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污泥厌氧消化池工艺设计概述
日期:2013/1/29 11:55:35 人气:3881
概 要:本文根据工程设计经验,简要介绍污泥厌氧消化池池型及搅拌器的形式及选择原则。

  污泥的厌氧消化,是在无氧条件下依靠厌氧微生物,使有机物分解的生物处理方法。适用于有机物含量较高的污泥。

1 污泥厌氧消化的目的

  (1)减少污泥体积
  减少污泥中可降的有机物含量,使污泥的体积减少。与消化前相比,消化污泥的体积一般可减少1/2~1/3。
  (2)稳定污泥性质
  减少污泥中可分解、易腐化物质的数量,使污泥性质稳定。
  (3)提高污泥的脱水效果
  未消化的污泥呈粘性胶状结构,不易脱水。消化过的污泥,胶体物质被气化、液化或分解,使污泥中的水分与固体易分离。
  (4)利用产生的甲烷气体
  污泥在消化过程中产生沼气,沼气中有用的甲烷气体约占2/3,可做为燃料用来发电、烧锅炉、驱动机械等。
  (5)消除恶臭
  污泥在厌氧消化过程,硫化氢分离出硫分子或与铁结合成为硫化铁,因此消化后的污泥不会再发出恶臭。
  (6)提高污泥的卫生质量
  污泥中含有很多有毒物质如细菌、病原微生物、寄生虫卵,极不卫生。污泥在消化过程中,产生的甲烷菌具有很强的抗菌作用,可杀死大部分病原菌以及其它有害微生物,使污泥卫生化。

2 保证厌氧消化池良好运行的主要设计条件

  要使投产使用的消化池具有良好的消化功能,设计阶段的优化是至关重要的。工程设计人员不仅要基于生物反应过程的知识进行正确的设计,而所选择的池形和相应设备的选择也很重要。生物系统只有在相应的物理边界条件下才能创造出最佳的运行效果。为此,消化池的工艺设计应满足以下要求:
  (1)适宜的池形选择;
  (2)最佳的设计参数;
  (3)节能、高效、易操作维护的设备;
  (4)良好的搅拌设备,使池内污泥混合均匀,避免产生水力死角;
  (5)原污泥均匀投入并及时与消化污泥混合接种;
  (6)最小的热损失,及时的补充热量,最大限度避免池内温度波动;
  (7)消化池产生的沼气能及时从消化污泥中输导出去;
  (8)具有良好的破坏浮渣层和清除浮渣的措施;
  (9)具有可靠的安全防护措施;
  (10)可灵活操作的管道系统。

3 污泥消化池工艺设计中需要谨慎选择的几个因素

  为满足上述要求,在污泥消化池的工艺设计中需选择、确定好很多的问题,如:
  (1)厌氧消化的方式;
  (2)消化池池形选择;
  (3)设计参数的选定;
  (4)消化池中污泥的混合搅拌方式确定;
  (5)污泥加热方式的确定;
  (6)污泥投配方法的确定;
  (7)污泥及沼气排放方式的确定;
  (8)浮渣及上清液的排除方法;
  (9)安全防护措施的保证;
  (10)监测和控制方法的确定;
  (11)其它附属装置的选用。
  上述诸多方面中,厌氧消化的方式、消化池的池形、主要设计参数、消化池中污泥的混合搅拌方式对消化池的工程造价和使用效果影响很大,应谨慎选择。
  对消化方式、消化池的池形及混合搅拌形式的选择结合我院已往的设计经验做如下概述:
3.1 厌氧消化方式
  
(1)消化温度
  污泥厌氧消化的温度根据消化池内生物作用的温度分为中温消化和高温消化。中温消化,温度一般控制在33~35℃,最佳温度为34℃。而高温消化的温度一般控制在55~60℃。
  高温消化比中温消化分解速率快,产气速率高,所需的消化时间短(气量达到总产气量90%时所需要的天数),消化池的容积小。高温消化对寄生虫卵的杀灭率可达90%以上。但高温消化加热污泥所消耗热量大,耗能高。因此,只有在卫生要求严格,或对污泥气产生量要求较高时才选用。
  目前国内外常用的都是中温消化池。中温消化在国内外均已使用多年,技术上比较成熟,有一定的设计运行经验。
  (2)消化等级
  污泥厌氧消化的等级按其消化池的串联使用数量分为单级消化和二级消化。单级消化只设置一个池子,污泥在一个池中完成消化过程。而二级消化,消化过程分在两个串联的消化池内进行。一般,在二级消化的一级消化池内主要进行有机物的分解,只对一级消化池进行混合搅拌和加热,不排上清液和浮渣。污泥在一级消化池进行主要分解后,排入二级消化池。二级消化池不再进行混合搅拌和加热,使污泥在低于最佳温度的条件下完成进一部的消化。在二级消化的过程排上清液和浮渣。
  单级消化的土建费用较省;可分解的有机物的分解率可达90%;由于不能在池内分离上清液,为减少污泥体积需要设浓缩池,另外以起到释气作用。二级消化的土建费用较高;有机物的分解率可略有提高,产气率一般比单级消化约高10%;二级消化的运行操作比单级消化复杂。
  为了减少污泥处理总的投资,二级消化的形式目前在国内及国外用的相对较少,一般均采用单级消化。
3.2 消化池的池形
  
好的消化池池形应具有结构条件好、防止沉淀、没有死区、混合良好、易去出浮渣及泡沫等优点。消化池的池形,各个国家采用的样式较多。但常用的基本形状有以下四种:
  (1)龟甲形;
  (2)传统园柱形;
  (3)卵形;
  (4)平底园柱形。
  (1)龟甲形消化池

  龟甲形(见附图一a)消化池在英、美国家采用的较多,此种池形的优点是土建造价低、结构设计简单。但要求搅拌系统具有较好的防止和消除沉积物效果,因此相配套的设备投资和运行费用较高。
  (2)传统园柱形消化池 
  在中欧及中国,常用的消化池的形状是圆柱状中部,圆锥形底部和顶部的消化池池形(见附图一b)。这种池形的优点是热量损失比龟甲形小,易选择搅拌系统。但底部面积大,易造成粗砂的堆积,因此需要定期进行停池清理。更重要的是在形状变化的部分存在尖角,应力很容易聚集在这些区域,使结构处理较困难。底部和顶部的圆锥部分,在土建施工浇铸时混凝土难密实,易产生渗漏。
  (3)卵形消化池
  卵形消化池(见附图一c)在德国从1956年就开始采用,并作为一种主要的形式推广到全国,应用较普遍。
  卵形消化池最显著的特点是运行效率高,经济实用。其优缺点可以总结为以下几点:
  ① 其池形能促进混合搅拌的均匀,单位面积内可获得较多的微生物。用较小的能量既可达到良好的混合效果。
  ② 卵形消化池的形状有效地消除了粗砂和浮渣的堆积,池内一般不产生死角,可保证生产的稳定性和连续性。
  根据有关文献介绍,德国有的卵形消化池已经成功地运转了50年而没有进行过清理。
  ③ 卵形消化池表面积小,耗热量较低,很容易保持系统温度。
  ④ 生化效果好,分解率高。
  ⑤ 上部面积少,不易产生浮渣,即使生成也易去除。
  ⑥ 卵形消化池的壳体形状使池体结构受力分部均匀,结构设计具有很大优势,可以做到消化池单池池容的大型化。
  ⑦ 池形美观。
  卵形消化池的缺点是土建施工费用比传统消化池高。然而卵形消化池运行上的优点直接提高了处理过程的效率,因此节约了运行成本。如果需要设置2个以上的卵形消化池,运行费用比较下来则更具有优势。节省下的运行费用,很容易弥补造价的差额,用户从高效的运行中受益更多。对大体积消化池采用卵形池更能体显其优点。
  (4)平底圆柱形
  平底圆形池(见附图一d)是一种土建成本较低的池形。圆柱部分的高度/直径比≥1。这种池形在欧洲已成功的用在不同规模的污水厂。它要求池形与装备和功能之间要有很好的相互协调。当前可配套使用的搅拌设备较少,大都采用可在池内多点安装的悬挂喷入式沼气搅拌技术。
  在我国,消化池的形状多年来大都采用传统的圆柱形,随着搅拌设备的引进,使我国污泥消化池的池形也变得多样化。近几年中我国先后设计并施工了多座卵形消化池,改变了国内消化池池形单一状况。如:杭州四堡污水处理厂已建成了3座容积10500立方米的卵形池;济南盖家沟污水厂的3座容积10500立方米的卵形池;济宁污水处理厂新近建成的2座容积12700立方米的卵形池。漳州污水处理厂2座容积11000立方米的卵形池也在施工中。
  施工技术和脚手架技术是成功建设卵形池的重要因素,随着施工经验的积累,这些技术已经取得了长足的进展,因此可以在建筑过程中节省可观的费用。
  (5)卵形与传统圆柱形消化池的综合比较
  卵形与传统圆柱形消化池的综合比较见表1。
3.3 消化池污泥搅拌设备的选择
  
在污泥消化池的过程中,进行污泥混合搅拌,对于提高分解速度和分解率,即增加产气量很重要。
  (1)消化池中污泥搅拌的作用
  ① 通过对消化池中污泥的充分搅拌,使生污泥与消化污泥充分的接触,提高接种效果。
  通过搅拌,调整污泥固体与水分的相互关系,使中间产物与代谢产物在消化池内均匀分布。
  ③ 通过搅拌及搅拌时产生的振动能更有效地进行气体分离,使气体溢出液面。

表1  卵形与传统圆柱形消化池的综合比较

名称

传统圆柱形

卵形

混合性能

低效的混合性,为了混合得更均匀需要很大的能量。

超强的混合性,需要能量低(约节省40~50%的能量)。

粗砂和淤泥的聚集

底部面积大,易沉淀粗砂和污泥,需要定期清理。

浪费的空间导致消化物的消化水平较差。

底部面积小,可有效地消除粗砂和污泥的沉淀,使微小颗粒与污泥充分混合。

浮渣

的堆积

因泥液面较大,浮渣的堆积层不能被有效和永久性得到解决。

污泥液面积大大减少,能有效地控制浮渣的形成和排出。

维护

与保养

一般情况下需对全池进行清理,重新启动系统和整个处理装置需要几个月的时间。维护费用较高。

不需要定期清理,可连续运行。

运行

底部的死角很容易被粗砂和其它沉淀物所堆积,而顶部的无效空间又极易堆积浮渣,从而使消化处理效果较差。

稳定地减少易挥发性有机物且稳定、连续地产生沼气,形成有效的运行处理过程。

容积

受结构和工艺条件的限制,单池容积不易很大。因此占地面积大。

结构和工艺条件较好,单池处理能力大故而所占地面积小,因此在地面积有限或土地价格昂贵的地方成为必然的选择。

运行温度

表面积与处理污泥量的比例较大,使运行费用高且能量消耗较大。

表面积与污泥处理量的比例较小。优异的混合性能保证了系统温度的稳定。

  ④ 消化菌对温度和pH值的变化非常敏感,通过搅拌使池内温度和pH值保持均匀。
  ⑤ 对池内污泥不断地进行搅拌还可防止池内产生浮渣。
  (2)消化池搅拌方式的分类
  消化池搅拌的方式大致可分为如下几类:
  ① 气体搅拌法;
  ② 机械搅拌法;
  ③ 泵循环法;
  ④ 综合搅拌法。

  现国内、外常用的搅拌方法较多采用的是沼气搅拌和机械搅拌法。泵循环法因耗电量较大且搅拌效果不太好已不再使用。原西安污水厂采用过泵循环加水射器的综合搅拌法。虽搅拌效果尚可,但也因耗电量大,不适于中、大容积消化池而不再使用。
  在我国至今还尚无生产定型污泥消化搅拌设备的生产厂。在九十年代前建设的污泥消化池,因国内无成熟的经验,其技术参数和搅拌设备只能参考国外的一些文献资料来设计加工。其技术性能、运行效果、设备加工质量、自动控制水平等均不合人意。如杭州四堡污水厂一期工程,参考法国文献资料采用的气体导流筒式沼气搅拌器;纪庄子污水厂参考美国和日本文献资料先后采用的气体导流筒式沼气搅拌器和后期改成的竖管式搅拌器。另外,在我国也曾试用过螺旋浆式机械搅拌器,但因存在轴密封不好,易漏气等问题而不能正常推广使用。八十年代我国开始在污水处理行业利用国外政府贷款。在引进外资的同时,也引进了国外先进的污泥消化技术和设备。如石家庄桥西污水处理厂和泰安污水处理厂引进了奥地利生产的垂直竖管式沼气搅拌器及配套的液体密封真空沼气压缩机;天津东郊污水处理厂引进了法国得利满公司(Degremont)的多根束管式沼气搅拌器;青岛、济宁污水厂引进了德国斯特林(STERLING)公司的螺旋桨式导流筒机械搅拌器;烟台污水厂引进了瑞士TECHFINR公司生产的多根底部吹管式沼气搅拌器;湖南永州污水处理厂引进了美国贝克(BAKER)公司生产的EDT和RDT螺旋桨式导流筒机械搅拌器;海口中心区污水处理厂和杭州四堡污水处理厂引进了德国洛蒂格(ROEDIGER)公司的悬挂喷嘴式沼气搅拌器等。上述所介绍的搅拌器其实际搅拌效果都已在多数工程实践中得到验证。这些设备的共同特点是:
  A加工质量精细;
  B技术性能高;
  C所选材料材质较好;
  D使用寿命长;
  E维修工作量小。
  根据我们的设计经验,消化池搅拌设备的选择,应根据消化池的池形,池容积的大小及设备投资,运行管理等综合因素确定。
  (3)几种常用搅拌器的性能比较
  目前国内外主要采用的搅拌器形式有以下几种:
  ① 螺旋桨式机械搅拌器(见附图二a);
  ② 悬挂喷嘴式沼气搅拌器(见附图二b);
  ③ 多根束管式沼气搅拌器(见附图二c);
  ④ 底部多根吹管式沼气搅拌器(见附图二d)。
  ① 螺旋桨机械搅拌器
  螺旋桨式搅拌(见附图二a)设备组成简单,操作容易,可以通过竖管向上或向下两个方向推动污泥,因此在固定污泥液面的前提下,能够有效地消除浮渣层。螺旋桨式搅拌器特别适用卵形或者带陡峭锥底的圆柱形消化池。运行简单,维修量少。但在池内的螺旋桨发生故障时,消化池需打开,消化系统要停止运行。螺旋桨式搅拌器的能力,一般情况下按照,在一天内将消化池全池完全搅拌一次的次数和完成搅拌一次的时间来选择。
  ② 悬挂喷嘴式沼气搅拌器
  悬挂喷嘴式沼气搅拌器(见附图二b),主要由悬挂在池顶部的沼气输送竖管和喷咀组成。搅拌器可以按需要在池内多点布置,并可分组运行。具有结构简单;设置和操作灵活;由于可分组搅拌,使所需要的搅拌强度较小;对池的适应性强;不受液面控制等优点。此类形的搅拌器适合于上述的各种池形,用在平底或底部锥形较缓的消化池中更显示出其优点。搅拌器的能力,一般情况下按照,一天内将消化池全池完全搅拌一次的次数及搅拌系统的组数和完成搅拌一次的时间来选择。
  ③ 多根束管式沼气搅拌器
  多根束管式沼气搅拌器(见附图二c)主要由多根沼气输送管(束管)和沼气释放口组成。束管由消化池顶部的中间位置进入池中,延伸至池底部的释放口。此搅拌器的特点是构造简单,易操作。但容易堵塞,需在池顶各束管端头增设观察球及高压水冲洗装置。因沼气释放口的设置聚集在池底中部,适合于小直径且带陡峭锥底的池形。搅拌器的选型根据整池的容积选择。
  ④ 底部多根吹管式沼气搅拌器
  底部多根吹管式沼气搅拌器(见附图二d)主要由多根沼气输送管和沼气释放口组成。沼气输送管可从池顶部侧壁或池侧面进入,沿池底伸入到池中部与沼气释放口连接。与多根束管式沼气搅拌器类似,此方式搅拌器的特点是构造简单,易操作。但易堵塞;因沼气释放口的设置聚集在池底中部,适合于小直径且带陡峭锥底的池形搅拌器。搅拌器的选型根据整池的容积选择。
  上述常用的四种搅拌形式中,除螺旋桨机械搅拌器外,另外三种均利用消化池运行中产生的沼气。沼气搅拌法的优点是:由于沼气的气泡迅速上升造成的湍流可提高混合质量;污泥可以在内部循环;通过在污泥表面形成的湍流防止浮渣形成;改善脱气效果;与消化池的形状和污泥的液位无关。但沼气搅拌系统的组成较复杂,一般由沼气压缩机、沼气喷射管及沼气循环管及附属的冷凝水排放、沼气过滤器等组成。其运行管理复杂。由于沼气具有易燃和易爆的特性,因此,沼气搅拌工艺对设备的安装,所使用管件的制造材料和安全措施有特殊的要求。对运行和操作要求严格。
  污泥厌氧消化处理在技术和投资上都是污泥处理工艺中重要的组成部分,污泥厌氧消化的工艺设计较复杂,需要考虑确定的因素很多。如何使污泥厌氧消化池设计的每一个环节都得到良好的选择,这对工程技术人员来讲是一个需要周密考虑的问题。目前我国的污泥厌氧消化的设计水平基本达到国外的先进水平,但还需进一步提高与消化池相配套的设备及装置的国产化及优良化。通过引进国外先进设备,借助其平台,大力发展我国的环保产业,为我国的环保事业做出贡献。



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