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陳怡
（北京市市政工程設計研究總院，北京100082）
摘要：從工程設計角度對沼氣的不同利用方式、處理方法、安全保障措施等方面進行了論述和總結，提出了在沼氣系統設計中應把握的要點和注意的問題。
1污水處理廠污泥消化處理工藝介紹
污泥是城市污水處理過程中的副產品，隨著污水處理量的不斷增加、處理技術的不斷完善以及污水處理程度的不斷深化，尤其近年來除磷脫氮要求的增加，污泥的產量快速增長。由于污泥成分復雜、處理與處置難度大、費用高，我國許多污水處理廠的大量未經穩定處理的污泥沒有正常處理出路，污泥問題已成為影響城市環境衛生水平和限制經濟發展的環境問題之一。目前污泥處理常用的方法有濃縮、脫水、消化、干化、有效利用、衛生填埋及焚燒或土地利用，或采用幾個方法的組合處置。
污泥的厭氧消化是一項傳統而有效的污泥處理技術，能同時實現污泥減量化、穩定化、無害化和資源化的最終處理目標，一直成為城市污水處理廠首選的污泥處理工藝。
由于大型污水處理廠產生的污泥量多，污泥中的有機物未完全降解，直接采用濃縮脫水方法處理污泥，不僅脫水后的污泥很不穩定，而且對有機物降解過程中產生的沼氣未能充分予以利用，因此污泥處理工藝一般采用剩余污泥濃縮，然后與初沉污泥一起進行中溫厭氧消化，最后通過脫水機進行污泥脫水的工藝流程。污泥處理工藝流程見下圖1。
厭氧消化處理過程中產生大量的沼氣，其熱量可達5000～6000KJ/m3，可作為燃料（用于鍋爐，燃燒1m3沼氣可相當于1Kg煤），又可作為動力資源（1m3沼氣可發電1.25kW·h）。工程設計中多將沼氣用于發電或拖動鼓風機、燃燒廠區采暖鍋爐及污泥加熱熱水鍋爐等。
2沼氣特點
2.1組成
沼氣是一種混合氣體，主要成分是甲烷和二氧化碳。甲烷占55％～70％，二氧化碳占30％～40％，還有少量氫、一氧化碳、硫化氫、氧和氮等氣體。甲烷是可燃氣體，可做燃料。
2.2產生條件
沼氣是細菌在厭氧條件下分解有機物的一種產物。城市有機垃圾、污水處理廠的污泥、人畜糞便、作物秸稈、餐廚垃圾等，皆可做產生沼氣的原料。細菌分解有機物的過程，大體分為兩個階段：第一階段，將復雜的高分子有機物質轉化為低分子的有機物，例如乙酸、丙酸、丁酸等；第二階段，將第一階段的產物轉化為甲烷和二氧化碳。
在上述過程中，起發酵分解作用的是多種細菌共同作用的結果。為了使沼氣發酵持續進行，必須提供和保持沼氣發酵中各種微生物所需的生活條件。產生甲烷的細菌是厭氧的，少量的氧也會嚴重影響其生長繁殖。這就需要一個能隔絕氧的密閉消化池。溫度在厭氧消化過程中是一個重要因素，甲烷菌能在0～80℃的溫度范圍內生存，有分別適應
低溫（20℃）、中溫（30℃）、高溫（50℃）的各類細菌，最適宜的繁殖溫度分別為15℃、35℃、53℃左右。甲烷菌生長繁殖最適宜的pH約為7～7.5，超出此范圍，厭氧消化的效率就會降低。在厭氧消化過程中擔負廢棄物發酵作用的細菌，還需要氮、磷和其他營養物質。投入沼氣池的原料比例，大體上要按照碳氮比等于20∶1～25∶1。此外，還應控制影響沼氣發酵的有害物質濃度。
2.3沼氣的特性
（1）沼氣的組成影響著沼氣的特性，不同組分沼氣的特性略有不同，上表為甲烷含量為60％，二氧化碳含量40％時的沼氣特性參數。
（2）沼氣的燃點高，為650～700℃。
（3）沼氣具有較強的腐蝕性。硫化氫來源于發酵原料中的含硫化合物，是一種有毒氣體，燃燒后生成二氧化硫會污染大氣。同時硫化氫還會強烈腐蝕管路中的金屬部件。
（4）沼氣燃燒空氣混合比大，沼氣在燃燒時需要大量空氣，正常情況下，一份沼氣需要5.7倍的空氣。
（5）厭氧消化產生的沼氣含水量較多。
3系統設計
3.1系統組成
沼氣系統包括沼氣的收集、輸送、貯存、處理、利用以及系統壓力控制、安全保證等方面。
3.2沼氣收集
消化池在運行過程中不斷產生沼氣，沼氣從水中不斷上升，集聚在消化池頂部；由于消化池是密閉池體，氣體不能溢出池外，隨著氣體的不斷產生，壓力逐漸加大；同時消化池內污泥中的一些浮渣、浮泥等也隨著沼氣的產生積聚在消化池內的液面上；在消化池頂部設沼氣收集裝置，收集并輸送不斷產生的沼氣；收集裝置需有消除消化池內液面處泡沫、浮渣的功能，保證產生的沼氣中少含浮渣、浮泥，且含水量盡可能少。同時需在消化池頂部設壓力控制閥（真空壓力安全閥），以維持沼氣在輸送過程中所需的壓力。
3.3沼氣輸送
在消化池頂部設置壓力控制裝置，沼氣由輸送管線輸送出消化池。輸氣管需按日產氣量確定管徑，為減少管道水損，還需按照高峰產氣量核算。
沼氣輸送管最好設在室外或埋地，管道坡向與沼氣走向最好一致，坡度通常為5％。
沼氣輸送管管材可采用不銹鋼管或塑鋼復合管。近年來發現某些不銹鋼埋地管線也發生腐蝕現象，因此建議不銹鋼管埋地時外部最好考慮采取防腐措施。
3.4沼氣貯存（氣柜）
沼氣柜在系統中起平衡系統壓力的作用。當用氣量小于供氣量時，多于氣體進入沼氣柜；當氣柜充滿沼氣后，用氣量仍小于供氣量時，廢氣燃燒器再自動啟動，燃燒多于氣體。當系統用氣量大于供氣量時，沼氣柜中貯存的沼氣用作系統的補充氣量。同時沼氣柜在系統中還起到平衡沼氣壓力的作用。沼氣柜儲氣量為6～10h。
沼氣柜多為低壓或無壓氣柜，型式有濕式、干式等；近年來，干式雙膜氣柜在沼氣系統中也逐步得到應用。
濕式氣柜的氣體貯存在鋼質柜體內，柜體設有浮動頂蓋，頂蓋隨進氣流量變化而上下浮動；頂蓋與柜體之間用水封密封。由于氣體直接與鋼柜體接觸，長時間運行會有腐蝕現象，存在安全隱患。北方地區對冬季水封處的防凍問題要采取相應措施，需慎重選用。
干式氣柜外表為鋼結構的圓柱罐體，頂部可升降并裝備配重以控制氣柜壓力，其內是與沼氣接觸的特種薄膜，其材質為高質量聚酰胺，兩面涂塑料涂層；薄膜具有防漏、抗紫外線、防菌、不易燃等特點。
該薄膜下部與罐體固定，上部的頂端與圓柱罐的頂部固定，并可隨圓柱罐體頂部升降而上下移動。
干式雙膜氣柜由外層和內層兩層膜組成，外層膜為球形，內層膜與底膜圍成內腔儲存沼氣。兩層膜之間氣密，通過鼓風機將空氣送入兩層膜之間，使外層膜保持球體，同時在惡劣天氣條件下保護外層膜，并為內層膜內的沼氣提供壓力。膜材料為經特殊處理的高強度聚酯纖維，并具有防漏、抗紫外線、防菌、不易燃等特點。
所有氣柜均需設超壓/真空保護裝置；干式氣柜和雙膜氣柜還設有機械超壓保護裝置、真空安全裝置和水封超壓保護裝置，當氣體充滿或基本排出后，保護裝置能夠發出氣柜負荷信號并及時動作，對氣柜進行保護。
3.5沼氣處理
消化池產生的沼氣含水量很大，攜帶一些雜質，氣體中還存在大量硫化氫，硫化氫遇水溶解，形成酸性液體，對輸送管路系統及后續設備造成腐蝕。為減少其對管路及設備的損壞，需對沼氣進行除水、過濾、脫硫處理。
3.5.1除水
消化池內溫度較高，沼氣排出消化池后，沼氣管內外溫差較大，氣體中的水分很快就冷凝為水，聚集在沼氣管的底部，沼氣輸送系統中不斷有冷凝水從沼氣中分離出來。水量的不斷增加將減少輸氣管路的斷面，從而影響氣體的輸送。工程設計中在沼氣管路的低點處設置冷凝水罐，在沼氣進入鼓風機或發電機房、鍋爐房、脫硫系統、廢氣燃燒器前端的管路上均設置冷凝水罐，以收集并排除管路系統中的冷凝水；埋地沼氣管路上的冷凝水罐設在井中，井內有集水坑，采用潛水泵定期排除。
3.5.2過濾
粗過濾：消化池頂部有浮渣、浮泥，多少會隨沼氣的排出進入沼氣系統；為防止雜質在管路中沉積，盡量在距消化池較近處設沼氣過濾器以排除雜質。
該類過濾器可采用卵石或礫石等粗顆粒過濾材料，同時該過濾器要求具備收集冷凝水的功能。
細過濾：當沼氣進入沼氣利用設備前，為保證設備的穩定運行，需對其進一步進行過濾；此時多采用精細過濾器，過濾材料可為陶質等；同時該過濾器要求具備收集冷凝水的功能。
3.5.3脫硫
工程設計中可采用濕式脫硫、干式脫硫、生物脫硫等方式進行脫硫。脫硫后的沼氣再分別送至鼓風機房（或發動機房）、鍋爐房、沼氣柜及廢氣燃燒器。
濕式（堿洗）脫硫法是把碳酸鈉、氫氧化鈉或次氯酸鈉等的水溶液作為吸收液，與沼氣接觸，除去其中的硫化氫。濕式脫硫反應式如下所示：
沼氣從濕式脫硫塔底部進入，上部排出；而噴淋液則從脫硫塔頂部噴出，與沼氣逆向接觸并發生化學反應，將氣體中的硫化氫去除。噴淋塔底部設有化學藥劑水箱，水箱旁放置噴淋液提升泵，不斷將噴淋液抽送至脫硫塔頂部，實現噴淋液的循環使用；噴淋液不斷消耗，系統效率下降，通過監測pH值，自動補充新藥液，以維持噴淋液的除硫化氫能力。濕式脫硫可處理H2S濃度范圍從5％（50000ppm）到50ppm，去除率可達到90％以上。
干式脫硫是將脫硫劑裝填在反應塔內。沼氣和脫硫劑相接觸后除去其中的硫化氫。干式脫硫反應式如下所示：
含有硫化氫的沼氣進入干式脫硫塔下端，并且穿過脫硫填料層到達頂端，氣體中的硫化氫得以去除。運行過程中，反應器中發生反應的脫硫劑（Fe2O3）從反應器底端排出，在底部排放廢棄脫硫劑的同時，相同體積的新鮮脫硫劑從頂部填充到反應器中，從而保證脫硫填料的高度保持恒定，確保良好的脫硫效果。
干式脫硫過程中脫硫劑Fe2O3·H2O作為反應的催化劑，其表面不可避免地會被生成的硫磺覆蓋，阻止沼氣通過，當硫磺覆蓋達到總重的25％時，脫硫劑便失去活性而需要更換或再生。若沼氣中的硫化氫濃度過高，脫硫劑的人工更換變得十分頻繁。
一般情況下進入干式脫硫系統的初始硫化氫濃度不應高于1000mg/L；干式脫硫可以將硫化氫處理到20mg/L的濃度，是一種良好的精細脫硫方法。
生物脫硫是通過硫桿菌屬和絲硫菌屬在新陳代謝的過程中吸收硫元素進而達到脫硫的效果，CO2作為細菌新陳代謝的碳源。將一定量的空氣導入含有硫化氫的沼氣中，硫桿菌屬、絲硫菌屬從混合沼氣中吸收硫化氫，并將他們轉化為單質硫，進而轉化為硫酸。生成的硫酸在營養液的緩沖中和作用下，與營養液一起排出系統。生物脫硫化學反應式如下所示：
混合氣體通過生物脫硫塔以去除硫化氫。在塔體內部安裝填料層，它們為脫硫細菌新陳代謝提供充分的空間。營養液的循環使填料保持潮濕狀態，并且補充脫硫細菌生長繁殖所需的營養。一般情況下，營養液可采用液體有：消化后的污水；消化或脫水污泥的上清液；垃圾填埋滲瀝液；人造營養液。
生物脫硫所需要的控制因素有：反應溫度，pH（營養液），空氣量。
硫化氫去除的效率依賴于進入氣體中的硫化氫濃度，對于城市污水處理廠消化系統產生的沼氣，生物脫硫可以將硫化氫處理到50mg/L的濃度，一般處理效率可達90％。
近年來城市污水處理所產生的沼氣中硫化氫含量非常高，為保證脫硫效果，有時可采用兩種脫硫方式聯合使用的方式。如先對沼氣進行濕式脫硫，然后再進行干式脫硫。該方式使各脫硫工藝的優勢得到充分發揮。
3.6沼氣利用方式
污水處理廠污泥消化過程中產生的沼氣多用于沼氣發電或沼氣拖動鼓風機。為充分利用能源，通常首先考慮將沼氣發電或拖動鼓風機過程中產生的熱能用于消化污泥的加熱，如果未達到要求的污泥溫度時，再采用沼氣鍋爐對污泥進行補充加熱。還可以通過沼氣鍋爐對廠區建筑進行冬季供暖。
3.7壓力控制
沼氣的收集、輸送、處理、利用組成了沼氣系統，該系統需要在一定的壓力下進行有效運行，工程設計中多將該壓力值設定在3～6KPa。
壓力的控制通過設置在消化池頂部的壓力控制閥（真空壓力安全閥）實現，設定壓力控制閥的壓力以提供產氣源處的沼氣壓力，該壓力需保證沼氣順利輸送到各利用設備的前端。同時，系統中由于沼氣柜貯存了相當量的沼氣，在系統中發揮了壓力平衡作用，是保證系統壓力穩定的重要因素。
壓力控制閥的設置不但能提供給沼氣管路一定的輸送壓力，而且還能對消化池氣室壓力增高時進行壓力釋放以及壓力降低時的進行系統保護；當沼氣管路系統出現負壓時，該閥自動開啟，防止池內負壓現象的出現。壓力控制閥有機械式和水封式等，均需具備壓力設定和負壓安全的功能，機械式壓力控制閥與空氣相通處需配備阻燃器，水封式壓力控制閥由于水封具備阻火功能，故不需配置阻燃器。
由于沼氣系統的設定壓力較低，通常不能滿足沼氣利用設備進氣端的壓力要求，因此通常在沼氣利用設備的前端需設置增壓機，將沼氣壓力增加后送入設備中。
3.8安全保證
由于沼氣是易燃易爆氣體，因此沼氣系統的安全尤為重要，設計中需對該系統的安全距離、安全設施、安全措施等給予高度重視。
3.8.1安全距離
污泥消化系統中各建筑物、構筑物及設備（如沼氣柜、燃燒器）等的安全距離必須滿足《建筑設計防火規范》等相關規范的規定和要求。需明確爆炸性氣體環境危險區域，在設計電力裝置時應滿足《爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范》的規定和要求。
3.8.2安全設施
（1）消化池頂部氣相部分安裝真空壓力釋放閥，在沼氣收集裝置出氣口處安裝火焰阻燃器。
（2）沼氣柜上設置超壓保護裝置和真空保護裝置，在沼氣柜進、出氣管線上安裝火焰阻燃器。
（3）沼氣進入脫硫裝置前、后端均安裝火焰阻燃器。
（4）在廢氣燃燒器前端安裝火焰阻燃器。
（5）在沼氣進入發電機、拖動鼓風機、沼氣鍋爐等設備前端安裝火焰阻燃器。
（6）在安裝有沼氣應用設備（發電機、拖動鼓風機、沼氣鍋爐）、沼氣脫硫設備、沼氣過濾器、沼氣壓縮機、污泥泵、泥水熱交換器、污泥管道等的設備間內安裝硫化氫氣體監測報警裝置。
（7）所有污泥處理系統的設備間均需安裝通風機，以保證設備間的通風換氣。
（8）在沼氣系統區域（如沼氣柜、消化池等）的進口處，設置放電裝置。
（9）廢氣燃燒器周圍地面采用礫石鋪裝。
3.8.3安全措施
在沼氣區域各設備間門前張貼禁止有明火的標識。進入污泥處理區域不能攜帶火源（如火柴、打火機等）。
3.9沼氣燃燒
當沼氣系統產氣量大于用氣量，而沼氣柜也完全充滿時，系統對產生的沼氣無法收納，此時考慮將多余的沼氣燃燒，工程設計中多采用全自動點火燃燒器。
4系統設計中應注意的問題
（1）沼氣管路上的阻燃器有條件時可并聯安裝2套，互為備用，以便在清洗1套時，不影響沼氣管路的正常運行。
（2）整個污泥消化系統的污泥管路、沼氣管路上應多考慮跨越管，為實現靈活多種的運行提供便利。
（3）消化池排出用沼氣管最好有一定的坡度，坡向與流向最好一致，這樣將便于排出沼氣中的冷凝水，同時應盡可能近的在消化池附近安裝冷凝水罐（可與沼氣過濾器合并），以盡快排出沼氣系統中的冷凝水。
參考文獻
1張自杰，林茱沈，金儒霖.排水工程（下冊）.第四版.北京：中國建筑工業出版社，1999
2北京設計院給水排水設計手冊（第5冊）.北京：中國建筑工業出版社，2000
3金儒霖.污泥處置.北京：中國建筑工業出版社
4楊振沂譯.厭氣消化設備設計手冊，中國市政工程西南設計院，香港藝高工程有限公司 |
