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        某國外污水處理廠污泥厭氧消化池工藝設(shè)計(jì)

        2023-10-18 08:29:00洪思平蘇慶郁
        城市道橋與防洪 2023年9期
        關(guān)鍵詞:設(shè)置設(shè)計(jì)

        洪思平,蘇慶郁

        (1.上海市水利工程設(shè)計(jì)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(yùn)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(jī)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(diǎn)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(jì)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(jìn)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(jī)組,而消化池是整個污泥處理并實(shí)現(xiàn)資源化利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

        1 項(xiàng)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(jìn)水條件

        (1)日處理量:3.7 萬t/d。

        (2)進(jìn)水水質(zhì)(見表1)。

        表1 進(jìn)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(jìn)泥說明

        污水進(jìn)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(yùn)輸費(fèi)和處理費(fèi),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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)械濃縮機(jī)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(jìn)入污泥混合池混合,混合池設(shè)置兩座,通過池頂機(jī)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(jìn)行升溫?fù)Q熱,換熱后的污泥進(jìn)入到消化池,進(jìn)泥含固率5%,其中揮發(fā)性有機(jī)物含量占污泥量60%,有機(jī)質(zhì)在消化池內(nèi)進(jìn)行分解產(chǎn)生沼氣,揮發(fā)性有機(jī)質(zhì)分解率50%,沼氣產(chǎn)量按0.9 m3/kg VS 計(jì),罐體設(shè)置溫度、pH 等儀表來監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。消化池設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

        表3 消化池設(shè)計(jì)參數(shù)

        2 消化池工藝設(shè)計(jì)

        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(hù)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(jì)進(jìn)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(jì)進(jìn)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(jì)要求高,貯存氣體容積小,建設(shè)費(fèi)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(fèi)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(fèi)用、沉積物積聚等方面進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(yùn)抵施工現(xiàn)場進(jìn)行焊接組裝,組裝完成需對罐體進(jìn)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(jìn)泥參數(shù),對消化池進(jìn)行工藝設(shè)計(jì),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(jìn)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(jī)械攪拌、沼氣攪拌,通常是單獨(dú)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(jī)后通回池內(nèi)對消化污泥進(jìn)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(jìn)行抽吸并泵回消化池內(nèi)部來實(shí)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(jī)械攪拌是在消化池頂部或是側(cè)壁設(shè)置攪拌機(jī)械,罐內(nèi)連接攪拌電機(jī)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(jìn)行混合。

        現(xiàn)對三種攪拌形式進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析比較(見表5):

        表5 三種攪拌系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)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(shí)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(hù)工作量、機(jī)械及循環(huán)設(shè)備磨損腐蝕情況來看,選擇機(jī)械攪拌較為合適。

        消化池現(xiàn)行常見的機(jī)械攪拌一般有兩種,立軸式(見圖4)和側(cè)進(jìn)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(jìn)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?yàn)槭菃闻_電機(jī),一旦設(shè)備有問題,消化池的攪拌只能暫停;側(cè)進(jìn)式攪拌的特點(diǎn)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(yùn)行成本及維護(hù)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(jī)械攪拌。

        圖4 立軸式機(jī)械攪拌

        圖5 側(cè)進(jìn)式機(jī)械攪拌

        浮渣問題是消化池設(shè)計(jì)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(jī)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),采用立體攪拌設(shè)計(jì)(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(jì):

        (1)采用上、中、下共三組槳葉,單組采用高效軸流槳葉,電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速20 rpm,電機(jī)功率22 kW 且電機(jī)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(jì),主要防止泥沙與下軸承的長期接觸產(chǎn)生磨損進(jìn)而影響攪拌軸的平衡。

        (2)在三槳葉攪拌軸設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)了浮渣的破除。

        2.4 換熱設(shè)計(jì)

        為了使消化池保持中溫高效穩(wěn)定運(yùn)行,對污泥換熱方式進(jìn)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(hù);(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(jì)

        消化池采用下進(jìn)上溢流的進(jìn)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(jìn)入管式換熱器,與熱水進(jìn)行熱交換后的污泥自消化池底部進(jìn)入池內(nèi),在攪拌槳葉的作用下與池內(nèi)污泥進(jìn)行充分混合。

        (1)從消化池內(nèi)抽出污泥的抽出點(diǎn)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(hù)。

        (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(shí)際運(yùn)行時分析消化池的實(shí)際工況。

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

        2.6 安全保護(hù)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(hù)器,當(dāng)氣體壓力低于或高于大氣壓力一定值時,進(jìn)氣口、出氣口連通,從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)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(hù)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(jìn)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(hù)。

        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(hù)措施及消化池的布置進(jìn)行了較為詳細(xì)的工藝設(shè)計(jì),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(jì)進(jìn)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(yàn)等方面的影響較小,更適用于當(dāng)?shù)氐臍夂颉A硗?,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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),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(jìn)而實(shí)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(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供參考。

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