污泥消化池设计中几个问题的探讨

简介： 我国污泥消化处理尚未普及，有关研究、实践的经验也不多。通过对天津东郊污水处理厂污泥消化池的工艺设计，探讨了污泥投配、污泥加热、沼气搅拌等设计中的几个关键问题。
关键字：污泥消化池 污泥投配 污泥加热 沼气搅拌
　　污泥经厌氧消化可以使有机物消化分解，污泥不再腐败；同时通过中温消化，大部分病原菌、蛔虫卵被杀灭并作为有机物被分解。由此，污泥达到稳定、无害，所产生的生物能——沼气还可加以利用。目前，我国中小型污水处理厂一般都不设初沉池，污泥也不进行消化处理。实际上这对污泥的最后处置是不利的。笔者现就污泥消化池设计中所遇到的几个问题加以探讨。
　 　1　污泥投配
　　一般经浓缩后的污泥含水率在96%左右，由于污泥介质的特殊性，其计量存在困难。法国巴黎ACHERES污水处理厂的污泥投配计量采用一容积为10 m3的污泥高位投配池，达到了计量的目的，但操作程序复杂。天津东郊污水处理厂采用单螺杆泵配以橡胶捏阀也收到良好的效果，详见图1所示。

　　单螺杆泵是以螺旋推进的方式排送液体的，它没有枝状叶片，不会被污泥中的纤维杂质堵塞。在多台泵并联运行时，不需要设止回阀，从而解决了污泥管路设止回阀时因污泥中杂质堵塞而致只逆不止的问题。该泵还具备在转速一定的情况下其排送流量均匀稳定的特点，可以用时间控制计量。因此，在投泥系统的设计中利用该泵的上述特点，并配以橡胶阀，可以使投泥计量更趋简单实用。
　　捏阀的外壳为铸铁制成，用于承受管道压力，内层为高强橡胶衬里，能承受0.6 MPa以上的压力，如在内衬中充入压缩空气，可使橡胶衬里扩张并紧紧相贴以阻断管道流体，又由于橡胶衬里接触面积较大，所以纤维和颗粒不致影响该阀的密闭性。当释放阀体内衬中的压力时，管路内流体可正常通行(见图2)。

　　该污泥投配系统克服了其他类型的阀门由于污泥杂质的影响而常关闭不严且不宜频繁启闭的缺点，并同时具有操作简便、严密性好、易于开闭和特别适于实现自控的优点。
　　该污泥投配系统由计算机按设定的时间程序进行控制并完成操作。其作用原理为：当三通电磁阀开启时，0.4～0.6MPa压力的压缩空气作用在橡胶阀上，此时污泥管路断流；当三通电磁阀关闭，并同时打开橡胶阀侧的管路排气，使污泥管路流通。这样依次对三通电磁阀进行控制，也就实现了对4个一级消化池的轮流投泥。计算机准确的时间操作使投泥计量过程变得简单，控制过程容易掌握，而且使多次少量投泥的运行过程得以实现，无疑为消化池的运行创造了良好的条件。
　　 2　污泥加热
　　在工程中消化池所需热量，即使在北方地区，生污泥的加热占了总需热量的绝大部分，所以，如何给生污泥加热对系统设计来说就至关重要。有的工程给生污泥直接加热，显然是不可取的，虽然总需热量不变，但由于生污泥的泥温低，要求热交换器的供热强度大。天津东郊污水处理厂采取先将生污泥投入消化池，然后再从池中抽出混合污泥循环加热。加热是采用套管式泥—水逆流热交换器在池外进行的，热交换器设计时采用泥—水传热系数为3560kg/(h·m2·℃)，每台热交换器设计换热能力可达3.35GJ/h，可设计成连续运行。热交换器应分别设在管廊内靠近每座一级消化池池壁的地方，单独为每座一级消化池加热，独立运行，互不干扰(见图3)。

　　热水循环和控制是维持热交换器正常运转的主要保证。为使热交换器内管中污泥不致形成结块，运行中应严格控制热水水温，一般设计控制进口水温为70℃，出口水温为60℃，此时热水流量应满足要求。每台热交换器的热水循环可由统一调配的热水泵完成，流量和温度都通过安装在进水管上的三通调节阀控制，三通调节阀通过调节流量以控制水温。对热源而言，当进入热交换器的水温高于或低于设定工作温度时，该阀都将提示减少或增加热量，即当水温处在工作调节区时，阀门将按照水温实现热水旁路的分流调节，使进入热交换器的水温保持基本稳定。
　　由于利用沼气加热污泥，因此，污泥泥质与热平衡关系重大。我国的城市污水中工业废水占较大的比重，而且污泥中有机物含量也较低。根据天津纪庄子污水处理厂实测结果，1985年—1990年污泥中有机物含量平均为59.17%，而且冬季高(60%～70%)、夏季低(50%)。污泥中碳水化合物占34%～52%，蛋白质占27%～56%，脂肪占9%～20%。沼气中甲烷含量与污泥成分有关，一般碳水化合物产生的沼气中甲烷含量仅50%，脂肪与蛋白质产生的沼气中甲烷含量则可达70%。全年泥温为10.3～26.6℃。
　　天津东郊污水处理厂根据纪庄子污水处理厂的运行经验，污泥消化池分解有机物的产气系数设计值取0.82m3/kg，污泥中含泥率为40kg/m3，有机物含量取55%。因有机物降解率与污泥中有机物含量有密切关系，该设计取较低值为30%～45%。
　　总之，该污泥与发达国家污泥成分的差别较大。发达国家污泥中有机物含量一般在70%～80%，有机物中蛋白质和脂肪占60%～85%，有机物降解率高达50%以上，对此应有足够的认识，并在污泥加热设计中予以考虑。根据笔者对消化池利用沼气供热的热平衡分析，污泥加热由于含水率高、需热量大，比水加热的问题要多，但污泥中挥发性固体的热焓高，对之有效利用可使污泥加热的能源完全自给。现将利用沼气加热污泥的诸因素按重要性排序如下：
　　①污泥浓度，即污泥中的固体含量；
　　②挥发性固体含量，即产气量；
　　③沼气中的甲烷含量，即沼气产热量；
　　④原污泥温度；
　　⑤消化池的保温材料；
　　⑥环境温度。
　　 3　沼气搅拌
　　污泥搅拌有机械搅拌、射流器搅拌和沼气搅拌三种方式。有资料表明，搅拌方式与池型有关，我国目前常推荐采用沼气搅拌方式。
　　过去有的工程设计也采用沼气搅拌，但其沼气压缩机的进气来源于储气柜，缺点是冬季气柜的气体温度较低(4～5℃)，用低温沼气进行搅拌显然会产生不利影响。另外，一台沼气压缩机向多座消化池供气也不利于系统的控制。天津东郊污水处理厂的消化池设计，其沼气搅拌采用一台压缩机只为一座消化池服务，与产气管路完全分开，不通过储气罐。这样设计的优点是管路短、损失小、故障少，与产气管路及储气罐互不干扰，避免影响储气罐工作。压缩机房内应每座消化池设1台沼气压缩机，其中1台二级消化池所用压缩机因开机时间少，可作备用。为了保障沼气压缩机组的工作安全，在其进口设置了过滤器，以截住沼气中的杂质，减少机械磨损；在进口上安装了压力计，对机组进口负压值进行检测保护；在机组出口上安装了气体温控阀和气体压力阀，并纳入计算机中显示和控制，可以保护设备本身和用气设备；出口上还安装了1个冷凝罐，当压缩沼气冷却时将冷凝水排除(见图4)。

　　天津东郊污水厂所用沼气搅拌器为24根不锈钢管，由消化池顶进入池底部，组成直径3.65 m的搅拌圆环。这种搅拌器吃水深度大，气体压力大，能形成较强的上升速度，搅拌效果显著。该搅拌器是法国Degremont公司的定型产品，每台搅拌器24根管在消化池顶以上部分均安装了通气工作指标浮球，一旦发生阻塞等事故，浮球就会落下，提醒检修。搅拌器的检修可不中断运行，在控制室中安装了1台多级离心泵D6—25，水泵流量为2m3/h，扬程为3MPa，通过管道将高压水送到各消化池池顶，对各搅拌管进行高压清洗，排除阻塞故障。
　　上述设备及安全设施的安装和完善，对保证搅拌效果、提高消化池污泥消化速率和消化程度、多产沼气有着十分重要的作用。搅拌设施是否安装、调试成功，应在安装后进行清水试验。试验时在任意点投加示踪剂，用空气进行搅拌30min，然后在任何点取样，其浓度应该均匀。
　 　4　东郊污水厂污泥消化工艺特点
　　上述污泥消化池的污泥投配、污泥加热及沼气搅拌是设计中的关键问题。现将天津东郊污水处理厂污泥二级中温消化工艺的特点总结于后，以供读者在实践中参考。
　　①该工艺流程所投配的浓缩污泥有几个特点：首先其投配量是用时间来控制的，其次是生污泥不加热，最后是投泥与排泥同时进行，排泥完全由投泥量控制——因为排泥是溢流式的，投多少泥就排多少泥。
　　②该工艺不设排上清液的设施，也不排上清液。所谓污泥上清液是在脱水机房内排出的。
　　③污泥加热和沼气搅拌是采用“one by one”方式，每个消化池都有自己专用的一套加热与搅拌设备，使控制操作简便。
　　④在正常情况下，该工艺的各个系统工作是连续的，尤其是沼气搅拌系统是进行连续搅拌的，这也是没有上清液的原因。
　　⑤污泥加热是通过给循环污泥加热来完成的，热交换时污泥升温仅5.5℃，用保持总热量来控制泥温，使污泥加热变得十分容易。
　　⑥该工艺所用阀门、泥泵、水泵、气泵及专用设备的型号已在多个污水处理厂经过考验。