16、气体处理
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9 r6 q/ u$ {, B) F' k" B16.1 产气理论/ d" T, Y) R- F! S, F- |
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消化气，也称生物气，是厌轼消化最终阶段的产物，即微生物将有机酸和二氧化碳(CO2)转化为甲烧(CH4)和水。气体产量直接与消化的挥发性固体量相关。气体产率通常为0.75-l.lm3/去除kgVSS。进入消化池的挥发性团体总量减去消化污泥中的挥发性固体量即可得到消化过程去除的挥发性固体量。8 N% p E3 s& y* x) h
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正是由于消化气产量取决于消化过程所去除的挥发性固体量，故消化气产量可用来评估消化池的整体性能。应定期测定气体产量和挥发性固体去除最，获得以消耗挥发性固体量计的平均气体产率，分析消化过程的运行状态和效能。* c/ X) \' ^- h( Y# q9 s
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16.2 消化气特征, f" ~) L% ~ K2 |- x
0 g J( D6 T4 p1 E$ C庆氧消化过程产生的气体主要由甲烧(60-65%)和二氧化碳(35-40%)组成。甲烷决定了气体的热值，其物化性质见表。
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1 U+ }. z. O, B& P) ?. c1 ]! q消化气通常含有杂质，如泡沫、沉淀物、硫化氢(H2S)和硅氧烷，在消化池操作温度下亦含有饱和水分。
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消化气中的各种杂质如下：
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(1）二氧化碳8 l$ q' Y& g1 b5 w& H" v
; k, H2 i' I& K( n( f' ]消化气中二氧化碳的存在降低了消化气的内能和热值，但是通常不会采取从气体混合物中去除二氧化碳的方法来提高消化气热值。
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(2) 水分
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精化气中水分在系统管道中冷凝后与硫化氢结合形成硫酸，会加速止回阀、减压阀、气压计和调节阀的损坏。若不清除冷凝水，它可能会在管道低洼处阻塞消化气。若在燃烧前不除去消化气中的水分，将会减少用于加热系统的热量。高温消化产生的消化气中含有的水分比中温消化的高。
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& ]7 I, \6 Q5 w) H. a(3) 硫化氢
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硫化氢是一种活性很强的物质，与水结合形成硫酸洛液，对管道、贮气罐、气体使用设备等有很强的腐蚀性。若消化池中存在硫化氧，将大大缩短诸多消化气体系统组件的使用寿命。硫化氢也是一种危险性化合物，超过700ppm即为致死浓度。
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- q9 a' s" V9 y8 Y(4) 硅氧烷
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8 u. T3 s0 [& X9 w# V2 Q硅氧烷是一类含硅元素的挥发性有机物，广泛应用于商业、个人护理、工业、医药和食品行业中。污水中硅氧烷主要来源于个人护理产品，比如洗发水、护发素、化妆品、除臭剂、清洁剂和止汗剂等，这些物质在厌氧消化过程中以气体形式释放出来。硅氧烷在消化气设备中被氧化成细小粗糙的二氧化硅砂粒，这些在砂;粒聚积在活动部件或换热器表面，加速设备磨损，降低传热效率。* @ c9 q) [ L0 w
# W& W) a" d3 X$ L16.3 气体处理
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' J$ k0 t9 f8 N9 _消化气可用于满足污水处理厂的能量需求，是一种有价值的资源，但是使用前必须去除消化气中的杂质，否则将损坏以消化气为燃料的设备，并降低其使用寿命。因此，在消化气作为能源资源利用之前必须经过处理除去其中的硅氧烷、水分和沉积物，并降低硫化氢浓度。3 h1 c6 @" O% a: V5 G
8 j% H# F" G4 }; N(1）泡沫和沉淀物的去除7 i$ P9 a+ W8 p6 _
+ L ^$ p7 L, Y. G# Y) S: X8 E为净化消化气，许多庆氧消化系统都装有颗粒物捕集器和泡沫分离器，这些设备使气体管道局部扩大以降低气体流速，从而收集气体中的泡诛和颗粒物并排出廉集的冷凝物。; @! E: @+ Y; W. U4 S% k4 a
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如图所示，泡沫分离器是一个内置挡板的大容器，配备了喷嘴供连续喷射。负载泡沫和沉淀物的气体从分离器顶端附近进入，向下经过喷淋，穿过挡板并向上经过二次喷淋，从分离器的出口排出。喷淋和内部挡板减少了气体中的泡沫，防止气体利用设备中的水分含量过高。
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& [* {( P# P: Q- `' ]4 I(2)硫化氢的去除
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去除消化气中的硫化氢有几种方法，其中海绵铁处理法是便消化气通过海绵铁渗透层(以浸泡水中的铁刨花形式存在的水合氧化铁），当气体透过海绵铁层时，发生放热反应，使硫化氢转变成硫化铁和水。7 `0 Y8 J* ?* m3 ~) Q
6 d2 y! V6 o8 m A+ k1 b海绵铁可在更换前反复再生利用，测定处理后的消化气中硫化氢浓度决定是否对海绵铁进行再生或更换。用过的海绵铁通常含有硫化铁和刨花，不属于危险废弃物，可进行填埋处理。9 j. s+ R* F7 @: c8 W: E( [
+ u, U+ k7 K) q海绵铁的再生是一个高度放热反应，利用水和空气释放铁盐中的硫，改变水合氧化铁结构。若铁刨花没有浸泡在流动水浴中或控制不当，铁刨花可能过热并自燃。
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目前有几项去除硫化氢的专利技术，这些技术都是使消化气通过介质层，介质选择性地与硫化氢发生反应，如图。这些系统中采用的介质都是专有的、能自由流动的颗粒物，不能燃烧和再生。
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5 T" V1 E* a) h- c8 X7 F3 {往消化池注入氯化铁，其与硫反应生成不潜性硫化铁，可减少消化气中的硫化氢含量。也可在处理工艺中的以下位置投加铁盐：; |$ a" L# t$ s/ d; y$ C! w
. U1 b0 X2 @' m% i7 d# s1）初沉池(有助于沉淀和改善整体设备的臭味控制）；* L4 ~5 l4 B1 V3 j
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2)初沉池和/或进入消化池的剩余活性污泥；
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& X; f3 t& i9 x+ o" Z$ O2 K3)消化池污泥循环泵的抽吸口； i4 g/ r4 d5 z
9 R& {' H; I- f5 [& K4)机械搅拌器的进口。# I$ i2 Z8 Y o0 N3 a3 T( r
1 r# ]7 W; ~( Z6 c! K B不应在换热器之前直接投加铁盐，否则将导致蓝铁矿在换热器表面沉积。
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(3)水分的减少$ p& g4 f4 e8 s3 _& Y$ a; E
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消化气中的水分在冷却过程中会形成玲凝水，气体管路的最小坡度为1%，以便收集冷凝水。为了有效地去除水分，消化气在管内的流速应限制在3.7m/s以下，并与冷凝水流形成逆流。
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5 R! c7 t; Q0 b/ a. Z存水弯应位于长管的最低点，不论气体在哪里冷却，冷凝水皆在此被收集。滴水龙头可手动或自动控制，是一种去除累积冷凝水的简便相安全的方法。建议室内使用手动滴水免头，也可使用浮动式自动滴水龙头，但是需要经常进行检修，以保证阀门正常工作c若没有安装浮动杆，气体可能逸人大气中，从而限制其在室外装置的使用(并在地方法规和安全谊意事项允许的条件下）。
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0 k. T) C/ @ n$ H4 y+ V" q气体中的水分也可以通过冷冻式干燥机(如图)在冷却温度为4℃条件下去除。冷冻式干燥机通常由不锈钢或其他耐硫化氢腐蚀的材料制戚，在干燥前去除气体中的硫化氢可以大大减少腐蚀。冷冻式干燥机还能去除消化气中20%-40%的硅氧烷。* z! F6 E- b6 z8 e! n
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# J, B( \! A" G( _. R, B(4)二氧化碳的去除6 j5 w4 D' V+ z, O2 a
( l: m; `, L& }9 J1 r8 }+ Q8 @& u2 j( k消化气中的二氧化碳可以通过水洗或化学洗涤、碳分子筛或膜楼道去除，但是，这些技术费用昂贵，只有在将消化气净化到天然气质量以供销售时才可能具有经济效益。! c) T- x% G# n0 k; g/ [
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(5)硅氧烷的去除3 {. r6 I/ l% q4 v
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加热消化池(至35℃)可使污泥中的硅氧烷挥发，以气态形式存在。当其燃烧时，气态硅氧婉转化成细小的二氧化硅微粒，这些微粒很难被普通洗涤器、燃烧设备或燃烧室捕集。为了保护设备，消化气在进行燃烧前需通过气体干燥器或活性炭洗涤器以去除其中的硅氧烷。+ _2 w) m& h2 P. f* i2 j
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1）气体干燥器
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. N+ y3 ~# o% C5 W3 \. D% R硅氧烷是一种相对分子质量较大的挥发性化合物，它容易勃附在消化气流中的水蒸气中，故相当一部分的硅氧烷可以随着气体中的水分被干燥而去除。但是，要去除超过90%的硅氧烷，气体必须干燥到露点温度-29 - 23℃甚至更低，这取决于干燥过程中的温度传感器。干燥设备包括冷冻式干燥机，消化气通过其中时被冷却。气体干燥机一般都配有热回收系统，利用消化气释放的热量以提高其出口温度至露点以上。
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' i$ L' h5 z. j" I, }* g虽然气体干燥系统原理上相对较简单，但是设备运行至去除硅氧婉的操作温度时，易受大量成冰作用的影响，所以必须除去干燥过程中形成的冰，以保护管道避免爆裂和损害冷却系统。# D9 w4 Y1 K; X' t5 j% W
8 S% c! l2 ?( |: q: j! `2)活性炭洗涤器; U+ m( s& H6 ]$ I) q; y+ K! h" L" ^
% x2 F+ S( e- Y5 t" e, B8 J活性炭洗涤器用于去除消化气中砖氧饶，其操作运行原理与用于污水处理厂臭气控制的活性炭净化器相同。7 d$ y4 e8 B6 U
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如图，消化气通过充满活性炭的容器，在此捕获了消化气中的有机物，如硅氧烷、硫化氢和其他几种化合物。0 F% `" n4 T1 B' y4 Z' @
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对活性炭进行适当的维护和更换，净化后消化气中的硅氧烷浓度应低于检出限。然而，活性炭对硅氧烷不具有选择性，在除去硅氧烷的同时也会除去气体中的其他化合物。因此，若消化气体含有其他有机物，活性炭需要频繁更换。消化气通入活性炭洗涤器前应先去除其中的硫化氢，硅氧烷去除效果更佳，炭床使用寿命更长。, l R' u, Y2 E1 u+ D
! k% J7 E" m9 z5 K8 q16.4 气体压缩) t: t" m! G+ j5 ?5 Q% t
消化池出来的气体通常压力相对较低(一般在150-300mmH2O，高压消化池或高达470mmH2O），这种气体很难直接应用于一些燃烧设备中。而且对于装有气体棍合设备的消化池，提供的压力必须克服管道损失和消化液静压头。在这两种情况下，需要进行气体压缩或增加压力。
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. a/ f; o5 E s7 w2 s常用的气体压缩设备及其应用条件列于下表。
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* m7 h' m2 O N2 j16.5 气体贮存" D0 K, Y9 z$ {& A5 y6 U
2 E5 U$ E* ]( r' ^7 W3 |5 l% _以消化气作为燃料的设备通常需要稳定的气流。因此，如果设备应用消化气供水厂运行或发电的话，那么该设备还需要配备气体贮存装置，以减弱消化气产量的波动。& M) ~2 w. a {# s
/ V V; I# W- v; t% I5 l) }! `可利用的贮气柜有几种类型，贮存低压气体最常见的是浮动集气盖，盖子下的贮存容盘取决于盖子的有效垂直距离和消化池直径。消化气产生期间，其贮存时间一般仅限于1动。膜贮存也是在低压下运行，它可贮存相当于浮动集气盖两倍的气体量。膜贮存可以安装在消化池上同时作为消化池盖子和贮气柜，也可作为单独的构筑物安装在地面上，如图。5 {1 J; B2 V! B' n+ Q3 q
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# Q) s6 L" u @, k3 L; T球形贮气罐是独立的构筑物(如图)，可以有多种尺寸，所贮气体的压力为550-700kN/m2，可以容纳比其他贮气系统更多的气体贮盘，但是贮存前气体必须先进行压缩。球形贮气罐的能量利用前景可能会很大。# ?+ m1 Y, i+ n, u# `. N: C2 P9 W; C
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[报告]2021年世界水发展报告执行摘要 上篇![[前沿观察]污水处理工艺未来发展方向及其应用-上](data/attachment/block/7f/7f31da455fdf2228c21b386d55d29672.jpg)
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基于碳源捕获及碳源改向的污水处理能源自给
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专题：2021年度环保安全事故