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污泥消化池设计中几个问题的探讨
污泥消化池设计中几个问题的探讨
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10m3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0.6MPa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3.65m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“onebyone”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。
污泥消化处理试验研究
1 消化试验的工艺流程及装置
本次试验采用两套消化装置,一套用来作污泥投配比试验,另一套用来作一次加泥的消化历程试验。
1.1 消化工艺的流程图
1.2 污泥消化试验装置
消化装置的主体是有机玻璃柱,有效容积13L,消化柱周围用电热丝加热,用继电器和节点温度计进行恒温控制,上部用泥斗加泥,下部出泥管排放消化后的污泥,柱中心装设搅拌装置,产生的气体通过消化柱上端出气管进入集气瓶,从集气瓶出来的气体经过气体流量计随时记录产气量。
在消化柱内设玻璃连通管用做观测柱内液面高度和测定pH值。
2 试验内容、方法及条件
试验污泥是取自截流污水沉淀试验每天排放的新污泥。
2.1 投配比试验
消化柱首次加泥13kg,待污泥培养接近成熟后开始每天按投配比例加泥,排泥量按投加量及消化柱的玻璃连通管的液面严格控制。
柱内保持恒定泥量,随时观测柱内温度和产气状况,柱内不断均匀搅拌,速度为20r/min。
2.2 消化历程试验
一次性加泥13kg,中间过程不加新泥也不排泥。
2.3 主要分析项目
含水率、pH、VSS、碱度(抽测)、产生的气体测定CH4、CO2、CO、H2。
表1 消化试验控制条件
投配比试验(Ⅱ柱)
消化历程试验
(Ⅰ柱)
4%投配率
5%投配率
首次投泥量/L
13
13
13
每日投泥量/mL
520
650
投加时间
每日一次
每日一次
控制温度/℃
33±0.5
33±0.5
33±0.5
搅拌方式
连续
连续
连续
消化前后污泥取样量/g
20
20
20
3 主要考察的内容
3.1 投配比试验(Ⅱ柱)
①初沉池污泥消化前后含水率;②不同投配比情况下的产气量;③气体成分含量;④污泥消化率;⑤单位污泥产气量(L/L);⑥初沉池污泥VSS平均含量(g/L)。
3.2 消化历程试验(Ⅰ柱)
①考察消化过程中pH变化;②产气量的变化情况;③污泥消化周期。
4 试验运行情况
4.1 污泥投配比试验(Ⅱ柱)
Ⅱ柱从8月22日装泥,直到8月30日前为污泥培养阶段。
在此段时间内pH在5.5~6.8之间,产气量很少,从8月31日起产气量逐渐增加,9月1日开始向柱内进泥和排泥,到9月5日产气量基本平衡,其pH迅速提高到7.2以上,9月9日气体成分分析结果也可看出甲烷比例已达到43%以上。
说明厌氧消化的两个阶段兼性厌氧菌和甲烷菌的代谢达到平衡,消化正常运行。
从9月9日到9月21日,按4%投配比共运行16天。
Ⅱ柱从9月26日重新装泥,至10月6日10天时间为污泥培养阶段,在此阶段内pH在5.5~5.8之间,产气量很少,从10月7日产气量增加,同时进行5%投配率的进泥和出泥,到10月9日产气量已达到平衡,柱内pH上升到7.2以上,10月9日气体分析结果甲烷比例已达到77%,说明代谢平衡,消化正常。
从10月9日开始,到11月7日结束,正常运行29天。
4.2 一次投泥消化历程试验
Ⅰ柱从9月13日加泥,至10月10日基本不产气,共运行28天,每天测定柱内pH值并记录产气量,监测碱度变化。
5 试验结果统计及分析(见表2)
表2 污泥消化试验结果统计表
投配比试验
消化历程试验
Ⅰ柱
Ⅱ柱4%投配
Ⅱ柱5%投配
平均含水率/%
进泥
95.64
95.95
91.81
出泥
92.46
92.63
94.45
平均VSS含量/%
进泥
45.08
49.70
31.12
出泥
23.24
25.59
20.08
pH范围
进泥
5.8~6.3
5.9~6.8
6.2
出泥
7.05~7.5
7.2~7.7
7.15
碱度/mg/L
2300
2400~2700
污泥消化率/VSS%
48.45
48.56
35.48
日平均产气量/L/d
10.81
13.30
单位污泥产气量/L/L
20.79
20.46
单位VSS产气量/L/g
1.06
1.02
美国污水处理厂设计手册(0.5~0.75)
分解单位VSS产气量/L/g
2.18
2.10
美国污水处理厂设计手册(0.87~1.12)
单位污泥VSS量/g/L
19.65
20.13
VSS负荷/g/(L.d)
0.79
1.01
5.1 投配率试验结果分析
5.1.1 VSS负荷
有机物负荷是影响污泥消化的重要因素,本试验用VSS负荷来分析不同污泥投配率的消化效果。
从表2中可见5%投配比的VSS负荷为1.01g/(L.d),大于4%投配比0.79g/(L.d)的污泥负荷。
4%投配率的消化时间为25天,5%投配率的消化时间为20天。
根据资料介绍,最佳消化时间为25天左右。
5.1.2 pH值和碱度
从理论上看消化反应的两个阶段,第一阶段主要是兼性厌氧菌起作用,首先是细菌表面和周围介质中的酶将高分子有机物水解成水溶性简单有机物,兼性菌将这些简单有机物通过细胞膜的选择吸收并在细胞膜内代谢,产生的挥发性脂肪酸、醇、醛、酮等都是第二阶段甲烷菌的养分,产酸菌和甲烷菌必须在适当pH值和碱度范围内才能保持代谢平衡,消化才能正常进行,试验中两种投配比正常运行时pH均在7.05~7.5之间,碱度超过2300mg/L。
说明此时pH值范围和碱度是较合适的。
5.1.3 VSS的消化率
有机物的消化率随时间的延长而增加。
但本次试验4%投配率时VSS的消化率仅为48.45%,反略低于5%投配率VSS的48.56%消化率。
其主要原因是4%投泥是在8月下旬和9月上旬,这一季节雨量较大,截流污水沉淀试验污泥中VSS含量较低,仅为45.08%,在含水率相同时,自然VSS低时会使消化率有一定下降。
因此在试验结果中并没有表现出4%投配率的消化率高。
5.1.4 含水率
消化污泥的含水率均较低,为91.81%~95.95%是因为沉淀试验每天排一次污泥,污泥在池底沉积时间较长,有一定的浓缩。
因此提高了污泥有机质的含量,使VSS的量增加,单位污泥产气量达20.79L/L,但单位VSS产气量为1.02L/g~1.06L/g。
另外含水率低使容积负荷加大。
5.1.5 产气量
日平均产气量实际是单位污泥在整个消化过程产气时的积分和,可用公式表示
式中V——产气量;
f(t)——是随时间、有机物浓度、成分、温度等变化的产气量的函数;
n——停留天数。
在单位污泥VSS含量相等、消化条件相同时,污泥负荷大,日平均产气量高,单位污泥产气量低;污泥负荷小,日平均产气量低,单位污泥产气量高。
因此在设计中应综合考虑单位污泥产气量和平均产气量,以合理发挥消化设备的处理效果。
5.1.6 气体成分
污泥消化产生的气体中主要成分有CH4、CO2、N2、CO等,在试验过程中对气体成分的含量做了多次测定,其测定结果统计于表3中。
表3 气体成分分析表
日期
Ⅰ柱
日期
Ⅱ柱4%投配比
CH4
/%
CO2
/%
N2
/%
H2
CH4
/%
CO2
/%
N2
/%
H2
9.14
2.1
0.13
73.1
微量
9.9
43.7
10.1
39.2
微量
9.17
6.8
0.1
63.3
微量
9.11
52.6
6.2
17.2
微量
9.21
11.4
0.23
67.3
微量
9.17
85.7
6.1
4.5
微量
9.23
77.9
11.5
8.0
微量
9.20
84.2
9.0
6.2
微量
9.25
78.0
16.0
7.0
微量
日期
Ⅱ柱5%投配比
9.27
83.0
0.6
12.0
微量
10.9
77.0
9.8
6.2
微量
9.28
84.3
5.8
6.5
微量
10.11
76.5
9.5
5.4
微量
10.5
73.5
5.1
22.0
微量
10.20
81.3
5.9
6.2
微量
10.9
65.0
3.3
20.9
微量
11.3
68.5
9.2
4.6
微量
从本次试验两种投配比率单位VSS产气量看,均高于美国污水处理厂设计手册所提出的值。
另外VSS产气量和分解单位VSS产气量均高于美国污水处理厂设计手册所给的值,基本原因是美国污水处理厂污泥是混合污泥,本次试验是初沉池污泥。
5.2 污泥消化历程试验结果分析
Ⅰ柱进行消化历程的试验,考察整个污泥消化周期,并了解污泥消化各时期产气及pH值变化规律。
图1和图2为全程消化过程产气量和pH值变化曲线。
图1 消化历程产气量曲线 图2 消化历程pH变化曲线
整个产气过程分为两部分,前一部分产气量达到高峰前,产气量逐日增加。
消化过程由酸性发酵向碱性发酵阶段过渡,开始阶段pH值低,酸度高,后一阶段碱度升高,pH值升高到7以上,产气高峰过后实际上柱内有机物含量下降,营养不再过剩,产气量逐日下降,当泥中可分解的有机物消耗将尽以后,产气消化过程结束。
可见消化周期为28天~29天。
从产气量变化曲线中可以看出消化12天左右产气量达到高峰,pH值在7.5左右产气量最大,说明甲烷菌消化控制pH在7.5左右最为适宜。
开始阶段抽测的碱度为170mg/L,后一阶段抽测的碱度为2700mg/L。
分析结果可见前一阶段CH4含量低,N2含量高,中后期CH4含量高,CO2和N2含量低。
6 消化后污泥毒害物质含量的测定
对消化后污泥中的毒害物和成分进行了分析和监测,结果见表4。
从检测结果可以看出长春市污水厂消化后的污泥均符合国家规定的《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284—84)。
污泥中N、P含量较高,重金属和其它毒害物质均较低,因此可作为改良土壤用。
表4 污泥样品检测结果
1#
2#
3#
平均值
标准值
毒
害
物
pH
7.4
7.5
7.3
7.4
Cu/mg/kg
64.625
111.438
79.750
85.271
500
Pb/mg/kg
41.513
21.244
21.725
28.154
1000
Cd/mg/kg
0.513
0.781
0.669
0.654
20
Zn/mg/kg
450.538
628.050
395.063
491.210
1000
As/mg/kg
8.320
4.710
5.660
6.230
75
Hg/mg/kg
0.100
0.025
<0.007
0.044
15
Cr/mg/kg
48.200
12.931
10.906
24.012
1000
CN/mg/kg
1.000
5.250
3.000
3.083
酚/mg/kg
1.508
12.934
未检出
苯并(α)芘/mg/kg
2.30
2.866
0.174
1.967
3
肥
分
N/mg/kg
9220
14390
20100
14570
P/mg/kg
2689.6
2627.0
4710.5
3324.4
K/mg/kg
14.531
13.938
15.069
14.513
7 污泥消化试验结论
(1)长春市伊通河截流污水一级处理的污泥可以消化处理。
沉淀污泥有机物含量较高,VSS含量达到50%左右,单位污泥VSS可达到20g/L左右。
(2)污泥的可消化率较高,可达到48%以上(按VSS计)。
(3)单位污泥的产气量较高,可达到每升湿污泥产气20L左右(投配率4%~5%)。
(4)单位VSS的产气量较高,可达到1L/g左右。
(5)试验4%投配率污泥负荷为0.79g/(L.d),5%投配率为1.01g/(L.d),产气运行良好,可作为污泥消化设计的参考。
(6)污泥采取中温消化33℃±0.5℃是可行的,可作为污泥消化设计的参考。
(7)pH值和酸碱度是污泥消化的重要条件,实际生产应严格控制。
试验中pH在7.05~7.5之间,碱度在2400mg/L~2700mg/L之间污泥消化正常运行。
(8)初沉池污泥消化产生的气体CH4含量较高,平均可达75%左右。
(9)消化后污泥中重金属和其它有害物质含量均不超过《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284-84),可作为肥料。
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