某國外污水處理廠污泥厭氧消化池工藝設(shè)計

洪思平，蘇慶郁

（1.上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司，上海市 200063；2.中石化江蘇油田分公司油氣生產(chǎn)服務(wù)中心采油服務(wù)二公司，江蘇 淮安 211600）

0 引言

“一帶一路”沿線某南亞內(nèi)陸國家基礎(chǔ)設(shè)施落后，由于缺乏供水管網(wǎng)，目前大部分地區(qū)還是采用深井取水，用罐車運送清潔水至用戶家中，用戶大都用水窖貯水，整個供水模式導(dǎo)致用戶用水極其不方便，人均用水量也偏低。另外，該國長期受到鄰國印度在飲食習(xí)慣方面的影響，導(dǎo)致產(chǎn)生的生活污水中油脂、TN 及有機物含量均偏高。

加德滿都谷地在上世紀(jì)80 年代建有兩座自然滲濾池用以凈化污水，現(xiàn)已廢棄不用，目前除由WABAG 公司承建的GUHESHWORI 污水廠正在建設(shè)中，該地區(qū)尚無建成的污水收集管網(wǎng)及處理廠，城鎮(zhèn)生活污水做排河處理。隨著城市發(fā)展及人口的不斷增長，不論是從河流的納污自凈能力還是城市衛(wèi)生要求來看，都不能接納日益增長的污染物排放，污水的收集及處理迫在眉睫。

亞洲開發(fā)銀行（ADB）向尼泊爾政府提供貸款用于對點援建，在加德滿都谷底擬新建三座污水處理廠以緩解該地區(qū)日益嚴(yán)峻的城鎮(zhèn)水污染問題，三座污水廠污水處理量分別為3.7 萬m3/d、1.75 萬m3/d和1.42 萬m3，以其中處理量最大的D 污水廠為例，工藝設(shè)計由污水、污泥處理及沼氣利用環(huán)節(jié)組成。污水處理采用“格柵-曝氣沉砂池-提升井-調(diào)節(jié)池-初沉池-好氧池-二沉池”工藝，處理出水要求達(dá)到當(dāng)?shù)嘏潘畼?biāo)準(zhǔn)（Nepal Gazette 2060/03/09），出水就近排放附近自然水體。初沉池及二沉池產(chǎn)生的污泥分別經(jīng)濃縮后進入消化段，消化產(chǎn)生的沼氣經(jīng)脫硫凈化處理后用于鍋爐及發(fā)電機組，而消化池是整個污泥處理并實現(xiàn)資源化利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 項目背景

1.1 自然條件

加德滿都谷底當(dāng)?shù)厥苣蟻啛釒Ъ撅L(fēng)影響很大，當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?0℃左右，最低大氣溫度：-3.3℃，最高大氣溫度：36℃，平均海拔高度1275.5 m。氣候基本上只有兩季，每年的十月至次年的三月是干季（冬季），雨量極少，早晚溫差較大，晨間10℃左右，中午會升至25℃；每年的4—9 月是雨季（夏季），其中四、五月氣候尤其悶熱，最高溫常達(dá)到36℃，全年90%的降雨量集中于雨季，五月起的降雨常作為雨季的前奏，一直持續(xù)到九月底，雨量豐沛，常泛濫成災(zāi)。

1.2 進水條件

（1）日處理量：3.7 萬t/d。

（2）進水水質(zhì)（見表1）。

表1 進水水質(zhì)表單位：mg/L

（3）出水水質(zhì)：滿足當(dāng)?shù)匚鬯欧艠?biāo)準(zhǔn)（Nepal Gazette 2060/03/09），具體參數(shù)見表2。

表2 出水水質(zhì)表

1.3 消化池進泥說明

污水進行處理后產(chǎn)生大量的污泥，如將這些污泥直接送到垃圾場填埋，需要昂貴的運輸費和處理費，還可能導(dǎo)致污泥中的致病微生物、蟲卵等形成二次污染。利用消化池對污泥進行處理，提高污泥的衛(wèi)生指標(biāo)，還能減少細(xì)菌及臭氣，避免對環(huán)境造成二次污染。

消化池的進泥由初沉池污泥和二沉池污泥分別經(jīng)過濃縮后混合而成，其中，初沉污泥經(jīng)過重力濃縮池進行濃縮處理，濃縮后污泥濃度5%，污泥量142 m3/d；二沉污泥經(jīng)機械濃縮機濃縮，濃縮后污泥濃度5%，污泥量122 m3/d。兩種濃縮污泥分別經(jīng)螺桿泵提升后進入污泥混合池混合，混合池設(shè)置兩座，通過池頂機械攪拌方式來均質(zhì)均量污泥。

消化池采用中溫消化，罐內(nèi)污泥適宜的溫度需維持在35±1℃，混合污泥池泵送的污泥需進行升溫?fù)Q熱，換熱后的污泥進入到消化池，進泥含固率5%，其中揮發(fā)性有機物含量占污泥量60%，有機質(zhì)在消化池內(nèi)進行分解產(chǎn)生沼氣，揮發(fā)性有機質(zhì)分解率50%，沼氣產(chǎn)量按0.9 m3/kg VS 計，罐體設(shè)置溫度、pH 等儀表來監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。消化池設(shè)計參數(shù)見表3。

表3 消化池設(shè)計參數(shù)

2 消化池工藝設(shè)計

下面就消化池體結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、立式攪拌系統(tǒng)、管路、安全保護設(shè)置、換熱系統(tǒng)及消化系統(tǒng)整體布置等方面的設(shè)計進行說明，著重對池體材質(zhì)的確定和立式攪拌系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計進行探討。

2.1 池體結(jié)構(gòu)

國內(nèi)外大多數(shù)污泥厭氧消化池一般是圓柱形和蛋形，蛋形消化池外形似蛋，對基礎(chǔ)設(shè)計要求高，貯存氣體容積小，建設(shè)費用高，廣泛用于歐洲、美國[1]。圓柱形消化池又分為柱錐式和平底式（見圖1、圖2），平底式結(jié)構(gòu)相對簡單、上部有比較大的貯氣容積，并且建設(shè)費用相對較低[4]，但是攪拌效果相對較差，容易導(dǎo)致泥沙等沉積物積聚；柱錐式即采用上下帶有坡度的圓柱形池型，相比于平底式圓柱池，可減少泥沙積聚的問題，本工程從建設(shè)費用、沉積物積聚等方面進行綜合考慮，選用柱錐式池體。

圖1 柱椎式

圖2 平底式

2.2 池體材質(zhì)

消化池體有鋼制和混凝土兩種材質(zhì)，現(xiàn)將上述兩種材質(zhì)做如下比較：

（1）消化池體直徑15 m，采用鋼制罐體會存在鋼罐壁厚較薄，罐體焊接加工時容易變形的問題，而混凝土池體與鋼制罐施工工藝不同，不存在上述問題。

（2）消化池的進泥不可避免的含有泥沙，若采用鋼制罐，混有泥砂的污泥在攪拌作用下對池壁層產(chǎn)生磨耗，內(nèi)防腐層易剝落，罐內(nèi)介質(zhì)進而對罐體產(chǎn)生磨耗及腐蝕；混凝土池體壁厚較厚，受泥沙磨耗的影響較小。

（3）加德滿都谷底所在地每年的4—9 月是雨季，持續(xù)時間長，并且暴雨瞬時強度大，降雨歷時長，若采用鋼制罐體，長時間收到雨水侵蝕，罐體外壁防腐層容易剝落產(chǎn)生銹蝕。另一方面，對于污泥消化，很重要的控制參數(shù)就是消化溫度，要求溫度控制在35±1℃以內(nèi)，鋼罐壁厚較薄，受周圍環(huán)境影響大?；炷凉薇诤褫^厚，降雨等帶來的腐蝕及池內(nèi)泥溫受外界環(huán)境影響較小。

（4）鋼制罐體材料需要運抵施工現(xiàn)場進行焊接組裝，組裝完成需對罐體進行無損探傷檢查，鋼結(jié)構(gòu)池體的拼焊施工對設(shè)備設(shè)施、操作人員的要求均高，現(xiàn)場施工不確定因素多，有可能導(dǎo)致工期延誤等。而混凝土結(jié)構(gòu)池體與本工程其他混凝土單體構(gòu)筑物施工步續(xù)一致，規(guī)避了對設(shè)備設(shè)施及其人員的依賴。

通過上面的對比分析，本工程消化池體采用混凝土結(jié)構(gòu)，見圖3。依據(jù)進泥參數(shù)，對消化池進行工藝設(shè)計，具體池體參數(shù)見表4。

圖3 池體結(jié)構(gòu)圖

表4 消化池池體參數(shù)

2.3 立體攪拌

為了提高池內(nèi)污泥與消化池內(nèi)菌落的混合均質(zhì)性，通常在消化池內(nèi)設(shè)置攪拌系統(tǒng)，對污泥進行適當(dāng)攪拌，最終目的是提高消化池內(nèi)污泥的消化反應(yīng)速率，加速污泥的消化分解。常見的攪拌形式分為以下三種，外置泵式循環(huán)系統(tǒng)、機械攪拌、沼氣攪拌，通常是單獨一種或是兩種組合使用。沼氣攪拌是將消化池頂部的部分沼氣抽出經(jīng)沼氣壓縮機后通回池內(nèi)對消化污泥進行攪拌；外置泵式循環(huán)系統(tǒng)是在消化池外設(shè)置循環(huán)泵，將污泥進行抽吸并泵回消化池內(nèi)部來實現(xiàn)池內(nèi)污泥的循環(huán)，一般適用于較小的、帶漏斗底的消化池。機械攪拌是在消化池頂部或是側(cè)壁設(shè)置攪拌機械，罐內(nèi)連接攪拌電機的攪拌軸上設(shè)置單排或多排槳葉，通過軸的旋轉(zhuǎn)帶動槳葉旋轉(zhuǎn)，對消化污泥進行混合。

現(xiàn)對三種攪拌形式進行優(yōu)缺點分析比較（見表5）：

表5 三種攪拌系統(tǒng)優(yōu)缺點對比表

三種攪拌方式均有應(yīng)用，很難說哪種優(yōu)勢更為顯著，具體選擇時還是要貼合工程的實際情況，如池體大小、池形、污水預(yù)處理泥沙處理效果等，本工程消化池體較小，且為柱錐池形，攪拌系統(tǒng)的選擇范圍較寬，從攪拌效率、維護工作量、機械及循環(huán)設(shè)備磨損腐蝕情況來看，選擇機械攪拌較為合適。

消化池現(xiàn)行常見的機械攪拌一般有兩種，立軸式（見圖4）和側(cè)進式（見圖5），立軸式攪拌是在消化罐頂部設(shè)置一臺低速攪拌器，側(cè)進式攪拌一般是在罐壁中部、底部設(shè)置兩層攪拌器，每層對稱設(shè)置4 臺攪拌器。這兩種攪拌形式各有利弊，立軸式應(yīng)用較為廣泛，技術(shù)較成熟，因為是單臺電機，一旦設(shè)備有問題，消化池的攪拌只能暫停；側(cè)進式攪拌的特點是軸向流大、適用于懸浮顆粒介質(zhì)的攪拌，但是動力設(shè)備增多，運行成本及維護工作也相應(yīng)增加。兩種攪拌系統(tǒng)有利有弊，但是立軸式攪拌系統(tǒng)的優(yōu)勢還是較為明顯，鑒于此，本工程確定采用立式機械攪拌。

圖4 立軸式機械攪拌

圖5 側(cè)進式機械攪拌

浮渣問題是消化池設(shè)計不可逾越的關(guān)鍵問題，有的建成廠卵形池的浮渣達(dá)15 cm 高，平底式浮渣厚度達(dá)到1 m[2]，現(xiàn)有破除浮渣的方式跟選用池形、攪拌方式密切相關(guān)，一般有沼氣攪拌、池頂噴淋工藝水、外置泵抽取循環(huán)等破除，單一的浮渣破除方式不能有效避免浮渣結(jié)蓋。

常規(guī)立式機械攪拌系統(tǒng)，采用雙層或三層槳葉攪拌，上部對浮渣層沒有擾動，浮渣層越積越厚，產(chǎn)生板結(jié)，直接影響沼氣的釋放，池體有效容積不斷減小，如此惡性循環(huán)，消化池的攪拌效果和使用壽命都得不到保障。

本次對原有常規(guī)立軸式攪拌進行優(yōu)化設(shè)計，采用立體攪拌設(shè)計（見圖6）來保證浮渣的破除和池內(nèi)污泥的混合攪拌，以此來提高消化池的容積利用率以及加速污泥的厭氧分解。

圖6 立式攪拌系統(tǒng)圖

立式攪拌系統(tǒng)設(shè)計：

（1）采用上、中、下共三組槳葉，單組采用高效軸流槳葉，電機輸出轉(zhuǎn)速20 rpm，電機功率22 kW 且電機防爆，槳葉直徑3800 mm，觸液材質(zhì)SS304。攪拌軸沒有采用下軸承式固定設(shè)計，主要防止泥沙與下軸承的長期接觸產(chǎn)生磨損進而影響攪拌軸的平衡。

（2）在三槳葉攪拌軸設(shè)計基礎(chǔ)上，考慮浮渣結(jié)蓋的問題，另行在氣、液界面增設(shè)齒耙狀槳葉一組。

（3）在池壁設(shè)置擋板，實現(xiàn)槳葉的推流效果，擋板呈120°分布，寬度400 mm，高度10 m。

在立式攪拌設(shè)計基礎(chǔ)上，增設(shè)浮渣破除及循環(huán)系統(tǒng)，形成立體攪拌：

a. 在消化池頂部設(shè)置噴淋裝置，接一路清潔水，布置一組環(huán)狀噴淋管路，孔眼呈45°斜向下開設(shè)，孔眼直徑5 mm，孔眼流速30 m/s，消化池形成的浮渣在齒耙槳葉和上部噴淋水的作用下被打碎。

b. 在池體內(nèi)部一側(cè)設(shè)置一根鋼管，作為浮渣的循環(huán)推流管路，池底部外側(cè)設(shè)置一臺浮渣泵，已被耙齒槳葉打碎的浮渣通過管頂部溢流口溢流至管內(nèi)，推流管延伸至池底并接至池體外側(cè)浮渣泵入口，泵出口管路再回接至池內(nèi)，如此循環(huán)，實現(xiàn)了浮渣的破除。

2.4 換熱設(shè)計

為了使消化池保持中溫高效穩(wěn)定運行，對污泥換熱方式進行考察，一種是在罐內(nèi)安裝加熱盤管，另一種是罐外設(shè)置換熱器。罐內(nèi)安裝加熱盤管在鋼制罐中較為常見，但是弊端較多：（1）管道容易腐蝕且不易維護；（2）盤管一般沿著罐壁安裝，導(dǎo)致罐內(nèi)污泥加熱受熱不均勻，局部加熱溫度過高，超過微生物的耐受溫度，出現(xiàn)局部微生物死亡的現(xiàn)象。

本工程采用罐外換熱方式，具體是管套式換熱器，管殼材質(zhì)SS304，換熱面積8.5 m3，在污泥循環(huán)管路上設(shè)置了壓力、溫度檢測儀表（見表6）。

表6 換熱器

2.5 管路設(shè)計

消化池采用下進上溢流的進出料方式，混合污泥池污泥與消化池內(nèi)抽出的污泥一同進入管式換熱器，與熱水進行熱交換后的污泥自消化池底部進入池內(nèi)，在攪拌槳葉的作用下與池內(nèi)污泥進行充分混合。

（1）從消化池內(nèi)抽出污泥的抽出點設(shè)置在池體中下部，而非在池底部，可以減少由于抽吸池底積聚的泥沙所帶來的熱交換循環(huán)管路及設(shè)備的磨損問題。

（2）消化池的出泥是采用溢流方式出泥，出泥口設(shè)置溢流堰，為了防止產(chǎn)生的沼氣在上升的過程中從出泥口漏溢，溢流槽液位設(shè)置比池內(nèi)液位高出350 mm，兼做水封保護。

（3）消化池的排泥管沿著底部坡度敷設(shè)，與上部溢流槽內(nèi)污泥一同排至消化后污泥池至后續(xù)脫水處理。

（4）考慮到消化池在豎向各段的生物相組成不一樣，污泥濃度由上至下呈一定的濃度梯度[3]，在消化池的上、中、下部均設(shè)置采樣管，便于實際運行時分析消化池的實際工況。

（5）采用多點進泥，在罐壁設(shè)置4 處進泥點，呈90°分布，使污泥在消化池均勻分配。

2.6 安全保護措施

消化池內(nèi)沼氣壓力一般在3 kPa，將消化池頂部沼氣出口連接至正、負(fù)壓保護器，當(dāng)氣體壓力低于或高于大氣壓力一定值時，進氣口、出氣口連通，從而實現(xiàn)保護池體的功能。在每座消化池的沼氣管路上設(shè)置阻火器，防止非正常情況下火焰于管道中的逆向傳播，用于阻斷火源。

2.7 整體布置

（1）平面布置

消化池的平面布置應(yīng)結(jié)合總平面布置圖考慮，消化系統(tǒng)距離周邊構(gòu)筑物的有效防護距離30 m 以上，兩座消化池呈對稱布置，換熱間位于兩消化池中間，換熱設(shè)備及循環(huán)泵放置于換熱間內(nèi)，主要是考慮進行泥水熱交換的管線距離最短，保證輸送過程熱損失最低。

消化池的取樣槽、消化后污泥閥門井及平臺均對稱布置在兩座消化罐中間，便于取樣及其他操作。

（2）豎向布置

消化池檢修平臺設(shè)置上、中、下三層，中、下兩層分別對應(yīng)消化池的檢測儀表，供常規(guī)檢測儀表的巡查，上層可連接至消化池頂部，作為頂部沼氣收集管路和出料口的巡查和維護。

3 結(jié)語

本文對加德滿都谷底D 污水廠污泥消化池的池體結(jié)構(gòu)、攪拌系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、管路、安全保護措施及消化池的布置進行了較為詳細(xì)的工藝設(shè)計，并著重對池體結(jié)構(gòu)的確定和攪拌系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計進行了相關(guān)探討。

（1）相比于鋼制罐體，混凝土結(jié)構(gòu)消化池在受外界自然條件變化、內(nèi)部攪拌磨耗及腐蝕、池體施工及檢驗等方面的影響較小，更適用于當(dāng)?shù)氐臍夂?。另外，針對消化池普遍存在的浮渣易結(jié)蓋及難以破除的問題，對消化池的攪拌系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，在常規(guī)三槳葉立軸式攪拌裝置的基礎(chǔ)上增設(shè)浮渣耙齒攪拌器、浮渣推流筒，形成一套立體攪拌系統(tǒng)，使浮渣破碎、循環(huán)，提高了池體容積利用率的同時，也提高了池內(nèi)污泥降解率，進而實現(xiàn)污泥的資源化利用。

（2）加德滿都谷底污水處理廠的新建，可以改善該地區(qū)的排水現(xiàn)狀，也可為“一帶一路”沿線國家其他類似項目的設(shè)計提供參考。