村鎮(zhèn)生活污水凈化沼氣池設(shè)計圖例技術(shù)分析

1、2008年11月Transactions of the CSAE Nov.2008197村鎮(zhèn)生活污水凈化沼氣池設(shè)計圖例技術(shù)分析夏邦壽,胡啟春,宋立(農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所,成都610041摘要:通過調(diào)研,從四川、浙江和江蘇收集整理了一些具有代表性的生活污水凈化沼氣池設(shè)計圖例。該文就其中五個典型沼氣裝置的特點進(jìn)行了技術(shù)分析,以期為這一技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。中國這類沼氣池有共性的技術(shù)特點,即均采用二級厭氧消化加后處理措施(兼氧濾池的處理模式,但是各自在單元設(shè)計上存在差異。近期設(shè)計與早期設(shè)計相比較,采用合流型進(jìn)水方式較多,同時傾向于簡化處理單元?，F(xiàn)有部分裝置設(shè)計中參數(shù)選用隨意性較大,填料使用有問題,

2、這些都影響到裝置對生活污水處理的效果。關(guān)鍵詞:生活污水,凈化,設(shè)計,沼氣池,技術(shù)分析中圖分類號:X703.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1002-6819(2008-11-0197-05夏邦壽,胡啟春,宋立.村鎮(zhèn)生活污水凈化沼氣池設(shè)計圖例技術(shù)分析J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2008,24(11:197-201. Xia Bangshou,Hu Qichun,Song Li.Technical analysis of designs of biogas digesters for treating domestic sewage from rural areasJ.Transactions of the CS

3、AE,2008,24(11:197-201.(in Chinese with English abstract0引言從上世紀(jì)80年代開始,作為中小城鎮(zhèn)住宅和公廁的配套設(shè)施,生活污水凈化沼氣池在借鑒農(nóng)村沼氣池和傳統(tǒng)化糞池技術(shù)的基礎(chǔ)上首先在四川發(fā)展起來1,2。這種簡易的生活污水處理技術(shù)以其投資分散、不耗能源、運行費用低以及節(jié)約用地等優(yōu)點逐漸發(fā)展成為中國南方生活污水分散處理的主要技術(shù),已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,到2004年末3,中國的生活污水凈化沼氣池已經(jīng)達(dá)到137013處,總池容574萬m3。近年來生活污水厭氧消化分散處理技術(shù)在全球已經(jīng)有較快的發(fā)展,印度等國將其稱為DEWATS技術(shù)4,5。目前隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)

4、結(jié)構(gòu)的調(diào)整和發(fā)展,中國鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)發(fā)展很快,面對村鎮(zhèn)生活污水排放量不斷增加的趨勢,生活污水凈化沼氣池技術(shù)將有很好的發(fā)展應(yīng)用前景。然而,應(yīng)用中一些技術(shù)問題也比較突出,比如處理負(fù)荷低,出水不穩(wěn)定、運行效果易受季節(jié)氣候影響,出水水質(zhì)尚難達(dá)標(biāo),N、P去除效果差等6-8。如果不及時解決生活污水凈化沼氣池的技術(shù)瓶頸,提升其處理能力,這項技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用必然受到限制,后繼乏力。2006年以來,筆者在四川、浙江和江蘇等地進(jìn)行了較大規(guī)模的生活污水凈化沼氣池調(diào)研,走訪了20多個縣市的相關(guān)部門,實地考察了部分現(xiàn)場、收集了大量相關(guān)資料和設(shè)計圖紙,本文從全國收集到的近百份生活污收稿日期:2008-01-19修訂日期:2

5、008-09-02基金項目:2006農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定和修訂項目“生活污水凈化沼氣池標(biāo)準(zhǔn)圖集”作者簡介:夏邦壽(1981-,男,江西南昌人,主要從事污水生物處理工藝研究和環(huán)境評價。成都農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所,610041。通訊作者:胡啟春(1957-,男,四川宜賓人,副研究員,主要從事農(nóng)村能源與環(huán)境保護(hù)研究。成都農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所,610041。Email:qichun204 水凈化沼氣池設(shè)計中選出五種具代表性的設(shè)計圖例作技術(shù)分析,以期為這一技術(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。1代表性設(shè)計圖例及其主要參數(shù)1.1代表性設(shè)計圖例1991年四川省農(nóng)村能源辦公室等四家單位聯(lián)合編制的生活污水凈化沼氣池通用標(biāo)準(zhǔn)圖集(90S

6、S-1,是中國最早的一套生活污水凈化沼氣池設(shè)計圖集,包括條型,矩型和圓型三個系列10種規(guī)格。其中8種池采用分流型進(jìn)水工藝,2種規(guī)格較小的池為合流型進(jìn)水工藝。圖1所示為條型A100型凈化沼氣池,總有效容積100m3,為隧道式分隔池,采用分流型工藝。前處理區(qū)包括沉淀區(qū)和厭氧消化區(qū)。厭氧消化區(qū)又分為厭氧I區(qū)和區(qū)兩個單元,厭氧區(qū)內(nèi)設(shè)有軟填料。該圖集于2003年9月正式在浙江省范圍內(nèi)實施,包括20、30、50、80和100m3等五種規(guī)格,同時適用于分流型和合流型工藝。按每人每天排放污水量150L進(jìn)行設(shè)計,污水總水力停留時間為3d。圖2所示是有效容積50m3裝置示意圖9,為圓拱池與矩形池相聯(lián)接的串聯(lián)池,沉

7、砂池底部有10%坡度,厭氧區(qū)預(yù)留有其他污水進(jìn)水孔。厭氧區(qū)內(nèi)裝有DTL-150軟填料。值得一提的是,在后處理區(qū)側(cè)墻上設(shè)有拔風(fēng)管,能夠與出水區(qū)上部蓋板的小孔形成空氣對流。該圖集與浙江池類似,于2004年編制完成。圖3所示為有效容積17m3裝置示意圖10。厭氧區(qū)為兩個圓柱形池,在厭氧區(qū)設(shè)有一折墻。后處理區(qū)為矩形兼氧生物濾池,分成四格,池中填料選用不同級配的石灰石碎石,粒徑為540mm,填料層厚度約500mm。結(jié)構(gòu)上兩個厭氧池以及矩形兼氧生物濾池都獨立,通過PVC管連接,198農(nóng)業(yè)工程學(xué)報2008年這樣有助于避免地基不均勻沉降。 圖1四川省生活污水凈化沼氣池通用標(biāo)準(zhǔn)圖集工藝示意圖(90SS-1-A10

8、0Fig.1Sketch of Sichuan sewage purification biogasdigester 圖2浙江省生活污水凈化沼氣池通用圖集工藝示意圖Fig.2Sketch of Zhejiang sewage purification biogasdigester 圖3江蘇省生活污水凈化沼氣池圖集工藝示意圖Fig.3Sketch of Jiangsu sewage purification biogas digester圖4為圓拱形串聯(lián)池,是四川樂山地區(qū)的代表池型。 圖4樂山徐家碥小學(xué)凈化沼氣池工藝示意圖Fig 4Sketch of Leshan sewage purifica

9、tion biogasdigester厭氧區(qū)內(nèi)設(shè)有同心圓回流墻和折流墻,污水直接流入同心圓小池內(nèi),在小池內(nèi)折墻作用下呈“S”形流動,從小池另一端流入兩同心墻之間,循環(huán)流動一周后從管口流出,延長了污水的停留時間,避免了短流。厭氧區(qū)分布有呈三角形的折流墻,污水流入后經(jīng)折流墻分開后又匯聚在出管流出,污水經(jīng)過了“合分合”的過程,混合充分。同時,該池進(jìn)料間設(shè)在沼氣池拱弧之上,側(cè)墻范圍之內(nèi),有效節(jié)約了占地面積。圖5是隧道式分隔池,整個處理系統(tǒng)處于厭氧狀態(tài),安置有軟填料的厭氧II 區(qū)所占容積比例很大,后處理區(qū)僅為一設(shè)置有過濾板的出水間。厭氧I 級區(qū)進(jìn)料管成45°向下,出料管成45°向上設(shè)

10、置,進(jìn)料液可以沖擊底層沉淀污泥,污泥不易沉積,混合充分。同時出料間底部開有方孔,方便清理沉渣。第11期夏邦壽等:村鎮(zhèn)生活污水凈化沼氣池設(shè)計圖例技術(shù)分析199 圖5溫江區(qū)美麗華商住樓凈化沼氣池工藝示意圖Fig 5Sketch of Wenjiang sewage purification biogas digester1.2處理單元分區(qū)和主要參數(shù)在20世紀(jì)80年代早期研究中將生活污水凈化沼氣池稱為沼氣化糞池1,即從傳統(tǒng)化糞池演變而來。裝置由前處理區(qū)和后處理區(qū)兩個部分組成,其中前處理區(qū)由沉砂池、兩級厭氧消化池組成;后處理區(qū)由多級兼氧過濾池組成。這一基本結(jié)構(gòu)延用至今。依進(jìn)水方式不同,凈化沼氣池池型布

11、置通常分為合流型和分流型兩種工藝流程。合流型是指糞便污水和其他生活污水通過同一進(jìn)水管流入池內(nèi)。分流型即糞便污水與其他生活污水分別排出,通過兩個獨立管道分別流入凈化沼氣池。目前的生活污水凈化沼氣池主要由幾個處理單元組成,分別是:沉砂井、沉淀區(qū)、厭氧區(qū)、厭氧區(qū)、后處理區(qū)。沉淀池主要截除和沉淀難降解的有機生活垃圾、較大固體顆粒等;厭氧區(qū)主要是厭氧消化有機物;厭氧區(qū)內(nèi)一般設(shè)有軟填料用作微生物載體,截除更多污泥,進(jìn)一步降解有機物;后處理區(qū)一般設(shè)置有填料及濾料,發(fā)揮兼性過濾作用,有利于降低出水中SS 濃度,凈化水質(zhì)。筆者對所選五種代表池進(jìn)行了分析總結(jié),對處理單元比例進(jìn)行了計算,其結(jié)果如表1所示。表1五個典

12、型設(shè)計圖例主要參數(shù)Table 1Main parameters of five representative digestersdesign處理單元所占容積比例/%編號水力滯留時間/h 處理工藝有效容積/m 3沉砂池沉淀區(qū)厭氧區(qū)厭氧區(qū)后處理區(qū)圖172分流100無10.296合流60無56.212.52分析與討論2.1進(jìn)水方式和池型結(jié)構(gòu)選擇如果采用分流型工藝,因延長了糞便在池內(nèi)的水力滯留時間,故處理效果優(yōu)于合流型的處理效果。但是實際情況是,目前實施的大多數(shù)生活污水凈化沼氣池都采用合流型工藝,因為這樣投資較省。根據(jù)國家鼓勵村鎮(zhèn)污水處理采用源頭控制技術(shù),采用黑水、灰水分離原則,分流型工藝將更符合發(fā)展

13、要求。生活污水凈化沼氣池池型結(jié)構(gòu)主要包括隧道池和圓拱形串聯(lián)池兩類。圓拱形串聯(lián)池主要特點為力學(xué)結(jié)構(gòu)性能好,整體上較牢固,易密封;隧道式解決了因有重車荷載又無條件設(shè)計圓拱形的較窄地形,同時對抗高地下水位浮力具有較好的力學(xué)性能。圖1和圖5池采用的是矩形結(jié)構(gòu),水流在池內(nèi)呈穩(wěn)態(tài)推流流動,建造相對簡單。圖2、圖3和圖4池的厭氧消化單元為拱形池,力學(xué)結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定,但是,容易出現(xiàn)短流、死角現(xiàn)象,不利于料液的循環(huán)流動。污水在池內(nèi)流程越長,有機物與微生物接觸更充分,降解更徹底。圖4池在厭氧池內(nèi)設(shè)有同心圓回流墻及折流墻,延長了污水的滯留時間,在一個池內(nèi)實現(xiàn)了污水的循環(huán)流動,處理效果得到提高。生活污水凈化沼氣池進(jìn)出水口

14、需要存在一定的標(biāo)高差,才能彌補水頭損失,保證水能夠順利流出。在所選的五個沼氣池中,進(jìn)出水口標(biāo)高差相差較大,高的為35cm ,低的只有10cm 。標(biāo)高差太小將不利于水排出,甚至可能出現(xiàn)倒流現(xiàn)象。2.2處理單元分區(qū)和容積對污水凈化效果的影響根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析,四川池(圖1的前后處理區(qū)池容的比例為7.52.5;浙江池(圖2的比例為21;江蘇池(圖3的比例為73。樂山池(圖4和溫江池(圖5中前處理區(qū)容積比例很高,幾乎占90%,而后處理區(qū)越來越簡化,這代表了當(dāng)?shù)氐膽?yīng)用現(xiàn)狀。圖5池強化了厭氧區(qū)作用(裝有軟填料,突出了軟填料截留污泥及微生物吸附作用,這更有利于可溶性有機物的降解,但在一定程度上弱化了后處理區(qū),

15、還可能不利于氮磷去除。本文作者之一曾經(jīng)試驗分析過生活污水凈化沼氣池各處理單元對于COD 去除的貢獻(xiàn),發(fā)現(xiàn)90%的COD 去除是在沉淀區(qū)和厭氧區(qū)中完成,而占總體積48%的兼氧過濾區(qū)僅僅去除了10%COD 11。2.3后處理區(qū)兼性濾池如何通風(fēng)要充分發(fā)揮兼性濾池的作用,改善空氣流通條件尤為重要。圖2池的做法是在后處理單元區(qū)側(cè)墻上設(shè)有拔風(fēng)管,與設(shè)在兼性生物濾池出水口蓋板處的小孔形成空氣對流,增強兼性濾池的作用,以保證后處理出水的處理效果。這種拔風(fēng)管的設(shè)置與國標(biāo)化糞池中通氣管的設(shè)置相似12。在實際應(yīng)用中有一些有效的改進(jìn)辦法:如在多級濾池的各級過水孔處,過水面設(shè)置滴水線,自然形成曝氣充氧過程,這在一定程度

16、上能夠改善池中的充氧效果13。200農(nóng)業(yè)工程學(xué)報2008年2.4填料問題生活污水凈化沼氣池中的填料應(yīng)能截留更多的污泥,有效發(fā)揮生物膜降解有機物的作用。從圖1池到圖5池所使用的填料上看,近十幾年來沒有太大變化。軟填料多數(shù)采用維尼綸(聚乙烯醇縮甲醛、絳綸(聚對苯二甲酸乙二醇等材料,這些填料具有耐腐蝕、耐生物降解及價格低廉等優(yōu)點,但是,使用一段時間后容易起球結(jié)團(tuán)從而使得處理效率大為降低14。而效果較好的半軟性填料、YDT彈性波紋立體填料卻因價格高而在應(yīng)用上受到限制。硬填料主要使用粹石、卵石、粗砂、焦碳及陶瓷,部分池還仍然在使用聚氨酯泡沫濾板。在實際應(yīng)用中,聚氨酯泡沫濾板使用一段時間后會出現(xiàn)斷裂,影響

17、處理效果。目前中國正在研究和開發(fā)多孔球形懸浮填料等新型填料,這類合成填料具有比表面積較大、使用壽命長、安裝簡便、掛膜容易、性價比高等優(yōu)點,在示范應(yīng)用中效果突出,而且能夠大大減少剩余污泥量15。有研究表明,在凈化沼氣裝置的厭氧區(qū)內(nèi)采用人造固定空心球狀填料,在水力滯留時間2d條件下,出水達(dá)到國家生活污水排放一級標(biāo)準(zhǔn)16。2.5出水排放達(dá)標(biāo)問題浙江和江蘇生活污水凈化沼氣池提出的出水排放標(biāo)準(zhǔn)為處理后的出水達(dá)到國家糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB7959-1997和污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB8978-1996二級(含以上,即在主要指標(biāo)中,COD值需低于120mg/L,糞大腸菌值需大于10-4。四川省制定了地方標(biāo)準(zhǔn)城

18、鎮(zhèn)凈化沼氣池生活污水排放衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(DB51/136-1992,COD值低于或等于200mg/L即達(dá)一級標(biāo)準(zhǔn)。推廣應(yīng)用中,對于生活污水凈化沼氣池是否能夠按設(shè)計要求達(dá)標(biāo)排放的問題,歷來有所爭議,各種調(diào)研和實驗報告結(jié)論也有差別4-6,11。這種生活污水處理裝置是否能夠達(dá)標(biāo)排放影響因素很多,與設(shè)計、施工、管理和使用年限等因素都有關(guān)聯(lián)。3結(jié)論1所選擇的五種生活污水凈化沼氣池具有這類污水處理裝置共性的技術(shù)特點,即均采用二級厭氧消化加后處理措施(兼氧濾池的處理模式,但是各自在處理單元設(shè)計上存在差異。已建工程中近期設(shè)計與早期設(shè)計相比較,采用合流型進(jìn)水方式較多同時傾向于簡化處理單元。與分流型進(jìn)水方式相比較,合流

19、型投資較省,但是可能影響整體污水處理效果。2目前的裝置和技術(shù)還存在一些問題?，F(xiàn)有部分裝置設(shè)計中參數(shù)選用隨意性較大,工程設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化程度還不高,迫切需要開展設(shè)計優(yōu)化工作和針對性的實驗研究。3在厭氧II區(qū)和兼氧濾池都需要放置各種填料,以滯留活性微生物污泥,是關(guān)鍵的技術(shù)手段之一。現(xiàn)有填料使用問題較多,影響到裝置的污水處理效果,因此填料研發(fā)應(yīng)該成為今后創(chuàng)新的重點。目前全國生活污水凈化沼氣池的數(shù)量已達(dá)到相當(dāng)規(guī)模,尤其是以四川、浙江和江蘇等南方省份發(fā)展較快。經(jīng)過二十多年的發(fā)展,該技術(shù)正在走向成熟,無論是理論還是實踐都積累了大量的經(jīng)驗和成果,通過及時總結(jié)經(jīng)驗,加強技術(shù)創(chuàng)新和標(biāo)準(zhǔn)化工作將進(jìn)一步促進(jìn)這項技術(shù)的推

20、廣應(yīng)用。致謝:本文成稿過程中得到四川省、浙江省和江蘇省等相關(guān)農(nóng)村能源辦公室的大力幫助,在此表示感謝。參考文獻(xiàn)1陳其蜀,賴躍富,趙萍.修建沼氣化糞池是處理城鎮(zhèn)生活污水的一條可取途徑J.中國給水排水,1989,(1:60 -61.2趙錫惠,曾華梁,田洪春,等.六類建造物凈化沼氣池設(shè)計和衛(wèi)生效果研究報告J.中國沼氣,1996,14(2:25 -28.3屠運璋,屠家寶,許諺.沼氣行業(yè)2004年度發(fā)展報告J.中國沼氣,2005,23(增刊:1-6.4Lettinga G.With anaerobic treatment approach towards amore sustainable and rob

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24、s Research Institute of the Ministry of Agriculture,Chengdu610041,ChinaAbstract:Through investigation in Sichuan,Zhejiang and Jiangsu Provinces,some designs of the biogas digesters for treating sewage from rural areas were collected.Among these digesters,the technical characteristics of five represe

25、ntative types were analyzed,in order to advance the technology.There were some common characteristics in the designs of the biogas plants;those were the processes of two stage anaerobic digestion plus multi-filters under alternative oxidation.But some differences in the designs of treatment units were also presented.As compared with early designs, new designs of the digesters too