污泥厭氧消化池設(shè)備選型和管路布置要點

侯 盾， 周夏海， 李佳璐， 南亞坤

(1. 寶航環(huán)境修復(fù)有限公司， 北京 100012； 2. 蘇伊士水務(wù)工程有限責任公司， 北京 100026)

隨著經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平提高，我國城鎮(zhèn)污水和污泥的產(chǎn)量逐年快速增長，截至2019年底，全國縣市級以上污水處理廠產(chǎn)生污泥量達到1303萬t(干泥)[1]。從污染物的轉(zhuǎn)化看，水中約30%～50%的COD轉(zhuǎn)入了污泥中，著眼于污染物減排角度，污泥處理處置是污水處理的重要補充環(huán)節(jié)[2]。

污泥處理處置技術(shù)工藝的選擇都是緊扣四化：穩(wěn)定化、減量化、無害化、資源化。厭氧消化具有耗能低，能源提取量大，同時有一定殺菌的作用，污泥四化方面表現(xiàn)出色，在歐美發(fā)達國家得到了廣泛關(guān)注，特別是歐盟，對厭氧消化最為推崇，并將其作為污泥穩(wěn)定化最主流的技術(shù)之一[3]。

我國人口眾多，資源和能源相對短缺，采用厭氧消化技術(shù)進行污泥資源化、能源化的做法符合我國國情。國家陸續(xù)發(fā)布了一系列政策鼓勵該技術(shù)的研究和應(yīng)用[4]。2000年，多部門聯(lián)合發(fā)布的《城市污水處理及污染防治技術(shù)政策》中5.2條規(guī)定：“日處理能力在10萬m3以上的污水二級處理設(shè)施產(chǎn)生的污泥，宜采取厭氧消化工藝進行處理，產(chǎn)生的沼氣應(yīng)綜合利用[5]?！?/p>

但截至2019年底，我國僅有近60座污水廠配套建設(shè)了污泥厭氧消化系統(tǒng)，不到全國縣市級以上污水處理廠數(shù)量(共計4140座[1])的2%，且總體運行狀況不盡樂觀，可以運行的僅20余座[2]。雖然國內(nèi)污水廠污泥普遍存在有機質(zhì)含量低、含砂量大等客觀因素，但同時也存在工藝設(shè)計、設(shè)備選型和運行上的不足，這些都是可以通過技術(shù)、管理等綜合手段解決的。包括廣為詬病的國內(nèi)污泥含砂量大、有機質(zhì)含量低的問題，也可通過改善污水廠預(yù)處理段沉砂效果、提升消化進泥除砂/渣預(yù)處理效率等措施，使消化處理效果得到明顯改善。北京小紅門及上海白龍港污水廠的實踐已證明了這點[6-7]。

無論從未來更嚴峻的節(jié)能減排形勢，還是從資源化等折合的經(jīng)濟性能來看，厭氧消化都將是我國解決污泥處理處置難題的一條重要技術(shù)路線。總體來看，目前國內(nèi)外消化技術(shù)的研究主要集中在如何改善污泥的厭氧消化性能，以提高有機物去除率和沼氣產(chǎn)率，其中對有機廢料與污泥協(xié)同處理以及消化預(yù)處理技術(shù)方面的研究較多[4, 8]。但國內(nèi)污泥厭氧消化工程案例少，消化設(shè)計和運行還在摸索之中，設(shè)計和設(shè)備選型優(yōu)化對于提升消化系統(tǒng)整體功能同樣有潛可挖。

1 案例工程厭氧消化池簡介

本案例工程位于華東地區(qū)，其消化工藝采用單級中溫35°C厭氧消化。消化池采用卵形、雙向有粘結(jié)鋼筋砼結(jié)構(gòu)，共8座，遠期擬增至10座，單池容積12400 m3。池體最大處直徑25 m，池體總高45.56 m，地上部分32.26 m，地下埋深13.30 m。所有消化池共用一個大型地下管廊，管廊中除了布置所有進出消化池的工藝管線和閥門之外，還設(shè)置了服務(wù)各池的進泥泵、循環(huán)泵、換熱器及公用的消泡/沖洗水恒壓裝置。消化工藝具體的設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 污泥厭氧消化工藝主要設(shè)計參數(shù)

2 消化池攪拌設(shè)備

大型消化池的攪拌器主要采用機械攪拌和沼氣攪拌兩類。機械攪拌器有導(dǎo)流筒螺旋槳攪拌和大槳葉攪拌兩種類型。沼氣攪拌則分為固定攪拌和懸掛攪拌兩種模式。在對比了已經(jīng)投入使用的16座10000 m3機械攪拌消化池和2座8500 m3沼氣攪拌消化池的基礎(chǔ)上，表2給出了大型消化池兩種主要攪拌方式的比較。

表2 大中型污泥厭氧消化池攪拌方式的比較

兩種機械攪拌類型中，大槳葉慢速攪拌的厭氧消化池內(nèi)，物料在水平方向上與攪拌器同向轉(zhuǎn)動，消化池內(nèi)同時存在軸向和徑向兩個方向的運動，在豎直和水平方向都存在混合作用，整個消化池內(nèi)流場速度分布較為均勻[9]，同時耗能少，國內(nèi)大型柱型消化池中有較多應(yīng)用，如北京高碑店、青島麥島厭氧消化均采用了該攪拌方式。

導(dǎo)流筒螺旋槳攪拌器在消化池中心安裝導(dǎo)流筒，當螺旋槳旋轉(zhuǎn)時，不斷將筒內(nèi)污泥提升到泥面或壓向池底，形成循環(huán)攪拌。攪拌器組成簡單、操作容易、維修量小，能夠有效地消除浮渣層，特別適用于卵形消化池[10]。導(dǎo)流筒流量以日翻騰攪拌6～10次考慮，筒內(nèi)污泥流速一般選用0.3～0.4 m·s-1，國內(nèi)石家莊橋東、濟寧、武漢三金潭、青島李村河、南昌青山湖、重慶雞冠石/唐家沱等消化項目均采用了該種攪拌方式。

案例工程采用大型鋼筋砼卵形消化池，結(jié)構(gòu)和受力條件好，池形具有利于混合攪拌的工藝優(yōu)點。底部面積小，易于底部沉淀物的排除，污泥液面小，利于排渣，該池形攪拌能量要求低，特別適合采用帶有導(dǎo)流筒的螺旋槳攪拌器。該工程采用的螺旋槳攪拌器，葉輪為不銹鋼316材質(zhì)，直徑780 mm，導(dǎo)流筒內(nèi)壁直徑900 mm，最窄處直徑800 mm，葉輪與筒壁設(shè)計間隙10 mm。導(dǎo)流筒材料選用GGG球墨鑄鐵，連接法蘭一體化澆筑成型，禁止使用焊接法蘭的形式。攪拌器轉(zhuǎn)速423 rpm，輸送流量6120 m3·h-1, 軸功率為44 kW，折合單位體積攪拌功率約3.5 W·m-3，配套電機功率58 kW。設(shè)備本身帶有自動潤滑裝置和軸承溫度報警裝置。采用三級密封，能夠在運行時將消化池內(nèi)部外部環(huán)境完全隔離。

本文立足于新時代背景下的共享經(jīng)濟，對價值共創(chuàng)相關(guān)研究文獻進行闡述，定義共享型生活服務(wù)平臺及其特性，對基于共享型生活服務(wù)平臺的社區(qū)各要素間的價值共創(chuàng)過程進行具體分析，識別其價值清單，對價值共創(chuàng)和顧客忠誠度研究都是有益的補充。

3 消化池管道的設(shè)置

消化池涉及的管道包括消化進泥管、排泥管、上清液排放管、污泥循環(huán)管和沼氣出氣管等，管道布置及設(shè)計的要點在于各種管道在進出消化池的位置應(yīng)盡可能相對集中，這樣便于在各管道之間設(shè)置必要的連通管及相應(yīng)的閥門組，在消化池啟動、正常運行、日常維護及故障排除時，通過閥門的切換，可以實現(xiàn)不同的工藝目的。

3.1 消化池進泥管路

消化池進泥管路與消化池進泥方式密切相關(guān)。對于大型消化池，必須考慮連續(xù)進泥和間歇進泥兩種模式，管路尺寸和進泥泵能力需要按照間歇進泥的情況進行選型，按照連續(xù)進泥的條件進行復(fù)核。

正常運行狀態(tài)下，消化池進泥口位于消化池頂部，如圖1所示。新鮮污泥由進泥螺桿泵泵出，首先與消化池循環(huán)污泥混合，經(jīng)過換熱器加熱后，通過消化池管廊豎井，抵達消化池頂部進入池內(nèi)。

圖1 消化池頂部進泥方式

消化池間歇進泥時的流量較連續(xù)進泥大3～4倍，泵的能力按間歇運行選擇，須具有流量可調(diào)功能?？紤]到消化進泥含固率為3%～6%，螺桿泵轉(zhuǎn)速可選擇200～300 rpm，不必過小。同時考慮到國內(nèi)污泥含砂量普遍較高，泵投運后磨損大，流量下降嚴重，泵選型時應(yīng)考慮30%～50%的裕量。

某些特定條件下，通過閥門切換，可以實現(xiàn)消化池中部或底部進泥。比如：在消化池初期啟動階段，池內(nèi)污泥濃度低，且大多集中在底部區(qū)域，此時消化池進泥位置可以從頂部切換至中部進泥。污泥循環(huán)泵將底部的污泥抽出，與進泥混合并加熱后，從消化池中部投入，不斷重復(fù)循環(huán)(見圖2)。這樣可以實現(xiàn)在污泥攪拌器無法啟用時，對消化池底部空間的污泥進行混合，創(chuàng)造有利于污泥馴化及生長的環(huán)境，為后期污泥增殖提供良好的條件。當消化池內(nèi)污泥濃度增加到1.5%以上時，適時啟動攪拌器，并將進泥切換至正常運行方式。另外，污泥中含有砂子，因為密度大，會在消化池底部富集，存在板結(jié)的傾向?？梢圆欢ㄆ谕ㄟ^切換閥組，利用中部出泥，底部進泥的方式，對底部區(qū)域進行松動，疏散泥砂的密實度，如圖3所示。

圖2 消化池中部進泥方式

圖3 消化池底部反沖方式

3.2 消化池排泥管路(污泥上升管)

部分中小型消化池的排泥采用底部直排，這種排泥方式閥門開度小、流速大，排放過程難以控制。大型消化池的液位與廠區(qū)排泥管之間有30～40 m的高差，如采用底部直排，情況將更嚴重。同時排泥中帶有部分砂礫，會高速沖刷排放閥的密封，磨損大，使用數(shù)月就需要更換閥板和閥座。因此對于大型消化池，應(yīng)設(shè)置污泥上升排放管，采用溢流方式排放污泥。頂部進泥的同時，將底部污泥通過污泥上升管頂出消化池，排入污泥槽內(nèi)(見圖4)，實現(xiàn)進泥和出泥的自動平衡。上升管排放口的形式可做成可調(diào)彎頭或套筒閥式(見圖5)，用于精確控制池內(nèi)液位，滿足攪拌器的相應(yīng)要求等。

圖4 消化池頂部排泥管路

1.啟閉機； 2.套筒閥； 3.沖洗接口

3.3 消化池上清液排放管(緊急溢流管)

消化池出泥管發(fā)生堵塞時，池內(nèi)的液位會不斷上升。如果污泥無法排出，會造成污泥通過安全閥大量溢出消化池的事故。為了預(yù)防此類事故，目前大型消化池頂部均設(shè)置有緊急溢流管，該管兼具上清液排放功能，采用下進上排的方式，溢流主管頂部不封閉，下部進口需深入液位以下3～4 m，避免池內(nèi)沼氣外泄。在溢流管排放管路上設(shè)置帶有閥門的可調(diào)排料管，用于精確調(diào)節(jié)溢流液位。一旦出現(xiàn)消化池內(nèi)液位由于故障快速上升，到達溢流液位時，池內(nèi)污泥可以立即排出池體，避免出現(xiàn)池頂噴泥的事故。

正常情況下，消化池內(nèi)部為完全混合狀態(tài)，頂部和底部污泥濃度相差相對較小。但是在某些特殊情況下，例如調(diào)試期間或系統(tǒng)恢復(fù)期間，上清液濃度非常低，工藝上需采用溢流管進行消化池正常排液時，先將溢流排放高度調(diào)整為正常設(shè)計液位，同時需要考慮不同濃度排液的去向，例如，排液含固率超過1%情況下，可排至濃縮池進行濃縮。否則上清液排放到廠區(qū)下水管道，排液濃度過低會干擾濃縮池的正常運行。

為了實現(xiàn)兩種排放方式，消化池頂部設(shè)有兩個相互獨立的槽室，即污泥槽和浮渣槽。污泥上升管設(shè)置在污泥槽內(nèi)，浮渣門及緊急溢流管設(shè)置在浮渣槽內(nèi)。緊急溢流管上設(shè)2個分支管，兩者在同一高程，一個出口設(shè)在浮渣槽內(nèi)，另一個出口從浮渣槽跨越到污泥槽，均用于排放上清液時使用(見圖6)。

圖6 帶有可調(diào)彎頭的緊急溢流管

3.4 消化池污泥外排管和上清液(浮渣液)外排管

消化池出料外排下降管分為兩根，一根為上清液下降管，與浮渣槽相連，用于排放含固較少的上清液，排放目的地為全廠下水管網(wǎng)。另外一根為污泥排放管，用于排放消化污泥，排放地點為脫水系統(tǒng)之前的濃縮池。消化池正常的排料如圖7所示。

圖7 消化池底部排泥和頂部排渣

在實際運行中，如果需要排放消化池不同位置的污泥，可以通過切換閥門實現(xiàn)。例如，底部含砂較多污泥的強制排放(見圖8)。

圖8 消化池底部壓力排泥

消化池污泥管路布置要避免出現(xiàn)銳角形式，管路彎曲半徑應(yīng)當大于3d。出消化池管路上的第一道閥門為雙保險起見，建議串接兩道閘閥。為了防止消化池與附屬構(gòu)筑物不均勻沉降對管路帶來的負面影響，雙閘閥后再安裝雙向型伸縮節(jié)。

大型厭氧消化項目池數(shù)較多時，宜在各消化池之間設(shè)置直通連接管，這樣在系統(tǒng)啟動階段包括停運恢復(fù)時，會有更多的選擇和調(diào)節(jié)保障手段。

管路設(shè)計需特別注意的是，污泥管的布置要嚴格避免存在相對高點的情形，因為管中污泥的產(chǎn)氣會在相對高點聚集，造成氣堵，堵塞管路。而沼氣管則相反，在管路設(shè)計時要考慮一定的坡度，同時盡可能避免管路中存在相對低點。冷凝水會在低點處匯集，如果不能及時排出，會堵塞氣路，嚴重時還會造成消化池內(nèi)氣壓異常升高，甚至破壞消化池頂部的土建結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致重大事故。

4 消化池相關(guān)儀表

消化池儀表選擇時需要考慮到消化池運行的特點，例如消化池會出現(xiàn)浮渣層和泡沫層、消化池出口沼氣壓力低，一般僅有不到0.5 m的水頭、消化池攪拌均勻程度對于池內(nèi)的生物活性有重要影響等。消化池儀表種類不多，包括溫度計、壓力計、液位計、泡沫探測等，其選擇必須滿足防爆要求。

由于消化池運行時，經(jīng)常產(chǎn)生泡沫，因此不宜在池頂安裝超聲波或雷達液位計等監(jiān)測池內(nèi)液位。通常情況下，宜在池體底部安裝靜壓液位計?？紤]到池內(nèi)液面上部為微正壓區(qū)域，應(yīng)安裝池頂氣室的沼氣壓力變送器，以便對靜壓液位計測得的液位進行修正。

由于消化池沼氣產(chǎn)氣壓力低，沼氣流量計不應(yīng)選擇壓損較大的渦街流量計，而選擇壓損小，耐腐蝕耐濕氣能力強的熱質(zhì)流量計。

為了了解消化池的攪拌效果，可以在消化池上下池壁設(shè)置2個溫度變送器，通過測量消化池內(nèi)部溫度，間接體現(xiàn)攪拌效果。為了消除空氣傳導(dǎo)對測量帶來的不利影響，溫度變送器需要安裝在帶有導(dǎo)熱油的套管內(nèi)。

池頂安裝的沼氣壓力/溫度變送器和電容式泡沫探頭物位開關(guān)均在防爆區(qū)內(nèi)，需要配置電流安全柵對去往儀表的用電進行過濾，過大的電流會被隔離，防止出現(xiàn)火花。

5 消化池輔助非標設(shè)備

厭氧消化是一個系統(tǒng)工程，同時涉爆涉毒。工藝上，如果配置多座小型消化池(通常3000 m3以下)，其中一座消化池停運或重啟，不會對系統(tǒng)帶來顯著影響，也不會產(chǎn)生大量的額外費用，因此小型消化池配置的附屬設(shè)備較為簡單。但是大型消化池，一座污水廠僅會設(shè)置數(shù)座，單池容量大，通常超過8000 m3, 如果其中1座消化池停用，可能造成前后關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的大量調(diào)整。因此大型消化池的運行必須穩(wěn)定可靠，重視每個細節(jié)，對于實際運行過程中不可避免的浮渣、泡沫、沉砂、壓力波動等擾動，在設(shè)計及設(shè)備選擇上必須具備相應(yīng)的應(yīng)對措施。

5.1 觀察窗

為了及時發(fā)現(xiàn)運行中出現(xiàn)的浮渣及泡沫，消化池頂應(yīng)設(shè)置觀察窗(見圖9)。在考慮防腐的同時，需要特別注意觀察窗啟閉時不能碰撞出現(xiàn)火花。通常情況下宜采用銅制窗架及有機玻璃窗體, 需要時可以接入高壓沖洗水進行清潔刮刷。觀察窗自帶蓋子，防止陽光直射可能帶來的不利影響。

1.觀察燈； 2.黃銅頂蓋； 3.有機玻璃觀察窗； 4.雨刷； 5.清洗噴頭

5.2 消泡器

消泡器安裝在消化池頂部，與沼氣出氣集氣罩合為一體(見圖10)，用于消除可能進入沼氣管的泡沫。自動消泡裝置由泡沫探頭、電磁閥、高壓水噴淋系統(tǒng)組成。另外，還可輔以手動高壓水噴射器方式進行手動消泡。消泡水的壓力宜選定在3～4 bar, 噴嘴的水流形式采用實心錐式，噴射角選擇為60°～90°，可同時兼顧噴射的力度及噴淋的范圍。

1.噴嘴； 2.進水電磁閥； 3.壓力傳感器； 4.儀表手閥； 5.止回閥； 6.頂部噴頭

消泡器高壓噴淋水進水管上同時預(yù)留外來消泡劑的接口，方便必要時接入。消泡劑應(yīng)選擇高效易生物降解的類型。

5.3 浮渣排放裝置

當浮渣層較厚時，需采用直接排放的方式，通過浮渣排放門，排放至消化池之外。浮渣排放門的結(jié)構(gòu)如圖11所示。

1.閘門把手； 2.快開連桿； 3.浮渣門； 4.浮渣門鉸鏈； 5.浮渣門； 6.浮渣格柵； 7.消化池頂部空間； 8.浮渣層

與普通閘門采用上下行進方式不同，消化池專用的浮渣排放門采用側(cè)開方式，可以實現(xiàn)速開速閉。閘門通過側(cè)向鉸鏈實現(xiàn)閘門水平外開，另一邊通過杠桿壓條將閘門門板推向門框的密封條，并且通過門框上的楔形塊進行加壓，實現(xiàn)門框和門板的完全密封。

以700 mm×700 mm排放門為例，普通閘門需要60～90秒達到完全開啟，閘門上的堰上水頭通常只有幾厘米，因為流速慢，表層浮渣很難被水流帶出，排渣效果差；而側(cè)裝排放門僅用1秒即可完全開啟，排放水頭可達70 cm，大大提高了消化池的排渣速度和排渣效果(見圖12)。

圖12 浮渣排放門/格柵及排渣實況

浮渣排放完畢后，專用浮渣排放門1～2秒即可關(guān)閉到位，這樣能大大減少消化池內(nèi)外聯(lián)通的風險，提高安全性。

5.4 安全閥

消化池須配備正負壓安全閥(見圖13)，安全閥的開啟壓力為+/-60 mbar。安全閥可以采用機械型安全閥或者水力型安全閥?？紤]到消化池頂部的沼氣中含有一定的雜質(zhì)，有堵塞機械式安全閥的風險，因此推薦選用水力型安全閥。當消化池內(nèi)的壓力超限，安全閥觸發(fā)，閥內(nèi)水排出，消化池內(nèi)部與大氣聯(lián)通，反之亦然。

1.注水口； 2.水封液位指示器； 3.安全閥預(yù)埋件

6 結(jié)論

文章對比了消化池不同形式攪拌器的特點，指出大型卵形污泥消化池選用導(dǎo)流筒螺旋槳攪拌器是最佳的選擇，且配套導(dǎo)流筒和固定法蘭需要一體化鑄造成型。

針對消化池設(shè)計運行中經(jīng)常會出現(xiàn)的進泥負荷過低、不當排泥方式造成經(jīng)常檢修及未考慮管路堵塞消除措施造成池頂溢泥等情況，提出了一套消化池管路布置方法，包括污泥上升管，溢流排泥管、上清液排放管兼顧緊急溢流和低含固排液。布置方法中設(shè)置的中部污泥循環(huán)管用于少含砂污泥循環(huán)以減少對換熱器設(shè)備的磨損等。消化池底部管路推薦安裝聯(lián)通管和多功能閥組，以方便調(diào)試和運行中實現(xiàn)多種不同的工藝目的。

為了保證大型消化池的穩(wěn)定連續(xù)運行，避免出現(xiàn)頻繁清池重啟的情況，應(yīng)當特別重視消化池的排渣、消泡、排砂工作，正確選擇消化池附屬設(shè)備，包括觀察窗、消泡裝置、浮渣排放門和安全閥等。目前輔助設(shè)備的設(shè)置在德國已有數(shù)十年的使用業(yè)績，國內(nèi)包括案例工程在內(nèi)的多個項目的工程實踐證實消化池附屬設(shè)備是可靠和有效的。

本文以工程運行經(jīng)驗介紹與分析為主，科學(xué)性有待進一步研究探討。