UASB工艺设计算样本.docx

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UASB工艺设计算样本

UASB工艺系统设计办法探讨

简介：

本文全面简介了UASB系统设计问题，简介了厌氧预解决工艺和UASB反映器负荷设计原则和设计办法。

重点简介了混凝土构造矩形UASB反映器各个某些尺寸计算和拟定原则。

对UASB进水配水系统和布水方式进行了详细简介。

对于三相分离器和UASB建筑材料等问题也进行讨论。

核心字：

UASB反映器，预解决，配水系统，三相分离器，建筑材料，设计

简介：

本文全面简介了UASB系统设计问题，简介了厌氧预解决工艺和UASB反映器负荷设计原则和设计办法。

重点简介了混凝土构造矩形UASB反映器各个某些尺寸计算和拟定原则。

对UASB进水配水系统和布水方式进行了详细简介。

对于三相分离器和UASB建筑材料等问题也进行讨论。

核心字：

UASB反映器，预解决，配水系统，三相分离器，建筑材料，设计

 一、概述

　　厌氧解决已经成功地应用于各种高、中浓度工业废水解决中。

虽然中、高浓度废水在相称限度上得到理解决，但是当污水中具有抑制性物质时，如具有硫酸盐味精废水在解决上仍有一定难度。

在厌氧解决领域应用最为广泛是UASB反映器，因此本文重点讨论UASB反映器设计办法。

但是，其与其他厌氧解决工艺有一定共同点，例如，流化床和UASB均有三相分离器。

而UASB和厌氧滤床对于布水规定是一致，因此成果也可以作为其她反映器设计参照。

包括厌氧解决单元水解决过程普通涉及预解决、厌氧解决（涉及沼气收集、解决和运用）、好氧后解决和污泥解决等某些，可以用图1所示流程表达。

二、UASB系统设计

　　1、预解决设施

　　普通预解决系统涉及粗格栅、细格栅或水力筛、沉砂池、调节（酸化）池、营养盐和pH调控系统。

格栅和沉砂池目是去除粗大固体物和无机可沉固体，这对对于保护各种类型厌氧反映器布水管免于堵塞是必须。

当污水中具有砂砾时，例如以薯干为原料酿酒废水，怎么强调去除砂砾重要性也但是分。

不可生物降解固体，在厌氧反映器内积累会占据大量池容，反映器池容不断减少最后将导致系统完全失效。

　　由于厌氧反映对水质、水量和冲击负荷较为敏感，因此对于工业废水恰当尺寸调节池，对水质、水量调节是厌氧反映稳定运营保证。

调节池作用是均质和均量，普通还可考虑兼有沉淀、混合、加药、中和和预酸化等功能。

在调节池中设有沉淀池时，容积需扣除沉淀区体积；依照颗粒化和pH调节规定，当废水碱度和营养盐不够需要补充碱度和营养盐（N、P）等；可采用计量泵自动投加酸、碱和药剂，通过调节池水力或机械搅拌达中和作用。

　　同步，酸化池或两相系统是去除和变化，对厌氧过程有抑制作用物质、改进生物反映条件和可生化性也是厌氧预解决重要手段，也是厌氧预解决目之一。

仅考虑溶解性废水时，普通不需考虑酸化作用。

对于复杂废水，可在调节池中获得一定限度酸化，但是完全酸化是没有必要，甚至是有害处。

由于达到完全酸化后，污水pH会下降，需采用投药调节pH值。

此外有证据表白完全酸化对UASB反映器颗粒过程有不利影响。

对如下状况考虑酸化或相分离也许是有利：

　　1）当采用预酸化可去除或变化对甲烷菌有毒或抑制性化合物构造时；

　　2）当废水存在有较高Ca2+时，某些酸化可避免颗粒污泥表面产生CaCO3结垢；

　　3）当解决含高含悬浮物和/或采用高负荷，对非溶解性组分去除有限时；

　　4）在调节池中获得某些酸化效果可以通过调节池合理设计获得。

例如，上向流进水方式，在反映器底部形成污泥层（1.0m）。

底部布水孔口设计为5～10m2/孔即可。

　2、UASB反映器体积设计

　　a）负荷设计法

　　采用有机负荷（q）或水力停留时间（HRT）设计UASB反映器是当前最为重要办法。

一旦q或HRT拟定，反映器体积（V）可以很容易依照公式（1或2）计算。

对某种特定废水，反映器容积负荷普通应通过实验拟定。

　　V=QSo/q　　　　　　　　　　　　

（1）

　　V=KQ.HRT　　　　　　　　　　　　

（2）

　　式中：

Q---废水流量，m3/d；

　　So---进水有机物浓度，gCOD/L或gBOD5/L。

　　表1给出不同类型废水国内外采用UASB反映器解决负荷数据，需要阐明是表中无法一一注明采用预解决条件和厌氧污泥类型等状况，这些条件对选取设计负荷是至关重要。

下表供设计人员设计时参照，选用前必要进行必要实验和进一步查询关于技术资料。

表1国内外生产性UASB装置设计负荷登记表

序号

废水类型

负荷kgCOD/m3·d

（国外资料）　

负荷kgCOD/m3·d

（国内资料）　

平均

最高

最低

厂家数

平均

最高

最低

厂家数

1

酒精生产

11.6

15.7

7.1

7

6.5

20

2

15

2

啤酒厂

9.8

18.8

5.6

80

5.3

8

5

10

3

造酒厂

13.9

18.5

9.9

36

6.4

10

4

8

4

葡萄酒厂

10.2

12

8

4

5

凉爽饮料

6.8

12

1.8

8

5

5

5

12

6

小麦淀粉

8.6

10.7

6.6

6

7

淀粉

9.2

11.4

6.4

6

5.4

8

2.7

2

8

土豆加工等

9.5

16.8

4

24

9

酵母业

9.8

12.4

6

16

6

6

6

1

10

柠檬酸生产

8.4

14.3

1

3

14.8

20

6.5

3

11

味精

3.2

4

2.3

2

12

再生纸、纸浆

12.3

20

7.9

15

13

造纸

12.7

38.9

6

39

14

食品加工

9.1

13.3

0.8

10

3.5

4

3

2

15

屠宰废水

6.2

6.2

6.2

1

3.1

4

2.3

4

16

制糖

15.2

22.5

8.2

12

17

制药厂

10.9

33.2

6.3

11

5

8

0.8

5

18

家畜饲料厂

10.5

10.5

10.5

1

19

垃圾滤液

9.9

12

7.9

7

b）经验公式办法

　　Lettinga等人采用同样经验公式描述不同厌氧解决系统解决生活污水HRT与去除率（E）之间关系，并且对不同反映器解决生活污水数据进行了记录，得出了参数值。

　式中：

C1,C2——反映常数。

　　c）动力学办法

许多研究者致力于动力学研究，Henxen和Harremoes（1983）依照众多研究成果汇总了酸性发酵和甲烷发酵过程重要动力学常数（见表2）。

到当前为止，动力学理论发展，还没有使它可以在选取和设计厌氧解决系统过程中成为有力工具，通过评价所获得实验成果经验办法当前仍是设计和优化厌氧消化系统唯一选取。

表2厌氧动力学参数（Henxen和Harremoes，1982）

培养

mm（d-1）

Y（mgVSS/mgCOD）

Km[mgCOD/（mgVSS?

d）]

Ks（mgCOD/L）

产酸菌

2

0.15

13

200

甲烷菌

0.4

0.03

13

50

混合培养

0.4

0.18

2

---

3、UASB反映器详细设计

　　1）反映器体积和高度

　　采用水力停留时间进行设计时，体积（V）按公式

（1）或

（2）计算。

选取反映器高度原则是设计、运营和经济上综合考虑成果。

从设计、运营方面考虑：

高度会影响上升流速，高流速增长系统扰动和污泥与进水之间接触。

但流速过高会引起污泥流失，为保持足够多污泥，上升流速不能超过一定限值，从而使反映器高度受到限制；高度与CO2溶解度关于，反映器越高溶解CO2浓度越高，因而，pH值越低。

如pH值低于最优值，会危害系统效率。

　　从经济上考虑:

土方工程随池深增长而增长，但占地面积则相反；考虑本地气候和地形条件，普通将反映器建造在半地下减少建筑和保温费用。

最经济反映器高度（深度）普通是在4到6m之间，并且在大多数状况下这也是系统最优运营范畴。

　　2）反映器升流速度

对于UASB反映器尚有其她流速关系（图2）。

对于日平均上升流速推荐值见表3，应当注意对短时间（如2～6h）高峰值是可以承受（即暂时高峰流量可以接受）。

表3UASB和EGSB容许上升流速（平均日流量）

UASB反映器

Vr＝0.25~3.0m/h0.75~1.0m/h

颗粒污泥絮状污泥

Vs≤1.5m/h

絮状污泥

≤8m/h

颗粒污泥

Vo≤12m/h

颗粒污泥

≤3.0m/h

絮状污泥

Vg＝1m/h

建议最小值

　3）反映器截面积和反映器长、宽（或直径）

　　在拟定反映器容积和高度（H）之后，可拟定反映器截面积（A）。

从而拟定反映器长和宽，在同样面积下正方形池周长比矩形池要小，矩形UASB需要更多建筑材料。

以表面积为600m2反映器为例，30×20m反映器与15m×40m反映器周长相差10%，这意味着建筑费用要增长10%。

但从布水均匀性考虑，矩形在长/宽比较大较为适当。

从布水均匀性和经济性考虑，矩形池在长/宽比在2:

1如下较为适当。

长/宽比在4:

1时费用增长十分明显。

　　圆形反映器在同样面积下，其周长比正方形少12%。

但这一长处仅仅在采用单个池子时才成立。

当建立两个或两个以上反映器时，矩形反映器可以采用共用壁。

对于采用公共壁矩形反映器，池型长宽比对造价也有较大影响。

如果不考虑其她因素，这是一种在设计中需要优化参数。

　　4）单元反映器最大体积和分格化反映器

　　在UASB反映器设计中，采用分格化对运营操作是有益。

一方面，分格化单元尺寸不会过大，可避免体积过大带来布水均匀性等问题；同步各种反映器对系统启动也是有益，可一方面启动一种反映器，再用这个反映器污泥去接种其她反映器；此外，有助于维护和检修，可放空一种反映器进行检修，而不影响系统运营。

从当前实践看最大单体UASB反映器（不是最优）可为1000-m3。

　　5）单元反映器系列化

　　单元原则化依照三相分离器尺寸进行，三相分离器型式趋向于多层箱体设备化构造。

以2×5m三相分离器为例，原则上讲有各种配合形式。

但从原则化和系列化考虑，规定具备通用性和简朴性。

因此，池子宽度是以5m为模数，长度方向是以2m为模数。

布置单元尺寸方式可提成单池单个分离器和单池两个分离器形式。

原则上如果采用管道或渠道布水，池子长度是不受限制。

如前所述，由于长宽比涉及到反映器经济性，因此要结合池子组数考虑恰当长宽比。

对宽度为10m单个反映器，2:

1长宽比反映器可达到m3池容。

对更大反映器，如果需要也可采用双池共用壁型式。

三、反映器配水系统设计

　　1、配水孔口负荷

　　一种进水点服务最大面积问题是应当进行进一步实验研究。

对于UASB反映器Lettinga建议在完毕了起动之后，每个进水点承担2.0到4.0m2对获得满意去除效率是足够。

但是在温度低于20℃或低负荷状况，产气率较低并且污泥和进水混合不充分时，需要较高密度布水点。

对于都市污水DeMan和VanderLast（1990）建议1～2m2/孔。

表4是Lettinga等人依照UASB反映器大量实践推荐进水管负荷。

表4采用UASB解决重要为溶解性废水时进水管口负荷

污泥典型

每个进水口负荷（m2）

负荷（kgCOD/m3·d）

颗粒污泥

0.5～1

2

1～2

2～4

>2

>4

凝絮状污泥>40kgDS/m3

6.5～1

<1.0

1～2

1～2

2～3

>2

中档浓度絮状污泥120～40kg/m3

1～2

<1～2

2～5

>2

2、进水分派系统

　　进水分派系统合理设计对UASB解决厂良好运转是至关重要，进水系统兼有配水和水力搅拌功能，为了这两个功能实现，需要满足如下原则：

a）保证单位面积进水量基本相似，以防止短路等现象发生；b）尽量满足水力搅拌需要，保证进水有机物与污泥迅速混合；c）很容易观测到进水管堵塞；d）当堵塞被发现后，很容易被清除。

　　在生产装置中采用进水方式大体可分为间歇式（脉冲式）、持续流、持续与间歇相结合等方式；从布水管形式有一管多孔、一管一孔和分枝状等各种形式。

　　1）持续进水方式（一管一孔）

　　为了保证进水均匀分布，每个进水管线仅仅与一种进水点相连接，是最为抱负状况（图3a）。

为保证每一种进水点流量相等，建议用高于反映器水箱（或渠道式）进行分派，通过渠道或分派箱之间三角堰来保证等量进水。

这种系统好处是容易观测到堵塞状况。

2）脉冲进水方式

　　国内UASB反映器与国外最为明显特点是诸多采用脉冲进水方式。

有些研究者以为脉冲方式进水，使底层污泥交替进行收缩和膨胀，有助于底层污泥混合。

图3a为北京环科院采用一种脉冲布水器原理图，该系统借鉴了给水中虹吸滤池布水方式。

　　3）一管多孔配水方式

　　采用在反映器池底配水横管上开孔方式布水，为了配水均匀，规定出水流速不不大于2.0m/s。

这种配水方式可用于脉冲进水系统。

一管多孔式配水方式问题是容易发生堵塞，因而，应当尽量避免在一种管上有过多孔口。

　　4）分枝式配水方式

　　这种配水系统特点采用较长配水支管增长沿程阻力，以达到布水均匀目（图3c）。

依照笔者实践，最大分枝布水系统负荷面积为54m2。

大阻力系统配水均匀度好，但水头损失大。

小阻力系统水头损失小，如果不影响解决效率，可减少系统复杂限度。

　　对其她类型布水方式，国内也有诸多设计和运营经验。

与三相分离器同样，不同型式布水装置之间，很难比较孰优孰劣。

事实上，各种类型布水器均有成功经验和业绩。

　　3、配水管道设计

　　对重力布水方式，污水通过三角堰进入反映器时也许吸入空气，会引起对甲烷菌抑制；进入大量气体与产生沼气会形成有爆炸也许混合气体；同步，气泡太多也许还会影响沉淀功能。

由于，不不大于2.0mm直径气泡在水中以大概0.2～0.3m/s速度上升，采用较大管径使液体在管道垂直某些流速低于这一数值，可恰本地避免超过2mm直径空气泡进入反映器，同步还可避免气阻。

在反映器底部用较小直径，形成高流速产生较强扰动，使进水与污泥之间混合加强。

　　污水中存在大物体也许堵塞进水管，设计良好进水系统规定可疏通堵塞；对于压力流采用穿孔管布水器（一管多孔或分枝状），需考虑设液体反冲洗或清堵装置，可采用停水分池分段反冲；采用一管多孔布水管道，布水管道尾端最佳兼作放空和排泥管，以利于清除堵塞；采用重力流布水方式（一管一孔），如果进水水位差仅仅比反映器水位稍高（水位差不大于10cm）将经常发生堵塞。

在水箱中水位（三角堰底部）与反映器中水位差不不大于30cm很少发生这种堵塞。

无论采用那一种布水方式，尽量少地采用弯头等非直管。

四、气、固、液三相分离装置

　　三相分离器是UASB反映器最有特点和最重要装置。

它同步具备两个功能：

　　1）能收集从分离器下反映室产生沼气；

　　2）使得在分离器之上悬浮物沉淀下来。

　　三相分离器设计要点汇总：

　　1）集气室隙缝某些面积应当占反映器所有面积15～20％；

　　2）在反映器高度为5～7m时，集气室高度在1.5～2m；

　　3）在集气室内应保持气液界面以释放和收集气体，防止浮渣或泡沫层形成；

　　4）在集气室上部应当设立消泡喷嘴，当解决污水有严重泡沫问题时消泡；

5）反射板与隙缝之间遮盖应当在100～200mm以避免上升气体进入沉淀室；

　　6）出气管直管应当充分以保证从集气室引出沼气，特别是有泡沫状况。

　　对于低浓度污水解决，当水力负荷是限制性设计参数时，在三相分离器缝隙处保持大过流面积，使得最大上升流速在这一过水断面上尽量低是十分重要。

五、建筑材料

　　选取恰当建筑材料对于UASB反映器持久性是非常重要。

防腐较差UASB反映器在使用3-5年后都浮现了严重腐蚀，最严重腐蚀出当前反映器上部气、液交界面。

此处H2S也许导致直接化学腐蚀，同步硫化氢被空气氧化为硫酸或硫酸盐，使局部pH下降导致间接化学腐蚀。

由于厌氧环境下氧化-还原电位为-300mV，而在气水交界面氧化-还原电位为100mV，这就在气水交界面构成了微电池，形成电化学腐蚀。

无论普通钢材和普通不锈钢在此处都会被损害。

　　厌氧反映器应当尽量避免采用金属材料，虽然昂贵不锈钢也会受到严重腐蚀，而油漆或其她涂料仅仅能起到某些保护。

普通反映器池壁最适当建筑材料是钢筋混凝土构造，虽然混凝土也也许受到化学侵蚀。

如果碳酸根和钙离子浓度积低于碳酸钙溶解度，钙离子将从混凝土中溶出，导致混凝土构造剥蚀。

混凝土构造也需要采用在气水交界面上下一米采用环氧树脂防腐。

对某些特殊部件可采用非腐蚀性材料，如PVC用做进出水管道，三相分离器一某些或浮渣挡板采用玻璃钢或不锈钢。

UASB反映器设计计算

1设计参数

（1）污泥参数

设计温度T=25℃

容积负荷NV=8.5kgCOD/（m3.d） 污泥为颗粒状

污泥产率0.1kgMLSS/kgCOD,

产气率0.5m3/kgCOD

（2）设计水量Q=2800m3/d=116.67m3/h=0.032m3/s。

（3）水质指标

表5 UASB反映器进出水水质指标

水质指标

COD（㎎∕L）

BOD（㎎∕L）

SS（㎎∕L）

进水水质

3735

2340

568

设计去除率

85%

90%

/

设计出水水质

560

234

568

2UASB反映器容积及重要工艺尺寸拟定

（1）UASB反映器容积拟定

  本设计采用容积负荷法确立其容积V    V=QS0/NV

V—反映器有效容积（m3）

S0—进水有机物浓度（kgCOD/L）

V=3400*3.735/8.5=1494m3

   取有效容积系数为0.8,则实际体积为1868m3

（2）重要构造尺寸拟定

UASB反映器采用圆形池子，布水均匀，解决效果好。

取水力负荷q1=0.6m3/（m2·d）

 反映器表面积  A=Q/q1=141.67/0.6=236.12m2

反映器高度    H=V/A=1868/236.12=7.9m    取H=8m

采用4座相似UASB反映器，则每个单池面积A1为：

A1=A/4=236.12/4=59.03m2

 取D=9m

则实际横截面积  A2=3.14D2/4=63.6m2

实际表面水力负荷 q1=Q/4A2=141.67/563.6=0.56

q1在0.5—1.5m/h之间，符合设计规定。

3UASB进水配水系统设计

（1）设计原则

①进水必要要反映器底部均匀分布，保证各单位面积进水量基本相等，防止短路和表面负荷不均；

②应满足污泥床水力搅拌需要，要同步考虑水力搅拌和产生沼气搅拌；

③易于观测进水管堵塞现象，如果发生堵塞易于清除。

本设计采用圆形布水器，每个UASB反映器设30个布水点。

（2）   设计参数

每个池子流量 

Q1=141.67/4=35.42m3/h

（3）设计计算

查关于数据[6]，对颗粒污泥来说，容积负荷不不大于4m3/（m2.h）时，每个进水口负荷须不不大于2m2

  则 布水孔个数n必要满足пD2/4/n>2   即n<пD2/8=3.14*9*9/8=32   取n=30个

  则 每个进水口负荷 a=пD2/4/n=3.14*9*9/4/30=2.12m2

  可设3个圆环，最里面圆环设5个孔口，中间设10个，最外围设15个，其草图见图4

①内圈5个孔口设计

   服务面积：

S1=5*2.12=10.6m2

折合为服务圆直径为：

 用此直径用一种虚圆，在该圆内等分虚圆面积处设一实圆环，其上布5个孔口

则圆环直径计算如下：

3.14*d12/4=S1/2       

 ②中圈10个孔口设计

   服务面积：

S1=10*2.12=21.2m2

   折合为服务圆直径为：

 则中间圆环直径计算如下：

3.14*（6.36^2－d2^2）/4=S2/2      

   则d2=5.2m

③外圈15个孔口设计

    服务面积：

S3=15*2.12=31.8m2

    折合为服务圆直径为   

 则中间圆环直径计算如下：

3.14*（9^2－d3^2）=S3/2      

    则d3=7.8m

布水点距反映器池底120mm；孔口径15cm

图4 UASB布水系统示意图

4三相分离器设计

（1）设计阐明 UASB重要构造是指反映器内三相分离器构造，三相分离器设计直接影响气、液、固三相在反映器内分离效果和反映器解决效果。

对污泥床正常运营和获得良好出水水质起十分重要作用，依照已有研究和工程经验，三相分离器应满足如下几点规定：

沉淀区表面水力负荷<1.0m/h；

三相分离器集气罩顶以上覆盖水深可采用0.5～1.0m；

沉淀区四壁倾斜角度应在45?

～60?

之间，使污泥不积聚，尽快落入反映区内；

沉淀区斜面高度约为0.5～1.0m；

进入沉淀区前，沉淀槽底缝隙流速≤2m/h；

总沉淀水深应≥1.5m；

水力停留时间介于1.5～2h；

分离气体挡板与分离器壁重叠在20mm以上；

以上条件如能满足，则可达到良好分离效果。

（2）设计计算

本设计采用无导流板三相分

①沉淀区设计

沉淀器（集气罩）斜壁倾角 θ=50°

沉淀区面积：

  A=3.14*D^2/4=63.6m2

表面水力负荷q=Q/A=141.67/（4*63.6）=0.56m3/（m2.h）<1.0m3/（m2.h）   符合规定

②回流缝设计

  h2取值范畴为0.5—1.0m,   h1普通取0.5

  取h1=0.5m h2=0.7m h3=2.4m 

  根据图8中几何关系，则   b1=h3/tanθ

b1—下三角集气罩底水平宽度，

θ—下三角集气罩斜面水平夹角

h3—下三角集气罩垂直高度，m

b1=2.4/tan50=2.0m      b2=b－2b1=9－22.0=5.0m

下三角集气罩之间污泥回流缝中混合液上升流速v1,可用下式计算：

V1=Q1/S1=4Q1/3.14b2

Q1—反映器中废水流量（m3/s）

S1—下三角形集气罩回流缝面积（m2）

 符合规定

上下三角形集气罩之间回流缝流速v2计算：

 V2=Q1/S2

S2—上三角形集气罩回流缝面积（m2）

CE—上三角形集气罩回流缝宽度，CE>0.2m  取CE=1.0m

CF—上三角形集气罩底宽，取CF=6.0m

EH=CE*sin50=1.0*sin50=0.766m

EQ=CF+2EH=6.0+2*1.0*sin50=7.53m

S2=3.14（CF+EQ）.CE/2=3.14（6.0+7.53）*1.0/2=21.24m2

v2=141.67/4/21.24=1.67m/h