毕业设计环保设备原理3000m3d垃圾渗沥液厌氧处理的uasb反应器设计.docx
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毕业设计环保设备原理3000m3d垃圾渗沥液厌氧处理的uasb反应器设计
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《环保设备原理与设计》
课程设计
题目：
3000m3/d垃圾渗沥液厌氧处理的UASB反应器设计
姓名：
班级：
环境工程1101
学号：
201129090109
指导教师：
化学与生物工程学院
2014年11月
引言
垃圾渗滤液的主要两大特点和难点就是其氨氮浓度高以及可生化性差,指垃圾在堆放和填埋的过程中由于发酵并在地表地下水、天然降水的浸泡或冲刷下而滤出的污水。
据有关国内外资料表明，现有的垃圾滤液处理工艺主要采用传统的物化法和生物处理法。
以混凝、沉淀、吸附、膜处理和深度氧化等为主的常见物化法对垃圾渗滤液的处理不受水质水量的影响，出水水质稳定，对BOD/CODcr比值较低的难生物降解的垃圾渗滤液较为有效，但需要投加大量的吸附剂和混凝剂，运行成本过高，且不易管理。
生物处理包括好样处理、厌氧处理以及二者联合处理。
好氧处理以传统的活性污泥、氧化沟、氧化塘、生物转盘等方法为代表，其中以延时曝气活性污泥法应用最多。
厌氧处理法主要有厌氧接触法、厌氧生物滤池、升流式厌氧污泥床及分段厌氧消化等。
目前国内外多采用的厌氧与好氧联合处理法，由于对垃圾渗滤液中过高氨氮浓度未引起足够重视，造成高氨氮对生物处理产生严重的抑制作用，影响出水，整体处理效果不佳。
结合物化和生物处理法的优点，充分考虑过高氨氮对微生物的抑制作用设计一套“脱氨—混凝沉淀—高效厌氧（UASB）—接触氧化”工艺对某垃圾场的垃圾渗滤液进行专项处理
厌氧生物处理以其独有的特征，在各方面都获得了广泛的应用，例如酿酒、制糖、淀粉生产、造纸、医药、食品加工以及化学工业等高浓度及难降解有机工业废水的处理。
厌氧生物处理之所以有如此广泛的应用，是因为它有着好氧生物处理所不具有的优点。
它可消除气体排放的污染；能处理高浓度的有机废水；可承受较高的有机负荷和容积负荷；厌氧污泥可以长期贮存，添加底物后可实现迅速反应。
而升流式厌氧污泥床UASB工艺由于具有厌氧过滤及厌氧活性污泥法的双重特点，作为能够将污水中的污染物转化成再生清洁能源—沼气的一项技术。
对于不同含固量污水的适应性也强，且其结构、运行操作维护管理相对简单，造价也相对较低，技术已经成熟，正日益受到污水处理业界的重视，得到广泛的欢迎和应用。
第一章设计任务及依据
1.1设计任务书
1.1.1设计题目
3000m3/d垃圾渗沥液厌氧处理的UASB反应器设计
1.1.2原始资料
1.处理流量Q＝3000m3/d
2.水质情况：
BOD5=6000mg/LCODcr=12000mg/LSS=2000mg/LpH=6~9
NH4-N=1000mg/L
1.1.3出水要求
BOD5=600mg/LCODcr=1200mg/LSS=200mg/LpH=6~9
NH4-N=60mg/L
1.1.4设计内容
1.方案确定
按照原始资料数据进行处理方案的确定，拟定处理工艺流程，选择各处理构筑物，说明选择理由，UASB工艺说明包括原理、结构特点、设计原则、保温、防腐、控制等说明，论述其优缺点，编写设计方案说明书。
该课题工艺为预处理（加药混凝、氨吹脱）加UASB反应器。
2.设计计算
进行UASB反应器的体积、三相分离器、布水系统、出水系统的计算，去除效率估算；效益分析
3.制图
UASB设备的平面布置图、三相分离器制造图、管道连接接口大样图
4.编写设计说明书、计算书
1.1.5设计成果
1.设备平面布置图、剖面图1张（A2）
2.三相分离器制造图、管道连接接口大样图1张（A4）
3.设计说明书、计算书一份
1.1.6时间分配表
序号
教学内容
时间
备注
1
下达设计任务书
1天（11周周一）
由指导老师讲授设计任务与要求
2
查阅资料，进行设计计算
2天（11周周二～周三）
3
绘制CAD设计图纸
2天（11周周四～周五）
4
编写设计说明书
装订成册
2天（11周六～周日）
5
总计时间
7天
1.1.7成绩考核办法
根据设计说明书、设计图纸的质量及平常考核情况由指导教师按优、良、中、及格、不及格评定成绩。
指导教师：
曾经、彭青林
长沙理工大学化学与生物工程学院环境工程教研室
2014年10月
1.2设计依据
（1）《中华人民共和国环境保护法》和《水污染防治法》
（2）《污水综合排放标准GB8978－1996》
（3）《给水排水工程结构设计规范》（GBJ69-84）
（4）《课程设计任务书》
设计说明书
2.1设计原则
（1）必须确保污水厂处理后达到排放要求。
（2）污水处理厂采用的各项设计参数必须可靠。
在设计中一定要遵守现行的设计规范，保证必要的安全系数。
对新工艺、新技术、新结构和新材料的采用积极慎重的态度。
（3）污水处理厂设计必须符合经济的要求。
（4）污水厂设计应当力求技术合理。
在经济合理的原则下，必须根据需要，尽可能采用先进的工艺、机械和自控技术，但要确保安全可靠。
（5）污水厂设计必须注意近远期的结合，设计时应为今后发展留有挖潜和扩建的条件。
（6）污水厂设计必须考虑安全运行的条件。
（7）污水厂的设计在经济条件允许情况下，场内布局、构（建）筑物外观、环境及卫生等可以适当注意美观和绿化。
2.2UASB的原理
UASB反应器中的厌氧反应过程与其他厌氧生物处理工艺一样，包括水解、酸化、产乙酸和产甲烷等，通过多种不同的微生物参与底物转化过程而将底物转化为最终产物——沼气、水等无机物。
UASB反应器在运行过程中，废水以一定的流速自反应器底部（经布水系统）进入反应器，水流在反应器中上升流速一般为0.5m/h~1.5m/h，多控制在0.6m/h~0.9m/h之间（取决于所处理废水的特性及其运行负荷，控制上升流速的目的是防止在过高的流速下造成的污泥流失，同时亦防止因过低的流速而影响泥水的混合接触效果）。
水流依次流经污泥床、污泥悬浮层至三相分离器及沉淀出水区。
UASB反应器中的水流整体上呈推流式，但当反应器产气强烈而充分混合时，将呈现完全混合流态的特征。
处理过程中，要求其进水与污泥床及污泥悬浮层中的微生物充分混合接触并进行厌氧分解，厌氧分解过程中将污泥颗粒托起，在一定负荷条件下，可使污泥床产生较为明显的流态化。
随着反应器量不断增加，有气泡上升所产生的搅拌作用（微小的沼气气泡在上升过程中相互结合而逐渐变成较大的气泡，将污泥颗粒向反应器的上部携带，最后由于气泡的破裂，绝大部分污泥颗粒又返回到污泥区）变得日趋剧烈，从而降低了污泥中夹带气泡的阻力，气体便从娶你床内突发性地溢出，引起污泥创表面呈沸腾和流化状态。
反应器中沉淀性能较差的絮体状污泥则在气体的搅拌和夹带作用下，在反应器上部形成污泥悬浮层。
沉淀性能良好的颗粒状污泥则处于反应器的下部形成高浓度的污泥床，随着水流的上升流动，汽、水、泥三相混合液上升至三相分离器中，气体遇到反射板或挡板后折向集气室而被有效地分离排出，污泥和水流则进入上部的静止沉淀区，在重力的作用下泥水发生分离，澄清出水。
由于三相分离器的作用，使得反应器混合液中的污泥有一个良好的沉淀、分离和絮凝的环境，有利于提高污泥沉降性能。
在一定的水利负荷条件下，绝大部分污泥能在反应器中保持很长的停留时间，使反应器中具有足够的污泥量。
图2-1是UASB反应器及其设备的图示。
图2-1UASB反应器及其设备
2.3UASB反应器的结构
2.3.1进水和配水系统
进水分配系统的合理设计对于一个运转良好的UASB处理厂是至关重要的。
在生产规模的各种类型厌氧反应器中已成功地采用了各式各样的进水形式，进水系统兼有配水和水力搅拌的功能，为了保证这两个功能的实现，目前，在生产运行装置中所采用的进水方式大致可分为间歇式（脉冲式）、连续流、连续与间歇回流相结合进水等几种方式。
从布水管的形式来分有一管多孔、一管一孔和分枝状等多种形式。
进水系统的设计原则如下：
（1）进水必须要反应器底部均匀分布，确保各单位面积进水量基本相等，防止短路和表面负荷不均；
（2）很容易观察进水管的堵塞，当堵塞发现后、必须很容易被清除；（3）应尽可能的（虽然不是必须的）满足污泥床水力搅拌的需要，保证进水有机物与污泥迅速混合．防止局部产生酸化现象。
图2-2是一种连续流的布水方式
图2-2一种连续流的布水方式
2.3.2池体
池体是UASB反应器的重要组成部分，它所采用的几何形状和结构形式对反应器处理效率的高低具有一定的影响作用。
厌氧反应器一股可采用矩形和圆形结构，对于圆形反应器在同样的面积下，其周长比正方形的少12%,但是圆形反应器的这一优点仅仅在采用单个池子时才成立。
当建立两个或两个以上反应器时，矩形反应器可以采用共用壁，对于采用公共壁的矩形反应器，池型的长宽比对造价也有较大的影响。
为节约占地面积，节省池壁材料，便于布水。
因此，本设计采用矩形结构。
2.3.3三相分离器
三相分离器又叫气、固、液分离器，由沉淀区、集气室和气封组成，其功能是把沼气、微生物和液体分离。
首先，气体被分离后进入集气室（罩），然后固液混合液在沉淀区进行固液分离，下沉的固体因重力经回流R返回反应区。
三相分离器分离效果好坏物直接影响反应器效率高低。
设计三相分离器的原则如下：
（1）沉淀区的表面水力负荷<1.0m/h；
（3）三相分离器集气罩顶以上的覆盖水深可采用0.5～1.0m；
（4）沉淀区四壁倾斜角度应在45°～60°之间，使污泥不积聚，尽快落入反应区内；
（6）沉淀区斜面高度约为0.5～1.0m；
（7）进入沉淀区前，沉淀槽底缝隙的流速≤2m/h；
（8）总沉淀水深应≥1.5m；
（9）水力停留时间介于1.5～2h；
（10）分离气体的挡板与分离器壁重叠在20mm以上；
（11）分离器相对于出水液面的位置确定反应区（下部）和沉淀区（上部）的比例，在多数UASB反应器中内部沉淀区是总体积的15%~20%。
对于低浓度污水处理，当水力负荷是限制性设计参数时，在三相分离器缝隙处保待大的过流面积，使得最大的上升流速在这一过水断面上尽可能地低是十分重要的，原则上只有出水截面的面积（而不是缝隙面积）才是决定保待在反应器中最小沉速絮体的关键。
2.3.4其他设备
2.3.4.1保温设备
厌氧消化像其他生物处理工艺一样受温度影响很大，厌氧工艺受温度影响
更加显著。
中温厌氧消化的最优温度范围为30℃~35℃，可以计算在20℃和
10℃的消化速率大约分别是30℃下最大值的35%和12%。
所以，加温和保温
的重要性是不言而喻的。
2.3.4.2除臭防臭设备
出于键康、安全和臭味等原因，要从UASB出水和气体中除去H2S。
欧洲由于实现清洁空气法，目前的UASB反应器都加盖。
由于国内目前对于UASB反应器的尾气还没有具体要求，除在居民区附近或对生产车间有严重影响的项目进行密封外，其他项目目前很大一部分采用不加盖的UASB反应器。
今后随着环保要求的严格，对于UASB反应器甚至曝气池的尾气，不但反应器要求加盖同时还会要求除臭处理。
2.3.4.3监控设备
为提高厌氧反应器的运行可靠性，必须设置各种类型的计量设备和仪表，如控制进水量、投药量等计量设备和pH计、温度测量等自动化仪表。
自动计量设备和仪表是自动控制的基础。
对UASB反应器实行监控的目的主要有两个：
一个是了解进出水的情况，以便观测出水是否满足工艺设计情况；另外一个目的是为了控制各工艺的运行，判断工艺运行是否正常。
2.4防腐措施
选择适当的建筑材料对于UASB反应器的持久性是非常重要的。
防腐较差的UASB反应器在使用3-5年后都出现了严重腐蚀，最严重的腐蚀出现在反应器上部气、液交界面。
此处H2S可能造成直接化学腐蚀，同时硫化氢被空气氧化为硫酸或硫酸盐，使局部pH下降造成间接化学腐蚀。
由于厌氧环境下的氧化-还原电位为300mV，而在气水交界面的氧化-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。
无论普通钢材和一般不锈钢在此处都会被损害。
厌氧反应器应该尽可能的避免采用金属材料，即使昂贵的不锈钢也会受到严重的腐蚀，而油漆或其他涂料仅仅能起到部分保护。
一般反应器池壁最合适的建筑材料是钢筋混凝土结构，即使混凝土也可能受到化学侵蚀。
如果碳酸根和钙离子的浓度积低于碳酸钙的溶解度，钙离子将从混凝土中溶出，造成混凝土结构的剥蚀。
混凝土结构也需要采用在气水交界面上下一米采用环氧树脂防腐。
对一些特殊部件可采用非腐蚀性材料，如PVC用做进出水管道，三相分离器的一部分或浮渣挡板采用玻璃钢或不锈钢。
第三章工艺流程
3.1工艺流程图
图3-1垃圾渗沥液处理工艺流程图
工艺过程：
原水进入调节池后，先后经过调节池、吹脱塔和混凝沉淀池后尽可能均匀地从反应器底部进入，向上通过厌氧污泥床，与颗粒污泥充分接触，发生厌氧反应，在厌氧状态下产生沼气。
废水的向上流动和产生的大量沼气的上升对反应器内的颗粒污泥起到了良好的自然搅拌作用，引起污泥的内部循环，使一部分污泥向上运动，在污泥床上方形成相对稀薄的污泥悬浮层。
在含有颗粒污泥的废水进入分离区后，附着在颗粒污泥上的气泡和自由气泡撞击到分离区中三相分离器气体反射板的底部，与污泥和废水发生分离，被收集在反应器顶部三相分离器的集气室内；释放气泡后的颗粒污泥由于重力作用沉淀到污泥层的表面，返回反映区；经过反应后的沼气由上部的分离器送出，液体则经出水堰流出反应器。
3.2工艺流程说明
3.2.1格栅
格栅由一组平行的金属栅条或筛网制成，安装在废水渠道的进口处，用于截留较大的悬浮物或漂浮物，主要对水泵起保护作用，另外可减轻后续构筑物的处理负荷。
3.2.2吹脱塔
利用吹脱技术去除填埋场渗沥液中的氨是一项可行的技术，特别适用于建设有填埋气体发电站的场合,其主要优点是占地面积小，氨去除效果好。
氨吹脱一般采用吹脱池和吹脱塔两类设备，但吹脱池占地面积大，而且易造成二次污染，所以氨气的吹脱常采用塔式设备。
3.2.3调节池
废水其水质水量都会随时变化，且波动较大。
废水水质水量的变化对废水处理设备的功能发挥是不利的。
为解决这一问题，设置了调节池以调节水质和水量。
3.2.4混凝沉淀池
在混凝剂的作用下，使废水中的胶体和细微悬浮物凝聚成絮凝体，然后予以分离除去的水处理法。
混凝澄淀法在水处理中的应用是非常广泛的，它既可以降低原水的浊度、色度等水质的感观指标，又可以去除多种有毒有害污染物。
3.2.5UASB反应器
UASB反应器又称上流式厌氧污泥床，集生物反应与沉淀于一体，是一种结构紧凑，效率高的厌氧反应器。
图3-2UASB反应器基本构造
3.3UASB的工艺特点
UASB反应器的基本特征是不用吸附载体，就能形成沉降性能良好的较状污泥，保待反应器内高浓度的微生物，因而可以承受较高的COD负荷（可高达30~50kgCOD/（m3·d）以上），COD去除率可达90%以上。
而好氧生物处理中，效果最好的好氧纯生物流化床、深井曝气等工艺COD负荷也只有10kgCOD（m3·d）左右，COD去除率为70%~80%.与其他厌氧生物反应器相比，UASB的特点如下：
（1）构造简单巧妙
（2）反应器内可培养出厌氧颗粒污泥
（3）实现了污泥泥龄（SRT）与水力停留时间（HRT）的分离
（4）UASB反应器对各类废水有很大的适应性
（5）能耗低、产泥量少
（6）不能去除废水中的氮和磷
UASB的优点：
（1）负荷高，对水温、pH值、COD浓度的抗冲击负荷能力大，水力负荷能满足要求，反应器对不利条件的抗性增强；
（2）去除率高，处理效果好，可省去搅拌和回流污泥所需设备能耗；
（3）能耗低，可去除60%以上的有机污染物，可大幅度减轻后续好氧处理负荷，简化了工艺，节约了投资和运行费用；
（4）可回收沼气，不需要加填料载体，提高了容积利用率，避免了堵塞。
UASB的缺点：
（1）进水中悬浮物需要适当控制，不宜过高，一般控制在100mg/l以下；
（2）污泥床内有短流现象，影响处理能力；
（3）对水质和负荷突然变化较敏感，耐冲击力稍差。
第四章设计计算书
4.1预处理措施
4.1.1格栅
格栅是由一组（或多组）相平行的金属栅条与框架组成。
倾斜安装在进水的渠道，或进水泵站集水井的进口处，主要作用是去除污水中较大的悬浮或漂浮物，以减轻后续水处理工艺的处理负荷，并起到保护水泵、管道、仪表等作用。
当拦截的栅渣量大于0.2m3/d时，一般采用机械清渣方式；栅渣量小于0.2m3/d时，可采用人工清渣方式，也可采用机械清渣方式。
因此本设计采用机械清渣方式，具体来讲，选用旋转鼓筒式格栅。
本次设计选取中格栅宽度s=40mm；栅条间隙b=15mm；栅前水深h=0.3m；
过栅流速v=0.5m/s；安装倾角a=45°。
图4-1格栅的剖面图和俯视图如图
4.1.2调节池
作用：
为了使管渠和构筑物正常工作，不受废水高峰流量或浓度变化的影响，需在废水处理设施之前设置调节池。
设计：
水力停留时间设为6小时；
尺寸为：
10
10
8（m3）
渗沥液量为：
3000
6/24=750（m3）
检验：
调节池体积为10
10
8=800（m3）故满足要求。
采用浆式机械搅拌设备，达到混合均匀的效果。
4.1.3氨吹脱
利用吹脱技术去除填埋场渗沥液中的氨是一项可行的技术，特别适用于建设有填埋气体发电站的场合,其主要优点是占地面积小，氨去除效果好。
氨吹脱一般采用吹脱池和吹脱塔两类设备，但吹脱池占地面积大，而且易造成二次污染，所以氨气的吹脱常采用塔式设备。
采用空气吹脱法。
填料为塑料制格子填料，填料高度为：
6.0m；
布水负荷率：
120m3/（m2·d）；
气水比为：
4000；
空气流速：
1300m/min；
当氨氮浓度在650mg/L以上时，氨氮去除率>95%，设计氨氮去除率为95%。
4.1.4加药混凝
化学混凝所处理的对象，主要是废水中的细小悬浮颗粒和胶体颗粒，大颗粒的悬浮物由于受重力的作用而下沉，可以用自然沉淀法除去；但是，微小粒径的悬浮物和胶体，能在水中长期保持分散悬浮状态，即使静置数十小时以上，也不会自然沉降。
混凝药剂的投加分为干投法和湿投法两种，由于干投法对药剂的颗粒度要求较高，投加量难以控制，劳动强度大。
故本次设计采用湿投法，投加的药剂为硫酸铝稀溶液和PAM（阴离子型）。
使渗沥液的PH值处于弱酸性条件，即PH为6.0~7.0。
机械搅拌混合池采用方形水池，采用机械混合中的桨板式混合，因为它结构简单，加工制造容易。
4.1.4.1药剂及投加量
Al2（SO4）3稀溶液，投加量为2.6g/L；助凝剂PAM，投加量为1g/L。
4.1.4.2沉淀池
混凝沉淀池的设计形式为斜板式；
水力停留时间为0.5h；
渗沥液量为3000/（24
2）=62.5（m3）；
设计尺寸为：
长×宽×高=6×4×3（m3）；
设计CODcr去除率为50%，BOD去除率为30%，SS去除率为70%。
4.1.5预处理后数据
CODCr=12000×（1-50%）=6000mg/L；BOD5=6000×（1-30%）=4200mg/LNH4-N=1000×（1-95%）=50mg/L；SS=2000×（1-70%）=600mg/L
表4-1预处理前后水质参数对照表
水质参数
CODCr（mg/L）
BOD5（mg/L）
NH4-N（mg/L）
SS（mg/L）
预处理前
12000
6000
1000
2000
预处理后
6000
4200
50
600
表4-2不同不溶性COD条件下颗粒和絮状污泥UASB反应器可采用的容积负荷
容积负荷q为10~20kgCOD/（m3·d），本设计取q=15kgCOD/（m3·d）
处理流量：
Q＝3000m3/d。
4.2UASB反应器设计
4.2.1反应器容积计算
因容积负荷本设计取q=15kgCOD/（m3·d）确定，反应器体积可根据：
式中：
V—反应器的有效容积，m3
Q—渗滤液流量，m3/d
S0—进水有机物浓度，gCOD/L或gBOD/L（本设计取COD）
q—容积负荷，kgCOD/（m3·d）
则UASB反应器的有效容积V为：
采用两座相同的UASB反应器则每座反应器的有效容为：
处理水量为：
4.2.2反应器结构尺寸设计
4.2.2.1反应器的高度
选择适当的反应器高度的原则是运行上和经济上综合考虑，从运行方面考
虑反应器高度的选择要考虑如下影响因素：
（1）从经济上反应器高度的选择要考虑如下影响因素:
土方工程随池深增加而增加，但占地而积则相反；高度选择应该使得污水（或出水）可不用或少用提升；
（2）考虑当地的气候和地形条件，一股将反应器建造在半地下减少建筑和保温费用；
（7）最经济的反应器高度（深度）一般是在4~6m之间，并且在大多数情况下这也是系统最优的运行范围。
综上所述，本设计选用反应器高度为H=6.3m其中有效水深h=6m，超高h1=0.3m
则底面积：
4.2.2.2反应器的长和宽
由2.2.3可知，本设计采用矩形池。
有关资料显示，当长宽比在2：
1左右时，基建投资最省。
取长L=14m，宽B=8m
则实际横截面积为：
A1=L×B=14×8=112m2
实际总横截面积为：
A=112×2=224m2
本工程设计中反应器总高：
H=6.3m（超高h1=0.3m）
则单个反应池的容积为：
V=L×B×H=14×8×6=672m3
反应池的总容积为：
V总=672×2=1344m3。
4.2.2.3水力停留时间
水力停留时间为：
表面水力负荷为：
对于颗粒污泥，表面水力负荷q=0.1~0.9m3/（m2·h），故符合设计要求。
4.2.3反应器升流速度
高度确定后，UASB反应器的高度与上升流速之间的关系表达如下：
（1）反应器的高度与上升流速（ν）之间的关系表达如下：
（2）厌氧反应器的上升流速ν=0.1m/h~0.9m/h
对于厌氧（UASB）反应器还有其他的流速关系，如图4-2所示。
对于日平均上升流速的推存值见表4-3，应该注意对于短时间（2h~6h）
的高峰值是可以承受的（即暂时的高峰流量可以接收）。
图4-2UASB中各种流速关系
表4-3UASB允许上升流速（平均日流量）
UASB反应器
Vγ=0.25~3.0m/h
颗粒污泥
Vγ=0.75~1.0m/h
絮状污泥
Vδ≤1.5m/h
絮状污泥
Vδ≤0.8m/h
颗粒污泥
Vα≤12m/h
颗粒污泥
Vα≤3.0m/h
絮状污泥
Vβ=1.0m/h
建议最小值
4.3进水配水系统设计
4.3.1布水点的设置
进水方式的选择应根据进水浓度及进水流量来定，本设计采用连续均匀的进水方式，一管多点的布水方式。
一共设置96个出水孔，每个反应池各48个出水孔。
所取容积负荷为15kgCOD/（m3·d），据资料，每个点的布水负荷面积大于2m2。
每个布水
升级会员 