大型污泥厌氧消化系统的启动与运行调控

书书书３２　　　给水排水　Ｖｏｌ．３７　Ｎｏ．３　２０１１大型污泥厌氧消化系统的启动与运行调控宋晓雅　杨向平　王东生（北京城市排水集团有限责任公司，北京　１０００４４）　　摘要　北京小红门污水处理厂建有５座单体容积１２　３００ｍ３的卵形污泥厌氧消化设施，设计沼气产量３０　０００ｍ３／ｄ。以运行数据为基础，总结了大型厌氧消化系统的启动、运行与调控经验，分析大型污泥厌氧消化系统的启动与运行特点。提出建议与措施，并提出系统优化的具体目标。关键词　污水处理厂　污泥厌氧消化　沼气　运行调控１　小红门污水处理厂简介小红门污水处理厂位于北京东南部，设计污水处理量６０万ｍ３／ｄ，采用Ａ２／Ｏ工艺。自２００５年１１月投入运行以来，其进水水量一直稳定在设计范围，出水水质稳定达标，部分作为凉水河景观用水，部分进入凉凤灌区。其污泥处理系统采用污泥中温厌氧消化工艺，主体构筑物为卵形消化池，消化池进泥为初沉污泥，其工艺流程见图１。图１　污泥处理工艺流程小红门污水处理厂２００７～２００９年的进、出水水质见表１，２００９年上半年污泥系统的运行参数见表２。从表２可见厌氧消化系统平均进泥含水率为９６．３１％，进泥中有机分含量为６８．０７％。２　小红门污水处理厂污泥厌氧消化系统启动２．１　消化池型和厌氧消化系统基本设计参数表１　污水处理厂２００７～２００９年进、出水水质项目２００７年２００８年２００９年进水出水进水出水进水出水ＢＯＤ５／ｍｇ／Ｌ　１８５　８．９７　１７９　１０．６０　１９６　６．４５ＣＯＤＣｒ／ｍｇ／Ｌ　３７４　４１．８９　３７８　４９．６０　４２１　３６．００ＳＳ／ｍｇ／Ｌ　２４６　１１．８７　２２３　１１．４０　２４２　１２．５０ＴＮ／ｍｇ／Ｌ　５８．９０　１８．６７　５８．９　１７．１０　６１．２　１９．３０ＮＨ３—Ｎ／ｍｇ／Ｌ　４８．１６　３．５６　４．８３　４．２９ＴＰ／ｍｇ／Ｌ　６．３８　２．０７　６．０　１．６０　５．９　１．３０表２　污泥厌氧消化系统进、出泥泥质情况月份进泥含水率／％进泥有机分／％排泥含水率／％排泥有机分／％１　９７．６６　７１．８７　９８．１２　４４．６０２　９７．３８　７１．８８　９８．０４　５８．９７３　９７．１５　７２．０９　９８．０６　６３．９７４　９６．６５　６９．０９　９７．８４　６２．６０５　９４．８８　６５．５８　９７．２０　５６．１１６　９４．１５　５７．８９　９６．０４　４３．９１平均９６．３１　６８．０７　９７．５５　５５．０３　　小红门污水处理厂厌氧消化池采用国际先进的卵形结构，共５座，单池容积为１２　３００ｍ３。消化时间２０ｄ，最大直径为２５．８ｍ，顶部集气罩直径４ｍ，底部直径１．５ｍ，池总高４２．８６１ｍ，液面高３９．８６１ｍ，埋地部分高８．１ｍ。消化池进泥采用顶部连续进泥，排泥方式采用静压底部连续排泥，搅拌方式为沼气压缩机气体搅拌和池外套管换热。消化系统设计日进泥量为３　０００ｍ３／ｄ，单池进泥量６００ｍ３／ｄ，设计沼气产量３０　０００ｍ３／ｄ。所产沼气除满足自身加热需求外，主要用于拖动鼓风机进行曝气。冬季利用沼气锅炉进行厂内供暖。２．２　消化系统的启动２．２．１　启动方式消化系统的启动先采用自来水灌满消化池达到工作液位，再利用锅炉加热至工作温度３５℃，然后投加初沉污泥进行培养。考虑到潜在的沼气爆炸危险，沼气管线均提前进行氮气置换。５座消化池采用逐个进泥的培养方式，２号消化池最先启动，开始消化污泥培养。给水排水　Ｖｏｌ．３７　Ｎｏ．３　２０１１３３　　　２．２．２　消化污泥培养２００８年１１月１２日，２号消化池率先进泥，在严格控制工作温度３５℃，进泥量控制在５０ｍ３／ｄ的情况下，第２天就有沼气产生，至第１０天，沼气中甲烷含量达到４０％，能够燃烧，表明消化污泥培养成功。２号消化池培养过程中沼气中甲烷含量变化情况见图２。紧随２号消化池，１号和３号消化池于１１月１９日开始进泥，４号和５号消化池于１２月２日开始进泥，每日取样，检测沼气中的甲烷含量。均以消化池沼气中的甲烷含量达到燃烧要求为标准。２００８年底，５座消化池全部完成消化污泥培养工作。图２　２号消化池培养过程中沼气中的甲烷含量变化情况３　污泥厌氧消化池运行分析３．１　产气量自２００８年１１月厌氧消化池投运以来，系统产气量逐渐增加。截至２００９年３月上旬，基本达到设计产气量，２００９年消化系统产气量变化见图３。图３　消化系统产气量变化曲线３．２　沼气产率消化系统不仅产气量达到设计值，产气率也较高，从２００９年１～４月运行数据看，消化系统分解单位ＶＳＳ的平均产气量为０．９３ｍ３／ｋｇ，详见图４。与日本森格崎污水处理厂系统试运行数据基本一致［１］。３．３　有机物分解率从２０１０年运行数据看（见图５），消化系统的有机物分解率较高，平均在５１．６％，高于行业平均３６％的水平［２］。图４　消化系统分解单位质量有机物的沼气产量图５　消化系统有机物分解率４　污泥厌氧消化系统调控研究４．１　消化系统运行中常见的问题在运行实践中，从消化污泥开始培养到稳定运行，通常出现的问题如下：消化池出现泡沫；消化池气相压力不稳定，出现波动。以上两种情况有时交替出现或同时出现，严重影响系统的安全和稳定。４．２　建议及应对策略４．２．１　泡沫根据已有报道［３］，消化池的泡沫主要有两种来源，一种泡沫是化学泡沫，另一种泡沫主要发生在处理剩余污泥的消化池中，主要是由于剩余污泥含有大量的诺卡氏菌，从而导致消化池产生泡沫。因小红门污泥厌氧消化系统进泥性质为初沉污泥，泡沫的产生应排除以上因素。故以下主要从运行控制角度来分析。４．２．２　消化池泡沫的监控指标在数据分析中，发现消化池出现泡沫时，其沼气中气体含量有较明显的变化。表３为污水处理厂出表３　污水处理厂消化池出现泡沫的相关数据测试点消化池是否出现泡沫ＣＨ４／％ＣＯ２／％ＣＨ４／ＣＯ２１无泡沫６９．４　２６．２　２．６４８　８５５２无泡沫６７．５　２７　２．５３出现泡沫４无泡沫６８．７　２７．４　２．５０７　２９９５无泡沫７０．６　２４．６　２．８６９　９１９６出现泡沫７０．６　２４．７　２．８５８　３７出现泡沫７１．８　２３．９　３．００４　１８４８无泡沫７０　２５．３　２．７６６　７９８３４　　　给水排水　Ｖｏｌ．３７　Ｎｏ．３　２０１１现泡沫的相关数据，由表３可见，每次消化池出现泡沫时，其沼气中甲烷和二氧化碳的体积比都有明显的变化，要高于２．６的平均值。因此，对于卵形消化池的泡沫问题，可采用现场或在线检测沼气中甲烷和二氧化碳的含量，来进行泡沫的监控。４．２．３　消化池泡沫应对措施由前述消化池泡沫分析和监控看，消化池出现泡沫现象比较常见。在实际运行中，主要的措施之一就是采用自动或人工消泡。可采用自动控制程序监控泡沫的产生，随时进行消泡。此外，对于消化池的进泥，应按照有机负荷确定投加量，可减少泡沫的产生。在出现泡沫后，紧急降低消化池的液位同时辅助增加消泡力度，也是一个比较可行的方法。还可在顶部加装搅拌器消除泡沫的产生。４．２．４　消化池气相波动消化池气相压力波动主要是由沼气管线中的冷凝水引起的。由于沼气在输送过程中，温度不断降低，不断有冷凝水排放出来。若冷凝水系统堵塞，排放不出，就会积存在沼气管道中，导致整个系统的压力发生变化。此外，在运行中也存在局部阻力过高（易发于脱硫塔、沼气流量计等），导致消化池压力升高的情况。在消化池运行中，通过定期监控和测试系统的局部阻力，可避免消化池压力波动的问题。５　污泥厌氧消化系统调控的优化方向５．１　提高系统的产气量以２００９年上半年运行数据（见表２）看，消化池进泥有机分平均为６８．０７％；消化池进泥含水率为９６．３１％；消化池排泥有机分平均为５５．０３％；排泥含水率为９７．５５％。在现况消化系统进泥量３　０００ｍ３／ｄ条件下，按照参考文献［１］公式计算，小红门系统沼气产量计算见式（１）：Ｑ＝（ＱｉＣｉｆｉ－ＱｕＣｕｆｕ）ｑ（１）式中Ｑ———沼气产量，ｍ３／ｄ；Ｑｉ———进泥量，ｍ３／ｄ；Ｃｉ———消化池进泥浓度，ｋｇ／ｍ３；ｆｉ———消化池进泥干固体的有机分；Ｑｕ———排泥量，ｍ３／ｄ；Ｃｕ———消化池排泥浓度，ｋｇ／ｍ３；ｆｕ———消化池排泥干固体的有机分；ｑ———分解单位有机物所产生的沼气量，由图４可得ｑ＝０．９３。按照式（１）计算，小红门系统沼气产量为３２　４６３ｍ３／ｄ，与小红门的现状是基本吻合的。所以，要提高现况系统的产气量，需考虑增加消化池的进泥量来提升系统的产气量。此外，还可考虑增加其他生活污水（如粪便水）增加系统的产气量。５．２　提高系统的有机物分解率从图５可以看出，小红门污泥厌氧消化系统有机物分解率较高。但系统有机物分解率是否还有提高的空间，需进一步分析系统的设施、设备情况和进泥泥质中有机分的成分。在处理设施、设备方面，要通过示踪试验来进行消化池停留时间的测定，看实测停留时间和理论停留时间的差别，全面评价搅拌效果并进行改进。在进泥泥质方面，要加强有机分（如蛋白质、淀粉、脂肪含量）的测定。６　结论本文较全面地总结了大型污泥厌氧消化系统的启动、运行与调控经验。通过对实践中存在问题的分析，归纳了消化系统启动过程中沼气产量的变化曲线；对于运行中经常出现的泡沫和压力波动现象进行了分析，并提出解决建议。结合实际运行数据和计算，明确提出系统优化的方向和具体的目标是努力提高产气量和有机物分解率。以便为今后污泥厌氧消化实践提供参考。参考文献１　王洪臣主编．城市污水处理厂运行控制与维护管理．北京：科学出版社，１９９７２　宋晓雅，李维，王洪臣，等．高碑店污水处理厂污泥处理系统工艺介绍及运行分析．给水排水，２００４，３０（１２）：１～５３　Ｈｅｎｚｅ　Ｍ．污水生物与化学处理技术．国家城市给水排水工程技术研究中心译．北京：中国建筑工业出版社，２００９　　＆通讯处：１０００４４北京市车公庄大街北里乙３７号Ｅ－ｍａｉｌ：[e-mail]收稿日期：２０１０－１１－０２修回日期：２０１０－１２－２２