卵形池中温厌氧消化系统辅助系统工艺基础设计的探讨
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【摘要】以某20万吨污水处理厂卵形中温厌氧消化池为模板，探讨了卵形池中温厌氧消化系统辅助系统-污泥投配系统、热工系统、沼气输送系统设计计算的方法以及部分设计参数的取值。
【关键词】卵形池；污泥；中温厌氧消化；辅助系统；工艺设计
引言
在卵形池中温厌氧消化系统中，除了卵形池本体外，各辅助系统是确保消化系统稳定运行不可或缺的组成部分，本文以国内某20万吨污水处理厂卵形消化池中温（35℃）一级污泥消化系统为模板，在卵形池池体设计的基础上，探讨消化系统辅助子系统的基础设计。
1、设计条件的引入
污水处理厂设计处理量为20万m3/d，总变化系数1.3，主体工艺采用无初沉A/A/O工艺，厌氧消化系统每日处理干污泥量为30600kg/d，经预浓缩后进消化系统的污泥含水率为96%左右，体积大约为765m3/d。
2、辅助子系统设计
2.1污泥投配系统计算
污泥投配系统计算的主要内容是新鲜污泥投料时间、投泥量以及污泥循环量的计算。为避免消化池上部气室容积在短时间内变化太大而导致气室内压力发生较大变化，保持卵形池内压力基本稳定，卵形消化池进泥和排泥需同时进行，即卵形消化池投料进泥与污泥脱水系统运行需同时进行。以本设计为例，污泥脱水系统每日运行时间为16h，则相应的污泥投料时间也是16h，两个卵形消化池分开轮流投泥，每个卵形消化池每日投泥时间为8h，分4个时间段，每个时间段2h。由此得出污泥投料泵设计流量为47.8m3/h。
在计算出污泥投料泵流量后，即可计算污泥循环泵流量。设置污泥循环泵的作用一是在新鲜污泥内按比例掺入熟化污泥，缩短新鲜污泥的熟化时间；二是将池底的消化污泥抽送到池顶，达到循环池内消化污泥的目的。循环污泥量与新鲜污泥量的比值称之为污泥接种比[1]，本设计该值取3，由此得出污泥投料泵设计流量为143.4m3/h。
2.2热工系统计算
污泥厌氧消化热工系统计算共包括两大部分：①系统小时耗热量计算。②换热设备计算。
2.2.1系统耗热量计算。系统耗热量计算主要分为三部分：加热新鲜污泥需要的热量、消化池表面损失的热量、污泥投配管道损失的热量，厌氧生物化学反应及污泥水蒸发耗热数量很少，在工程上可不考虑。
①加热新鲜污泥每日需要的耗热量可用下式计算：
（kW）
式中：m-每日新鲜污泥量（m3/d）；ts-消化池内污泥温度（℃）；ty-新鲜污泥温度（℃），可取最不利月平均温度；c-污泥的质量比热，可按热水计算，c=4178J/kg・℃
②消化池表面小时热损失可以通过下式计算：
（W）
式中：F-围护结构的面积（m2）；tn-消化池内设计温度（℃）； -池外设计计算温度（℃），根据外池体接触介质可取当地最冷月平均大气温度或土壤温度；α-温差修正系数；K-围护结构的传热系数（W/m2・℃）。
在计算消化池表面热损失时应分成地上和地下两部分计算：对于地上部分，由于池外壁有风力作用产生的强迫对流换热，因此需引入外表面换热系数，而内表面上部气室部分主要是自然对流换热和辐射换热，此部分需引入内表面换热系数，内表面下部污泥与池壁接触部分则为传导换热，此部分不需引入内表面换热系数。对于地下部分，由于池外壁与土壤接触，池内壁与污泥接触，因此主要为传导换热，故不需引入内、外换热系数。
③污泥投配管道小时热损失可通过下式计算：
（W）
式中：tg-管道内温度（℃）；tw-管道周围环境温度（℃），根据敷设方式可取当地最冷月平均大气温度或土壤温度；β-管道附件散热损失附加系数，对于架空敷设取0.25，地沟敷设取0.20，直埋敷设取0.15；-管道长度（m）；-从管道内到管道外的热阻和，其值根据敷设方式不同而变化。
当有双管或多管经无沟敷设及地沟敷设时，需考虑管与管之间的影响，无沟敷设可按增加假想附加热阻法处理，地沟敷设则需考虑多管对沟内管外空气的影响，以计算后的空气温度代替计算公式中的管道外环境温度。
综上所述，系统耗热量与卵形池所处地理位置、卵形池围护结构以及各子系统的布置形式等有关，以本设计为例，加热新鲜污泥需要耗热量为20464kW/d，消化池表面总热损失为1944kW/d，投配管道热损失为528kW/d。加热新鲜污泥需要的热量远远大于补充消化池表面热损失和管道热损失所需的热量，因此在实际工程中采用圆台法计算池表面积已能满足设计精度要求。
2.2.2换热设备计算。在得出系统每日耗热量后，需进行换热设备的计算。消化池的加热方式分池内加热和池外加热两类，池内加热因其缺点较多，已很少应用。池外加热有生污泥预热和循环加热两种方式，其中循环加热方式因其运行稳定，调控灵活等优点而得到广泛应用。循环加热法采用的热交换器有三种：套管式、管壳式、螺旋板式。本文以套管式水水（泥）换热器为例，简述换热器的选型计算方法。
换热器的换热面积可按下式计算：
式中：Q-需提供的热量（W/h）；K-换热器的传热系数（W/m2・℃），由设备生产厂家提供；-加热与被加热流体之间的对数平均温差（℃）。
在计算出换热面积后再根据套管内管外直径可得出换热器长度。根据现场运行经验，大型消化池内温度每波动±1℃，需要的最短时间大约为1天。因此在设计选择换热器时，在考虑一定安全系数的同时也不可盲目增加其数量，以避免造成浪费。
2.3产气量计算
产气量是沼气输送和储存系统设计的基础数据。污泥厌氧消化的最终产物之一为沼气，每日沼气产气量可按下式计算：
式中：-每日进厌氧消化系统污泥量（kg/d）；-污泥中有机物所占比例（%）；-有机物分解率（%）；q-分解1kg有机物产生沼气量（L/kg）
从上式可以看出，厌氧消化系统产生沼气量的关键因素之一是污泥有机物含量及组分。研究表明，在消化温度、有机物负荷都正常的情况下，有机物分解率随污泥中有机物含量的上升而升高。
在这些组分中，气体发生量是以脂肪>碳水化合物>蛋白质的顺序排列的，根据污泥组分的不同，分解1kg有机物产生的沼气产量也不同。本设计分解1kg有机物产生沼气量为900L，有机物分解率55%。
需要注意的是，由于受到污水处理厂所在区域、污水性质、采用工艺以及季节变化的因素影响，不同污水厂污泥中有机物含量和组成差别较大。因此在进行设计计算时应充分收集与项目类似污水处理厂剩余污泥组成的资料。无论有无合适资料，为保证厌氧消化系统稳定运行，在进行沼气收集系统设计时都必须设置安全措施，如外接天然气备用气源和配备火炬系统等。
3、结论
污泥厌氧消化系统的设计计算是一个系统的多学科的过程，特别是采用卵形消化池，其工艺和结构设计较复杂，需要考虑确定的因素很多。较其它池型相比，卵形消化池系统具有较大的优越性，随着我国对大中型城市污水处理力度的加大，随着污泥处理处置的重要性，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。因此，对工程技术人员来说，有必要在进行消化池设计时使每一个环节都得到良好的选择。