污泥厭氧消化是一種使污泥達到穩定狀態的非常有效的處理方法。污泥中的有機物厭氧消化后主要產物是消化氣(沼氣)。隨著污泥中有機物成分以及消化工藝的不同,沼氣的化學成分也各異,一般由60%～70%的甲烷、25%～40%的二氧化碳和少量的氮硫化物和硫化氫組成,燃燒熱值約18800～25000kJ/m3[1]。大中型污水處理廠對消化產生的沼氣進行回收利用,可以達到節約能耗、降低運行成本的目的。同時,空氣中沼氣含量達到一定濃度會具有毒性;沼氣與空氣以1∶(8．6～20．8)(體積比)混合時,如遇明火會引起爆炸[2]。因此,污水處理廠沼氣利用系統如果設計操作不當將會有很大的危險。北京市市政工程設計研究總院在1992年～1996年先后完成了南部非洲博茨瓦納污水處理廠工程、高碑店污水處理廠一期工程和二期工程污泥中溫厭氧消化處理系統和相應的沼氣收集利用系統的設計。本文旨在綜合以上三個沼氣利用系統設計的基礎上,著重從污泥厭氧消化沼氣系統的安全設置及工藝控制方面進行論述。
??? 　　污泥厭氧消化沼氣利用工藝流程由圖1可知污泥消化沼氣系統一般分為4個子系統:沼氣收集凈化貯存系統、沼氣攪拌系統、沼氣利用系統和廢氣燃燒系統。下面對沼氣安全系統的硬件(沼氣系統工藝流程設計及安全裝置)設置及軟件(沼氣系統壓力的設計及構筑物、設備間的連鎖控制)進行闡述。2沼氣系統工藝流程設計及安全裝置的設置2
??? 　　1　沼氣凈化污泥消化產生的沼氣是處于汽水飽和態的混合氣。
??? 　　沼氣自消化池進入管道時,溫度逐漸降低,管道中會產生大量含雜質的冷凝水,如果不從系統中除去,容易堵塞、破壞管道設備。同時沼氣中的h2s氣體溶于水形成的氫硫酸會腐蝕管道和毀壞設備。沼氣凈化主要是脫硫和去除冷凝水及雜質[3]。沼氣自消化池進入管道時,在最靠近消化池的國內應用較多的是同濟大學及武漢東湖水廠的產品,因本工程目的之一是為第四水廠做試驗,所以兩格分別采用了兩家產品,都取得了良好的效果。
??? 　　此外,前序網格反應池的設計也取得了成功,因氣浮的原理與沉淀恰恰相反,所以對礬花的要求不是很高,只要形成能夠與微氣泡相粘附的中小礬花即可。于是我們適當縮短了反應時間,采用的時間僅為9min,同時也調整了絮凝劑的投加量,降低了藥耗。
??? 　　這次龍山水廠氣浮工藝的成功應用,使我們對處理水庫水、低濁水又有了新的認識,同時我們還在對是否可用出廠壓力水取代回流水泵,降低能耗,水流由接觸室流往分離區流速多大更合適等問題做進一步的探討,愿經過試驗分析,實踐總結,使氣浮工藝更加成熟地應用于自來水生產。
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??? 　　位置,溫降值最大,產生的冷凝水量多,在此點必須設置冷凝水去除罐。在沼氣管路系統中,在避免沼氣流速過大而夾帶水汽的前提下,管道坡度應設計為1%～2%或盡可能更大。在博茨瓦納污水處理廠運行中發現,個別坡度為0．005左右的管道管壁容易積冷凝水。較長的管線應特別考慮設計成有一定的起伏,在所有低點都應該考慮設置冷凝水去除罐。另外,在重要設備如沼氣壓縮機、沼氣鍋爐、沼氣發電機、廢氣燃燒器、脫硫塔等設備沼氣管線入口處,在干式氣柜的進口處和濕式氣柜的進出口處都設置冷凝水去除罐。有時在某些設備如有密封水系統的沼氣壓縮機出口處還需要設置裝有高壓排水閥的去除罐。正常運行期間操作人員每天檢查時,都會發現一些去除器(特別是靠近消化池的)有大量的冷凝水排出。當構筑物和設備檢修時,還可以向冷凝水去除器中注水,作為水封罐。
??? 　　沼氣中的雜質一部分隨排除冷凝水去除,另一部分被阻留在消焰器填料間縫隙里的雜質也隨定期清洗消焰器而被清除,如果沼氣利用設備有特殊要求,還應在沼氣進入設備前設置氣體過濾器為防止氫硫酸腐蝕管道和毀壞設備,城市污水廠污泥產生的沼氣進入貯氣柜之前一般應該設置脫硫裝置。城市污水處理廠沼氣脫硫裝置一般采用氧化鐵的干法脫硫和naoh,na2co3的濕法脫硫。
??? 　　2．2　沼氣安全利用
??? 　　2．2．1　防爆保護和火焰消除
??? 　　沼氣與空氣在一定的混合比和遭遇明火情況下會引起沼氣爆炸或燃燒。
??? 　　消焰器的設置有效地防止了外部火焰進入沼氣系統及火焰在管路中的傳播,進而保證了系統的安全運行。在所有沼氣系統與外界連通部位(如:與真空壓力安全閥、機械排氣閥連接安裝處),以及氣柜、沼氣壓縮機、沼氣鍋爐、沼氣發電機、廢氣燃燒器沼氣管進口處都設置了消焰器。消焰器內部填充了金屬填料,當火焰通過消焰器填料間縫隙時,熱量被吸收,溫度降低到燃點以下,達到消焰目的。
??? 　　從消化池流出的沼氣中常帶有泡沫和浮渣等雜質,容易堵塞填料,阻礙氣體通過,增加管路阻力。處理廠操作人員可以測量記錄沼氣通過不同部位消焰器的壓力變化以確定檢查清洗填料的周期,實際運行中經常會出現由于消焰器清洗不及時而產生的系統壓力波動和運行問題。所以設計時,在消焰器的前后一般設置閥門以便維護。
??? 2．2．2　壓力安全防護
??? 　　沼氣利用系統是一個壓力系統,如果沼氣收集和使用不平衡,系統壓力可能升高超過允許值;污泥或沼氣從消化池或氣柜過快地排出可能引起構筑物內部的真空狀態。
??? 　　系統的壓力安全防護裝置的設置從壓力值上可以考慮分為三個層次:
??? 　　(1)正常運行壓力。沼氣系統在設計時應該盡量考慮采用低壓系統,低壓系統有利于消化污泥中的沼氣釋放出來,同時增強系統的運行安全性。系統正常運行壓力在設定范圍內會有一定的波動,不同壓力管線之間的連通管和沼氣利用設備進氣之前一般應設置不同形式的調節閥,使進入設備的沼氣壓力平穩并滿足使用要求。
??? 　　(2)防止超壓的緊急釋放裝置。系統中產生多余的氣體會使系統壓力升高。防止系統超壓可以使用廢氣燃燒器將沼氣燒掉;如果還不能阻止系統壓力繼續上升,設置在低壓氣柜頂部的機械排氣閥或沼氣輸送管路上的壓力釋放閥將動作以排放多余氣體。排氣閥也需要與消焰器同步安裝。