陳怡
(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院,北京100082)
摘要:從工程設(shè)計(jì)角度對(duì)沼氣的不同利用方式、處理方法、安全保障措施等方面進(jìn)行了論述和總結(jié),提出了在沼氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)把握的要點(diǎn)和注意的問(wèn)題。
1污水處理廠污泥消化處理工藝介紹
污泥是城市污水處理過(guò)程中的副產(chǎn)品,隨著污水處理量的不斷增加、處理技術(shù)的不斷完善以及污水處理程度的不斷深化,尤其近年來(lái)除磷脫氮要求的增加,污泥的產(chǎn)量快速增長(zhǎng)。由于污泥成分復(fù)雜、處理與處置難度大、費(fèi)用高,我國(guó)許多污水處理廠的大量未經(jīng)穩(wěn)定處理的污泥沒(méi)有正常處理出路,污泥問(wèn)題已成為影響城市環(huán)境衛(wèi)生水平和限制經(jīng)濟(jì)發(fā)展的環(huán)境問(wèn)題之一。目前污泥處理常用的方法有濃縮、脫水、消化、干化、有效利用、衛(wèi)生填埋及焚燒或土地利用,或采用幾個(gè)方法的組合處置。
污泥的厭氧消化是一項(xiàng)傳統(tǒng)而有效的污泥處理技術(shù),能同時(shí)實(shí)現(xiàn)污泥減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化和資源化的最終處理目標(biāo),一直成為城市污水處理廠首選的污泥處理工藝。
由于大型污水處理廠產(chǎn)生的污泥量多,污泥中的有機(jī)物未完全降解,直接采用濃縮脫水方法處理污泥,不僅脫水后的污泥很不穩(wěn)定,而且對(duì)有機(jī)物降解過(guò)程中產(chǎn)生的沼氣未能充分予以利用,因此污泥處理工藝一般采用剩余污泥濃縮,然后與初沉污泥一起進(jìn)行中溫厭氧消化,最后通過(guò)脫水機(jī)進(jìn)行污泥脫水的工藝流程。污泥處理工藝流程見(jiàn)下圖1。

厭氧消化處理過(guò)程中產(chǎn)生大量的沼氣,其熱量可達(dá)5000~6000KJ/m3,可作為燃料(用于鍋爐,燃燒1m3沼氣可相當(dāng)于1Kg煤),又可作為動(dòng)力資源(1m3沼氣可發(fā)電1.25kW·h)。工程設(shè)計(jì)中多將沼氣用于發(fā)電或拖動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)、燃燒廠區(qū)采暖鍋爐及污泥加熱熱水鍋爐等。
2沼氣特點(diǎn)
2.1組成
沼氣是一種混合氣體,主要成分是甲烷和二氧化碳。甲烷占55%~70%,二氧化碳占30%~40%,還有少量氫、一氧化碳、硫化氫、氧和氮等氣體。甲烷是可燃?xì)怏w,可做燃料。
2.2產(chǎn)生條件
沼氣是細(xì)菌在厭氧條件下分解有機(jī)物的一種產(chǎn)物。城市有機(jī)垃圾、污水處理廠的污泥、人畜糞便、作物秸稈、餐廚垃圾等,皆可做產(chǎn)生沼氣的原料。細(xì)菌分解有機(jī)物的過(guò)程,大體分為兩個(gè)階段:第一階段,將復(fù)雜的高分子有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為低分子的有機(jī)物,例如乙酸、丙酸、丁酸等;第二階段,將第一階段的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳。
在上述過(guò)程中,起發(fā)酵分解作用的是多種細(xì)菌共同作用的結(jié)果。為了使沼氣發(fā)酵持續(xù)進(jìn)行,必須提供和保持沼氣發(fā)酵中各種微生物所需的生活條件。產(chǎn)生甲烷的細(xì)菌是厭氧的,少量的氧也會(huì)嚴(yán)重影響其生長(zhǎng)繁殖。這就需要一個(gè)能隔絕氧的密閉消化池。溫度在厭氧消化過(guò)程中是一個(gè)重要因素,甲烷菌能在0~80℃的溫度范圍內(nèi)生存,有分別適應(yīng)
低溫(20℃)、中溫(30℃)、高溫(50℃)的各類細(xì)菌,最適宜的繁殖溫度分別為15℃、35℃、53℃左右。甲烷菌生長(zhǎng)繁殖最適宜的pH約為7~7.5,超出此范圍,厭氧消化的效率就會(huì)降低。在厭氧消化過(guò)程中擔(dān)負(fù)廢棄物發(fā)酵作用的細(xì)菌,還需要氮、磷和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。投入沼氣池的原料比例,大體上要按照碳氮比等于20∶1~25∶1。此外,還應(yīng)控制影響沼氣發(fā)酵的有害物質(zhì)濃度。
2.3沼氣的特性

?。?)沼氣的組成影響著沼氣的特性,不同組分沼氣的特性略有不同,上表為甲烷含量為60%,二氧化碳含量40%時(shí)的沼氣特性參數(shù)。
?。?)沼氣的燃點(diǎn)高,為650~700℃。
?。?)沼氣具有較強(qiáng)的腐蝕性。硫化氫來(lái)源于發(fā)酵原料中的含硫化合物,是一種有毒氣體,燃燒后生成二氧化硫會(huì)污染大氣。同時(shí)硫化氫還會(huì)強(qiáng)烈腐蝕管路中的金屬部件。
(4)沼氣燃燒空氣混合比大,沼氣在燃燒時(shí)需要大量空氣,正常情況下,一份沼氣需要5.7倍的空氣。
?。?)厭氧消化產(chǎn)生的沼氣含水量較多。
3系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1系統(tǒng)組成
沼氣系統(tǒng)包括沼氣的收集、輸送、貯存、處理、利用以及系統(tǒng)壓力控制、安全保證等方面。
3.2沼氣收集
消化池在運(yùn)行過(guò)程中不斷產(chǎn)生沼氣,沼氣從水中不斷上升,集聚在消化池頂部;由于消化池是密閉池體,氣體不能溢出池外,隨著氣體的不斷產(chǎn)生,壓力逐漸加大;同時(shí)消化池內(nèi)污泥中的一些浮渣、浮泥等也隨著沼氣的產(chǎn)生積聚在消化池內(nèi)的液面上;在消化池頂部設(shè)沼氣收集裝置,收集并輸送不斷產(chǎn)生的沼氣;收集裝置需有消除消化池內(nèi)液面處泡沫、浮渣的功能,保證產(chǎn)生的沼氣中少含浮渣、浮泥,且含水量盡可能少。同時(shí)需在消化池頂部設(shè)壓力控制閥(真空壓力安全閥),以維持沼氣在輸送過(guò)程中所需的壓力。
3.3沼氣輸送
在消化池頂部設(shè)置壓力控制裝置,沼氣由輸送管線輸送出消化池。輸氣管需按日產(chǎn)氣量確定管徑,為減少管道水損,還需按照高峰產(chǎn)氣量核算。
沼氣輸送管最好設(shè)在室外或埋地,管道坡向與沼氣走向最好一致,坡度通常為5%。
沼氣輸送管管材可采用不銹鋼管或塑鋼復(fù)合管。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)某些不銹鋼埋地管線也發(fā)生腐蝕現(xiàn)象,因此建議不銹鋼管埋地時(shí)外部最好考慮采取防腐措施。
3.4沼氣貯存(氣柜)
沼氣柜在系統(tǒng)中起平衡系統(tǒng)壓力的作用。當(dāng)用氣量小于供氣量時(shí),多于氣體進(jìn)入沼氣柜;當(dāng)氣柜充滿沼氣后,用氣量仍小于供氣量時(shí),廢氣燃燒器再自動(dòng)啟動(dòng),燃燒多于氣體。當(dāng)系統(tǒng)用氣量大于供氣量時(shí),沼氣柜中貯存的沼氣用作系統(tǒng)的補(bǔ)充氣量。同時(shí)沼氣柜在系統(tǒng)中還起到平衡沼氣壓力的作用。沼氣柜儲(chǔ)氣量為6~10h。
沼氣柜多為低壓或無(wú)壓氣柜,型式有濕式、干式等;近年來(lái),干式雙膜氣柜在沼氣系統(tǒng)中也逐步得到應(yīng)用。
濕式氣柜的氣體貯存在鋼質(zhì)柜體內(nèi),柜體設(shè)有浮動(dòng)頂蓋,頂蓋隨進(jìn)氣流量變化而上下浮動(dòng);頂蓋與柜體之間用水封密封。由于氣體直接與鋼柜體接觸,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)有腐蝕現(xiàn)象,存在安全隱患。北方地區(qū)對(duì)冬季水封處的防凍問(wèn)題要采取相應(yīng)措施,需慎重選用。
干式氣柜外表為鋼結(jié)構(gòu)的圓柱罐體,頂部可升降并裝備配重以控制氣柜壓力,其內(nèi)是與沼氣接觸的特種薄膜,其材質(zhì)為高質(zhì)量聚酰胺,兩面涂塑料涂層;薄膜具有防漏、抗紫外線、防菌、不易燃等特點(diǎn)。
該薄膜下部與罐體固定,上部的頂端與圓柱罐的頂部固定,并可隨圓柱罐體頂部升降而上下移動(dòng)。
干式雙膜氣柜由外層和內(nèi)層兩層膜組成,外層膜為球形,內(nèi)層膜與底膜圍成內(nèi)腔儲(chǔ)存沼氣。兩層膜之間氣密,通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)將空氣送入兩層膜之間,使外層膜保持球體,同時(shí)在惡劣天氣條件下保護(hù)外層膜,并為內(nèi)層膜內(nèi)的沼氣提供壓力。膜材料為經(jīng)特殊處理的高強(qiáng)度聚酯纖維,并具有防漏、抗紫外線、防菌、不易燃等特點(diǎn)。
所有氣柜均需設(shè)超壓/真空保護(hù)裝置;干式氣柜和雙膜氣柜還設(shè)有機(jī)械超壓保護(hù)裝置、真空安全裝置和水封超壓保護(hù)裝置,當(dāng)氣體充滿或基本排出后,保護(hù)裝置能夠發(fā)出氣柜負(fù)荷信號(hào)并及時(shí)動(dòng)作,對(duì)氣柜進(jìn)行保護(hù)。
3.5沼氣處理
消化池產(chǎn)生的沼氣含水量很大,攜帶一些雜質(zhì),氣體中還存在大量硫化氫,硫化氫遇水溶解,形成酸性液體,對(duì)輸送管路系統(tǒng)及后續(xù)設(shè)備造成腐蝕。為減少其對(duì)管路及設(shè)備的損壞,需對(duì)沼氣進(jìn)行除水、過(guò)濾、脫硫處理。
3.5.1除水
消化池內(nèi)溫度較高,沼氣排出消化池后,沼氣管內(nèi)外溫差較大,氣體中的水分很快就冷凝為水,聚集在沼氣管的底部,沼氣輸送系統(tǒng)中不斷有冷凝水從沼氣中分離出來(lái)。水量的不斷增加將減少輸氣管路的斷面,從而影響氣體的輸送。工程設(shè)計(jì)中在沼氣管路的低點(diǎn)處設(shè)置冷凝水罐,在沼氣進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)或發(fā)電機(jī)房、鍋爐房、脫硫系統(tǒng)、廢氣燃燒器前端的管路上均設(shè)置冷凝水罐,以收集并排除管路系統(tǒng)中的冷凝水;埋地沼氣管路上的冷凝水罐設(shè)在井中,井內(nèi)有集水坑,采用潛水泵定期排除。
3.5.2過(guò)濾
粗過(guò)濾:消化池頂部有浮渣、浮泥,多少會(huì)隨沼氣的排出進(jìn)入沼氣系統(tǒng);為防止雜質(zhì)在管路中沉積,盡量在距消化池較近處設(shè)沼氣過(guò)濾器以排除雜質(zhì)。
該類過(guò)濾器可采用卵石或礫石等粗顆粒過(guò)濾材料,同時(shí)該過(guò)濾器要求具備收集冷凝水的功能。
細(xì)過(guò)濾:當(dāng)沼氣進(jìn)入沼氣利用設(shè)備前,為保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行,需對(duì)其進(jìn)一步進(jìn)行過(guò)濾;此時(shí)多采用精細(xì)過(guò)濾器,過(guò)濾材料可為陶質(zhì)等;同時(shí)該過(guò)濾器要求具備收集冷凝水的功能。
3.5.3脫硫
工程設(shè)計(jì)中可采用濕式脫硫、干式脫硫、生物脫硫等方式進(jìn)行脫硫。脫硫后的沼氣再分別送至鼓風(fēng)機(jī)房(或發(fā)動(dòng)機(jī)房)、鍋爐房、沼氣柜及廢氣燃燒器。
濕式(堿洗)脫硫法是把碳酸鈉、氫氧化鈉或次氯酸鈉等的水溶液作為吸收液,與沼氣接觸,除去其中的硫化氫。濕式脫硫反應(yīng)式如下所示:

沼氣從濕式脫硫塔底部進(jìn)入,上部排出;而噴淋液則從脫硫塔頂部噴出,與沼氣逆向接觸并發(fā)生化學(xué)反應(yīng),將氣體中的硫化氫去除。噴淋塔底部設(shè)有化學(xué)藥劑水箱,水箱旁放置噴淋液提升泵,不斷將噴淋液抽送至脫硫塔頂部,實(shí)現(xiàn)噴淋液的循環(huán)使用;噴淋液不斷消耗,系統(tǒng)效率下降,通過(guò)監(jiān)測(cè)pH值,自動(dòng)補(bǔ)充新藥液,以維持噴淋液的除硫化氫能力。濕式脫硫可處理H2S濃度范圍從5%(50000ppm)到50ppm,去除率可達(dá)到90%以上。
干式脫硫是將脫硫劑裝填在反應(yīng)塔內(nèi)。沼氣和脫硫劑相接觸后除去其中的硫化氫。干式脫硫反應(yīng)式如下所示:

含有硫化氫的沼氣進(jìn)入干式脫硫塔下端,并且穿過(guò)脫硫填料層到達(dá)頂端,氣體中的硫化氫得以去除。運(yùn)行過(guò)程中,反應(yīng)器中發(fā)生反應(yīng)的脫硫劑(Fe2O3)從反應(yīng)器底端排出,在底部排放廢棄脫硫劑的同時(shí),相同體積的新鮮脫硫劑從頂部填充到反應(yīng)器中,從而保證脫硫填料的高度保持恒定,確保良好的脫硫效果。
干式脫硫過(guò)程中脫硫劑Fe2O3·H2O作為反應(yīng)的催化劑,其表面不可避免地會(huì)被生成的硫磺覆蓋,阻止沼氣通過(guò),當(dāng)硫磺覆蓋達(dá)到總重的25%時(shí),脫硫劑便失去活性而需要更換或再生。若沼氣中的硫化氫濃度過(guò)高,脫硫劑的人工更換變得十分頻繁。
一般情況下進(jìn)入干式脫硫系統(tǒng)的初始硫化氫濃度不應(yīng)高于1000mg/L;干式脫硫可以將硫化氫處理到20mg/L的濃度,是一種良好的精細(xì)脫硫方法。
生物脫硫是通過(guò)硫桿菌屬和絲硫菌屬在新陳代謝的過(guò)程中吸收硫元素進(jìn)而達(dá)到脫硫的效果,CO2作為細(xì)菌新陳代謝的碳源。將一定量的空氣導(dǎo)入含有硫化氫的沼氣中,硫桿菌屬、絲硫菌屬?gòu)幕旌险託庵形樟蚧瘹?,并將他們轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為硫酸。生成的硫酸在營(yíng)養(yǎng)液的緩沖中和作用下,與營(yíng)養(yǎng)液一起排出系統(tǒng)。生物脫硫化學(xué)反應(yīng)式如下所示:

混合氣體通過(guò)生物脫硫塔以去除硫化氫。在塔體內(nèi)部安裝填料層,它們?yōu)槊摿蚣?xì)菌新陳代謝提供充分的空間。營(yíng)養(yǎng)液的循環(huán)使填料保持潮濕狀態(tài),并且補(bǔ)充脫硫細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖所需的營(yíng)養(yǎng)。一般情況下,營(yíng)養(yǎng)液可采用液體有:消化后的污水;消化或脫水污泥的上清液;垃圾填埋滲瀝液;人造營(yíng)養(yǎng)液。
生物脫硫所需要的控制因素有:反應(yīng)溫度,pH(營(yíng)養(yǎng)液),空氣量。
硫化氫去除的效率依賴于進(jìn)入氣體中的硫化氫濃度,對(duì)于城市污水處理廠消化系統(tǒng)產(chǎn)生的沼氣,生物脫硫可以將硫化氫處理到50mg/L的濃度,一般處理效率可達(dá)90%。
近年來(lái)城市污水處理所產(chǎn)生的沼氣中硫化氫含量非常高,為保證脫硫效果,有時(shí)可采用兩種脫硫方式聯(lián)合使用的方式。如先對(duì)沼氣進(jìn)行濕式脫硫,然后再進(jìn)行干式脫硫。該方式使各脫硫工藝的優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮。
3.6沼氣利用方式
污水處理廠污泥消化過(guò)程中產(chǎn)生的沼氣多用于沼氣發(fā)電或沼氣拖動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)。為充分利用能源,通常首先考慮將沼氣發(fā)電或拖動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)過(guò)程中產(chǎn)生的熱能用于消化污泥的加熱,如果未達(dá)到要求的污泥溫度時(shí),再采用沼氣鍋爐對(duì)污泥進(jìn)行補(bǔ)充加熱。還可以通過(guò)沼氣鍋爐對(duì)廠區(qū)建筑進(jìn)行冬季供暖。
3.7壓力控制
沼氣的收集、輸送、處理、利用組成了沼氣系統(tǒng),該系統(tǒng)需要在一定的壓力下進(jìn)行有效運(yùn)行,工程設(shè)計(jì)中多將該壓力值設(shè)定在3~6KPa。
壓力的控制通過(guò)設(shè)置在消化池頂部的壓力控制閥(真空壓力安全閥)實(shí)現(xiàn),設(shè)定壓力控制閥的壓力以提供產(chǎn)氣源處的沼氣壓力,該壓力需保證沼氣順利輸送到各利用設(shè)備的前端。同時(shí),系統(tǒng)中由于沼氣柜貯存了相當(dāng)量的沼氣,在系統(tǒng)中發(fā)揮了壓力平衡作用,是保證系統(tǒng)壓力穩(wěn)定的重要因素。
壓力控制閥的設(shè)置不但能提供給沼氣管路一定的輸送壓力,而且還能對(duì)消化池氣室壓力增高時(shí)進(jìn)行壓力釋放以及壓力降低時(shí)的進(jìn)行系統(tǒng)保護(hù);當(dāng)沼氣管路系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)壓時(shí),該閥自動(dòng)開啟,防止池內(nèi)負(fù)壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。壓力控制閥有機(jī)械式和水封式等,均需具備壓力設(shè)定和負(fù)壓安全的功能,機(jī)械式壓力控制閥與空氣相通處需配備阻燃器,水封式壓力控制閥由于水封具備阻火功能,故不需配置阻燃器。
由于沼氣系統(tǒng)的設(shè)定壓力較低,通常不能滿足沼氣利用設(shè)備進(jìn)氣端的壓力要求,因此通常在沼氣利用設(shè)備的前端需設(shè)置增壓機(jī),將沼氣壓力增加后送入設(shè)備中。
3.8安全保證
由于沼氣是易燃易爆氣體,因此沼氣系統(tǒng)的安全尤為重要,設(shè)計(jì)中需對(duì)該系統(tǒng)的安全距離、安全設(shè)施、安全措施等給予高度重視。
3.8.1安全距離
污泥消化系統(tǒng)中各建筑物、構(gòu)筑物及設(shè)備(如沼氣柜、燃燒器)等的安全距離必須滿足《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范的規(guī)定和要求。需明確爆炸性氣體環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域,在設(shè)計(jì)電力裝置時(shí)應(yīng)滿足《爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定和要求。
3.8.2安全設(shè)施
?。?)消化池頂部氣相部分安裝真空壓力釋放閥,在沼氣收集裝置出氣口處安裝火焰阻燃器。
(2)沼氣柜上設(shè)置超壓保護(hù)裝置和真空保護(hù)裝置,在沼氣柜進(jìn)、出氣管線上安裝火焰阻燃器。
(3)沼氣進(jìn)入脫硫裝置前、后端均安裝火焰阻燃器。
(4)在廢氣燃燒器前端安裝火焰阻燃器。
?。?)在沼氣進(jìn)入發(fā)電機(jī)、拖動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)、沼氣鍋爐等設(shè)備前端安裝火焰阻燃器。
?。?)在安裝有沼氣應(yīng)用設(shè)備(發(fā)電機(jī)、拖動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)、沼氣鍋爐)、沼氣脫硫設(shè)備、沼氣過(guò)濾器、沼氣壓縮機(jī)、污泥泵、泥水熱交換器、污泥管道等的設(shè)備間內(nèi)安裝硫化氫氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置。
(7)所有污泥處理系統(tǒng)的設(shè)備間均需安裝通風(fēng)機(jī),以保證設(shè)備間的通風(fēng)換氣。
(8)在沼氣系統(tǒng)區(qū)域(如沼氣柜、消化池等)的進(jìn)口處,設(shè)置放電裝置。
(9)廢氣燃燒器周圍地面采用礫石鋪裝。
3.8.3安全措施
在沼氣區(qū)域各設(shè)備間門前張貼禁止有明火的標(biāo)識(shí)。進(jìn)入污泥處理區(qū)域不能攜帶火源(如火柴、打火機(jī)等)。
3.9沼氣燃燒
當(dāng)沼氣系統(tǒng)產(chǎn)氣量大于用氣量,而沼氣柜也完全充滿時(shí),系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)生的沼氣無(wú)法收納,此時(shí)考慮將多余的沼氣燃燒,工程設(shè)計(jì)中多采用全自動(dòng)點(diǎn)火燃燒器。
4系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題
?。?)沼氣管路上的阻燃器有條件時(shí)可并聯(lián)安裝2套,互為備用,以便在清洗1套時(shí),不影響沼氣管路的正常運(yùn)行。
?。?)整個(gè)污泥消化系統(tǒng)的污泥管路、沼氣管路上應(yīng)多考慮跨越管,為實(shí)現(xiàn)靈活多種的運(yùn)行提供便利。
(3)消化池排出用沼氣管最好有一定的坡度,坡向與流向最好一致,這樣將便于排出沼氣中的冷凝水,同時(shí)應(yīng)盡可能近的在消化池附近安裝冷凝水罐(可與沼氣過(guò)濾器合并),以盡快排出沼氣系統(tǒng)中的冷凝水。
參考文獻(xiàn)
1張自杰,林茱沈,金儒霖.排水工程(下冊(cè)).第四版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1999
2北京設(shè)計(jì)院給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5冊(cè)).北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2000
3金儒霖.污泥處置.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社
4楊振沂譯.厭氣消化設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè),中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)院,香港藝高工程有限公司 |