)可靈活操作的管道系統。

          3 污泥消化池工藝設計中需要謹慎選擇的幾個因素

            為滿足上述要求,在污泥消化池的工藝設計中需選擇、確定好很多的問題,如:
            (1)厭氧消化的方式;
            (2)消化池池形選擇;
            (3)設計參數的選定;
            (4)消化池中污泥的混合攪拌方式確定;
            (5)污泥加熱方式的確定;
            (6)污泥投配方法的確定;
            (7)污泥及沼氣排放方式的確定;
            (8)浮渣及上清液的排除方法;
            (9)安全防護措施的保證;
            (10)監測和控制方法的確定;
            (11)其它附屬裝置的選用。
            上述諸多方面中,厭氧消化的方式、消化池的池形、主要設計參數、消化池中污泥的混合攪拌方式對消化池的工程造價和使用效果影響很大,應謹慎選擇。
            對消化方式、消化池的池形及混合攪拌形式的選擇結合我院已往的設計經驗做如下概述:
          3.1 厭氧消化方式
            
          (1)消化溫度
            污泥厭氧消化的溫度根據消化池內生物作用的溫度分為中溫消化和高溫消化。中溫消化,溫度一般控制在33~35℃,最佳溫度為34℃。而高溫消化的溫度一般控制在55~60℃。
            高溫消化比中溫消化分解速率快,產氣速率高,所需的消化時間短(氣量達到總產氣量90%時所需要的天數),消化池的容積小。高溫消化對寄生蟲卵的殺滅率可達90%以上。但高溫消化加熱污泥所消耗熱量大,耗能高。因此,只有在衛生要求嚴格,或對污泥氣產生量要求較高時才選用。
            目前國內外常用的都是中溫消化池。中溫消化在國內外均已使用多年,技術上比較成熟,有一定的設計運行經驗。
            (2)消化等級
            污泥厭氧消化的等級按其消化池的串聯使用數量分為單級消化和二級消化。單級消化只設置一個池子,污泥在一個池中完成消化過程。而二級消化,消化過程分在兩個串聯的消化池內進行。一般,在二級消化的一級消化池內主要進行有機物的分解,只對一級消化池進行混合攪拌和加熱,不排上清液和浮渣。污泥在一級消化池進行主要分解后,排入二級消化池。二級消化池不再進行混合攪拌和加熱,使污泥在低于最佳溫度的條件下完成進一部的消化。在二級消化的過程排上清液和浮渣。
            單級消化的土建費用較省;可分解的有機物的分解率可達90%;由于不能在池內分離上清液,為減少污泥體積需要設濃縮池,另外以起到釋氣作用。二級消化的土建費用較高;有機物的分解率可略有提高,產氣率一般比單級消化約高10%;二級消化的運行操作比單級消化復雜。
            為了減少污泥處理總的投資,二級消化的形式目前在國內及國外用的相對較少,一般均采用單級消化。
          3.2 消化池的池形
            
          好的消化池池形應具有結構條件好、防止沉淀、沒有死區、混合良好、易去出浮渣及泡沫等優點。消化池的池形,各個國家采用的樣式較多。但常用的基本形狀有以下四種:
            (1)龜甲形;
            (2)傳統園柱形;
            (3)卵形;
            (4)平底園柱形。
            (1)龜甲形消化池

            龜甲形(見附圖一a)消化池在英、美國家采用的較多,此種池形的優點是土建造價低、結構設計簡單。但要求攪拌系統具有較好的防止和消除沉積物效果,因此相配套的設備投資和運行費用較高。
            (2)傳統園柱形消化池 
            在中歐及中國,常用的消化池的形狀是圓柱狀中部,圓錐形底部和頂部的消化池池形(見附圖一b)。這種池形的優點是熱量損失比龜甲形小,易選擇攪拌系統。但底部面積大,易造成粗砂的堆積,因此需要定期進行停池清理。更重要的是在形狀變化的部分存在尖角,應力很容易聚集在這些區域,使結構處理較困難。底部和頂部的圓錐部分,在土建施工澆鑄時混凝土難密實,易產生滲漏。
            (3)卵形消化池
            卵形消化池(見附圖一c)在德國從1956年就開始采用,并作為一種主要的形式推廣到全國,應用較普遍。
            卵形消化池最顯著的特點是運行效率高,經濟實用。其優缺點可以總結為以下幾點:
            ① 其池形能促進混合攪拌的均勻,單位面積內可獲得較多的微生物。用較小的能量既可達到良好的混合效果。
            ② 卵形消化池的形狀有效地消除了粗砂和浮渣的堆積,池內一般不產生死角,可保證生產的穩定性和連續性。
            根據有關文獻介紹,德國有的卵形消化池已經成功地運轉了50年而沒有進行過清理。
            ③ 卵形消化池表面積小,耗熱量較低,很容易保持系統溫度。
            ④ 生化效果好,分解率高。
            ⑤ 上部面積少,不易產生浮渣,即使生成也易去除。
            ⑥ 卵形消化池的殼體形狀使池體結構受力分部均勻,結構設計具有很大優勢,可以做到消化池單池池容的大型化。
            ⑦ 池形美觀。
            卵形消化池的缺點是土建施工費用比傳統消化池高。然而卵形消化池運行上的優點直接提高了處理過程的效率,因此節約了運行成本。如果需要設置2個以上的卵形消化池,運行費用比較下來則更具有優勢。節省下的運行費用,很容易彌補造價的差額,用戶從高效的運行中受益更多。對大體積消化池采用卵形池更能體顯其優點。
            (4)平底圓柱形
            平底圓形池(見附圖一d)是一種土建成本較低的池形。圓柱部分的高度/直徑比≥1。這種池形在歐洲已成功的用在不同規模的污水廠。它要求池形與裝備和功能之間要有很好的相互協調。當前可配套使用的攪拌設備較少,大都采用可在池內多點安裝的懸掛噴入式沼氣攪拌技術。
            在我國,消化池的形狀多年來大都采用傳統的圓柱形,隨著攪拌設備的引進,使我國污泥消化池的池形也變得多樣化。近幾年中我國先后設計并施工了多座卵形消化池,改變了國內消化池池形單一狀況。如:杭州四堡污水處理廠已建成了3座容積10500立方米的卵形池;濟南蓋家溝污水廠的3座容積10500立方米的卵形池;濟寧污水處理廠新近建成的2座容積12700立方米的卵形池。漳州污水處理廠2座容積11000立方米的卵形池也在施工中。
            施工技術和腳手架技術是成功建設卵形池的重要因素,隨著施工經驗的積累,這些技術已經取得了長足的進展,因此可以在建筑過程中節省可觀的費用。
            (5)卵形與傳統圓柱形消化池的綜合比較
            卵形與傳統圓柱形消化池的綜合比較見表1。
          3.3 消化池污泥攪拌設備的選擇
            
          在污泥消化池的過程中,進行污泥混合攪拌,對于提高分解速度和分解率,即增加產氣量很重要。
            (1)消化池中污泥攪拌的作用
            ① 通過對消化池中污泥的充分攪拌,使生污泥與消化污泥充分的接觸,提高接種效果。
            通過攪拌,調整污泥固體與水分的相互關系,使中間產物與代謝產物在消化池內均勻分布。
            ③ 通過攪拌及攪拌時產生的振動能更有效地進行氣體分離,使氣體溢出液面。

          表1  卵形與傳統圓柱形消化池的綜合比較

          名稱

          傳統圓柱形

          卵形

          混合性能

          低效的混合性,為了混合得更均勻需要很大的能量。

          超強的混合性,需要能量低(約節省40~50%的能量)。

          粗砂和淤泥的聚集

          底部面積大,易沉淀粗砂和污泥,需要定期清理。

          浪費的空間導致消化物的消化水平較差。

          底部面積小,可有效地消除粗砂和污泥的沉淀,使微小顆粒與污泥充分混合。

          浮渣

          的堆積

          因泥液面較大,浮渣的堆積層不能被有效和永久性得到解決。

          污泥液面積大大減少,能有效地控制浮渣的形成和排出。

          維護

          與保養

          一般情況下需對全池進行清理,重新啟動系統和整個處理裝置需要幾個月的時間。維護費用較高。

          不需要定期清理,可連續運行。

          運行

          底部的死角很容易被粗砂和其它沉淀物所堆積,而頂部的無效空間又極易堆積浮渣,從而使消化處理效果較差。

          穩定地減少易揮發性有機物且穩定、連續地產生沼氣,形成有效的運行處理過程。

          容積

          受結構和工藝條件的限制,單池容積不易很大。因此占地面積大。

          結構和工藝條件較好,單池處理能力大故而所占地面積小,因此在地面積有限或土地價格昂貴的地方成為必然的選擇。

          運行溫度

          表面積與處理污泥量的比例較大,使運行費用高且能量消耗較大。

          表面積與污泥處理量的比例較小。優異的混合性能保證了系統溫度的穩定。

            ④ 消化菌對溫度和pH值的變化非常敏感,通過攪拌使池內溫度和pH值保持均勻。
            ⑤ 對池內污泥不斷地進行攪拌還可防止池內產生浮渣。
            (2)消化池攪拌方式的分類
            消化池攪拌的方式大致可分為如下幾類:
            ① 氣體攪拌法;
            ② 機械攪拌法;
            ③ 泵循環法;
            ④ 綜合攪拌法。

            現國內、外常用的攪拌方法較多采用的是沼氣攪拌和機械攪拌法。泵循環法因耗電量較大且攪拌效果不太好已不再使用。原西安污水廠采用過泵循環加水射器的綜合攪拌法。雖攪拌效果尚可,但也因耗電量大,不適于中、大容積消化池而不再使用。
            在我國至今還尚無生產定型污泥消化攪拌設備的生產廠。在九十年代前建設的污泥消化池,因國內無成熟的經驗,其技術參數和攪拌設備只能參考國外的一些文獻資料來設計加工。其技術性能、運行效果、設備加工質量、自動控制水平等均不合人意。如杭州四堡污水廠一期工程,參考法國文獻資料采用的氣體導流筒式沼氣攪拌器;紀莊子污水廠參考美國和日本文獻資料先后采用的氣體導流筒式沼氣攪拌器和后期改成的豎管式攪拌器。另外,在我國也曾試用過螺旋漿式機械攪拌器,但因存在軸密封不好,易漏氣等問題而不能正常推廣使用。八十年代我國開始在污水處理行業利用國外政府貸款。在引進外資的同時,也引進了國外先進的污泥消化技術和設備。如石家莊橋西污水處理廠和泰安污水處理廠引進了奧地利生產的垂直豎管式沼氣攪拌器及配套的液體密封真空沼氣壓縮機;天津東郊污水處理廠引進了法國得利滿公司(Degremont)的多根束管式沼氣攪拌器;青島、濟寧污水廠引進了德國斯特林(STERLING)公司的螺旋槳式導流筒機械攪拌器;煙臺污水廠引進了瑞士TECHFINR公司生產的多根底部吹管式沼氣攪拌器;湖南永州污水處理廠引進了美國貝克(BAKER)公司生產的EDT和RDT螺旋槳式導流筒機械攪拌器;海口中心區污水處理廠和杭州四堡污水處理廠引進了德國洛蒂格(ROEDIGER)公司的懸掛噴嘴式沼氣攪拌器等。上述所介紹的攪拌器其實際攪拌效果都已在多數工程實踐中得到驗證。這些設備的共同特點是:
            A加工質量精細;
            B技術性能高;
            C所選材料材質較好;
            D使用壽命長;
            E維修工作量小。
            根據我們的設計經驗,消化池攪拌設備的選擇,應根據消化池的池形,池容積的大小及設備投資,運行管理等綜合因素確定。
            (3)幾種常用攪拌器的性能比較
            目前國內外主要采用的攪拌器形式有以下幾種:
            ① 螺旋槳式機械攪拌器(見附圖二a);
            ② 懸掛噴嘴式沼氣攪拌器(見附圖二b);
            ③ 多根束管式沼氣攪拌器(見附圖二c);
            ④ 底部多根吹管式沼氣攪拌器(見附圖二d)。
            ① 螺旋槳機械攪拌器
            螺旋槳式攪拌(見附圖二a)設備組成簡單,操作容易,可以通過豎管向上或向下兩個方向推動污泥,因此在固定污泥液面的前提下,能夠有效地消除浮渣層。螺旋槳式攪拌器特別適用卵形或者帶陡峭錐底的圓柱形消化池。運行簡單,維修量少。但在池內的螺旋槳發生故障時,消化池需打開,消化系統要停止運行。螺旋槳式攪拌器的能力,一般情況下按照,在一天內將消化池全池完全攪拌一次的次數和完成攪拌一次的時間來選擇。
            ② 懸掛噴嘴式沼氣攪拌器
            懸掛噴嘴式沼氣攪拌器(見附圖二b),主要由懸掛在池頂部的沼氣輸送豎管和噴咀組成。攪拌器可以按需要在池內多點布置,并可分組運行。具有結構簡單;設置和操作靈活;由于可分組攪拌,使所需要的攪拌強度較小;對池的適應性強;不受液面控制等優點。此類形的攪拌器適合于上述的各種池形,用在平底或底部錐形較緩的消化池中更顯示出其優點。攪拌器的能力,一般情況下按照,一天內將消化池全池完全攪拌一次的次數及攪拌系統的組數和完成攪拌一次的時間來選擇。
            ③ 多根束管式沼氣攪拌器
            多根束管式沼氣攪拌器(見附圖二c)主要由多根沼氣輸送管(束管)和沼氣釋放口組成。束管由消化池頂部的中間位置進入池中,延伸至池底部的釋放口。此攪拌器的特點是構造簡單,易操作。但容易堵塞,需在池頂各束管端頭增設觀察球及高壓水沖洗裝置。因沼氣釋放口的設置聚集在池底中部,適合于小直徑且帶陡峭錐底的池形。攪拌器的選型根據整池的容積選擇。
            ④ 底部多根吹管式沼氣攪拌器
            底部多根吹管式沼氣攪拌器(見附圖二d)主要由多根沼氣輸送管和沼氣釋放口組成。沼氣輸送管可從池頂部側壁或池側面進入,沿池底伸入到池中部與沼氣釋放口連接。與多根束管式沼氣攪拌器類似,此方式攪拌器的特點是構造簡單,易操作。但易堵塞;因沼氣釋放口的設置聚集在池底中部,適合于小直徑且帶陡峭錐底的池形攪拌器。攪拌器的選型根據整池的容積選擇。
            上述常用的四種攪拌形式中,除螺旋槳機械攪拌器外,另外三種均利用消化池運行中產生的沼氣。沼氣攪拌法的優點是:由于沼氣的氣泡迅速上升造成的湍流可提高混合質量;污泥可以在內部循環;通過在污泥表面形成的湍流防止浮渣形成;改善脫氣效果;與消化池的形狀和污泥的液位無關。但沼氣攪拌系統的組成較復雜,一般由沼氣壓縮機、沼氣噴射管及沼氣循環管及附屬的冷凝水排放、沼氣過濾器等組成。其運行管理復雜。由于沼氣具有易燃和易爆的特性,因此,沼氣攪拌工藝對設備的安裝,所使用管件的制造材料和安全措施有特殊的要求。對運行和操作要求嚴格。
            污泥厭氧消化處理在技術和投資上都是污泥處理工藝中重要的組成部分,污泥厭氧消化的工藝設計較復雜,需要考慮確定的因素很多。如何使污泥厭氧消化池設計的每一個環節都得到良好的選擇,這對工程技術人員來講是一個需要周密考慮的問題。目前我國的污泥厭氧消化的設計水平基本達到國外的先進水平,但還需進一步提高與消化池相配套的設備及裝置的國產化及優良化。通過引進國外先進設備,借助其平臺,大力發展我國的環保產業,為我國的環保事業做出貢獻。



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