卵形消化池的工艺设计

陈永祥，伍军，石亚军，李利蓉
(武汉市政设计研究院，湖北 武汉 430015)

　　摘要：论述了卵形消化池的工艺设计，给出了卵形消化池的池容计算公式，对污泥的投加方式、热交换器类型的选择、污泥的搅拌方法以及卵形消化池的各种管线做了较详细的对比，并给出了部分设计参数。
　　关键词：卵形消化池；热交换器；搅拌器；污泥处置
　　中图分类号：X703.3 文献标识码：B 文章编号：1009-2455(2004)03-0046-03

　　卵形消化池无论是从运行角度，还是从建筑施工角度讲都是最佳的池形。卵形消化池具有混合搅拌充分、池顶部和底部截面积小，排砂除渣较容易、表面积比(池壳表面积／池容积)小，保温效果好等工艺优点。结构和受力条件最好，特别是建筑与艺术较完美的得到了统一。由于采用预应力混凝土技术和支架、模板的不断发展，使卵形消化池得到了很大的发展，国外目前在建及待建的大型中温厌氧消化池绝大部分是卵形消化池。

1 卵形池的池型设计

　　从外形上看，卵形消化池由三部分组成，上部和下部为圆台体，中间部分由半径为R的一段圆弧(M点为弧线圆心，如图1所示)绕中心轴线水平旋转而成，旋转体和上下两圆台相切。工艺计算时，上下圆台体积和表面积可由圆台公式求得，中间旋转体的体积和表面积公式可由多重积分求出。卵形池总高H和其最大胸径D的比值一般在1.4～2.0之间，壳体弧线半径R取值范围为(0.74～0.84)D[1]。
　　设卵形消化池顶部圆台、上部旋转体、下部旋转体、底部圆台的体积分别为V₁，V₂，V₃，V₄，表面积分别为S₁，S₂，S₃，S₄，则有如下关系式：　　

　　同理可求出V₃，V₄和S₃，S₄。
　　消化池总高H=h₁+h₂+h₃
　　消化池池容V=V_l+V₂+V₃+V₄
　　根据地形、气候及结构条件，如需矮胖形池型，H／D取低值；如需瘦长型，H／D取高值。

2 污泥的投加

　　消化池污泥的投加可分为连续投加和间歇投加两种方式。原污泥的连续投加只能在大型卵形池上实现，根据污泥量每天可投加12～18h。小型卵形池宜采用间歇投加方式，一般每天投加2～3次，每次0.5～2.0h[2]。对采用沼气搅拌的消化池建议采用连续投加方式，这样可以降低因池容变化而使沼气系统压力出现较大的波动的概率。
　　原污泥投加最好与循环污泥(一般可取原污泥的2～4倍)一同经过热交换器加热后投加进入消化池较好。这种投配方式有如下优点：①原污泥与数倍具有活性的消化污泥充分混合可起到接种作用；②原污泥与循环污泥一同混合加热后送入消化池，大大降低了池内污泥温度不均(特别是冬季)产生的不利影响，对消化池的稳定运行有益。

3 污泥的加热

　　中温消化常见的工作温度范围一般为30～37℃，由于甲烷菌对温度变化的敏感性很强，实际工作时温度波动范围不宜超过1～2℃，所以在运行中应尽可能保持所设计的温度无大的波动。为保证消化池内温度恒定，必须由污泥循环泵从池中抽取污泥进行循环加热。
　　污泥加热采用热交换器在池外实现。热交换器形式很多，最常用的是同心套管式热交换器和螺旋板式热交换器，热媒多为热水。
　　同心套管式热交换器采用逆向流的方式，内管为污泥管，外管为热媒管。防止污泥在内管中结垢和堵塞，管中污泥流速为1.0～1.5m／s，内管最小管径为100mm。外管热水流速为0.6～1.5 m／s。套管式热交换器两端的弯管是可以拆卸的，并接有冲洗水管，可方便的对热交换管路进行清洗。
　　螺旋板式热交换器很适合使用在不易清洗的介质情况下。对于相同的传热量而言，螺旋板热交换器比管式热交换器更紧凑和更容易安装。这种形式的紧凑型换热器是将较长的两块(平行的)金属板片同时卷绕形成两个同心的螺旋形通道而构成的(如图2所示)。

　　在大多数应用场合，当流体从单一的、弯曲成螺旋形的通道中流动时，可产生二次流动效应，从而激发湍流。螺旋板换热器由于流体在螺旋通道中流动，在较低雷诺数(Re>800时)即可达到湍流，且由于一般都选用较高的流速(流速>1 m／s)，总传热系数一般是套管式热交换器的1.5～3倍。正是这一点，改善了流体间的热传递，被诱发的湍流可使流体充分搅匀，不易沉积污垢，清洗周期一般比管式换热器长得多，这一点对于用于污泥加热的热交换工况尤其重要。表1是管式热交换器和螺旋板式热交换器技术与经济参数的比较：

4 污泥的搅拌

　　消化池中污泥的混合、搅拌，对于提高污泥的分解速率和分解率，增加产气量，是很有效果的。通常使用的方法是沼气搅拌法和机械搅拌法。
4.1 沼气搅拌法
　　沼气搅拌法是指用气体压缩机将沼气从池底压入池内的方法。与其它方法比较，由于这一方法不破坏污泥絮体，因此污泥在二级消化池中的沉淀、 浓缩效果较好。气体从消化池底部压入时，池底的污泥被带到上部，使池中生熟污泥得到充分混合。压缩沼气的竖管以插入消化池有效深度2／3处为宜。竖管环状布置，位置在消化池半径的2／3处，如果池径较大，可考虑设置内外两环；每根竖管的气体流速为7～15 m／s，搅拌时可分区域轮流搅拌，节省能耗。消化池沼气循环搅拌所需气量有多种表示方式，如m3／[1 000m³(池容)·min]，m3／[m(池径)·min]，L／s，m3／[m2(平面面积)·min]等。美国水污染控制联合会所推荐的沼气循环搅拌气量单位为L／s，其数值见表2。美国环保署建议沼气循环搅拌气量为5～7 m3 [1 000m3(池容)·min](抽升管式沼气循环搅拌)、4～5 m3[1 000m3(池容)·min](自由释放式沼气循环搅拌)。沼气搅拌的缺点是在产气量不足或在启动期间，搅拌无法充分进行[3]。
4.2 机械搅拌法
　　最常用的机械搅拌器是螺旋搅拌器，即在消化池内安装中心导流筒，在筒内安装由电机带动的螺旋桨，当螺旋桨旋转时，不断地将管内污泥提升到泥面，形成循环搅拌。螺旋搅拌器设备组成简单，操作容易，可以通过竖管向上或向下两个方面推动污泥，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消化池，其运行简单，维修量少。螺旋桨式搅拌器的能力，一般情况下按照搅拌一次所需时间为2～5h考虑，螺旋桨与中心导流筒的间隙为0.05 m，导流筒中污泥流速一般取0.3～0.4m／s。
　　机械搅拌的缺点是螺旋桨发生故障时，消化池需打开，消化系统要停止运行；并且当纤维性物质附着叶片或螺旋桨上，会使电动机的效率降低甚至发生故障；同时，如果消化池内的液面比螺旋桨低时，将导致空转，不可能进行有效搅拌。传动用的电动机因安装在消化池外面的池顶上，电动机穿过池顶部分必须严格密封。

5 卵形消化池的主要管线

　　消化池管线较多，主要有泥管、气管和冲洗水管，需要有专门的管廊。由于卵形消化池高度较大，普遍在30m以上，需建电梯塔楼，塔楼内设污泥管井和沼气管井，供消化池顶的泥、水、气、电器、仪表等管线的敷设安装。每层设有检修门，方便管线的检修。消化池天桥搭接在塔楼上，便于管理人员到池顶巡查。
　　卵形消化池的泥管有进泥管、排泥管、出泥管、排渣管、循环泥管、溢流管等。进泥管从热交换器出来，一般从消化池的上部投加，最常见的是在略高于消化池液位处投加，以起到防止浮渣结盖的作用；也可设置进泥旁通管，间歇从消化池的底部进泥，搅动底部沉积物，对消化池的污泥混合有益。消化后的污泥由排泥管从池底排至消化池肩部的污泥槽中，再由出泥管从此槽中排至后续贮泥池。池面浮渣由消化池上部的污泥门定期开启排至肩部的浮渣槽中，由排渣管排走。循环污泥管一般设在卵形消化池的中下部，抽取污泥至热交换器加热后再由进泥管投加到池内，保证池内的消化温度在35℃左右。溢流管最小管径为200mm，溢流管的溢流高度，必须考虑是在池内受压状态下工作；如果是采用螺旋桨机械搅拌，还需考虑叶轮和泥位的关系，避免叶轮空转。在非溢流工作状态或池内泥位下降时，溢流管仍须保持密封状态，避免消化池气室和大气连通。溢流管建议采用套管式，可方便的调节消化池的溢流泥位。
　　沼气管从消化池顶部的积气罩将沼气排至粗过滤器，由于消化池内的沼气较脏，含有大量的泡沫，因此沼气进气管处需设消泡器。沼气管道的管径不宜小于100mm，设计流速为3～5m／s。
　　管线设计除考虑有足够的断面外，还应保证足够的流速，防止固体物的沉积，同时考虑接冲洗水管。管路布置应考虑消化池具有多种运行的可能，并具有一定的灵活性，以便在事故时有替代管路。

6 结语

　　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，卵形消化池的工艺和结构设计较复杂，需要考虑确定的因素很多，如何使消化池设计的每一个环节都得到良好的选择，这对工程技术人员来讲是一个需要周密考虑的问题。随着我国对大中型城市污水处理力度的加大，随着活性污泥法处理工艺的越来越成熟，必然要兴建一大批卵形消化池，其应用和发展前景将十分广阔。

参考文献：
　　[1]张自杰.废水处理理论与设计[M]，北京：中国建筑工业出版社，2003.
　　[2]聂梅生，许泽美.废水处理及再用[M]：北京：中国建筑工业出版社，2002.
　　[3],崔玉川，马志毅.废水处理工艺设计计算[M].北京：水利电力出版社，1994.

作者简介：陈永祥(1975-)，男，湖北武汉人，工程师，硕士，研究和设计方向为水污染控制， 电话 (027)85629125，[email protected]