陳永祥，伍軍，石亞軍，李利蓉
(武漢市政設計研究院，湖北 武漢 430015) 摘要：論述了卵形消化池的工藝設計，給出了卵形消化池的池容計算公式，對污泥的投加方式、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的對比，并給出了部分設計參數(shù)。
關鍵詞：卵形消化池；熱交換器；攪拌器；污泥處置
中圖分類號：X703.3 文獻標識碼：B 文章編號：1009-2455(2004)03-0046-03 卵形消化池無論是從運行角度，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。結(jié)構(gòu)和受力條件最好，特別是建筑與藝術較完美的得到了統(tǒng)一。由于采用預應力混凝土技術和支架、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 卵形池的池型設計 從外形上看，卵形消化池由三部分組成，上部和下部為圓臺體，中間部分由半徑為R的一段圓弧(M點為弧線圓心，如圖1所示)繞中心軸線水平旋轉(zhuǎn)而成，旋轉(zhuǎn)體和上下兩圓臺相切。工藝計算時，上下圓臺體積和表面積可由圓臺公式求得，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]。
設卵形消化池頂部圓臺、上部旋轉(zhuǎn)體、下部旋轉(zhuǎn)體、底部圓臺的體積分別為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)過熱交換器加熱后投加進入消化池較好。這種投配方式有如下優(yōu)點：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，對消化池的穩(wěn)定運行有益。 3 污泥的加熱 中溫消化常見的工作溫度范圍一般為30～37℃，由于甲烷菌對溫度變化的敏感性很強，實際工作時溫度波動范圍不宜超過1～2℃，所以在運行中應盡可能保持所設計的溫度無大的波動。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行循環(huán)加熱。
污泥加熱采用熱交換器在池外實現(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，可方便的對熱交換管路進行清洗。
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的兩塊(平行的)金屬板片同時卷繞形成兩個同心的螺旋形通道而構(gòu)成的(如圖2所示)。 
在大多數(shù)應用場合，當流體從單一的、彎曲成螺旋形的通道中流動時，可產(chǎn)生二次流動效應，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，在較低雷諾數(shù)(Re>800時)即可達到湍流，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，改善了流體間的熱傳遞，被誘發(fā)的湍流可使流體充分攪勻，不易沉積污垢，清洗周期一般比管式換熱器長得多，這一點對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與經(jīng)濟參數(shù)的比較：
表1 熱交換器技術和經(jīng)濟性能相對比較 |
| | 項目 | 套管式 | 螺旋板式 |
| | 換熱面積（傳送相同熱量情況下） | 1 | 0.72 | | 運轉(zhuǎn)重量 | 1 | 0.5 | | 單位傳熱面積金屬耗量 | 1 | 1.15 | | 設備占據(jù)空間 | 1 | 0.2 | | 克服流體陰力的動力消耗 | 1 | 0.33 | | 所需熱介質(zhì)的量 | 1 | 0.5 | | 清洗間隔時間 | 1 | 0.33 | | 產(chǎn)生全紊流時的雷諾數(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械攪拌法。
4.1 沼氣攪拌法
沼氣攪拌法是指用氣體壓縮機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，因此污泥在二級消化池中的沉淀、 濃縮效果較好。氣體從消化池底部壓入時，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，可考慮設置內(nèi)外兩環(huán)；每根豎管的氣體流速為7～15 m／s，攪拌時可分區(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。美國水污染控制聯(lián)合會所推薦的沼氣循環(huán)攪拌氣量單位為L／s，其數(shù)值見表2。美國環(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)。沼氣攪拌的缺點是在產(chǎn)氣量不足或在啟動期間，攪拌無法充分進行[3]。
4.2 機械攪拌法
最常用的機械攪拌器是螺旋攪拌器，即在消化池內(nèi)安裝中心導流筒，在筒內(nèi)安裝由電機帶動的螺旋槳，當螺旋槳旋轉(zhuǎn)時，不斷地將管內(nèi)污泥提升到泥面，形成循環(huán)攪拌。螺旋攪拌器設備組成簡單，操作容易，可以通過豎管向上或向下兩個方面推動污泥，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，其運行簡單，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間為2～5h考慮，螺旋槳與中心導流筒的間隙為0.05 m，導流筒中污泥流速一般取0.3～0.4m／s。
機械攪拌的缺點是螺旋槳發(fā)生故障時，消化池需打開，消化系統(tǒng)要停止運行；并且當纖維性物質(zhì)附著葉片或螺旋槳上，會使電動機的效率降低甚至發(fā)生故障；同時，如果消化池內(nèi)的液面比螺旋槳低時，將導致空轉(zhuǎn)，不可能進行有效攪拌。傳動用的電動機因安裝在消化池外面的池頂上，電動機穿過池頂部分必須嚴格密封。 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)設污泥管井和沼氣管井，供消化池頂?shù)哪唷⑺?、氣、電器、儀表等管線的敷設安裝。每層設有檢修門，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泥管、排泥管、出泥管、排渣管、循環(huán)泥管、溢流管等。進泥管從熱交換器出來，一般從消化池的上部投加，最常見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；也可設置進泥旁通管，間歇從消化池的底部進泥，攪動底部沉積物，對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械攪拌，還需考慮葉輪和泥位的關系，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，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，因此沼氣進氣管處需設消泡器。沼氣管道的管徑不宜小于100mm，設計流速為3～5m／s。
管線設計除考慮有足夠的斷面外，還應保證足夠的流速，防止固體物的沉積，同時考慮接沖洗水管。管路布置應考慮消化池具有多種運行的可能，并具有一定的靈活性，以便在事故時有替代管路。 6 結(jié)語 污泥厭氧消化處理在技術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)設計較復雜，需要考慮確定的因素很多，如何使消化池設計的每一個環(huán)節(jié)都得到良好的選擇，這對工程技術人員來講是一個需要周密考慮的問題。隨著我國對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越成熟，必然要興建一大批卵形消化池，其應用和發(fā)展前景將十分廣闊。 參考文獻：
[1]張自杰.廢水處理理論與設計[M]，北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.
[2]聶梅生，許澤美.廢水處理及再用[M]：北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.
[3],崔玉川，馬志毅.廢水處理工藝設計計算[M].北京：水利電力出版社，1994.
作者簡介：陳永祥(1975-)，男，湖北武漢人，工程師，碩士，研究和設計方向為水污染控制， 電話 (027)85629125，water-cyx@163.com | 
