污泥厌氧消化沼气安全系统的工艺设计

污泥厌氧消化是一种使污泥达到稳定状态的非常有效的处理方法。污泥中的有机物在厌氧条件下，在产酸细菌和甲烷细菌的先后作用下，经酸性消化阶段和碱性消化阶段分解为甲烷和二氧化碳为主要产物的消化气（沼气）。大中型污水处理厂对消化产生的沼气进行回收利用，可以达到节约能源、降低运行成本的目的。
　　沼气由55％～70％的甲烷、25％～40％的二氧化碳和1％～5％的氮硫化物和硫化氢组成。沼气与空气以1：5～14（体积比）混合时，如遇明火会引起爆炸。混合比超过此值时，是燃烧热值约4500～6000千卡／米³的燃料。空气中沼气含量到达一定浓度会具有毒性。因此，沼气是具有很高利用价值同时如果系统设计操作不当也有一定危险性的能源。
　　图1、图2所示是一典型的污水处理厂污泥厌氧消化沼气利用系统的流程图。

　　流程图2所示为常规低压系统。

1 沼气系统工艺流程设计及安全装置的设置

　　沼气从消化池流入管道，首先经过冷凝水去除罐和脱硫装置，其目的是净化沼气。
1.1 沼气净化
1.1.1 冷凝水及杂质的去除
　　沼气是高湿度的混合气。沼气自消化池进入管道时，温度逐渐降低，管道中会产生大量含杂质的冷凝水。如果不从系统中除去，容易堵塞、破坏管道设备。

　　沼气管道最靠近消化池的位置，沼气温降值最大，产生的冷凝水最多，在此点设置了冷凝水去除罐。在沼气系统中，管线一般都设计为1％左右或更大的坡度，低点设置冷凝水去除罐。较长的管线特别考虑一定的距离设置了一个去除罐。另外，在重要设备如沼气压缩机、沼气锅炉、沼气发电机、废气燃烧器、脱硫塔等设备沼气管线人口，在干式气柜的进口和湿式气柜的进出口处都设置冷凝水去除罐。有时在某些设备如沼气压缩机出口处还需要设置高压水去除罐。 
　　正常运行时，操作人员每天检查时，都会发现一些去除器（特别是靠近消化池的）有大量的冷凝水排出。当构筑物和设备检修时，还可以向冷凝水去除器中注水，作为水封罐。
1.1.2 硫化氢的去除
　　城市污水产生的污泥中温消化产生的沼气中含有0.005～0.01％的H₂S，以粪便为原料消化产生的沼气中H₂S约占总体积的0.5～1.0％。一般沼气利用设备要求沼气中H₂S的含量低于0009％，所以，城市污水产生的污泥为原料产生的沼气利用时，可以不设脱硫装置，但是，以粪便为原料的消化沼气利用系统必须设置脱硫装置。
1.2 沼气安全利用
　　沼气净化后进入贮气柜，贮气柜对整个系统具有气量调蓄和稳压的作用。
1.2.1 火焰消除及爆炸防护
　　在贮气柜进口管线上设置了消焰器，此外，在所有沼气系统与外界连通部位（如：与真空压力安全阀、机械排气阀连接安装。）以及沼气压缩机、沼气锅炉、沼气发电机等设备的进出口处、废气燃烧器沼气管进口处都安装了消焰器。消焰器内部填充了金属填料，当火焰通过消焰器填料间缝隙时，热量被吸收，气体温度降低到燃点以下，达到消焰目的。沼气与空气一定的混合比和遭遇明火是沼气爆炸或燃烧两个条件。消焰器的设置有效地防止了外部火焰进入沼气系统及火焰在管路中传播，进而防止了系统产生爆炸。从消化池流出的沼气中常带有泡沫和浮渣等杂质，容易堵塞填料，阻碍气体通过，增加管路阻力。处理厂操作人员可以测量记录沼气通过不同部位消焰器的压力变化以确定检查清洗填料的周期，实际运行中经常会由于消焰器清洗不及时出现的系统压力波动和运行问题。设计时，在消焰器的前后一般设置阀门以便维护。 
1.2.2 沼气利用
　　净化后的沼气从贮气柜进入后续沼气利用系统，一般有三个分支：
　　（1）沼气搅拌系统
　　沼气由沼气压缩机送回消化池用以对消化污泥进行搅拌。
　　（2）沼气利用系统
　　沼气利用系统一般有：使用沼气锅炉直接为消化池或其他建筑物提供热能；使用沼气发电机发电提供电能处理厂内部使用，余热还可为消化池或其他建筑物提供热能；使用沼气发动机提供直接带动处理厂的某些设备，余热还可为消化池或其他建筑物提供热能；直接作为可燃气体供给。
　　（3）废气燃烧系统
　　当沼气利用设备不能完全消耗消化池产生的沼气时，为防止沼气量不断增加致使系统压力超出正常范围，多余的沼气将被废气燃烧器烧掉。 
1.2.3 压力安全防护装置 沼气利用系统是一个压力系统，如果沼气收集和使用不平衡，系统压力可能升高超过允许值；污泥或沼气从消化池或气柜过快地排出可能引起构筑物内部的真空状态；为防止系统超压或处于真空状态对构筑物和设备可能造成的破坏性影响，保证系统的操作压力，使沼气不会经常排放到空气中，在消化池和气柜顶部都设置了真空压力安全阀。
　　因为真空压力安全阀安装在沼气系统与外界大气连通的部位，需要与消焰器同安，以避免外部的火焰进入沼气系统。在真空压力安全阀和消焰器与消化池连接处设置了常开的阀门，便于检修设备。 
　　不同位置的压力安全阀的设定应在系统工作压力的基本值上根据各构筑物间的管路损失设定相应值。操作人员同样需要定期清理超压排气口和真空进气口的密封面。
　　在沼气压缩机和脱硫装置的人口处安装了负压防止阀，防止阀门前部系统沼气量不够的情况下，后部使用系统依然继续抽吸气体。

2 沼气系统压力的设计及构筑物、设备间的连锁控制

　　沼气系统的硬件实施完成后，接下来需要完成系统安全操作的软件部分，即系统整体压力的设定及各构筑物、设备之间的连锁控制。
2.1 系统工作压力的设定
　　整个沼气系统工作压力的设定需要综合考虑以下几个因素：
　　① 沼气系统保证在正压情况下运行。
　　② 贮气柜自重情况下的静压。
　　③ 计算出从消化池至贮气柜最终到沼气利用设备的管路损失，保证正常工况下，气体至沼气利用设备增压机或废气燃烧器人口处压力满足设备要求。
　　④ 消化池中气相压力尽可能低，使沼气能够最大量地从污泥中释放出来。
　　综合上面的限定可以得到消化池正常工作压力，系统中其余各点的压力根据不同的管路损失可以分别计算出。运行时，一般通过改变贮气柜顶部的配重来设定和调节消化池的工作压力 （即系统压力）。
2.2 构筑物及设备自身系统的压力保护
　　消化池、贮气柜、沼气压缩机及各种沼气利用设备在系统工作压力下正常运行，在此值的基础上压力会有波动，但各设备及构筑物自身系统的控制及安全装置保证了某一设备及构筑物处的压力变化不会影响整个系统。
　　① 沼气压缩机将沼气送入消化池进行污泥搅拌。沼气压缩机自身系统应具有保护功能。进气压力低到一定设定值时报警，继续降低时，停机；出气压力高过一定设定值时报警，继续升高时，停机。压缩机自身系统的这些设置可以避免在系统压力低于正常值时过分抽吸沼气造成负压，或使后部系统压力超过允许值。
　　② 沼气锅炉、沼气发电机、沼气发动机等设备进气端也有相同的保护设置。
　　③ 消化池、贮气柜顶部安装了真空压力安全阀，防止过高压力破坏构筑物的气密性及负压可能对结构造成的毁坏。
　　④ 高压系统中使用的球罐顶部同样需要安装过压排气阀。
2.3 系统中设备、构筑物之间的连锁控制
　　沼气系统中构筑物及设备之间有管线连通，使之不是彼此孤立而是可以连锁控制的。
　　低压系统的总气量体现在贮气柜高度值变化上，贮气柜对整个系统具有气量调蓄和稳压的作用，系统内部可以互相补气以平衡压力。同时，贮气柜的高度值被传送到中控室，既便于监视，又使系统中各设备开停可以根据贮气柜高度进行如下连锁控制：
　　① 贮气柜高度在总高度5％～90％之间为正常运行区域。
　　② 贮气柜高度低于5％时，停止沼气压缩机，停止沼气使用设备如锅炉、发电机、发动机。如果系统控制出现故障，压力降低到真空安全阀的设定值时，真空安全阀动作，防止负压可能对结构造成的毁坏。
　　③ 贮气柜高度高于90％时，启动废气燃烧器。由于废气燃烧器的使用，贮气柜高度将开始降低，当贮气柜高度低于90％（可根据工程具体情况设定）时，停止废气燃烧器。
　　④ 如果废气燃烧器出现故障，贮气柜高度继续升高到93％时，如果气柜顶部设有机械排气阀时，打开排气阀排气。即机械排气阀动作设定值可为贮气柜高度的93％。
　　⑤ 如果机械排气阀排气量不足，贮气柜高度机械升高至95％时，中控室显示信号报警。
　　⑥ 如贮气柜高度依然继续升高到顶点时，系统压力开始升高，到达压力安全阀的设定开启值时，消化池和贮气柜顶部的压力安全阀开启以保护构筑物免受毁坏。应该注意到压力安全阀的动作压力值必须低于贮气柜气密性保护的最高压力值。
　　沼气系统各构筑物和设备之间通过连锁控制，真正联合成一整体系统，更进一步确保了系统的正常运行。

参考文献
〔1〕《给水排水设计手册》第5册－城市排水，中国建筑工业出版社
〔2〕金儒霖主编，《污泥处置》，中国建筑工业出版社
〔3〕申丘澈，名取真合着，吴自迈译，《污水污泥处置》，中国建筑工业出版社
〔4〕杨振沂译，《厌气消化设备设计手册》，中国市政工程西南设计院，香港艺高工程有限公司