环境工程UASB反应器概算设计说明书.docx

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环境工程UASB反应器概算设计说明书

环境工程概算设计说明书

UASB厌氧反应器工程设计

一．工程概述

1.1工程背景

厌氧生物处理过程能耗低：

有机容积负荷高，一般为30-50kgCOD/（m3·d），最高可达30-50kgCOD/（m3·d）：

剩余污泥量少；厌氧菌对营养需求低、耐毒性强、可降解的有机物分子量高，耐冲击负荷能力强，产出的沼气是种清洁能源。

在全社会提倡循环经济，关注工业废弃物实施资源化再生利用的今天，厌氧生物处理显然是能够使污水资源化的优选工艺。

近年来，污水厌氧处理工艺发展十分迅速，各种新工艺、新方法不断出现，包括有厌氧接触法、升流式厌氧污泥床、档板式厌氧法、厌氧生物滤油、厌氧膨胀床和流化床，以及第三代厌氧工艺EGSB和IC厌氧反应器，发展十分迅速。

而升流式庆氧污泥床UASB（Up-flowAnaerobicSludgeBed，注：

以下简称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为再生清洁能源一沼气的一项技术。

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，技术己经成熟，正日益受到污水处理业界的重视，得到广泛的欢迎和应用。

1.2基本原理

UASB由污泥反应区、气液固三相分离器（包括沉淀区〉和气室三部分组成。

在底部反应区内存留大量厌氧污泥，具有良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥层。

要处理的污水从厌氧污泥床底部流入与污泥层中污泥进行混合接触，污泥中的微生物分解污水中的有机物，把它转化为沼气。

沼气以微小气泡形式不断放出，微小气泡在上到过程中，不断合井，逐渐形成较大的气泡，在污泥床上部由于沼气的搅动形成一个污泥浓度较稀薄的污泥和水一起上升进入三相分离掘，沼气碰到分离器下部的反射板时，折向反射板的四周，然后穿过水层进入气室，集中在气室的沼气，用导管导出，固液混合液经过反射进入三相分离器的沉淀区，污水中的污泥发生絮凝，颗粒逐渐增大，并在重力作用下沉降。

沉淀至斜壁上的污泥沿着斜壁滑回庆氧反应区内，使反应区内积累大量的污泥，与污泥分离后的处理出水从沉淀区溢流堰上部溢出，然后排出污泥床。

1.3基本出要求

（1）为污泥絮凝提供有利的物理、化学和力学条件，使厌氧污泥获得并保持良好的沉淀性能；

（2）良好的污泥床常可形成一种相当稳定的生物相，保持特定的微生态环境，能抵抗较强的扰动力，较大的絮体具有良好的沉淀性能，从而提高设备内的污泥浓度；

（3）通过在污泥床设备内设置一个沉淀区，使污泥细颗粒在沉淀区的污泥层内进一步絮凝和沉淀，然后回流入污泥床内。

二．工程设计

2.1UASB反应器的有效容积（包括沉淀区和反应区）

设计容积负荷为Nv=5.0kgCOD/（m³/d），进水流量Q=500m³/d，进水COD浓度C0=11200（mg/L），Ce=1680（mg/L）（去除率85%），则有效容积为

式中Q—设计处理流量，m³/d

C0—进出水COD浓度，kgCOD/m³

E—去除率

Nv—容积负荷，5.0kgCOD/（m³/d）

2.2UASB反应器的形状和尺寸

工程设计反应器1座，横截面积为矩形。

1）反应器有效高为h=6.0m，则横截面积：

2）单池从布水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L=16m，则宽

，

实际横截面积为：

。

3）设计反应器总高H=7.5m，其中超高0.5m，

池体总容量为：

，

有效反应容积为：

，符合有机负荷要求。

池体实际尺寸为：

。

UASB反应器体积有效系数：

在70%-90%之间，符合设计规范。

4）水力停留时间（tHRT）及水力负荷（Vr）

根据参考文献，对于颗粒污泥，水力负荷为0.1-0.9

，故符合要求。

2.3三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应小于

，沉淀室底部进水口表面负荷一般小于

。

本工程设计中，与短边平行，沿长边布置13个集气罩，构成6个分离单元。

三相分离器长度：

L1=b=10m

每个单元宽度：

沉淀区沉淀面积即为反应器的水平面积160m2。

沉淀区表面负荷率：

2）回流缝设计

设上下三角形集气罩斜面水平夹角α为55°，取h3=1.3m

式中：

b—单元三项分离器宽度，m；

b1—下三角形集气罩底的半宽度，m；

b2—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；

h3—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：

v1—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；

a1—下三角形集气罩回流缝总面积，m2；

L1—反应器的宽度，即三项分离器的长度b,m；

n—反应器三相分离器的单元数；

为使回流缝水流稳定，固、液分离效果好，污泥回流顺利，一般v1<2m/h。

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b3=CD=0.3m,

式中：

v2—上三角集气罩底边与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；

a2—上三角形集气罩回流缝总面积，m2；

b3—上三角形集气罩回流缝的宽度，m；

假设a2为控制断面Amin，一般其面积不低于反应器面积的20%，V2就是Vmax，同时要满足：

V1

3）气、液分离设计

设AB=0.5m,则

校核气、液分离，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荷率：

。

沿AB方向水流速度：

式中：

b—三项分离器长度，m；

n—反应器三相分离器单元数量；

气泡上升速度：

式中：

d—气泡直径，cm；

ρ1—液体密度，g/cm3；

ρg—沼气密度，g/cm3；

β—碰撞系数，取0.95；

μ—废水动力黏滞系数，

；

ν—液体的运动黏滞系数，cm2；

设气泡直径d=0.01cm，水温为30℃，

，v=0.01cm2/s,β=0.95,

，由于废水动力黏滞系数值比净水的大，取0.02

，

则：

vb=9.58m/h,

故可以除去d大于0.01cm的气泡。

4）三项分离器与UASB高度设计

三相分离区总高度：

h=h2+h3+h4-h5

式中：

h2—集气罩以上的覆盖水深，取0.5m；

则h=0.5+1.3+1.04-0.47=2.37m

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。

2.4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，根据有关资料，颗粒污泥Nv>4kgCOD/m³。

每个布水点服务面积为2-5m2,出水流速2-5m/s，配水中心距池底一般为20-25cm。

2.4.1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15mm，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。

2.4.2布水孔孔径的计算

进水流速为

，

布水孔一共48个，出水流速为2.1m/s，则穿孔孔径：

，取15mm，

本装置采用连续进水方式，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200mm处。

2.4.3验证

温度30℃，容积负荷5.0kgCOD/（m3·d），沼气产率0.4m3/kgCOD，需要满足空塔水流速度u≤1.0m/h，空塔沼气上升速度：

ug≤1.0m/h，

空塔水流速度：

空塔沼气上升速度：

都满足要求。

2.5排泥系统的设计计算

2.5.1UASB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，设平均浓度为20gVSS/L，则一座UASB反应器中污泥总量：

2.5.2污泥产量

厌氧生物处理污泥产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，本工程中取γ=0.08kgMLVSS/kgCOD。

流量Q=500m3/d，进水COD浓度C0=11200（mg/L）=11.2（kg/m3），COD去除率E=85%，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，本次取

，则

（3）污泥含水率98%，当污泥含水率98%时，反应器排泥量为

（4）污泥龄

2.6排泥系统的设计

在距UASB反应器底部100cm和200cm高处各设置两个排泥口，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，排泥管选镀锌钢管DN150mm。

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。

2.7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，且形式与三相分离器及沉淀区设计有关。

2.7.1出水槽设计

反应池有6个单元三相分离器，设出水槽共有6条，槽宽a=0.2m。

反应池流量

，设出水槽槽口附近水流速度为0.2m/s，则槽口附近水深为

。

取槽口附近槽深为0.20m，出水槽坡度为0.01，出水槽尺寸：

。

2.7.2溢流堰设计

出水溢流堰共12条，每条长10m。

设计90°三角堰，堰高50mm，堰口宽100mm，则堰口水面宽50mm。

UASB反应器处理水量5.8L/s，查得溢流负荷范围为1~2L/（m·s），

设计三角堰数：

，取108个

则每条溢流堰三角堰数：

即一个溢流堰上有9个100mm的堰口。

则溢流堰上水面总长为：

溢流负荷f=1.16L/（m·s），在规定范围内。

每个堰处流率：

按90°三角堰计算公式：

则堰上水头：

2.7.3出水渠设计计算

UASB反应器沿长边设一条矩形钢板出水渠，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。

渠口附近水深为：

，以出水槽槽口为基准计算，出水渠渠深：

0.2+0.097=0.297，取0.3m。

出水渠长：

16-16/12+0.1=14.57m。

2.8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

（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。

13根集气管，选通到一根单池主管，管内最大气体流量为

，取管径D=150mm。

资料中的UASB设计案例中，考虑了水封罐，气水分离器和沼气柜容积，本次工程设计中沼气的用途和后续处理尚不确定，因此暂不考虑。

2.9UASB的其他设计考虑

2.9.1取样管设计

在池壁高度上设置5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1.0m位置开始，沿反应器高度方向各管相距1.0m，水平方向各管相距2.0m。

取样管选用DN100mm的钢管，配法兰阀门。

2.9.2人孔

为便于检修，在UASB反应器距地坪1.3m处和顶部中心各设置600mm人孔一个，安装铸铁闸门。

2.9.3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，主要在选择设备和管道材质以及混凝土池体浇筑时采取防腐措施。