UASB方法计算.docx

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UASB方法计算

二、处理前污水水质参数

Q=2000m3/d=83.3m3/h,COD=1500mg/L,BOD=350mg/L

三、单体构筑物的设计计算

1、集水井

1.1设计原因

用于收集厂区来水，并提供潜水泵安装平台，钢砼结构。

1.2设计参数

废水停留时间：

25min

安装水泵2台（一用一备）

水泵流量85m3/h，扬程12.0m，功率5.5kW

1.3工艺尺寸

L×B×H=3.8m×3m×3.8m，水泵安装有液位控制器自动控制，以简化人工操作。

见图3-1。

3m3.8m

3.8m3.8m

图3-1集水井的俯视图和侧视图

2、均衡池

2.1设计原因

由于车间不同污水性质、流量不同，所以车间污水水质、水量不均匀性很大。

均衡池设有酸、碱及营养盐投加泵和其它自控仪器及测控探头（施昌平等，2009），用于调节污水水质。

均衡池的目的是使水质和水量保持相对的稳定，有利于后续处理单元的有效运行。

同时均衡池中的搅拌器有利于水质保持稳定。

如图3-2

10m

5.5m

10m10m

图3-2均衡池俯视图和侧视图

2.2设计参数

废水停留时间：

HRT=6h；

2.3工艺尺寸

2.3.1均衡池尺寸

均衡池有效容积W=QT/60n

式中W——有效容积（m3）；

Q——处理水量（m3/h）；

T——混合时间（min）；

n——池数（n=1）。

设计中取Q=85m3/h，T=6h=360min；n=1

W=85m3/h×360min/60=510m3。

则均衡池钢砼结构，尺寸L×B×H=10.0m×10.0m×5．5m，

2.3.2搅拌装置（杜茂安等，2006）

①搅拌器外缘速度：

v=3.0m/s（一般采用1.5~3.0m/s，设计中取3.0m/s）

②搅拌器直径：

D。

=（2/3）·10=6.67m设计中取6.67m

③搅拌器宽度：

B=0.1·10=1m

④搅拌器层数：

H：

D=5.5/10=0.55≤1.2~1.3，设计中取一层

⑤搅拌器页数：

Z=8

⑥搅拌器距池底高度：

0.5D。

=3.34m

⑦搅拌器转速：

n。

=60v/πD。

=60·3.0/（3.14·6.67）=8.59r/min

式中：

n。

——搅拌器转速（r/min）；

v——搅拌器外缘速度（m/s）；

D。

——搅拌器直径（m）。

（由①、②得v、D。

值）

搅拌器角速度：

ω=2v/D。

=2·3/6.67=0.90rad/s

⑧轴功率：

N2=cρω3ZBR4/（408g）

N2——轴功率（kW）；

c——阻力系数，0.2~0.5；

ρ——水的密度（kg/m3）；

ω——搅拌器角速度（rad/s）；

Z——搅拌器页数；

B——搅拌器层数；

R——搅拌器半径；

g——重力加速度（m/s2）。

设计中取c=0.5，Z=8，B=1层，R=3.34m。

N2=0.5·1000·0.903·8·1·3.344/（408·9.81）=90.67kW

⑨所需轴功率:

N1=μWG2/102

式中：

N1——所需周光功率（kW）；

μ——水的动力黏度（Pa·s）；

W——混合池容积（m3）；

G——速度梯度（s-1），一般采用500~1000s-1。

设计中G=500s-1

N1=1.029×10-4×550×5002/102=139.74kW

N1>N2,不能满足要求，所以需要调整，将搅拌器层数B改为B=2，

则N2=0.5·1000·0.903·8·2·3.344/（408·9.81）=181.34kW>N1,可行。

⑩电动机功率：

N3=N2/Σηn

式中：

N3——电动机功率（kW）；

N2——设计轴功率（kW）；

Σηn——传动机械效率；设计中取Σηn=0.85；

N3=181.34/0.85=213.34kW。

3、UASB反应器

3.1UASB反应器的组成

UASB反应器由反应区、进出水管道和位于上部的三相分离器组成。

如图3-3所示。

以上部件通过钢筋混凝土、钢材、塑料等材料建造，反应器的下部具有良好凝聚和沉淀性能的高质量分数厌氧污泥形成污泥床。

图3-3UASB反应器

3.2UASB反应器工作原理

UASB是为解决厌氧反应器中微生物浓度问题而开发的一种新型反应器。

在UASB反应器中，废水均匀地引入反应器的底部，污水自下而上通过污泥床，废水与污泥颗粒的接触过程中发生厌氧反应，产生的沼气引起反应器内部的循环，利于颗粒污泥的形成与维持。

在污泥层产生的一些气体附着在污泥颗粒上并向反应器顶部上升。

上升到表面的污泥碰击三相分离器气体反射板的底部，引起附着气泡的污泥絮体脱气。

释放气泡后的污泥颗粒将沉淀到污泥床的表面，气体则被收集到反应器顶部的三相分离器集气室。

置于集气室单元缝隙下的挡板的作用是气体反射器和防止沼气气泡进入沉淀区，否则将引起反应器内沉淀区的紊动，阻碍颗粒沉淀。

包含一些剩余固体和泥颗粒的液体则在经过分离器缝隙后进入沉淀区。

3.3参数选取

参数：

取值：

COD（mg/L）

进水1500，出水400

反应温度/℃

25

反应区有效深度h1/m

5.0

空塔水流速度u/（m/h）

≤1.0m/h

空塔沼气上升速度ug/（m/h）

≤1.0m/h

污泥层高度/m

2.5—3.5

沼气产率/（m3/kgCOD（去除））

0.4

污泥产率/（kgTSS/kgCOD（去除））

0.07

3.4工艺尺寸

Q=2000m3/d=83.33m3/h，设UASB有机COD负荷为4kg/（m3·d）

3.4.1UASB反应器的有效容积V有效计算

V有效=Q×（Co-Ce）/Nv=2000×（1500-400）×10-3/4=550（m3）

式中Q---设计处理量，2000m3/d；

Co，Ce---进出水COD的浓度，mg/l；

Nv---COD容积负荷，4kgCOD/（m3·d）。

3.4.2UASB反应器的形状及尺寸的确定

污水上升流速一般为0.6-0.9m/h，取0.8m/h。

则表面积A=Q/V=83.33/0.8=104.16m2,取110m2.

有效高度h1=550/110=5m

拟建4个相同的池子（便于管理与维护），单池面积f=110/4=27.5m2

设L：

B≈1：

1（长宽比一般取1：

1—4：

1），计算得L=5.5m，B=5m

合理性验证：

空塔水流速度u=Q/F=83.33/（5.5×5×4）=0.76（m/h）<1.0（m/h），合理。

反应器尺寸为：

4×（5.5×5×5）

3.4.3水力停留时间（HRT）和水力负荷率（Vr）

HRT=（550/2000）×24=6.6h（取7h）

Vr=Q/A=2000/（24×110）=0.76m3/（m2·h）

对于颗粒污泥，水力负荷Vr=0.1~0.9m3/（m2·h），符合要求。

3.4.4进水分配系统的设计

（1）布水点的设置由于所取容积负荷为4.0kgCOD/m3/d，所以每个点的布水负荷面积大于2m2；本设计池中共设置40个布水点，则每个点的负荷面积为：

Si=S/n=110/40=2.75m2＞2m2，符合要求。

（2）配水系统形式本设计采用U形穿孔管配水，一管多孔式为配水均匀，配水管中心距可采用1.0-2.0m，出水孔孔距也可采用1.0-2.0m，孔径一般为10-20mm，常采用15mm，孔口向下或与垂线呈45°方向，每个出水孔的服务面积一般为2-4m2。

配水管中心距池底一般为20-25cm，配水管的直径最好不小于100mm。

为了是穿孔管各孔出水均匀，要求出口流速不小于2m/s。

本设计中进水总管管径取150mm，流速约为1.2m/s。

单个反应器中设4根直径为75mm的支管，每两根之间的中心距为1.25m，每根管上有3个配水孔，孔距为1.6m，每个孔的服务面积1.6×1.25=2m2，孔口向下。

共设40个布水孔，出水流速u选为2.0m/s，

则孔径为：

d=（4Q/3600nπu）1/2=[4×83.33/（3600×40×3.14×2.0）]1/2=0.019m

本装置采用连续进料方式，布水孔孔口向下，有利于避免管口堵塞，而且由于UASB反应器底部反射散布作用，有利于布水均匀。

为了增强污泥和废水之间的接触，减少底部进水管的堵塞，设计中布水管离UASB反应器底部200mm。

（3）上升水流速度和气流速度

本次设计中常温下容积负荷Nv=4.0kgCOD/m3/d，沼气产率r=0.4m3/kgCOD，采用厌氧消化污泥接种，空塔水流速度uk≤1.0m/h；空塔沼气上升速度ug≤1.0m/h。

空塔水流速度uk=Q/S=83.33/110=0.76m/h≤1.0m/h（符合要求）

空塔气流速度ug=Q△Coηr/S=（83.33×1.5×0.8×0.4）/110=0.36m/h≤1.0m/h（符合要求）

式中η---COD的去除率，去80%。

r---沼气产率，0.4m3/kgCOD

△Co---COD的去除量：

△Co=1.5×0.8=1.2kg/m3

（4）布水器配水压力计算

H4=h1+h2+h3，其中布水器配水压力其中布水器配水压力最大淹没水深h1=4.0mH2O；UASB反应器水头损失h2=1.0mH2O；布水器布水所需自由水头h3=2.5mH2O，则H4=7.5mH2O。

四格反应器呈田字形布置，设进水管2根，由2个潜污管。

3.4.5三相分离器的设计

三相分离器有气液分离、固液分离和污泥回流等3个功能，其组成分为气封、沉淀区和回流缝3个部分。

三相分离器设计的主要要点如下（黄晓东等，1997）：

①器壁与水平面的夹角应在45～60°之间。

②气体分离器之间间隙面的面积与反应器总表面积之比应不小于15%~20％。

③气体分离器的高应在1.5～2m之间。

④为了防止上升的气泡进入沉淀区，设在气体分离器下部的折射板与之重叠部分应在10~20之间。

⑤气体出口管的直径应足够大，以保证气体能顺利逸出，在可能出现泡沫的情况下更应该如此。

⑥若待处理污水起泡问题比较严重，则应在气体收集罩顶部设置除泡沫喷嘴。

（1）沉淀区的设计

与短边平行，沿长边布置3个集气罩，构成2个分离单元，则一共设置8个三相分离器。

三相分离器单元结构示意图如下：

5.5m

三相分离器的长度为B=5.5m，每个单元宽度为5.5/2=2.75m，其中沉淀区长B1=5m（即UASB池形的设计宽度），宽度b=1.75m，集气罩顶宽度a=0.5m，沉淀室底部进水口宽度b1=1m。

沉淀区面积S1=nB1b=8×5×1.75=70m2

沉淀区表面负荷q=Q/S1=65/70=0.93m3/m2h<1.0m3/m2h（符合要求）。

沉淀室进水口面积S2=nBb1=4×2×5×1=40m2

沉淀室进水口水流上升速度v2=Q/S2=65/40=1.625m3/m2h<2.0m3/m2h（符合要求）

（2）沉淀区斜壁角度与深度设计

三相分离器沉淀区斜壁倾斜角度应在45°-60°之间；超高h1=0.5m；集气罩顶以上的覆盖水深h2=0.5m；沉淀区斜面的高度h3=0.6m。

则倾角α=arctan〔h3/0.5（b-b1）〕=arctan〔0.6/0.5（1.75-1）〕=57.99°（符合要求）。

（3）气液分离设计

如图所示：

设倾角β=60°，Υ=70°，b2=0.6m，分隔板下端距反射锥的垂直距离MN=0.35m，则缝隙宽度l1=MNsinβ=0.35×sin60°=0.3m。

废水流量为2000m3/d，根据资料设有0.7Q=1400m3/d的废水通过进水缝进

入沉淀区，另外0.3Q=600m3/d的废水通过回流缝进入沉淀区，则

νM=0.3Q/24nl1B=600/（24×8×0.3×5）=2.08m/h

MC=b2/2sinβ=0.6/2sinβ=0.346m

设BC=0.5m，则MB=BC-MC=0.5-0.346=0.154m

AB=2BCcos30°=2×0.5×cos30°=0.866m

BD=AD=AB/2cos20°=0.866/2cos20°=0.461m

CD=BCsin30°+BDsin20°=0.5sin30°+0.461sin20°=0.408m

则h5=CD+MN-MCcosβ=0.408+0.225-0.346cos60°=0.46m

条件校核：

设能分离气泡的最小直径为dg=0.01cm，常温下清水运动黏滞系数r=1.01×10-2cm2/s，废水密度ρl=1.03g/cm3，气体密度ρg=1.2×10-3g/cm3，气泡碰撞系数β=0.95，则

有斯托克斯公式：

νN=βg（ρ1-ρg）dg2/18μ可以求得气泡上升速度为：

νN=0.95×981×（1.03-1.2×10-3）×0.012/18×2.0×10-2=0.266cm/s=9.58m/h

验证：

νN/νM=9.58/1.875=5.1

MN/MB=0.225/0.154=1.46

可见νN/νM>MN/MB合理。

所以，该三相分离器可dg≥0.01cm的沼气泡，分离效果良好。

（4）分隔板的设计

从图中可以看出b2=0.6m，b3=0.5（b-b2）=0.5（1.75-0.6）=0.575m

上面已经计算出，气体因受浮力的作用，气泡上升速度在进水缝中

νN=9.58m/h，沿进水缝向上的速度分量为νNsinα=9.58×sin58°=8.12m/h，则进水缝中水流速度应该满足ν<8.12m/h,否则水流把气泡带进沉淀区。

假设水流速度ν刚好等于8.12m/h，前面计算中已经设有1400m3/d废水

通过进水缝进入沉淀区，则三相分离器的进水缝纵截面总面积为：

S进水缝=Q进水缝/ν=1400/24×8.12=7.18m2

总共有8组（16条）进水缝，每条进水缝纵截面积

S进水缝′=7.18/16=0.45m2

进水缝宽度ι2=S进水缝′/5=0.09m，应满足ι2与ι1级数相当，且ι2>0.09

设计ι2=0.15，则进水缝中水流速度

ν=Q进水缝/S进水缝=1400/（24×2×8×0.15×5）=4.86m/h<8.12m/h满足设计要求，

Δh=ι2/cosα=0.09/cos58°=0.17m

则h4高度：

h4=b3tanα+Δh-h3=0.6×tan58°+0.17-0.6=0.53m

设进水缝下板上端比进水缝下端高出0.2m，则进水缝下板长度为：

（0.2+h4）/sinα=（0.2+0.53）/sin58°=0.86m

进水缝上板长度为：

h3/sinα=0.6/sin58°=0.71m。

3.4.6三相分离器与UASB高度设计

三相分离器总高h=h2+h3+h4+h5=0.5+0.6+0.53+0.46=2.09m

取超高为h1=0.5m

则H=5+2.09+0.5=7.59<10m。

合理。

3.4.7排泥系统的设计

（1）UASB反应器中污泥产量的计算

设反应器最高液面9.5m，其中沉淀区高2.09m，污泥浓度ρ1=0.5gSS/L；悬浮区高2m，污泥浓度ρ2=2.0gSS/L；污泥床高3.5m，污泥浓度ρ3=15.0gSS/L。

则反应器内污泥总量

M=Sh1ρ1+Sh2ρ2+Sh3ρ3=100×（2.09×0.5+2×2.0+3.5×15.0）=5754.5kgSS

（2）BOD污泥负荷

污泥负荷表示反应器内单位质量的活性污泥在单位时间内承受的有机质质量。

F/M=ΔS*Q/M=（1.2-0.18）×2000/5754.5=0.35kgBOD5/kgSS*d

（3）产泥量的计算

设每去除1kgCOD产生0.07kgVSS/kgCOD，则产泥量为：

ΔX=XQSr=0.07×2000×2.0×0.8=224kgVSS/d

式中Q---设计处理量，m3/d

Sr---去除的COD浓度，kgCOD/m3

设VSS/SS=0.9，则ΔX′=224/0.9=249kgSS/d

污泥含水率P为98%，因含水率大于95%，去ρs=1000kg/m3

则污泥产量为Qs=ΔX′/ρs（1-P）=249/1000（1-0.98）=12.45m3/d

排泥管设在距离池底0.8m处，与放空管共用，放空管排向调节池，接点前设人工阀一个。

排泥管利用水静压力将剩余污泥排向集泥井。

（4）污泥泥龄的计算

θc=M/ΔX=5754.5/224=25.69d

（5）排泥系统的设计

因为该反应器要求排泥均匀，所以设计多点排泥，设计中在三相分离器下1.0m出设置2个排泥口，这样设计的优点在于能排除污泥床上面部分的剩余絮状污泥而且不讳把颗粒污泥带出。

UASB反应器每个月排泥一次，污泥排入集泥池，再由污泥泵送入污泥浓缩池，排泥管选DN150的钢管，排泥总管选用DN200的钢管。

3.4.8出水系统的设计计算

（1）溢流堰设计计算

为了保持出水均匀，沉淀区的出水系统通常采用出水渠，一般每个单元三相分离器沉淀区设一条出水渠，出水渠每隔一定距离设三角出水堰。

池中设有8个单元三相分离器，出水槽共有8条，槽宽bc=0.2m

反应器流量q=0.023m3/s，设出水槽槽口附近水流速度为0.3m/s，则

槽口附近水深hc=0.023/（8×0.3×0.2）=0.048m，水槽深度取0.2m，出水槽坡度为0.01。

出水槽溢流堰共有16条，每条长5m。

设计90°三角堰，堰高50mm，堰口宽100mm，则堰口水面宽度b′=50mm

UASB处理水量为23.15L/s，设计溢流负荷为f=0.64L/m*s。

则

堰上水面总长L=q/f=23.15/0.64=36.17m

三角堰数量n=L/b′=36.17/0.05=724个，则每条溢流堰三角堰的数量为724/16=46个，共46个100mm的堰口，堰口长0.1m中间不设间隙。

堰上水头校核

每个堰出流率q′=q/n=0.023/724=3.2×10-5m3/s

则堰上水头：

h=（q′/1.43）0.4=（3.2×10-5/1.43）0.4=0.014m

（2）出水渠设计计算

UASB反应器中间设一出水渠，8条出水槽的出流流至此出水渠，出水渠保持水平，出水由一个出水口排出。

出水渠宽ba=0.4m，坡度0.01。

设出水渠渠口附近水流速度0.4m/s

则渠口附近水深ha=0.023/（0.4×0.4）=0.14m

考虑渠深应以出水槽槽口为基准计算，所以出水渠渠深ha=0.2+0.125=0.325m

（3）出水管设计计算

UASB反应器排水量为23.15L/s，选用DN200钢管排水，水流速度约为0.7m/s，充满度为0.7，设计坡度为0.001。

3.4.9沼气收集系统的设计

（1）沼气收集系统布置

每个集气罩的沼气用一根集气管收集，共有12根集气管，采用DN75的钢管作为收集管支管，主管采用DN100的钢管。

（2）气水分离器

气水分离器的作用是对沼气进行干燥，选用Φ500mm×1500mm钢制气水分离器一个，气水分离器中预装钢丝填料，在气水分离器前设置过滤器以净化沼气，在分离器出水管上装设流量计及压力表。

3.4.10其它设计考虑

（1）取样管设计

在池壁高度方向设置若干个取样管，用以采取反应器内的污泥样，以随时掌握污泥在高度方向上的浓度分布情况。

在距反应器底1.2m以上，三相分离器底1m以下的位置内，延池壁高度上设置取样管6根，高度方向各管相距1m，水平方向各管相距0.5m。

取样管选用DN100的钢管，取样管设于距地面1.2m处，配球阀取样。

（2）检修

为便于检修，在UASB反应器距离地面0.5m处设Φ800mm人孔一个，冲洗反应器或者检修时压缩空气的管子可以通过人孔进入反应器，所以不设预留管,为保证检修时采光，不设UASB顶盖

（3）防腐措施

厌氧反应器腐蚀比较严重的地方是反应器的上部，此处无论是钢材或水泥都会被损坏，因此，UASB反应器应重点进行顶部的防腐处理。

为了延长反应器的使用寿命，在反应器上部3m以上池壁用玻璃钢防腐，三相分离器所有裸露的钢材部位用玻璃钢防腐。

（4）给排水在UASB反应器布置区设置一根DN100供水管补水，冲洗及排空时使用。

（5）通行在反应器顶面上设置钢架，钢板行走平台，并连接上台楼梯。

（6）安全要求UASB反应器的所有电器设施，包括泵、阀、灯等全部采用防爆设备,禁止明火火种进入该布置区域，动火操作应远离该区沼气柜,保持该区域良好的通风。

SBR反应器。

SBR反应器集曝气池和沉淀池功能于一体,其核心就是曝气沉淀池的设计和运

行管理[5]。

该反应器设曝气池4座,水深5.0m,排出比1∶4,BOD5-MLSS负荷为0.25kgBOD/

kgMLSS·d。

曝气泵采用罗茨风机供气,设风机5台（4用1备）,SBR池配套风机风量应达到60m3/min。

曝气池出水能否达标排放取决于曝气时间,曝气时间取决于溶解氧到达指定值的时间[6],溶解氧上升快慢又取决于进水的浓度、温度和污泥的状态。

据多年运行经验,每次运行周期8h,其中进水2h,进水1h后开始曝气,曝气4h,沉淀1.0h,滗水1.5h,闲置0.5h,溶解氧一般控制在2.5~3.5mg/L。

每座SBR池内设置一个污泥浓缩区,对SBR池的剩余污泥进行重力浓缩。

污泥浓缩区内设置污泥提升泵,每周期排泥一次,定期将SBR池的剩余污泥提升至污泥贮存池。

污泥贮存池内设置污泥提升泵将污泥提升至污泥脱水机房进行机械脱水。

脱水后的泥饼含有丰富的有机物,可作农用和绿化肥料。

SBR工艺系统的操作运行已成功采用了自动控制系统,操作人员劳动强度低,运行方式灵活、方便。

该工程改造后处理废水的运行成本为0.56元/t·d（不含折旧费和维修费）,同时每年可减少CODCr排放量约4000t。