式中 —设计流量, ;
—容积负荷,kg/( );
—进水COD浓度,mg/L;
—出水COD浓度,mg/L;
—容积负荷,kg/( )。
则 =
2、UASB反应器的形状和尺寸
据资料,经济的反应器高度一般为4—6m之间,并且在大多数情况下这也是系统优化的运行范围。升流式厌氧污泥床的池形有矩形、方形和圆形。圆形反应器具有结构较稳定的特点,但是建造圆形反应器的三相分离器要比矩形和方形反应器复杂得多,因此本设计选用矩形池。从布水均匀性和经济性考虑,矩形池长宽比在2:1左右较为合适。
设计反应器的有效高度为h=6m,则横截面积S= ㎡
设池长L约为池宽B的两倍,则可取池长L=25m,宽B=13m。
一般应用时反应器装夜量为70%—90%,本工程设计反应器总高度H=7.5m,其中超高0.5m 。
反应器的总容积V=BLH=25×13×(7.5-0.5)=2275 ,有效容积为1930.4 ,则体积有效系数为84.85%,符合有机负荷要求。
3、水力停留时间(HRT)和水力负荷率( )
对于颗粒污泥,水力负荷 =0.1—0.9 ,符合要求
3.6.2.2 进水分配系统的设计
1、布水点设置
进水方式的选择应根据进水浓度及进水流量而定,通常采用的是连续均匀进水方式。布水点的数量可选择一管一点或一管多点的布水方式,布水点数量与处理废水的流量、进水浓度、容积负荷等因素有关。
Lettinga等推荐的UASB反应器进料喷嘴数设置标准见表4.7
由于所取容积负荷为15kgCOD/( d),因此每个点的布水负荷面积大于2 。本次设计池中共设置84个布水点,则每点负荷面积为:
㎡
表4.7 UASB反应器进料喷嘴数设置标准
污泥性质 进水容积负荷/[kgCOD/(m3?d)] 每个进水点负荷面积/m2
密实的絮体污泥度>40kgTSS/m3 <1
1~2
>2 0.5~1
1~2
2~3
密实的絮体污泥度20~40kgTSS/m3 1~2
3 1~2
2~5
颗粒污泥 2
2~4
>4 0.5~1
0.5~2
>2
2、配水系统形式
UASB反应器的进水分配系统形式多样,主要有树枝管式、穿孔管式、多管多点式和上给式4种。本次设计使用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,出水孔孔距也可才用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—4㎡。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。为了使穿孔管出水均匀,要求出口流速不小于2m/s.
进水总管管径取200mm,流速约为1.7m/s。每个反应器中设置7根φ100mm的U形管,每两根之间的距离为2.00m,每根管上有7个配水孔,孔距为1.625m,孔径采用φ15mm,每个孔的服务面积2.00×1.625=3.25m2,孔口向下并与垂线呈45°。
共设置布水孔84个。出水流速μ选为2.34m/s,则孔径为:
本设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,建议进水点距反应器池底200mm—250mm。本工程中设计布水管离UASB反应器底部200mm。
3、上升水流速度和气流速度
本设计中常温下容积负荷 =15kgCOD/( d),沼气产率r=0.3m3/kgCOD,根据接种污泥的不同选择不同的空塔水流和气流速度。如采用厌氧消化污泥接种,需满足空塔水流速度uk≤1.0m/h,空塔沼气上升速度ug≤1.0m/h,如采用颗粒污泥接种,水流速度可以提高至1.0m/h≤uk≤4.0m/h。这里计算按接种消化污泥为依据。则
空塔水流速度:
uk= = =0.194m/h<1m/h,符合要求。
空塔气流速度:
ug= = =0.97m/h<1.0m/h,符合要求。
为COD去除率,取80%。
三相分离器沉淀区固液分离是靠重力沉淀( )达到的,其设计方法与普通二沉池相似,主要考虑两个因素,即沉淀面积和水深。沉淀面积可根据废水流量和沉淀的表面负荷率确定。一般表面负荷率的数值等于水流向上流速 ,该值的大小与需要去除的污泥颗粒的沉降速度 相等,但方向相反,对已形成颗粒污泥的反应器,为防止和减少悬浮层絮状污泥流失,沉淀室内设计日平均表面负荷率小于0.7 。沉淀区进水口的水流上升速度一般小于2 三相分离器中物质流态示意图见图4.4。
图4.4 三相分离器中物质流态示意图
本次设计中,与短边平行,沿长边布置7个集气罩,构成6个分离单元,则设置5个三相分离器,三相分离器单元结构示意图如图4.5所示。
图4.5 三相分离器单元结构示意图
三相分离器的长度为B=13m,每个单元宽度为L=25/6=4.167m。其中沉淀区长度B1=13m、宽度b=3.0m,集气罩顶宽度a=1.167m,壁厚0.2m,沉淀室底部进水口宽度 =1.5m。
沉淀区面积:
=n b=6×13×3.0=234㎡。
沉淀区表面负荷:
<0.7 符合要求。
沉淀室进水口面积:
S2=nBb1=6×13×1.5=117㎡。
沉淀室进水口水流上升速度
<2.0 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度应在45°—60°之间,上部液面距反应器顶部 >0.2m集气罩顶以上的覆盖水深 可采用0.5—1.0m ,沉淀区斜面的高度h3建议采用0.5—1.0m。不论何种形式的三相分离器,其沉淀区的水深≥1.0m,并且沉淀区的水力停留时间以1—1.5h为宜。如能满足上述条件,则可取得良好的固液分离效果。
设计UASB反应器沉淀区最大水深为2m, =0.5m(超高), =0.5m, =1.0m,则倾角: arctan =arctan =46.47°,符合要求。
3、汽液分离设计
如图4.6所示,设计就是要在确定气封 角后,合理选择图中缝隙宽度 和斜面长度BC(主要是MB),以防止UASB消化区中产生的气泡被上升的液流带入沉淀室,干扰固液分离,造成污泥流失。当气泡随液流以速度 沿分离器斜面BC上升时,由于浮力的作用,它同时具有垂直向上的速度 。为了保证气泡不随液流窜入沉淀室,气泡必须在其随液流由B点移至M点时,在垂直方向上移动距离MN。则在分离器设计中,必须慢走一下公式要求:
>
倾角 =60°,r=70°, =0.6m,分隔板下端距反射锥处置距离MN=0.225m,则缝隙宽度 =MNsin =0.225×sin60°=0.195m.
图4.6 三相分离器汽液分离设计
废水总流量为1500 根据资料,设有0.7Q=1050 的废水通过进水缝进入沉降区,另有0.3Q=475 的废水通过回流缝进入沉降区。则
= = =0.846m/h<2.0m/h符合要求。
MC= = =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= = =0.461m
CD=BCsin30°+BDsin20°= =0.408m
则 =CD+MN-MCcos =0.408+0.225-0.346cos60°=0.460m
脱气条件校核。设能分离气泡的最小直径 =0.01cm,35℃下清水运动粘滞系数γ=0.672×10-2cm2/s,废水密度ρ1=1.03g/cm3,气体密度ρg=1.2×10-3g/cm3,气泡碰撞系数 =0.95,则
清水动力粘度 =γ =0.672× ×1.03=0.692× g/(cm s),因处理对象为废水,其动力粘度 一般大于 ,可取 =1.5× g/(cm s),
由斯托克斯公式 = ,则气泡上升速度(可分离的最小气泡)为
= =12.77m/h
验证: = =15.1
= =1.46
可见 > ,合理。
所以,该三相分离器可脱去 ≥0.01cm的气泡,分离效果良好。
4、分隔板的设计
如图4—6所示, =0.6m , =0.5×(b- )=0.5×(3-0.6)=1.2m
经上面计算,气体因受浮力作用,气泡上升速度在进水缝中 =12.77m/h,沿进水缝斜向上的速度分量为 sin =19.16×sin46.47°=9.260(m/h),则进水缝中水流速度应该满足V<9.260m/h,否则水流把气泡带进沉降区。
假设水流速度V刚好等于9.260m/h,前面计算中已设有1050 废水通过回流缝进入沉降区,则三相分离器的进水缝纵截面总面积为:
= = =4.72
共有6组(12条)进水缝,每条进水缝纵截面面积 = = =0.40
进水缝宽度 = = = 0.03(m),应满足 与 相当级数,且 >0.022m , 现设计 =0.15m,则进水缝中水流速度
V= =1.87m/h<9.26m/h,满足设计要求。
Δh= = =0.219m
= tan +△h- =1.2×tan46.47°+0.219-1.0=0.482m.
设进水缝下板上端比进水缝上板下端高出0.2m. 则进水缝下板长度为:
(0.2+ )/sin =(0.2+0.482)/sin46.47°=0.941m
进水缝上板长度为: /sin =1/sin46.47°=1.380m
5、三相分离器与UASB高度设计
三相分离区总高度 h= + + + =0.5+1+0.482+0.46=2.442m
UASB反应器总高度H=6.5m,超高 =0.5m.
据资料,Q一定,相同的COD降解速率下,反应器的有效高度与污泥床高度之比为(3--4):1较为合适,较高的污泥床高度可能引起污泥浓度过大,废水布水不均匀形成污泥脱节现象。反应器的有效高度在任何情况下选用4.5—6m,悬浮层高度3—4m是适宜的。
本次设计中,分离出流区高2.5m,反应区高度4.5m,其中污泥床高2.0m悬浮层高2.5m。
3.6.2.4 排泥系统的设计
由于厌氧消化过程中微生物的不断生长或进水不可降解悬浮固体的积累,必须在污泥床区定期排除剩余污泥,所以UASB反应器的设计应包括剩余污泥的排除设施。
1、 UASB中污泥总量的计算。
高效工作的UASB反应器内,反应区的污泥沿高程呈两种分布状态,下部约1/3-1/2的高度范围内,密集堆积着絮状污泥和颗粒污泥。污泥粒子虽呈一定的悬浮状态,但相互之间距离很近,几乎呈搭接之势。这个区域内的污泥固体浓度高达40-80gVSS/L或60-120gVSS/L,通常称为污泥床层。污泥床层以上约占反应区总高度的1/3-1/2的区域范围内,悬浮着颗粒较小的絮状污泥和游离污泥,絮体之间保持着较大的距离。污泥固体的浓度较小,平均约为5-25gVSS/L或5-30gVSS/L,这个高度范围通常称为污泥悬浮层。
本设计中,反应器最高液面为7m,其中沉淀区高2.5m,污泥浓度为 =0.5gSS/L;悬浮区高1.7m,污泥浓度 =2.0gSS/L;污泥床高3m 污泥浓度 =15.0 gSS/L,则反应器内污泥总量:
M=s +s +s = s( + + )
=321.7×(0.5×2.7+1.7×2.0+3×15)=15844(kgSS)
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。
=0.70
3、产泥量计算
剩余污泥量的确定与每天去除的有机物量有关,当没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X=0.05kgVss/kgCOD, 则产泥量为:
△X=XQ =0.05×1500×20.757×0.93=1448(kgVss/d)
式中 Q—设计处理水量,
—去除的COD浓度,kgCOD/
据资料,小试条件下,白酒废水Vss/ss=0.91,但不同试验规模下Vss/ss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Vss/ss=0.8,则
△ =1448/0.8=1809(kgSS/d)
污泥含水率P为98﹪,因含水率>95﹪,取 =1000kg/ ,则
污泥产量为 =90.45
4、污泥龄的据算
污泥龄
5、排泥系统的设计
一般认为,排出剩余污泥的位置在反应器的1/2高度处,但大都推荐把排泥设备安装在靠近反应器底部,也有人在三相分离器下0.5m处设计排泥管,以排除污泥床上面部分的剩余絮状污泥,而不会把颗粒污泥排走。对UASB反应器排泥系统,必须同时考虑在上、中、下不同位置设排泥设备,应根据生产运行中的具体情况考虑实际的排泥要求,来确定排泥位置。由于反应器的占地面积较大,所以必须进行均布多点排泥,建议每10 设一个排泥点。专设排泥管管径不应小于200mm,以防堵塞。
本次设计在三相分离器下0.5m处设置4个排泥口,排空时由污泥泵从排泥管强排,进水管也可兼作排泥管。
UASB反应器每3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。
3.6.2.5 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,而出水渠每隔一定距离设三角出水堰。本次设计溢流出水槽的分布见图4.7。
图4.7 溢流出水槽的分布
池中设有6个单元三相分离器,出水槽共有6条,槽宽 =0.2m。
反应器流量 q= =0.0174 /s
设出水槽槽口附近,水流速度 =0.2m/s,则
槽口附近水深 =0.0725m,取槽口附近水深 为0.25,出水槽坡度为0.01。
出水槽溢流堰共6条,每条长13m
设计90°三角堰,堰高50mm,堰口宽100mm,则堰口水面宽 =50mm。
UASB处理水量为17.4L/S,溢流负荷为1—2L/(m?s),设计溢流堰负荷为f=1.0 L/(m?s) ,则
堰上水面总长 L=q/f=17.4/1.0=17.4(m)。
三角堰数量 =348(个),则每条溢流堰三角堰数量为290/12=29个,取30个100mm的堰口,30个100mm的间隙。
堰上水头校核:
每个堰出流率为 ,按90°三角堰计算公式 =1.43 ,则
堰上水头为:h= =0.0177(m)
2、 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 =0.8m,坡度0.01.设出水渠渠口附近水流速度 =0.3m/s,则渠口附近水深
=0.0725(m)
考虑渠深应以出水槽槽口为基准计算,所以出水渠渠深 =0.25+0.0725=0.32(m),出水渠的出水直接自流进入CASS反应池。
3、出水管设计计算
UASB反应器排水量为17.4L/S 。选用DN300钢管排水,约为0.42m/s,充满度设计为0.6,设计坡度为0.001.
3.6.2.6 沼气收集系统的设计计算
1、沼气收集系统布置
由于有机负荷较高,产气量大,因此设置一个水封罐,水封罐出来的沼气先通入汽水分离器,然后在进入沼气贮柜。
热量计算:热量计算主要是在厌氧阶段的产热计算,所产生的沼气中甲烷含量 =60%,甲烷的热值 K=23000KJ/ .
沼气主要产生于厌氧阶段,设计产气率为r=0.35 /kgCOD;总产气量为
G=rQ E=0.35×1500×20.757×0.93=10134( /d).
(1)集气室沼气出气管。每个集气罩的沼气用一根集气管收集,共有7根集气管,采用钢管。
每根集气管内最大气流量
据资料,集气室沼气出气管最小直径为DN100,且尽量设置不短于300mm的立管出气,若采用横管出气,其长度不宜小于150mm
本工程中设计集气管直径为DN150,设置500mm立管出气,共7根。
(2)沼气主管。7根集气管先汇入沼气主管,采用钢管沼气主管管道坡度为0.5%。
沼气主管内最大气流量 g=10134/86400=0.117 /s。
主管直径与沼气流量关系为 g=
式中a为充满度,取0.6,则流速 约为0.993m/s
由上式,取沼气主管直径为DN500。
2、水封罐的设计计算
水封罐的作用是控制三相分离器的集气室中汽液两相的界面高度,保证集气室出气管在反应器运行过程中不被淹没,运行稳定并将沼气即时排出反应器,以防止浮渣堵塞等问题的发生。经验表明,水封罐中的冷凝水将有积累,因此在水封罐中有一个排除冷凝水的出口,以保持罐中的水位。
水封高度取1.5m,水封罐面积一般为进气管面积的4倍,则水封罐面积
,水封罐直径取0.8m
3、汽水分离器
汽水分离器起到对沼气干燥的作用,选用 钢制汽水分离器一个,汽水分离器中预装钢丝填料,在汽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。
4、沼气柜容积确定
由上述计算可知该处理站日产沼气10134,则沼气柜容积应为3h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
3.6.2.7 UASB的其他设计考虑
1、取样管设计
在池壁高度方向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,沿池壁高度上设置取样管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DN100钢管,取样口设于距地面1.1m处,配球阀取样。
2、检修
(1)人孔 为便于检修,在UASB反应器距地坪1.0m处设 600mm人孔一个。
(2)通风 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(由鼓风机房来)。
(3)采光 为保证检修时采光,除采用临时灯光外,不设UASB盖顶。
3、防腐措施
厌氧反应器腐蚀比较严重的地反是反应器上部,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。在水平面以下,溶解的CO2会发生腐蚀,水泥中的CaO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。
4、给排水
在UASB反应器布置区设置一根DN32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
(1)UASB反应器的所有电器设施,包括泵、阀、灯等一律采用防爆设备。
(2)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。
(3)保持该区域良好的通风。
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