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污泥厌氧消化池设计说明书

-CAL-FENGHAI-（2020YEAR-YICAI）_JINGBIAN

污泥厌氧消化池设计说明书

课程设计

课程名称_固体废物利用与处置B课程设计_

题目名称_260m3/d污泥厌氧消化池设计

学生学院__环境科学与工程___

专业班级__环境科09级

（2）班___

学号28

学生姓名_________余笃凝________

指导教师_________戴文灿_______

2012年6月25日

摘要

厌氧消化或称厌氧发酵是一种普遍存在于自然界的微生物过程。

厌氧消化处理是指在厌氧状态下利用厌氧微生物使固体废物中的有机物转化为CH4和CO2的过程。

厌氧消化池多用于大型污水处理场的脱水剩余污泥的厌氧处理，也可用以处理高浓度有机工业废水、悬浮固体含量较高和颗粒较大的有机废水、含难降解有机物的工业废水，也以被成功地应用于肉类食品工业废水的处理。

厌氧发酵反应与固液分离在同一个池内进行，结构较为简单。

此次课程设计要求我们在给定参数下设计日处理量为260m3的中温定容式污泥厌氧消化池。

关键词：

固体废物　厌氧消化　微生物　有机物

Abstract

Anaerobicdigestion（somesaysanaerobicfermentation）isakindofmicrobialprocesswhichcommonlyfindsinnaturearea.AnaerobicdigestiontreatmentmeansthatuseanaerobicmicrobeinordertomakeorganicmatterfromsolidwasteintoCH4andCO2processinanaerobicdigestionpoolsusuallyusedinlargesewagefarmtotreatsdewateringsurplussludgeanaerobicly,italsocanbeusedtodealwithhighconcentrationoforganicindustrialwastewater,highercontentofsuspendedsolidandthelargerparticleorganicwastewater,includingrefractoryorganicsindustrialwastewater,what’smore,itcanappliedsuccessfullyinthemeatfoodindustrialwastewatertreatment.Anaerobicfermentationreactionandsolid-liquidseparationarereactinthesamepoolsothestructureissimple.Thecoursedesignrequireustodesignthesteadyincreasestypeofsludgeanaerobicdigestionpoolwhichcapacityof260m3underthegivenparameters.

Keywords:

solidwasteanaerobicdigestionmicrobialorganic

第一章设计概况说明

题目：

污泥厌氧消化池设计

内容：

设计日处理260M3的中温定容式污泥厌氧消化池。

污泥消化的基本定义

早期的厌氧生物处理研究针对污泥消化，即在无氧的条件下，由兼性厌氧细菌及专性厌氧细菌降解有机物使污泥得到稳定，即是指污泥在无氧条件下，由兼性菌和厌氧细菌将污泥中的可生物降解的有机物分解成二氧化碳、甲烷和水等，使污泥得到稳定的过。

厌氧生物消化技术是污泥减量化、稳定化的常用手段之一，其最终产物是二氧化碳和甲烷气（或称污泥气、消化气）等。

所以污泥厌氧消化过程也称为污泥生物稳定过程。

污泥消化的处理的对象

污泥厌氧消化法的处理对象主要是初次沉淀污泥、腐殖污泥、剩余活性污泥、食品废料、生活污水污泥以及高浓度生产污水（如屠宰场，食品厂污水等）。

特别对于处理那些BOD极高的，在缺氧的情况下易于分解的生产污水非常有效。

污泥的厌氧消化与污泥的好氧消化一样，都是稳定污泥的有效方法。

消化后的污泥可作为农业或其他方面的利用，生产的污泥可作为能源或化工原料，实现了无害化和资源化。

因而，厌氧消化法是污泥处理的基本方法。

污泥消化的意义及作用

污泥的厌氧消化是稳定污泥的一种方法。

消化后的污泥可以作为农业或其他方面的利用，生产的污泥可以作为能源或化工原料，实现了无害化和资源化。

它的主要作用是：

①将污泥中的一部分有机物转化为沼气；

②将污泥中的一部分有机物转化成为稳定性良好的腐殖质；

③提高污泥的脱水性能；

④使得污泥的体积减少1/2以上；

⑤使污泥中的致病微生物得到一定程度的

⑥灭活，有利于污泥的进一步处理和利用。

原始数据及操作条件要求

污泥的含水率%，污泥全年平均温度25°C，日平均最低温度23°C；

大气的全年平均温度21°C，土壤冬季计算温度10°C，冬季冻土深度米，土壤全年平均温度23°C，冬季室外计算温度3°C；

当地底下水位深度25米（距地表）；

采用中温消化，消化温度控制在33—35°C，消化池需加热和搅拌。

设计范围

⑴消化池的结构及尺寸计算

⑵消化池容积及个数计算

⑶定容式消化池加热系统设计

⑷消化池保温结构厚度设计

第二章主要设计参数

我国的定容式消化池主要为柱锥形。

消化池由集气罩（直径1~2米，高常为1米）、上椎体、池体和下椎等四部分组成，并附设有搅拌和加热设备。

消化池直径一般为6~35米，柱体部分高度一般大于直径的1/2，总高度与直径比约为~，池底坡度一般为。

中温消化最佳温度为34°C。

为了防止检修时全部污泥停止厌氧消化，消化池至少应设两座。

消化池的结构及尺寸的计算

普通消化池的容积有四种计算方法：

按污泥投配率计算：

按污泥的投配率计算，即每天投加的新鲜污泥量（m3）与消化池容积的比例（%），

式中V—消化池的计算体积，m3；

w—每日新鲜污泥量，m3；

n—污泥投配率，%，对中温消化n=6-8%。

按有机物负荷计算

式中V—消化池的计算体积，m3；

Sv—污泥中有机物重量，kg/d；

S—消化池有机物负荷，kg/m3·d，取~。

按消化时间计算

式中V—消化池的计算体积，m3；

w—每日新鲜污泥量，m3/d；

w1—每日排出消化池的熟污泥量，m3/d；

T—消化时间，d。

按固体停留时间Tc计算

消化池容积及个数计算

取新鲜污泥投配率n=7%，消化池有效容积

V=w/n=260/=3714m3

采用3个消化池，每座消化池的有效容积：

V00=4333/3=m3

第三章工艺说明

有机物厌氧消化（厌氧发酵）的基本原理；

有机物在厌氧条件下消化降解要经过高分子有机物的水解，挥发性有机酸、醇类的生成和产甲烷、二氧化碳等三个过程。

犹豫这三个过程分为两个阶段，既酸性消化阶段和碱性消化阶段。

生化阶段

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

物态变化

液化（水解）

酸化

（1）

酸化

（2）

气化

生化过程

大分子不溶态有机物转化为小分子溶解态有机物

小分子溶解态有机物转化为（H2+CO2）及A、B两类产物

B类产物转化为（H2+CO2）及乙酸等

CH4、CO2等

菌群

发酵细菌

产氢产乙酸细菌

甲烷细菌

发酵工艺

甲烷发酵

酸发酵

——

酸性消化阶段

高分子有机物必须首先由细菌分泌的胞外酶水解成简单的有机物才能进入细胞体内进行代谢。

太厌氧条件下，犹豫产酸菌分泌的外煤的作用，含碳有机物被水解成单糖，

蛋白质被水解成肽和氨基酸，脂肪被水解成丙三醇、脂肪酸。

此水解产物再进入各类产酸菌的体内，被代谢成跟简单的丁酸、丙酸、乙酸和甲酸等有机酸以及醇类、醛类、氨、二氧化碳、硫化物、氢等，同事释放出能量。

在酸性消化阶段，犹豫有机酸的形成和积累，pH值可下降至6一下。

此后随着有机酸和溶解性含氮化合物的分解，酸性逐渐减弱，pH值回升到~左右。

碱性消化阶段

这一阶段就是对酸性消化阶段的嗲写产物，在甲烷菌的作用下，进一步分解成生物气的阶段其产生的生物气主要盛饭是甲烷、二氧化碳、及少量氨和硫化氢等。

甲烷菌属于专性厌氧菌，其特点是：

（1）对培养的要求不高，一般的营养盐类、二氧化碳、醇和氨都可作为碳、氮源；

（2）随pH值得使用范围很窄，适宜的pH值范围在~之间，最佳pH值为~；（3）对温度的适应性较弱，甲烷菌在一定温度内被驯化后，温度波动2℃就可破话消化作用；（4）甲烷菌的世代时间较长，一般俄日4~6天，繁殖一代；（5）甲烷菌的专一性很强，每种甲烷菌只能代谢悠闲的几种底物。

因此，在厌氧条件下有机物转化往往是不完全的。

由于甲烷具有以上特点，甲烷消化阶段基本上控制着厌氧消化的整个过程。

虽然厌氧消化可分为酸性消化和碱性消化，但是在连续消化的过程中，二者是同时进行的，并且保持着某种程度的动态平衡。

这一动态平衡一旦被pH值、温度、有机物负荷等外外加因素所破坏，则碱性消化阶段往往即刻停止，起结果将导致低级脂肪酸的积存和厌氧消化进程的失常。

厌氧消化的因素；

1.温度温度是影响消化的主要因素。

温度适宜时，细菌发育正常，有机物分解完全，产气量高。

细菌对温度的适应性可分为低温、中温和高温三区。

低温消化一般不控制消化温度；中温消化30℃~35℃；高温消化50℃~56℃。

事实上，在0℃~56℃的范围内，甲烷菌并没有特定的温度限制。

然而，在一定的温度范围内被驯化以后，温度升降两度，都可严重影响甲烷的消化作用。

尤其是高温消化，对温度变化更为敏感。

因此在运行时，应保持温度不变。

2.污泥投配率投配率是指每日加入消化池的新鲜污泥体积与消化池体积的比率，以百分数计。

投配率大，有机物分解程度降低，产气量下降，所需消化池容积小；头哦诶率小，污泥中有机物分解程度提高，产气量增加，但所需的消化池容积大，基建费用增加，

3.搅拌搅拌可以使新鲜的污泥与熟污泥均匀接触，加速热传导；均匀的提供给细菌以养料；打碎消化池液面上的浮渣层，使整个池子处于消化活跃状态，以提高消化池的负荷。

4.营养与C/N消化池的营养由投配污泥供给，各基质中的含贪凉见下表：

5.基质名称

6.含碳量（%）

7.平均（%）

8.碳水化合物

9.40-44

10.

11.脂肪酸

12.75-78

13.

14.蛋白质

15.50-55

16.

17.C/N太高，细菌的单量不足，消化液缓冲能力低，pH值容易降低。

C/N太低，含氮量过高，pH值可能上升到以上，脂肪酸的铵盐要积累，使有机物的分解受到限制。

对于污泥消化处理来说，C/N为（10~20）：

1较合适。

18.酸碱度酸碱度影响消化系统的pH值和消化液的缓冲能力，因此消化系统中对碱度有一定要求，

19.有机毒物含量城市污水由于有工业废水排入，使污泥中含有重金属盐类和有毒物质，当这些物质含量达到一定浓度时，将对甲烷细菌的生长发育产生抑制作用，这个浓度成为允许浓度。

20.CO2/CH4的比值当污泥性质稳定时，消化正常的情况下，CO2/CH4的比值也是稳定的，一般为左右，不同性质的污泥，比值略有不同。

比值失调，于是消化存在问题。

如有机酸的积累，可与HCO3作用，产生CO2，使CO2/CH4的比值提高

厌氧消化池的类型；

（一）按容积大小分：

小型消化池（小于2500m3）；

中型消化池（2500~10000m3）；

大型消化池（大于10000m3）。

按处理负荷分：

标准负荷消化池（污泥无需加热搅拌而消化时间较长）；

高负荷消化池（污泥需要加热搅拌而消化时间短）。

（二）按结构分：

固定盖式（定容式）消化池；

浮动盖式（动容式）消化池。

（三）按消化温度分：

低温消化池（在小于20℃的条件下污泥进行自然厌氧消化，如化粪池的消化）；

中温消化池（30℃~35℃，需加热搅拌）；

高温消化池（50℃，需家人搅拌）。

工艺流程

泵

第四章设计概述

消化池结构及尺寸计算

池体部分埋地下，下锥体的位置需高于地下水位至少7m，防止地下水污染；

保温层要延伸到地下，一般在冻土层下；

需要确定和计算的尺寸：

D、h1、h2、h3、h4、d1、d2、α1、α2、δ。

由经验确定某些尺寸：

V（m3）

50

100

200

300

400

500

1000

1500

2000

2500

D（m）

d1=2m左右，d2=1m左右，h1=1m左右，h3≧D/2，α1=200，α2=250~300。

1）消化池各部分直径

消化池直径按经验值,采用插入法计算得D=m，但由于投配率取7%较小，因此所设置的消化池直径应取较大值，因此取D=m，

集气罩直径d1=，下锥底直径d2=

2）消化池部分的高度

h1=，α1=20º，

集气罩高度h2=

º=

º=

锥体高度h3≥D/2=2=，

因此取h3=

α2=30º，下锥体高度

=

=

消化池总高度H=h1+h2+h3+h4=+++=

检验H/D==1，<≤1符合要求

消化池外部尺寸：

d1

d2

h1

h2

h3

h4

α1

α2

20º

30º

池体地上高=60%h3=

池体地下高=40%h3=

集气罩容积

上锥体容积

假设消化池内液面高度为上锥体高度的一半，即h2'=h2/2=2=

此时d1'=（D+d1）/2=+/2=

则上锥体有效容积V2'=πh2'（D2/4+Dd1'/4+d1'2/4）/3

=π×4+×4+4）/3

=m3

柱体容积V3=h3×πD2/4=×π/4=

下锥体容积

V4=π·h4·（D2/4+Dd2/4+d2/4）/3

=π××4+×1/4+12/4）/3

=

消化池有效容积

V0=V2'+V3+V4=++=V00〉符合要求；

消化池各部分表面积计算

消化池总表面积A=A1+A2+A3+V4

A3=A3地表+A3地下

一般，池体地上高=60%h3,池体地下高=40%h3。

集气罩面积A1=π·d1·h1+πd12/4=π××1+π×4=

上锥体表面积A2=π·（D+d1）/2·（h2/sinα1）

=π·+/2·sin20º）

=

池盖表面积A1+A2=+=

柱体表面积A3=π·D·h3=π××=

取h3（地表）=h3'=60%h3=60%×=

取h3（地下）=h3''=40%h3=40%×

=

则消化池柱体地面以上部分表面积

A3'=π·D·h3'==π××=

消化池柱体地面以下部分表面积

A3''=π·D·h3''=π××=

下锥体表面积

A4=d22π/4+[（D+d2）π/2]（h4/sinα2）

=π/4+[+π/2]（sin30°）

=

消化池壳体总表面积A=A1+A2+A3+A4

=+++

=

3）消化池各部分厚度

建筑材料：

钢筋混凝土。

池盖厚度250mm，池壁厚度400mm，池底厚度700mm。

定容式消化池加热系统的计算

设计概述

为了使消化池内污泥温度保持恒定，必须对新鲜污泥进行加热，使新鲜污泥温度提高到消化温度，并补偿消化池壳体及管道系统向大气及土壤散发的热损失。

加热的热源可用锅炉或生产设备的余热。

由于消化池内污泥温度一般高于介质温度，因此通过消化池集气罩、上椎体、柱体、下椎体等壳体向大气和土壤中散热的主要方式是对流和传导。

池外介质为大气时，计算全年平均耗热量须按全年平均气温计算。

当计算最大耗热量时，按历年平均每年不保证5d的日平均温度作为室外冬季计算温度。

固定盖消化池各部分传热系数允许值为：

集气罩和上锥体（池盖）：

k≤×103J/m2·h·℃

池体（池壁）：

k≤×103J/m2·h·℃

下锥体（池底）：

k≤×103J/m2·h·℃

所需热量计算

1.提高新鲜污泥温度至消化温度所需全年平均耗热量

QA=V``/24×（td-ts）×c×103

QA—全年所需平均热量，J/h;

td—消化温度，℃；

ts—污泥全年平均温度，℃；

c—污泥的比热；c≈×103J/（L·℃）

V``—每天每座消化池投加的新鲜污泥量，m3/d.

QA=V``×（td-ts）×c×103/24

=（260/3）×（35-25）××103×103/24

=×108J/h

2.新鲜污泥温度至消化温度全年所需的最大热量

QAma=V``/24×（td-tsmin）×c×103

tsmin—污泥日平均最低温度，℃

QAma=V``×（td-tsmin）×c×103/24

=（260/3）×（35-23）××103×103/24

=×108J/h

3.消化池耗热量计算

QB=ΣA·k·（td-tA）×

A—池盖、池壁、池底的散热面积，m2;

k—池盖、池壁、池底的散热系数，J/m2·h·℃;

tA—池外介质（大气，土壤）温度，℃；

td—消化温度，℃。

QB=QB池盖+QB池体大气+QB池体土壤+QB池底

计算最大耗热量QBmax

1　池盖部分全年平均耗热量

Q1=（A1+A2）K（tD-tA）×=××103×（35-21）×

=×106J/h

池盖部分全年最大耗热量

Q1max=（A1+A2）K（tD-tA'）×=××103×（35-3）×

=×107J/h

2　池壁在地面以上部分全年平均耗热量：

Q2=A3'K（tD-tA）×=××103×（35-21）×

=×106J/h

池壁在地面以上部分全年最大耗热量：

Q2max=A3'K（tD-tA'）×=××103×（35-3）×

=×107J/h

3　池壁在地面以下部分全年平均耗热量：

Q3=A3''K（tD-tA）×=××103×（35-23）×

=×106J/h

池壁在地面以下部分全年最大耗热量：

Q3max=A3''K（tD-tA'）×=××103×（35-10）×

=×106J/h

4　池椎底部分全年平均耗热量：

Q4=A4K（tD-tA）×=××103×（35-23）×

=×106J/h

池椎底部分全年最大耗热量：

Q4max=A4K（tD-tA'）×=××103×（35-10）×

=×106J/h

5　每座消化池池底全年平均耗热量：

QB=Q1+Q2+Q3+Q4

=（+++）×106J/h

=×107J/h

每座消化池池底全年最大耗热量：

QBmax=Q1max+Q2max+Q3max+Q4max

=（+++）×106J/h

=×107J/h

4.每座消化池全面平均总耗热量：

Q=QA+QB=×108+×107=×108J/h

5.每座消化池全年最大耗热量：

Qmax=QAmax+QBmax=×108+×107=×108J/h

消化池保温结构厚度计算

（一）设计概述

消化池的池盖、池壁和池底一般为钢筋混凝土结构，池壁外侧应有保温材料构成的保温层。

保温层外设有保护层，组成保温结构。

常用的保温材料有泡沫混凝土、膨胀珍珠岩、聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料等。

保温结构的总厚度应使消化池壁的热损失不超过允许数值。

传热系数λ≤J/m2·h·℃时，说明保温效果良好。

固定盖消化池各部分的传热系数，当能满足以下数据时，认为保温层结构的厚度是合适的，即

池盖λ≤×103J/m2·h·℃

池壁λ≤×103J/m2·h·℃

池底λ≤×103J/m2·h·℃

（二）保温层设计计算

1.已知条件：

池盖的钢筋混凝土的厚度为250mm

池壁的钢筋混凝土的厚度为400mm

池底的钢筋混凝土的厚度为700mm

常用保温材料：

聚氨酯泡沫塑料，导热系数λB1=J/m2·h·℃

混凝土的导热系数：

λG=J/m2·h·℃

要达到良好的保温效果，要求保温层的导热系数λB2≤J/m2·h·℃

消化池各部分导热系数要求：

池盖K≤×103J/m2·h·℃

池壁K≤×103J/m2·h·℃

池底K≤×103J/m2·h·℃

各部分散热系数

污泥将热量传到钢筋混凝土池壁时α=J/m2·h·℃

污泥气体将热量传到钢筋混凝土池壁时α=J/m2·h·℃

当空气为介质时，池壁至空气的散热系数α=~J/m2·h·℃

当土壤为介质时，池壁至土壤的散热系数α=~J/m2·h·℃

保温层厚度计算

保温材料：

聚氨酯泡沫塑料

固定池盖消化池，池体为钢筋混凝土时,保温材料厚度可按下式简化计算

δB—保温层厚度，mm

λG—池盖、池壁、池底的钢筋混凝土导热系数，J/m2·h·℃

kG—池盖、池壁、池底的导热系数允许值，J/m2·h·℃

δG—池盖、池壁、池底的钢筋混凝土厚度，mm

λB—保温材料导热系数，J/m2·h·℃

1池盖保温材料厚度

=

=（mm）

2池壁在地面以上部分保温材料厚度

=

=（mm）

池壁在地面以上部分保温层延伸至地面一下。

3池壁在地面以下土壤作为保温层最小厚度的核算

=

=（mm）

4池底以下土壤作为保温层最小厚度的核算

=

=（mm）

池盖、池壁的聚氨酯泡沫塑料保温材料厚度经计算分别为25mm和28mm，均按28mm计，乘于修正系数，×=42mm，采用45mm。

消化池加热量计算

（一）设计概述

污泥的加热方法有消化池内蒸汽直接加热与池外预热两种。

池内蒸汽直接加热是利用插在消化池中的蒸汽竖管直接向消化池内注入蒸汽来加热污泥。

这种加热方法设备投资省、操作简单，可以充分利用蒸汽的汽化热和冷凝水的热量，热效率高。

但竖管周围的污泥有过热现象，影响厌氧消化微生物的正常活动。

由于增加了冷凝水，消化污泥含水率稍有提高，消化池体积一般需增加5%~7%。

用蒸汽直接加热污泥的方法可分为低压蒸汽喷射法和高压蒸汽喷射法。

低压蒸汽喷射法是利用安装于消化池进泥管道上的污泥射流器在负压区将压力为×104Pa的蒸汽吸入并均匀分散在污泥中。

高压蒸汽喷射法是将蒸汽直接喷入消化池泥面以下，竖管中蒸汽流速为3~5m/s。

（二）设计计算

1.加热方法：

池内蒸汽直接加热。

2.每座消化池全年最大耗热量Qmax=×108J/h；饱和水蒸气绝对压力×104Pa,温度℃

①所需蒸汽量计算

Qmax—每座污泥消化池全年的最大耗热量，J/h;

I—饱和蒸汽的含热量，×103J/k