姬杰
中国水电建设集团十五工程局有限公司
摘要：污泥是城市污水处理过程中的副产品，随着污水处理量的不断增加、处理技术的不断完善以及污水处理程度的不断深化，尤其近年来除磷脱氮要求的增加，污泥的产量快速增长。污泥消化与沼气发电是城市污水厂节能降耗，降低运行成本，实现污泥资源化的重要措施。本文结合实例对国外某污水处理厂沼气系统设计进行分析。
关键词：污水处理厂；沼气系统；设计
1工程介绍
某新建污水处理厂建设规模为5.3万m3/d，污水处理采用生物处理工艺——“MBR”，预计污泥处理平均泥量约1400m3/d。在未进行污泥厌氧发酵前，该污水厂污泥经浓缩（静态浓缩和机械浓缩）和石灰水调理后，直接外运，这种处理方法会对土地和环境产生一定影响。启动污泥厌氧发酵系统后，厂区的处理工艺为污水处理与污泥处理相结合的工艺，产生的沼气用于发电。该厂的污泥处理工艺流程采用“浓缩＋预脱水＋泥浆加热＋厌氧消化＋沼气系统”处理工艺。剩余污泥进入污泥浓缩、预脱水系统，经过浓缩机浓缩后，与经过除砂的初沉污泥混合，利用预脱水机脱水后进入泥浆加热系统。泥浆加热处理后的污泥进入新建的污泥消化池进行厌氧消化。消化后的污泥经储泥池泵送至干晒场自然脱水晾晒后运出厂外。污水处理厂的脱水污泥以剩余污泥为主，经过对剩余污泥进行普通厌氧消化处理效果分析，目前剩余污泥厌氧消化的有机物分解率都在20%～30%，厌氧消化效果很不理想，为此，国内外目前采用较多的厌氧消化新工艺是在厌氧消化处理系统前，增加泥浆加热处理工艺，通过对剩余污泥进行中温改性，改善污泥性状，提高有机物分解率至45%～50%，提高沼气产气率。
2沼气净化系统
污水处理厂中沼气的净化主要是针对沼气中H2S及H2O的去除。消化池产生的沼气含水量很大，且携带一些杂质，同时气体中还存在一定比例的H2S。H2S遇水溶解形成酸性液体，具有高腐蚀性，会对设备及管道输送系统造成腐蚀。因此为降低H2S对管路系统及后续设备的损坏，需对沼气进行除水过滤及脱硫处理。
2.1水分及杂质过滤
消化池所产沼气常会携带固体杂质，且通常含湿量较高。沼气中的固体杂质易堵塞管道和附件，影响其燃烧效能；沼气中夹杂的水蒸气冷却后形成冷凝水，缩小管道的有效流通面积。工程中常设置砾石过滤器去除沼气中的固体杂质和水分。砾石过滤器通常为一种圆柱形容器，容器中设有若干导流板，其中填充直径15～50mm的砂砾。通常罐体上部设有可开启和封闭的顶盖，罐体下部设有集水器，沼气通过过滤器罐体时，固体杂质被砾石截留，水蒸气冷凝在砾石上经集水器排除，完成对沼气的过滤。砾石过滤器设计简单，使用方便，对于去除厌氧消化产生的沼气中的杂质和水分有显著效果，被广泛应用于大量的沼气工程中。同时，为去除沼气在输送中形成的冷凝水，工程设计中通常在沼气管路的低点处及进入沼气系统内建（构）筑物前端的管路上设置冷凝水罐。
2.2脱硫
该工程的沼气净化处理首先采用间接脱硫法（首先在消化污泥中加入氯化铁，氯化铁和H2S反应形成硫化铁盐颗粒，以减少H2S含量），然后进一步利用生物脱硫工艺，采用采用了两台ENVIRONTEC沼气生物脱硫塔，生物脱硫塔内填有塑料填料，填料上接种有专性的脱硫细菌，沼气从塔底部进入，沼气中的H2S在上升过程中与塔顶部的碱性喷淋液相接触，H2S被碱液中和，生成HS-。HS-随着喷淋液的下降被填料层中的脱硫细菌氧化成单质硫，并在塔底的集液池中汇集，最后由泵排除，净化后的沼气从顶部排出，实现对沼气中H2S的净化。
2.3沼气发电
本项目采用了2套相同的内燃发电机，沼气发电机组全部安装于热电联发楼内，沼气进入沼气发电机发电并且对沼气发电机冷却水和排放热量进行收集，经过冷热水交换器，为污泥厌氧消化提供热量，保证污泥厌氧消化所需温度；当沼气发电机冷却水和排放热量满足不了污泥厌氧所需温度时，锅炉房开始工作，为污泥厌氧消化提供热量，保证污泥厌氧所需温度。
2.4沼气燃烧
当厂区产沼气量大于用气量，且沼气储存器也完全充满无法再收纳时，为多余气体设置沼气火炬燃烧。同时在沼气H2S含量超过300 ppm，应连续监测其浓度，并停止向热电联产系统供应沼气，将沼气通向沼气火炬燃烧。
该工程沼气废气燃烧采用全自动点火封闭式无焰燃烧燃烧器，比传统的开放式明火燃烧器安全、稳定。
3沼气系统设计
该工程沼气系统主要由2座消化池，2组生物脱硫设备，2组沼气发电机组，2组砂砾石过滤器，2组活性炭过滤器，1座沼气储气罐以及管路系统组成。2座消化池位于厂区北侧，消化池南侧为2座生物脱硫设备，北侧为热电联发大楼，用于安置2组发电机组和砂砾石过滤器以及活性炭过滤器，东侧设沼气储存罐和沼气加压装置，东北侧为沼气燃烧火炬。厌氧消化产生的沼气首先经消化池顶部的沼气收集气囊送至生物脱硫塔，再进入厂区沼气处理系统。沼气根据消化系统产生的气量不同，可以经过储气罐缓存或直接进入脱硫设备进行处理，脱硫后的沼气经过加压后被输送至沼气锅炉房和发电机房利用。当沼气利用系统发生故障，不能利用部分或全部沼气时，沼气进入火炬燃烧。
3.1沼气存储
该工程设置储气罐2座，每座储气量500m3，工作压力1.5kPa。储气罐基础旁设有阀门井，沼气管路通过阀门井铺设至储气罐中心，沼气从中心进入。阀门井内，沼气干管上设冷凝水罐及阻火器。
3.2脱硫系统
该工程沼气系统脱硫工艺采用直接脱硫和间接脱硫相结合的方式。首先，在污泥处理时加入FeCl3，FeCl3和H2S反应生成硫化铁盐颗粒，减少了H2S的形成；然后利用生物脱硫设备除硫。该工程设置2座脱硫塔，单座处理能力400m3/h。2组脱硫塔分别可实现串联、并联、跨越的运行工况。当沼气流量在400Nm3/h时，生物脱硫释放256L/h的硫酸，硫酸盐浓度为2-3%。为了达到pH值7，必须添加56至60m3的水，使浓度达到0.0095至0.01%。如果考虑24小时的最大流量运行，将需要每天1440立方米的水量。另一种选择是通过将酸性溶液排放到废水处理厂的废水排放物中来稳定pH值。净化气体在通过反应器后具有100%的相对湿度（绝对值>40gH2O/m3气体）和29℃~31℃的温度，因此需要在后面设置干燥冷却机，使脱硫后的沼气冷却并去除多余的冷凝水。
3.3安全控制
沼气是易燃易爆的混合气体，根据对本项目研究得出生产的甲烷含量66%的沼气的爆炸下限为8.7%，一旦沼气泄露在空气中含量超过8.7%后，遇到火源便会发生爆炸，造成人员伤亡和设备损坏。因此，在整个污泥热电联产的生产过程中，应该时刻关注沼气的净度和压力，并且在每一个生产环节都设置相应的安全控制设备以及安全防护措施，以保障热电联产系统的安全运行。
4设计注意事项
1）系统中要考虑合理的安全措施：在沼气进入沼气设备前端设置阻火器；系统设备内设置硫化氢气体监测报警装置；设备间内保证通风换气；在沼气系统区域，如消化池等的进口处设置放电装置等。2）在沼气管路的低点及沼气设备前端管路上设置冷凝水罐。系统内冷凝液应及时排放，排放时应防止沼气泄露，且管路设有一定坡度，坡向沼气流向，便于冷凝液排出。3）为实现整个沼气系统在不同工况下灵活稳定运行，沼气管路上可同时设置多种跨越方案。
5结语
沼气的利用是实现城市污水处理厂污泥资源化的有效手段，具有越来越广阔的发展前景。本文对国外某污水处理厂沼气系统中涉及的工艺方案比选、设计中应注意的问题等进行了简要论述，并对沼气系统各组分的研究分析，在满足使用要求下，完成了该次沼气系统的设计。
参考文献：
[1]再生水的安全性研究进展[J].涂杰.内蒙古科技与经济.2020(16)
[2]城市污水处理的主要技术分析[J].张晴.科技与创新.2021(01)