UASB的设计计算.doc
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UASB的设计计算
6.1UASB反应器的有效容积（包括沉淀区和反应区）
设计容积负荷为
进出水COD浓度，（去除率85%）
V=
式中Q—设计处理流量
C0—进出水COD浓度kgCOD/
E—去除率
NV—容积负荷，
6.2UASB反应器的形状和尺寸
工程设计反应器3座，横截面积为矩形。
（1）反应器有效高为则
横截面积：
单池面积：
（2）单池从布氺均匀性和经济性考虑，矩形长宽比在2：
1以下较合适。
设池长，则宽，设计中取
单池截面积：
（3）设计反应器总高，其中超高0.5
单池总容积：
单池有效反应容积：
单个反应器实际尺寸：
反应器总池面积：
反应器总容积：
总有效反应容积：
符合有机负荷要求。
UASB反应器体积有效系数：
在70%-90%之间符合要求。
（4）水力停留时间（HRT）及水力负荷（）
根据参考文献，对于颗粒污泥，水力负荷故符合要求。
6.3三项分离器构造设计计算
（1）沉淀区设计
根据一般设计要求，水流在沉淀室内表面负荷率沉淀室底部进水口表面负荷一般小于2.0。
本工程设计中，与短边平行，沿长边每池布置13个集气罩，构成6个分离单元，则每池设置6个三项分离器。
三项分离器长度：
每个单元宽度：
沉淀区的沉淀面积即为反应器的水平面积即160
沉淀区表面负荷率：
b
h1
h2
h3
h3
b1 b2
图2.2三项分离器
（2）回流缝设计
设上下三角形集气罩斜面水平夹角为55°，取
式中：
—单元三项分离器宽度，m；
—下三角形集气罩底的宽度，m；
—相邻两个下三角形集气罩之间的水平距离（即污泥回流缝之一），m；
—下三角形集气罩的垂直高度，m；
下三角集气罩之间污泥回流缝中混合液的上升流速:
式中：
—下三角形集气罩之间污泥回流缝中混合液的上升流速，m/h；
—下三角形集气罩回流缝总面积，m2；
—反应器的宽度，即三项分离器的长度b,m；
—反应器三项分离器的单元数；
为使回流缝水流稳定，固、液分离效果好，污泥回流顺利，一般，上三角集器罩下端与下三角斜面之间水平距离的回流缝中水流的流速。
设
式中：
—上三角集气罩下断语下三角集气罩斜面之间水平距离的回流缝中水流的流速，m/h；
—上三角形集气罩回流缝总面积，m2；
—上三角形集气罩回流缝的宽度，m；
假设为控制断面，一般其面积不低于反应器面积的20%，就是，同时要满足：
（3）气、液分离设计由上图2.1知：
设则
校核气、液分离。
如图2.2所示。
假定气泡上升流速和水流速度不变，根据平行四边形法则，要使气泡分离不进入沉淀区的必要条件是：
或
沿AB方向水流速度：
式中：
B—三项分离器长度，m；
N—每池三项分离器数量；
气泡上升速度：
式中：
—气泡直径，cm；
—液体密度，g/cm3；
—沼气密度，g/cm3；
—碰撞系数，取0.95；
—废水动力黏滞系数，g/（cm.s）；
—液体的运动黏滞系数，cm2；
设气泡直径，设水温30。
C，，
，；
由于废水动力黏滞系数值比净水的大，取0.02
则：
可以脱去的气泡
（4）三项分离器与UASB高度设计
三相分离区总高度：
式中：
—集气罩以上的覆盖水深，取0.5m；
则：
UASB总高度H=7.5m，沉淀区高2.5m，污泥床高2.0m，悬浮区高2.5m，超高0.5m。
6.4布水系统的设计计算
反应器布水点数量设置预处理流量、进水浓度，容积负荷等因素有关，有资料知，颗粒污泥每个布水点服务2-5m2,出水流速2-5m/s，配水中心距池底一般为20-25cm。
6.4.1配水系统：
配水系统形式采用多管多孔配水方式，每个反应器设1根D=100mm的总水管，16根d=50mm的支水管。
支管分别位于总水管两侧，同侧每根只管之间的中心距为2.0m，配水孔径取孔距2.0m，每根水管有3个配水孔，每个孔的服务面积孔口向下。
6.4.2布水孔孔径的计算：
流速=
布水孔个，出水流速为，则孔径为：
取
本装置采用连续进料方式，布水口向下，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，
为了污泥和废水之间的接触，减少底部进水管的堵塞，建议进水点距反应底部200~300mm，本工程设计采用布水管离UASB底部200mm处。
布水管设置在距UASB反应器底部处。
6.4.3验证
温度30℃，容积负荷，沼气产率，满足空塔水流速度，空塔沼气上升速度：
空塔水流速度：
满足要求。
空塔气流速度：
满足要求。
式中C0—进水COD的浓度
—COD的去除率，80%
6.5排泥系统的设计计算
6.5.1UASB反应器中污泥总量计算
一般UASB污泥床主要由沉降性能良好的厌氧污泥组成，平均浓度为，则一座UASB反应器中污泥总量：
6.5.2污泥产量
厌氧生物处理污泥产量取，剩余污泥量的确定与每天去除的有机物量有关，当设有相关的动力学常数时，可根据经验数据确定，一般情况下，可按每去除1kgCOD产生0.05~0.10kgVSS计算，本工程取。
流量，进水COD浓度，COD去除率，则
（1）UASB反应器的总产泥量
（2）不同试验规模下是不同的，因为规模越大，被处理的废水含无机杂质越多，因此取，则
单池产泥
（3）污泥含水率98%，当污泥含水率〉95%时，取
则污泥产量：
单池排泥量：
（4）污泥龄
6.6排泥系统的设计
在距UASB反应器底部100cm和200cm高处个设置两个排泥口，共4个排泥口。
排泥时由污泥泵从排泥管强排。
反应器每天排泥一次，各池的污泥由污泥泵抽入集泥井中，排泥管选钢管DN150mm。
由计算所得污泥量选择污泥泵，型号为：
WQK25—15—3污泥泵，
主要性能：
流量：
Q=25m3/h；扬程：
H=15m；电机功率：
P=3Kw；数量：
2台；
用两台泵同时给两组反应器排泥，设每天排泥一次
6.7出水系统设计计算
出水系统的作用是把沉淀区液面的澄清水均匀的收集并排出，出水是否均匀对处理效果有很大的影响且形式与三向分离器及沉淀区设计有关。
6.7.1出水槽设计
对于每个反应池有6个单元三项分离器，出水槽共有6条，槽宽0.2m
6.7.2单个反应器流量：
6.7.3出水槽
设出水槽槽口附近水流速度为0.2
则槽口附近水深
取槽口附近槽深为0.20m，出水槽坡度为0.01，出水槽尺寸：
，出水槽数量为6座。
6.7.4溢流堰设计
出水溢流堰共有12条（6），每条长10。
设计90°三角堰，堰高50，堰口宽100，则堰口水面宽50。
每个UASB反应器处理水量5.8，查得溢流负荷为
设计溢流负荷为，则溢流堰上水面总长为：
三角堰数：
个取140个
每条溢流堰三角堰数：
个
一个溢流堰上共有14个100mm的堰口，10个1000mm的间隙。
堰上水头校核
每个堰处流率：
按90°三角堰计算公式：
则堰上水头：
6.7.5出水渠设计计算
UASB反应器沿长边设一条矩形出水渠，6条出水槽的出水流至此出水渠，设出水渠宽0.3m，坡度0.001，出水渠渠口附近水流速度为0.2m/s。
渠口附近水深：
以出水槽槽口为基准计算，出水渠渠深：
里出水渠渠口最远的出水槽到渠口的距离为：
出水渠长为：
14.75+0.1=14.85
出水渠尺寸：
向渠口坡度为：
0.001
6.7.6UASB排水管设计
Q=17.36L/s,选用D=150mm的钢管排水，充满度为0.6，设计坡度为0.001，管内水流速度为v=1.02m/s
6.8沼气收集系统设计计算
（1）沼气主要产生于厌氧阶段，设计产气率取
总产气量：
则单个UASB反应器产气量：
（2）集气管：
每个集气罩的沼气用一根集气管收集，单个池子共有13根集气管，每根集气管内最大流量
根据资料，集气室沼气出气管最小直径d=100mm本设计中取100mm，结构图2.3如下：
（3）沼气主管：
每池13根集气管，选通到一根单池主管然后再汇入两池沼气主管，采用钢管，单池沼气主管道坡度为0.5%。
则单池沼气主管内最大气流量：
，充满度设计值为0.7。
则流速：
图2.3UASB集气罩
（4）管内最大气流量：
取D=200mm;充满度0.6;流速v=
6.9水封罐设计
水封罐主要是用来控制三项分离器的集气室中气、液两相界面高度的，因为当液面太高或波动时浮渣或浮沫可能会引起出气管的堵塞或使气体部分进入沉降室，同时兼有隔绝和排除冷凝水作用，每一反应器配一水封罐。
6.9.1水封高度
取H=
式中—反应器至储气罐的压头损失和储气罐的压头
为保证安全取储气罐内压头，集气罩中出气气压最大取2m,储气罐内的压强为400mm，则H=2-0.4=1.6m
取水封高度为2.5m,直径为1500mm,进水管、出气管各一根，D=200mm.
进水管、放空管各一根，D=50mm,并设液面计。
6.9.2气水分离器
气水分离器起到对沼气高燥的作用，选用钢制气水分离器4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，在分离器出气管上装设流量计及压力表。
6.9.3沼气柜容积确定
由上送股计算知该处理中日产沼气5712=238，则沼气柜容积应为4h产气量的体积来确定，即
设计选用300钢板水槽内导轨湿式贮气柜，尺寸为：
。
6.10UASB的其他设计考虑
6.10.1．取样管设计
在池壁高度上设置若干个取样管，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1.1~1.2m位置，沿池壁高度上设置4根，沿反应器高度方向各管相距0.8m，水平方向各管相距2.0m。
取样管选用DN100mm的钢管，取样口设于距地面1.1m处，配球阀取样。
6.10.2检修
（1）人孔
为便于检修，在UASB反应器距地坪1.0m处设置人孔一个
（2）风
为防治部分容重过大的沼气在UASB反应器内聚集，影响检修和发生危险，检修时可向UASB反应器中通入压缩空气，因此在UASB一侧预埋压缩空气管（由鼓风机房引来）
（3）采光
为保证检修时采光，除采用临时灯光外，不设UASB预盖。
6.10.3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，此处无论是钢材或是水泥都会被损坏，因此，UASB反应器应重点进行顶部的防腐处理。
在水平面以下，溶解的会发生腐蚀，水泥中的会因为碳酸的存在而溶解。
沉降斜面也会腐蚀，为了延长反应器的使用寿命，反应器的防腐措施是必不可少的。
本次设计中，反应器上部2m以上池壁用玻璃钢防腐，三相分离器-所有裸露的碳钢部位用玻璃钢防腐。
1.12.6UASB反应池的设计计算
1.1.12.6.1设计参数
①设计流量100m3/d；
②进水COD=19000mg/L，去除率为75%；
③容积负荷NV=5kgCOD/（m3.d）；
④污泥产率为0.1kgMLSS/kgCOD；
⑤产气率为0.4m3/kgCOD；
1.1.22.6.2UASB反应器结构尺寸计算
①反应器容积计算（包括沉淀区和反应区）
UASB有效容积为：
式中V有效—反应器有效容积，m3；
Q—设计流量，m3/d；
S0—进水有机物浓度，kgCOD/m3；
--COD去除率，%；
NV--容积负荷，kgCOD/（m3.d）；
②UASB反应器的形状和尺寸，
本工程设计单座反应器，由于圆形池子布水均匀，处理效果好，所以横截面设为圆形；
反应器有效高度h1=7m，则
横截面积
反应器直径，取7.5m
则池子横截面积：
水力停留时间（HRT）
水力负荷，符合要求。
1.1.32.6.3三相分离器构造设计
三相分离器的设计主要包括沉淀区、回流缝、气液分离器的设计。
①沉淀区设计
沉淀区的沉淀面积即为反应器的水平面积，即S1=45m2。
沉淀区的表面负荷率
②回流缝设计
设上下三角形集气罩斜面水平夹角，上三角形集气罩的的顶角为，取；则
式中—下三角集气罩水平宽度，m；
--下三角形集气罩斜面的水平夹角；
--下三角形集气罩的垂直高度，m；
则相邻两个下三角形集气罩斜面之间的水平距离
则下三角形回流缝面积为
下三角形集气罩之间的污泥回流缝中混合液的上升流速（）可用下式计算：
，符合设计要求。
设上三角形集气罩下端与下三角斜面之间水平距离的回流缝的宽度b3=CD=0.8m,上集气罩下底宽CF=4.6m，则上三角形回流缝面积为：
则，符合设计要求。
确定上下三角形集气罩相对位置及尺寸，如图:
又
由上述尺寸可计算出上集气罩上底直径为：
。
③气液分离设计
由斯托克斯公式可得气体上升速度为：
式中—气泡直径，cm;
--液体密度，g/cm3;
--沼气密度，g/cm3;
--碰撞系数，取0.95；
--废水的动力粘滞系数，;
--液体的运动粘滞系数，cm2/s
一般废水的大于净水的，故取=
则，,
，故满足要求。
④三相分离器与UASB高度设计
图2-4三相分离器设计计算草图
三相分离区总高度
为集气罩以上的覆盖水深，取0.5m,
UASB总高度H=9.0m，悬浮区4.16m,沉淀区高度2.84m,污泥区高1.5m，超高h1=0.5m。
⑤管道设计
设进水管流速为0.4m/s,则进水管管径为：
，取φ80mm，
设出水管流速为0.4m/s,则，出水管管径为：
，取80mm。
1.1.42.6.4布水系统设计计算
①本配水系统采用圆形布水器，共设36个不水点，每个布水孔直径为φ10mm，采用连续进水。
②圆环直径计算：
每个孔口服务面积，在1~3m2之间，符合设计要求。
可设三个圆环，最里面的圆环设6个孔口，中间设12个，最外围设18个。
图2-5UASB布水系统示意图
、内圈6个孔口设计
服务面积：
折合为服务圆的直径为：
，
用此直径做一虚圆，在该虚圆内等分虚圆面积设一实圆环，其上布6个孔口，则圆的直径计算如下：
;则;
每间隔600布设一个布水点。
、中圈12个孔口设计
服务面积：
折合为服务面积圆直径为：
中间圆环的直径如下
则；
每间隔300布设一个布水点。
、外圈18个孔口设计
服务面积：
折合为服务面积圆直径为：
则外圆环的直径计算如下：
则。
每间隔200布设一个布水点。
③布水管的设计计算
总进水管的管径为DN80mm，而水量为100t/d,布水支管共设6根，每根管长为3.3m，均匀布开，布水支管内的水流速为0.4m/s,则每根布水支管的的直径为：
，取φ32mm。
1.1.52.6.5排泥系统设计计算
①UASB反应器中污泥总量计算
一般UASB污泥床主要由沉降性能良好的厌氧污泥组成，平均浓度为15gVSS/L,则UASB反应器中污泥总量：
。
②产泥量计算
厌氧生物处理污泥产量取：
r=0.1kgMLSS/kgCOD
UASB反应器总产泥量：
，
式中--UASB反应器产泥量，kgVSS/d;
r—厌氧生物处理污泥产量，kgVSS/kgCOD;
C0—进水COD浓度,kg/m3;
E—去除率，本设计中取80%。
据VSS/SS=0.8,
污泥含水率为p=98%，当含水率大于95%，取，则
污泥产量,
污泥龄。
③排泥系统设计
在UASB三相分离器下0.5m和底部0.4m高处，各设一个排泥口，共两个排泥口，每天排泥一次，排泥管的直径为DN150mm。
2.6.6出水系统设计计算
出水系统的作用是把沉淀区液面的澄清水均匀的收集并排出，出水是否均匀对处理效果有很大的影响。
①出水槽设计单设一个沿着圆形池子内壁的出水槽，设槽宽取u=0.1m，出水槽口附近水流速度为=0.15m/s,
出水槽附近水深
取槽口附近水深为0.2m，出水槽坡度为0.01；出水槽尺寸：
，
②溢流堰设计
出水设三角堰，堰高50mm,堰上水头取，则
每个三角堰的流量：
；
三角堰个数：
设计取76个；
三角堰中心距：
。
1.1.62.6.7沼气收集系统的设计计算
①沼气产量计算
设计沼气产率取,
每日总产气量：
，
集气管：
每个集气罩的沼气用一根集气管收集，每根集气管内最大气流量：
取，充满度为0.6，管内流速为。
②水封罐设计
水封罐主要是用来控制三相分离器的集气室中气液两相界面高度，因为液面太高或波动是，浮渣或浮沫可能会引起出气管的堵塞或使气体部分进入沉降室，同时兼有排泥和排除冷凝水作用。
水封高度：
式中--反应器至贮气罐的压头损失和贮气罐内的压头，为保证安全取贮气罐内压头，集气罩中出气气压最大取2,贮气罐内压强为400mm。
水封罐：
水封高度取1.5m，水封罐面积一般为进气管面积的4倍，则
水封罐直径取0.3m。
③气水分离器
气水分离器起到对沼气干燥的作用，选用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，在分离器出气管上装设流量计及压力表。
④沼气柜容量确定
由上述计算可知该处理站日产沼气570m3,则沼气柜容量应为2h产气量的体积确定，即
，取50m3
设计选用300钢板水槽内导轨湿式储气柜，尺寸为。
⑤沼气燃烧器
正常情况下，沼气全部送入沼气柜储存，事故状态可启动沼气燃烧器燃烧处理。
来自于沼气稳压柜的沼气流向一个最大燃烧能力为70m3/h的沼气燃烧器。
沼气燃烧器的操作由沼气稳压柜的气位自动控制。
沼气燃烧器的操作由一个辅助燃烧器（由电磁阀控制）、一个主燃烧器、一套点火器和温度传感器构成。
在正常工作状态下主燃烧器管道上的手动阀常开，一旦沼气压力达到某个设定值，辅助燃烧器电磁阀打开，点火器即点火，如果温度探头检测到高温，说明点火火苗在燃烧。
如果沼气稳压柜的气位达到某个水平，点火阀自动打开，点火器自动开启。
如果沼气稳压柜气位达到主阀开启位水平时，沼气燃烧器主阀自动打开，沼气由点火火苗点燃，然后沼气稳压柜气位缓慢下降到某个水平，沼气燃烧器主阀会自动关闭，而点火火苗始终保持燃烧。
1.23.3UASB反应器
UASB（升流式厌氧污泥床）:
粮食类加工的工艺废水其CODcr、BOD5，浓度较高，若采用好氧生物处理，不仅构筑物容积大，增加投资费用，而且日常的操作费用也较高。
因而采用厌氧处理技术，这样不仅节省了好氧处理的运行费用，还可以产生沼气二次能源进行利用。
UASB反应器主要从完善三相分离器的结构来提高有机污染物的去除效果。
UASB是集生物反应与沉淀于一体的一种结构紧凑、效率高的厌氧反应器。
为了满足池内厌氧状态防止臭气散逸，UASB池顶上部采用盖板密封，出水管和出气管分别设置水封装置，池内所有管道、三相分离器和池壁均做防腐处理。
UASB系统的原理是在形成沉淀性能良好的污泥絮凝体的基础上，并结合在反应器内设置污泥沉淀系统，使气相、液相和固相三相得到分离。
形成和保持沉淀性能良好的污泥（可以是絮状污泥或颗粒型污泥）是UASB系统良好的运行的根本点。
UASB反应器与其他大多数厌氧生物处理装置不同之处就是：
废水由下向上流过反应器，污泥无需特殊搅拌设备；反应器顶部装有三相（气、液、固）分离器。
其最大突出特点是能在反应器内实现污泥颗粒化，颗粒污泥的直径一般为0.1～2cm，相对密度为1.04～1.08，具有良好的沉淀性能和很高产甲烷活性。
污泥颗粒化后，反应器内污泥的平均浓度可达50gVSS/L左右，污泥龄一般在30天以上，而反应器水力停留时间比较短，所以UASB反应器具有很高的容积负荷。
UASB反应器的外形和结构材料
反应器的形状与尺寸
UASB反应器的断面形状一般为矩形或圆形。
这两种类型的反应器都已大量应用于实际中。
圆形反应器的建造费用比具有相同面积的矩形反应器至少要低12%。
但是圆形反应器的这一优点，仅在采用单个池子才突出。
所以采用单个和小的UASB反应器时，应建造圆形池子。
而大的反应器经常建成矩形或方形的。
当建两个或两个以上反应器时，矩形反应器可以采用公用壁。
当采用钢结构时，常采用圆形断面，当采用钢筋混凝土结构时，常采用矩形断面。
由于三相分离器构造要求，采用矩形断面便于设计加工。
UASB反应器容积（包括沉淀区和反应区）有3种设计方法，但是，负荷设计法是主要的。
UASB反应器的最经济的高度（深度）为4~6m，并且在大多数情况下这也是系统最优的运行范围。
进水容积负荷一般不超过5kgCOD/（m3·d）。
本次设计采用6座矩形UASB反应器。
（一）UASB反应器的组成
（1）进水配水系统
该系统功能主要是将废水均匀地分配到整个反应器，并具有进行水力搅拌的功能，这时候反应器高速运行的关键之一。
它由布水管和不水管嘴组成。
由于废水是以多点股流的方式流入的，在反应器的一定范围内，不可避免围绕每一布水点形成局部的纵向横流。
一般而言，一定强度的纵向环流能促进反应区污泥床层底部颗粒污泥的翻腾打旋，促进水污染与污泥粒子的充分接触，强化反应速率；同时，也有利于底层颗粒污泥上黏附的微小气泡脱离，防止其浮升于悬浮层，减小污泥固体的流失量。
但是，这种由布水股流引起的纵向环流如果太剧烈，将会引起恶果：
一方面，会破坏污泥床层的宏观稳定性，增大悬浮层的污泥浓度，增加污泥流失几率，另一方面，一部分进水会迅速穿过污泥床层，直接进入悬浮层，造成严重的短流现象，恶化出水水质。
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）、连续式、连续与间歇会流向结合进水等几种方式。
从布水管的形式有一管多孔、一管一孔和分枝状等多种形式。
反应器布水点数量设置与处理流量、进水浓度、容积负荷等因素有关。
（2）反应区
反应区是UASB反应器的工作主体，其中装满高活性厌氧生物污泥，上部为悬浮污泥层，下部为污泥床，，用于生物吸附和降解可生化的有机污染物。
共分3个功能区，即底部的布水区，中部的反应区，顶部的分离出水区。
反应区内的厌氧微生物存在3种状态：
①游离的单个菌体；②聚集成微笑絮体的菌体；③聚集成较大的颗粒的菌体。
高效工作的UASB反应器内，反应区的污泥眼高程呈两种分布状态。
下部约1/3~~1/2的高度范围内，密集堆存着絮体污泥和颗粒污泥，污泥粒子虽呈一定的悬浮状态，但相互之间距离很近，几乎成搭接之势。
这个区域内的污泥固体浓度高达40~80g（VSS）/L，或60~120g（SS）/L，通常称成为污泥床层，是对废水中的可生化性有机物进行生物处理（吸附和降解）的主要场所。
被降解的有机物中，大约70%~90%是在这个区域内完成的。
污泥床层以上约占反应区总高度2/3~1/2的区域，悬浮着粒径较小的絮体污泥和游离污
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