陳永祥，伍軍，石亞軍，李利蓉
(武漢市政設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430015) 摘要：論述了卵形消化池的工藝設(shè)計(jì)，給出了卵形消化池的池容計(jì)算公式，對(duì)污泥的投加方式、熱交換器類型的選擇、污泥的攪拌方法以及卵形消化池的各種管線做了較詳細(xì)的對(duì)比，并給出了部分設(shè)計(jì)參數(shù)。
關(guān)鍵詞：卵形消化池；熱交換器；攪拌器；污泥處置
中圖分類號(hào)：X703.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1009-2455(2004)03-0046-03 卵形消化池?zé)o論是從運(yùn)行角度，還是從建筑施工角度講都是最佳的池形。卵形消化池具有混合攪拌充分、池頂部和底部截面積小，排砂除渣較容易、表面積比(池殼表面積／池容積)小，保溫效果好等工藝優(yōu)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)和受力條件最好，特別是建筑與藝術(shù)較完美的得到了統(tǒng)一。由于采用預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)和支架、模板的不斷發(fā)展，使卵形消化池得到了很大的發(fā)展，國(guó)外目前在建及待建的大型中溫厭氧消化池絕大部分是卵形消化池。 1 卵形池的池型設(shè)計(jì) 從外形上看，卵形消化池由三部分組成，上部和下部為圓臺(tái)體，中間部分由半徑為R的一段圓弧(M點(diǎn)為弧線圓心，如圖1所示)繞中心軸線水平旋轉(zhuǎn)而成，旋轉(zhuǎn)體和上下兩圓臺(tái)相切。工藝計(jì)算時(shí)，上下圓臺(tái)體積和表面積可由圓臺(tái)公式求得，中間旋轉(zhuǎn)體的體積和表面積公式可由多重積分求出。卵形池總高H和其最大胸徑D的比值一般在1.4～2.0之間，殼體弧線半徑R取值范圍為(0.74～0.84)D[1]。
設(shè)卵形消化池頂部圓臺(tái)、上部旋轉(zhuǎn)體、下部旋轉(zhuǎn)體、底部圓臺(tái)的體積分別為V1，V2，V3，V4，表面積分別為S1，S2，S3，S4，則有如下關(guān)系式： | R2=Rcosθ-b | (1) | | R3=Rcosβ-b | (2) | | h1=（R2-R1)ctgθ | (3) | | h2=R(sinθ+sinβ) | (4) | | h3=(R3-R4)ctgβ | (5) | | V1=1／3h1(R22+R12+R1R2) | (6) | | V2=π[R3(sinθ-sin3θ／3)-bR2(sinθcosθ+θ)+b2Rsinθ] | (7) | | S1=π(R22-R12)／sinθ | (8) | | S2=2πR[Rsinθ+b·arcsin(cosθ)-πb／2] | (9) |
同理可求出V3，V4和S3，S4。
消化池總高H=h1+h2+h3
消化池池容V=Vl+V2+V3+V4
根據(jù)地形、氣候及結(jié)構(gòu)條件，如需矮胖形池型，H／D取低值；如需瘦長(zhǎng)型，H／D取高值。 
2 污泥的投加 消化池污泥的投加可分為連續(xù)投加和間歇投加兩種方式。原污泥的連續(xù)投加只能在大型卵形池上實(shí)現(xiàn)，根據(jù)污泥量每天可投加12～18h。小型卵形池宜采用間歇投加方式，一般每天投加2～3次，每次0.5～2.0h[2]。對(duì)采用沼氣攪拌的消化池建議采用連續(xù)投加方式，這樣可以降低因池容變化而使沼氣系統(tǒng)壓力出現(xiàn)較大的波動(dòng)的概率。
原污泥投加最好與循環(huán)污泥(一般可取原污泥的2～4倍)一同經(jīng)過(guò)熱交換器加熱后投加進(jìn)入消化池較好。這種投配方式有如下優(yōu)點(diǎn)：①原污泥與數(shù)倍具有活性的消化污泥充分混合可起到接種作用；②原污泥與循環(huán)污泥一同混合加熱后送入消化池，大大降低了池內(nèi)污泥溫度不均(特別是冬季)產(chǎn)生的不利影響，對(duì)消化池的穩(wěn)定運(yùn)行有益。 3 污泥的加熱 中溫消化常見(jiàn)的工作溫度范圍一般為30～37℃，由于甲烷菌對(duì)溫度變化的敏感性很強(qiáng)，實(shí)際工作時(shí)溫度波動(dòng)范圍不宜超過(guò)1～2℃，所以在運(yùn)行中應(yīng)盡可能保持所設(shè)計(jì)的溫度無(wú)大的波動(dòng)。為保證消化池內(nèi)溫度恒定，必須由污泥循環(huán)泵從池中抽取污泥進(jìn)行循環(huán)加熱。
污泥加熱采用熱交換器在池外實(shí)現(xiàn)。熱交換器形式很多，最常用的是同心套管式熱交換器和螺旋板式熱交換器，熱媒多為熱水。
同心套管式熱交換器采用逆向流的方式，內(nèi)管為污泥管，外管為熱媒管。防止污泥在內(nèi)管中結(jié)垢和堵塞，管中污泥流速為1.0～1.5m／s，內(nèi)管最小管徑為100mm。外管熱水流速為0.6～1.5 m／s。套管式熱交換器兩端的彎管是可以拆卸的，并接有沖洗水管，可方便的對(duì)熱交換管路進(jìn)行清洗。
螺旋板式熱交換器很適合使用在不易清洗的介質(zhì)情況下。對(duì)于相同的傳熱量而言，螺旋板熱交換器比管式熱交換器更緊湊和更容易安裝。這種形式的緊湊型換熱器是將較長(zhǎng)的兩塊(平行的)金屬板片同時(shí)卷繞形成兩個(gè)同心的螺旋形通道而構(gòu)成的(如圖2所示)。 
在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，當(dāng)流體從單一的、彎曲成螺旋形的通道中流動(dòng)時(shí)，可產(chǎn)生二次流動(dòng)效應(yīng)，從而激發(fā)湍流。螺旋板換熱器由于流體在螺旋通道中流動(dòng)，在較低雷諾數(shù)(Re>800時(shí))即可達(dá)到湍流，且由于一般都選用較高的流速(流速>1 m／s)，總傳熱系數(shù)一般是套管式熱交換器的1.5～3倍。正是這一點(diǎn)，改善了流體間的熱傳遞，被誘發(fā)的湍流可使流體充分?jǐn)噭颍灰壮练e污垢，清洗周期一般比管式換熱器長(zhǎng)得多，這一點(diǎn)對(duì)于用于污泥加熱的熱交換工況尤其重要。表1是管式熱交換器和螺旋板式熱交換器技術(shù)與經(jīng)濟(jì)參數(shù)的比較：
表1 熱交換器技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能相對(duì)比較 |
| | 項(xiàng)目 | 套管式 | 螺旋板式 |
| | 換熱面積（傳送相同熱量情況下） | 1 | 0.72 | | 運(yùn)轉(zhuǎn)重量 | 1 | 0.5 | | 單位傳熱面積金屬耗量 | 1 | 1.15 | | 設(shè)備占據(jù)空間 | 1 | 0.2 | | 克服流體陰力的動(dòng)力消耗 | 1 | 0.33 | | 所需熱介質(zhì)的量 | 1 | 0.5 | | 清洗間隔時(shí)間 | 1 | 0.33 | | 產(chǎn)生全紊流時(shí)的雷諾數(shù) | 1 | 0.4 | | 傳熱系數(shù) | 1 | 1.3-1.5 |
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4 污泥的攪拌 消化池中污泥的混合、攪拌，對(duì)于提高污泥的分解速率和分解率，增加產(chǎn)氣量，是很有效果的。通常使用的方法是沼氣攪拌法和機(jī)械攪拌法。
4.1 沼氣攪拌法
沼氣攪拌法是指用氣體壓縮機(jī)將沼氣從池底壓入池內(nèi)的方法。與其它方法比較，由于這一方法不破壞污泥絮體，因此污泥在二級(jí)消化池中的沉淀、 濃縮效果較好。氣體從消化池底部壓入時(shí)，池底的污泥被帶到上部，使池中生熟污泥得到充分混合。壓縮沼氣的豎管以插入消化池有效深度2／3處為宜。豎管環(huán)狀布置，位置在消化池半徑的2／3處，如果池徑較大，可考慮設(shè)置內(nèi)外兩環(huán)；每根豎管的氣體流速為7～15 m／s，攪拌時(shí)可分區(qū)域輪流攪拌，節(jié)省能耗。消化池沼氣循環(huán)攪拌所需氣量有多種表示方式，如m3／[1 000m3(池容)·min]，m3／[m(池徑)·min]，L／s，m3／[m2(平面面積)·min]等。美國(guó)水污染控制聯(lián)合會(huì)所推薦的沼氣循環(huán)攪拌氣量單位為L(zhǎng)／s，其數(shù)值見(jiàn)表2。美國(guó)環(huán)保署建議沼氣循環(huán)攪拌氣量為5～7 m3 [1 000m3(池容)·min](抽升管式沼氣循環(huán)攪拌)、4～5 m3[1 000m3(池容)·min](自由釋放式沼氣循環(huán)攪拌)。沼氣攪拌的缺點(diǎn)是在產(chǎn)氣量不足或在啟動(dòng)期間，攪拌無(wú)法充分進(jìn)行[3]。
4.2 機(jī)械攪拌法
最常用的機(jī)械攪拌器是螺旋攪拌器，即在消化池內(nèi)安裝中心導(dǎo)流筒，在筒內(nèi)安裝由電機(jī)帶動(dòng)的螺旋槳，當(dāng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，不斷地將管內(nèi)污泥提升到泥面，形成循環(huán)攪拌。螺旋攪拌器設(shè)備組成簡(jiǎn)單，操作容易，可以通過(guò)豎管向上或向下兩個(gè)方面推動(dòng)污泥，因此在固定污泥液面的前提下，能夠有效地消除浮渣層。螺旋槳式攪拌器特別適用卵形消化池，其運(yùn)行簡(jiǎn)單，維修量少。螺旋槳式攪拌器的能力，一般情況下按照攪拌一次所需時(shí)間為2～5h考慮，螺旋槳與中心導(dǎo)流筒的間隙為0.05 m，導(dǎo)流筒中污泥流速一般取0.3～0.4m／s。
機(jī)械攪拌的缺點(diǎn)是螺旋槳發(fā)生故障時(shí)，消化池需打開(kāi)，消化系統(tǒng)要停止運(yùn)行；并且當(dāng)纖維性物質(zhì)附著葉片或螺旋槳上，會(huì)使電動(dòng)機(jī)的效率降低甚至發(fā)生故障；同時(shí)，如果消化池內(nèi)的液面比螺旋槳低時(shí)，將導(dǎo)致空轉(zhuǎn)，不可能進(jìn)行有效攪拌。傳動(dòng)用的電動(dòng)機(jī)因安裝在消化池外面的池頂上，電動(dòng)機(jī)穿過(guò)池頂部分必須嚴(yán)格密封。 5 卵形消化池的主要管線 消化池管線較多，主要有泥管、氣管和沖洗水管，需要有專門的管廊。由于卵形消化池高度較大，普遍在30m以上，需建電梯塔樓，塔樓內(nèi)設(shè)污泥管井和沼氣管井，供消化池頂?shù)哪唷⑺狻㈦娖鳌x表等管線的敷設(shè)安裝。每層設(shè)有檢修門，方便管線的檢修。消化池天橋搭接在塔樓上，便于管理人員到池頂巡查。
卵形消化池的泥管有進(jìn)泥管、排泥管、出泥管、排渣管、循環(huán)泥管、溢流管等。進(jìn)泥管從熱交換器出來(lái)，一般從消化池的上部投加，最常見(jiàn)的是在略高于消化池液位處投加，以起到防止浮渣結(jié)蓋的作用；也可設(shè)置進(jìn)泥旁通管，間歇從消化池的底部進(jìn)泥，攪動(dòng)底部沉積物，對(duì)消化池的污泥混合有益。消化后的污泥由排泥管從池底排至消化池肩部的污泥槽中，再由出泥管從此槽中排至后續(xù)貯泥池。池面浮渣由消化池上部的污泥門定期開(kāi)啟排至肩部的浮渣槽中，由排渣管排走。循環(huán)污泥管一般設(shè)在卵形消化池的中下部，抽取污泥至熱交換器加熱后再由進(jìn)泥管投加到池內(nèi)，保證池內(nèi)的消化溫度在35℃左右。溢流管最小管徑為200mm，溢流管的溢流高度，必須考慮是在池內(nèi)受壓狀態(tài)下工作；如果是采用螺旋槳機(jī)械攪拌，還需考慮葉輪和泥位的關(guān)系，避免葉輪空轉(zhuǎn)。在非溢流工作狀態(tài)或池內(nèi)泥位下降時(shí)，溢流管仍須保持密封狀態(tài)，避免消化池氣室和大氣連通。溢流管建議采用套管式，可方便的調(diào)節(jié)消化池的溢流泥位。
沼氣管從消化池頂部的積氣罩將沼氣排至粗過(guò)濾器，由于消化池內(nèi)的沼氣較臟，含有大量的泡沫，因此沼氣進(jìn)氣管處需設(shè)消泡器。沼氣管道的管徑不宜小于100mm，設(shè)計(jì)流速為3～5m／s。
管線設(shè)計(jì)除考慮有足夠的斷面外，還應(yīng)保證足夠的流速，防止固體物的沉積，同時(shí)考慮接沖洗水管。管路布置應(yīng)考慮消化池具有多種運(yùn)行的可能，并具有一定的靈活性，以便在事故時(shí)有替代管路。 6 結(jié)語(yǔ) 污泥厭氧消化處理在技術(shù)和投資上都是污泥處理工藝中重要的組成部分，卵形消化池的工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較復(fù)雜，需要考慮確定的因素很多，如何使消化池設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)都得到良好的選擇，這對(duì)工程技術(shù)人員來(lái)講是一個(gè)需要周密考慮的問(wèn)題。隨著我國(guó)對(duì)大中型城市污水處理力度的加大，隨著活性污泥法處理工藝的越來(lái)越成熟，必然要興建一大批卵形消化池，其應(yīng)用和發(fā)展前景將十分廣闊。 參考文獻(xiàn)：
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[3],崔玉川，馬志毅.廢水處理工藝設(shè)計(jì)計(jì)算[M].北京：水利電力出版社，1994.
作者簡(jiǎn)介：陳永祥(1975-)，男，湖北武漢人，工程師，碩士，研究和設(shè)計(jì)方向?yàn)樗廴究刂疲?電話 (027)85629125，water-cyx@163.com | 
