20吨每天剩余污泥厌氧消化工艺设计

1. 绪论

1.1 题目背景

随着我国经济的高速发展，城市化建设步伐的不断加快，人们对环境质量的要求日益提高，环保意识不断增强，环境保护与治理已成为国家可持续发展中不可或缺的一个重要工作。随着城市污水处理厂不断建成与使用，污泥量的增加速度越来越快。大量未稳定处理的污泥已成为沉重的负担。如果污泥进行处理或仅进行简单的填埋，将会引起严重的二次污染。所以如何将产量巨大、含水率高、成分复杂的污泥进行妥善安全地处理，使其无害化、减量化，最终达到资源化，已成为深受关注的重大课题。污泥成了多数污水处理厂亟待解决的问题。

1.2 国内外研究情况

城市污水处理剩余污泥的传统处理模式主要有填埋、焚烧、投海及土地利用等。但是,剩余污泥含有大量的营养元素,如氮、磷等和各种微量元素,同时也含有难降解有机物、重金属以及病原微生物和寄生虫卵等有害物。剩余污泥处理不当将会带来二次污染,引起地下水、地表水以及空气污染;且污泥体积庞大,将消耗大量的土地资源,严重的会引起一个地区的生态破坏 , 因为污泥含水率可达到90% ,呈胶体状结构,非常不易脱水,有机质性质不稳定,易腐败发臭,有毒有害污染物(主要指重金属和有毒有机物)容易释放到环境中。

目前,厌氧发酵减量化是常用的预处理途径。因为厌氧发酵可以很好的改善污泥的特性,增加脱水特性,并去除部分有机质。随着能源和资源危机的到来,污泥所含有机质和营养物质正是现代社会可持续发展的重要资源,通过合理的技术实现污泥的减量化、无害化和资源化才是最合理的方向。厌氧发酵产生的沼气或氢是一种优质清洁能源,剩余污泥厌氧发酵制取能源已经成为非常看好的途径,国内外都进行了大量研究。

1.3 城市污水处理厂污泥的综合利用

1.3.1 发电

目前城市污水处理厂污泥发电的方法主要有两种：一种是污泥燃烧发电，另一种是污泥厌氧发酵产沼气发电。而污泥燃烧发电又有两种：一种是利用污泥中含有的大量有机物，使污泥与煤、生活垃圾、农产品秸秆等混合燃烧来进行热力发电，还有一种是将污泥（已经机械脱水过）首先进行热干燥，然后再在沸腾炉中燃烧产生高压蒸汽，推动蒸汽机发电。

1.3.2 建材

由于城市污水处理厂污泥中含有一定的热能，且污泥无机部分含有较多的SiO2 和Al2O3，无机成分可以调整到与粘土相近，因此城市污水处理厂污泥经过处理后可用来生产一些建材而进行利用，如陶粒、水泥、砖瓦等等。

1.3.3 吸附剂

活性污泥具有良好的吸附性，通过对剩余污泥经高温分解或添加化学活化剂等方法进行再活化，可以将城市污水处理厂的污泥制成具有良好吸附性的吸附剂

1.3.4 土地利用与堆肥

污泥的土地利用就是把污泥或污泥堆肥用于林地、育苗、观赏植物、草皮、公园、农田、牧草、果树、蔬菜、高尔夫球场、垦荒地、填埋矿坑、固定海滩、高速公路绿化带及建筑供游乐的海岛等。

城市污水处理厂的污泥是一种十分有效的生物资源，它含有丰富的有益于植物生长的养分（N、P、K 等）和大量的有机物质，可以进行有效的利用来进行堆肥。但是由于污泥的含水率很高，易腐烂发臭，且含有病原菌、重金属及毒性有机物等，在土地利用与堆肥之前进行稳定化处理是十分必要的。

1.3.5 低温热解

污泥可通过干馏提取油、气等，不但可做燃料也可以用于制造四氯化碳等化工产品，具有工业利用前景，且能量回收率高，其经济性优于对污泥的焚烧。但现在对于污泥低温热解的热解机理和动力学研究还比较欠缺，在工艺和设备的改进方面有待新的突破，待这些理论与工艺问题解决后，低温热解将是一种极有前途的污泥资源化技术。

1.3.6 提取重金属

城市污水处理厂的污泥中还会含有部分重金属，如：Hg、Pb、Cu、Zn 等，可以通过对污泥的调理，向污泥中添加化学药剂等，改变污泥中重金属的形态，利用重金属或其化合物的特性从污泥中分离提取出来。

1.4 题目研究方法

厌氧消化工艺是城市污水处理厂污泥稳定化处理的主要技术之一,据统计,目前我国有近36. 5%的污水厂污泥采用厌氧消化处理工艺。由于我国城市污水处理厂的污泥处理起步较晚,直到20 世纪80年代才开始引入中温厌氧消化工艺。近年来该项技术的应用虽取得了较大进展,但在主要依托国外研究成果所进行的工艺设计与运行管理过程中,也暴露出诸多问题。

2. 污泥厌氧消化工艺

2.1 污泥的厌氧消化

污泥的厌氧消化，是在无氧条件下依靠厌氧微生物，使有机物分解的生物处理方法。适用于有机物含量较高的污泥。

2.2 污泥厌氧消化的目的

（1）减少污泥体积

减少污泥中可降的有机物含量，使污泥的体积减少。与消化前相比，消化污泥的体积一般可减少1/2～1/3。

（2）稳定污泥性质

减少污泥中可分解、易腐化物质的数量，使污泥性质稳定。

（3）提高污泥的脱水效果

未消化的污泥呈粘性胶状结构，不易脱水。消化过的污泥，胶体物质被气化、液化或分解，使污泥中的水分与固体易分离。

（4）利用产生的甲烷气体

污泥在消化过程中产生沼气，沼气中有用的甲烷气体约占2/3，可做为燃料用来发电、烧锅炉、驱动机械等。

（5）消除恶臭

污泥在厌氧消化过程，硫化氢分离出硫分子或与铁结合成为硫化铁，因此消化后的污泥不会再发出恶臭。

（6）提高污泥的卫生质量

污泥中含有很多有毒物质如细菌、病原微生物、寄生虫卵，极不卫生。污泥在消化过程中，产生的甲烷菌具有很强的抗菌作用，可杀死大部分病原菌以及其它有害微生物，使污泥卫生化。

2.3 保证厌氧消化池良好运行的主要设计条件

要使投产使用的消化池具有良好的消化功能，设计阶段的优化是至关重要的。工程设计人员不仅要基于生物反应过程的知识进行正确的设计，而所选择的池形和相应设备的选择也很重要。生物系统只有在相应的物理边界条件下才能创造出最佳的运行效果。为此，消化池的工艺设计应满足以下要求：

（1）适宜的池形选择；

（2）最佳的设计参数；

（3）节能、高效、易操作维护的设备；

（4）良好的搅拌设备，使池内污泥混合均匀，避免产生水力死角；

（5）原污泥均匀投入并及时与消化污泥混合接种；

（6）最小的热损失，及时的补充热量，最大限度避免池内温度波动；

（7）消化池产生的沼气能及时从消化污泥中输导出去；

（8）具有良好的破坏浮渣层和清除浮渣的措施；

（9）具有可靠的安全防护措施；

（10）可灵活操作的管道系统。

2.4 污泥消化池工艺设计中需要谨慎选择的几个因素

（1）厌氧消化的方式；

（2）消化池池形选择；

（3）设计参数的选定；

（4）消化池中污泥的混合搅拌方式确定；

（5）污泥加热方式的确定；

（6）污泥投配方法的确定；

（7）污泥及沼气排放方式的确定；

（8）浮渣及上清液的排除方法；

（9）安全防护措施的保证；

（10）监测和控制方法的确定；

（11）其它附属装置的选用。

上述诸多方面中，厌氧消化的方式、消化池的池形、主要设计参数、消化池中污泥的混合搅拌方式对消化池的工程造价和使用效果影响很大，应谨慎选择。

2.4.1 厌氧消化方式

（1）消化温度

污泥厌氧消化的温度根据消化池内生物作用的温度分为中温消化和高温消化。中温消化，温度一般控制在33～35℃，最佳温度为34℃。而高温消化的温度一般控制在55～60℃。

高温消化比中温消化分解速率快，产气速率高，所需的消化时间短（气量达到总产气量90%时所需要的天数），消化池的容积小。高温消化对寄生虫卵的杀灭率可达90%以上。但高温消化加热污泥所消耗热量大，耗能高。因此，只有在卫生要求严格，或对污泥气产生量要求较高时才选用。

目前国内外常用的都是中温消化池。中温消化在国内外均已使用多年，技术上比较成熟，有一定的设计运行经验。

（2）消化等级

污泥厌氧消化的等级按其消化池的串联使用数量分为单级消化和二级消化。单级消化只设置一个池子，污泥在一个池中完成消化过程。而二级消化，消化过程分在两个串联的消化池内进行。一般，在二级消化的一级消化池内主要进行有机物的分解，只对一级消化池进行混合搅拌和加热，不排上清液和浮渣。污泥在一级消化池进行主要分解后，排入二级消化池。二级消化池不再进行混合搅拌和加热，使污泥在低于最佳温度的条件下完成进一部的消化。在二级消化的过程排上清液和浮渣。

单级消化的土建费用较省；可分解的有机物的分解率可达90％；由于不能在池内分离上清液，为减少污泥体积需要设浓缩池，另外以起到释气作用。二级消化的土建费用较高；有机物的分解率可略有提高，产气率一般比单级消化约高10%；二级消化的运行操作比单级消化复杂。

为了减少污泥处理总的投资，二级消化的形式目前在国内及国外用的相对较少，一般均采用单级消化。

2.4.2 消化池的池形

好的消化池池形应具有结构条件好、防止沉淀、没有死区、混合良好、易去出浮渣及泡沫等优点。消化池的池形，各个国家采用的样式较多。但常用的基本形状有以下四种：（1）龟甲形消化池

龟甲形消化池在英、美国家采用的较多，此种池形的优点是土建造价低、结构设计简单。但要求搅拌系统具有较好的防止和消除沉积物效果，因此相配套的设备投资和运行费用较高。

（2）传统圆柱形消化池

在中欧及中国，常用的消化池的形状是圆柱状中部，圆锥形底部和顶部的消化池池形。这种池形的优点是热量损失比龟甲形小，易选择搅拌系统。但底部面积大，易造成粗砂的堆积，因此需要定期进行停池清理。更重要的是在形状变化的部分存在尖角，应力很容易聚集在这些区域，使结构处理较困难。底部和顶部的圆锥部分，在土建施工浇铸时混凝土难密实，易产生渗漏。

（3）卵形消化池

卵形消化池在德国从1956年就开始采用，并作为一种主要的形式推广到全国，应用较普遍。

卵形消化池最显著的特点是运行效率高，经济实用。其优缺点可以总结为以下几点：①其池形能促进混合搅拌的均匀，单位面积内可获得较多的微生物。用较小的能量既可达到良好的混合效果。

②卵形消化池的形状有效地消除了粗砂和浮渣的堆积，池内一般不产生死角，可保证生

产的稳定性和连续性。

根据有关文献介绍，德国有的卵形消化池已经成功地运转了50年而没有进行过清理。

③卵形消化池表面积小，耗热量较低，很容易保持系统温度。

④生化效果好，分解率高。

⑤上部面积少，不易产生浮渣，即使生成也易去除。

⑥卵形消化池的壳体形状使池体结构受力分部均匀，结构设计具有很大优势，可以做到消化池单池池容的大型化。

⑦池形美观。

卵形消化池的缺点是土建施工费用比传统消化池高。然而卵形消化池运行上的优点直接提高了处理过程的效率，因此节约了运行成本。如果需要设置2个以上的卵形消化池，运行费用比较下来则更具有优势。节省下的运行费用，很容易弥补造价的差额，用户从高效的运行中受益更多。对大体积消化池采用卵形池更能体显其优点。

（4）平底圆柱形

平底圆形池是一种土建成本较低的池形。圆柱部分的高度／直径比≥1。这种池形在欧洲已成功的用在不同规模的污水厂。它要求池形与装备和功能之间要有很好的相互协调。当前可配套使用的搅拌设备较少，大都采用可在池内多点安装的悬挂喷入式沼气搅拌技术。

在我国，消化池的形状多年来大都采用传统的圆柱形，随着搅拌设备的引进，使我国污泥消化池的池形也变得多样化。近几年中我国先后设计并施工了多座卵形消化池，改变了国内消化池池形单一状况。如：杭州四堡污水处理厂已建成了3座容积10500立方米的卵形池；济南盖家沟污水厂的3座容积10500立方米的卵形池；济宁污水处理厂新近建成的2座容积12700立方米的卵形池。漳州污水处理厂2座容积11000立方米的卵形池也在施工中。

施工技术和脚手架技术是成功建设卵形池的重要因素，随着施工经验的积累，这些技术已经取得了长足的进展，因此可以在建筑过程中节省可观的费用

2.4.3 消化池污泥搅拌设备的选择

在污泥消化池的过程中，进行污泥混合搅拌，对于提高分解速度和分解率，即增加产气量很重要。

（1）消化池中污泥搅拌的作用

①通过对消化池中污泥的充分搅拌，使生污泥与消化污泥充分的接触，提高接种效果。

②通过搅拌，调整污泥固体与水分的相互关系，使中间产物与代谢产物在消化池内均匀分布。

③通过搅拌及搅拌时产生的振动能更有效地进行气体分离，使气体溢出液面。

④消化菌对温度和PH值的变化非常敏感，通过搅拌使池内温度和PH值保持均匀。

⑤对池内污泥不断地进行搅拌还可防止池内产生浮渣。

（2）消化池搅拌方式的分类

消化池搅拌的方式大致可分为如下几类：

①气体搅拌法；

②机械搅拌法；

③泵循环法；

④综合搅拌法。

现国内、外常用的搅拌方法较多采用的是沼气搅拌和机械搅拌法。泵循环法因耗电量较大且搅拌效果不太好已不再使用。原西安污水厂采用过泵循环加水射器的综合搅拌法。虽搅拌效果尚可，但也因耗电量大，不适于中、大容积消化池而不再使用。

在我国至今还尚无生产定型污泥消化搅拌设备的生产厂。在九十年代前建设的污泥消化池，因国内无成熟的经验，其技术参数和搅拌设备只能参考国外的一些文献资料来设计加工。其技术性能、运行效果、设备加工质量、自动控制水平等均不合人意。如杭州四堡

污水厂一期工程，参考法国文献资料采用的气体导流筒式沼气搅拌器；纪庄子污水厂参考美国和日本文献资料先后采用的气体导流筒式沼气搅拌器和后期改成的竖管式搅拌器。另外，在我国也曾试用过螺旋浆式机械搅拌器，但因存在轴密封不好，易漏气等问题而不能正常推广使用。八十年代我国开始在污水处理行业利用国外政府贷款。在引进外资的同时，也引进了国外先进的污泥消化技术和设备。如石家庄桥西污水处理厂和泰安污水处理厂引进了奥地利生产的垂直竖管式沼气搅拌器及配套的液体密封真空沼气压缩机；天津东郊污水处理厂引进了法国得利满公司（Degremont）的多根束管式沼气搅拌器；青岛、济宁污水厂引进了德国斯特林（STERLING）公司的螺旋桨式导流筒机械搅拌器；烟台污水厂引进了瑞士TECHFINR公司生产的多根底部吹管式沼气搅拌器；湖南永州污水处理厂引进了美国贝克（BAKER）公司生产的EDT和RDT螺旋桨式导流筒机械搅拌器；海口中心区污水处理厂和杭州四堡污水处理厂引进了德国洛蒂格（ROEDIGER）公司的悬挂喷嘴式沼气搅拌器等。上述所介绍的搅拌器其实际搅拌效果都已在多数工程实践中得到验证。这些设备的共同特点是：

A加工质量精细；

B技术性能高；

C所选材料材质较好；

D使用寿命长；

E维修工作量小。

根据以往文献设计经验，消化池搅拌设备的选择，应根据消化池的池形，池容积的大小及设备投资，运行管理等综合因素确定。

（3）几种常用搅拌器的性能比较

目前国内外主要采用的搅拌器形式有以下几种：

①螺旋桨机械搅拌器

螺旋桨式搅拌设备组成简单，操作容易，可以通过竖管向上或向下两个方向推动污泥，因此在固定污泥液面的前提下，能够有效地消除浮渣层。螺旋桨式搅拌器特别适用卵形或者带陡峭锥底的圆柱形消化池。运行简单，维修量少。但在池内的螺旋桨发生故障时，消

化池需打开，消化系统要停止运行。螺旋桨式搅拌器的能力，一般情况下按照，在一天内将消化池全池完全搅拌一次的次数和完成搅拌一次的时间来选择。

②悬挂喷嘴式沼气搅拌器

悬挂喷嘴式沼气搅拌器，主要由悬挂在池顶部的沼气输送竖管和喷咀组成。搅拌器可以按需要在池内多点布置，并可分组运行。具有结构简单；设置和操作灵活；由于可分组搅拌，使所需要的搅拌强度较小；对池的适应性强；不受液面控制等优点。此类形的搅拌器适合于上述的各种池形，用在平底或底部锥形较缓的消化池中更显示出其优点。搅拌器的能力，一般情况下按照，一天内将消化池全池完全搅拌一次的次数及搅拌系统的组数和完成搅拌一次的时间来选择。

③多根束管式沼气搅拌器

多根束管式沼气搅拌器主要由多根沼气输送管（束管）和沼气释放口组成。束管由消化池顶部的中间位置进入池中，延伸至池底部的释放口。此搅拌器的特点是构造简单，易操作。但容易堵塞，需在池顶各束管端头增设观察球及高压水冲洗装置。因沼气释放口的设置聚集在池底中部，适合于小直径且带陡峭锥底的池形。搅拌器的选型根据整池的容积选择。

④底部多根吹管式沼气搅拌器

底部多根吹管式沼气搅拌器主要由多根沼气输送管和沼气释放口组成。沼气输送管可从池顶部侧壁或池侧面进入，沿池底伸入到池中部与沼气释放口连接。与多根束管式沼气搅拌器类似，此方式搅拌器的特点是构造简单，易操作。但易堵塞；因沼气释放口的设置聚集在池底中部，适合于小直径且带陡峭锥底的池形搅拌器。搅拌器的选型根据整池的容积选择。

上述常用的四种搅拌形式中，除螺旋桨机械搅拌器外，另外三种均利用消化池运行中产生的沼气。

沼气搅拌法的优点是：由于沼气的气泡迅速上升造成的湍流可提高混合质量；污泥可以在内部循环；通过在污泥表面形成的湍流防止浮渣形成；改善脱气效果；与消化池的形状和污泥的液位无关。但沼气搅拌系统的组成较复杂，一般由沼气压缩机、沼气喷射管及

沼气循环管及附属的冷凝水排放、沼气过滤器等组成。其运行管理复杂。由于沼气具有易燃和易爆的特性，因此，沼气搅拌工艺对设备的安装，所使用管件的制造材料和安全措施有特殊的要求。对运行和操作要求严格。污泥厌氧消化处理在技术和投资上都是污泥处理工艺中重要的组成部分，污泥厌氧消化的工艺设计较复杂，需要考虑确定的因素很多。

3. 20t/d剩余污泥厌氧消化工艺

3.1 工艺处理过程

3.1.1 工艺过程

①．水解阶段

在细菌胞外酶的作用下大分子的有机物水解为小分子的有机物

②．发酵阶段

梭状芽孢杆菌、拟杆菌等酸化细菌吸收并转化为更为简单的化合物分泌到细胞外，产物有挥发性脂肪酸、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨等

③．产乙酸阶段

上一阶段的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质，这一阶段的主导细菌是乙酸菌。同时水中有硫酸盐时，还会有硫酸盐还原菌参与产乙酸过程。

④．产甲烷阶段

乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被甲烷菌利用被转化为甲烷和以及甲烷菌细胞物质。经过这些阶段大分子的有机物就被转化为甲烷、二氧化碳、氢气、硫化氢等小分子物质和少量的厌氧污泥。

3.1.2 工艺流程图

3.2 消化池的设计计算

消化池的设计计算的主要内容包括：

①消化池体积的计算与池体设计；

②消化池内搅拌设备的设计与计算；

③消化池所需要的加热保温系统的设计与计算。

3.2.1 消化池的池体设计

本次设计采用一级圆形消化池

目前，国内一般按污泥投配率来计算所需的消化池容积，即：

(3)

式中：V——消化池的有效容积，m3；

V’——每天需要处理的新鲜污泥的统计，m3/d；

p ——污泥投配率。

一般当采用高速消化池来处理来自城市生活污水处理长的剩余污泥时，在消化温度为30~35°C时，投配率p可取6~18%；在实际工程中，一般要求消化池不少于2个，以便轮流检修。

由于污泥的密度，大约为1.4-1.7吨/立方米。本设计中，取剩余污泥1t=1.5m3

即本设计中

20t=30m3=V’

根据经验，中温消化的新鲜污泥投配率以6%-8%为宜，在设计时新鲜污泥投配率可在5%-12%之间选用。若要求气量多，采用下限值；若以处理污泥为主，则可采用上限值。本设计中采用下限值P=5%。

所以消化池有效容积

V=30/0.05=600m3

3.2.2 消化池的结构尺寸

在确定了所需的消化池的有效容积后，就可计算消化池各部的结构尺寸，其一般要求如下：

①圆柱形池体的直径一般为6~35m；

②柱体高径之比为1：2；

③池总高与直径之比为0.8~1.0；

④池底坡度一般为0.08；

⑤池顶部的集气罩，高度和直径相同，一般为2.0m；

⑥池顶至少设两个直径为0.7m的人孔。

本设计V=600m3，按要求大概计算得池体总高为10.61米，池直径为8.48米

3.2.3消化池的工艺管道

在消化池中还需要设置多种工艺管道，其中主要包括：①污泥管：进泥管、出泥管、循环搅拌管；②上清液排放管；③溢流管；④沼气管；⑤取样管；等

3.2.4 进水分配系统的设计

本次设计采用一管多点的布水方式，布水点数量与处理废水的流量、进水浓度、容积负荷等因素有关。

为配水均匀，出水孔孔径一般为10～20mm,常采用15mm，孔口向下或与垂线成呈450

方向，为了使穿孔管各孔出水均匀，要求出口流速不小于2m/s.

本厌氧池采用连续进料方式，布水孔孔口向下，有利于避免管口堵塞，而且由于厌氧池底部反射散布作用，有利于布水均匀。

为了增强污泥与废水之间的接触，减少底部进水管的堵塞，建议进水点距厌氧池底200～250mm，本次设计布水管离厌氧池底部200mm。

3.2.5 排泥系统的设计

一般认为，排出剩余污泥的位置在厌氧池的1/2高度处，但大都推荐把排泥设备安装在靠近厌氧池的底部，也有人在三相分离器下0.5m处理设计排泥管，以排除污泥床上面部分的剩余絮状污泥，而不会把颗粒污泥排走，对于厌氧池排泥系统，必须同时考虑在上、中、下不同位置设排泥设备，应根据生产运行中的具体情况考虑实际的排泥要求，来确定排泥位置。

本次设计在三相分离器下0.5m开始设置三个排泥口。

厌氧池每三个月排泥一次，污泥排入集泥池中。

3.3 沼气的收集与利用

污泥和高浓度有机废水进行厌氧消化时均会产生大量沼气；沼气的热值很高（一般为21000~25000 kJ/m3，即5000~6000 kCal/m3），是一种可利用的生物能源。

3.3.1污泥消化过程中沼气产量的估算

沼气成分：一般认为CH4 50~70%，

CO2 20~30%，

H2 2~5%，

N2 ~10%，

微量H2S等；

沼气产率是指每处理单位体积的生污泥所产生的沼气量，即m3沼气/m3生污泥；产

气率与污泥的性质、污泥投配率、污泥含水率、发酵温度等有关；当污泥来自城市污水处理厂，生污泥含水率为96%时：中温消化，投配率为6~8%，产气率可达10~12 m3沼气/m3生污泥；高温消化，投配率为6~8%，产气率可达22~26 m3沼气/m3生污泥；投配率为13~15%，产气率可达13~15 m3沼气/m3生污泥

3.3.2 沼气的收集：

在沼气管道沿程上应设置凝结水罐；注意安全；设置阻火器；为防止在冬季结冰引起堵塞，有时在沼气管上还应采取保温措施。

3.3.3 沼气的贮存与利用

一般需要采用沼气柜来调节产气量与用气量之间的平衡；调节容积一般为日平均产气量的25~40%，即6~10h的产气量；注意防腐、防火。