升流式厌氧污泥层反应器的设计.docx

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升流式厌氧污泥层反应器的设计

升流式厌氧污泥层反应器的设计

UASB反应器应用于生产的历史尚较短，对生产实践经验的总结不多，还不能提出完整的工程设计方法，尚街进一步总结和得高，本节将根据现有的有关资料提出有关UASB反应器的设计方法。

UASB反应器设计的主要内容有下列几项：

首先根据处理废水的性质选定适宜的池型和确定有效容积及其主要部位的尺寸，如高、直径、长宽比等。

其次，设计进水配水系统、出水系统和三相分离器。

此外，还要考虑排泥和刮渣虑系统。

下面分别加以叙述。

1、UASB反应器容积及主要构造尺寸的确定

UASB目前反应器有效容积（包括沉淀前区和反应区）均采用进水容积负荷法进行确定，即：

QS0

V=0

Vv

式中：

V—反应器，有效容积m3;

Q—废水流量，m3/d;

So—进水有机物浓度，gCOD/L或gBOD5/L

NV—容积负荷kgCODBOD5/（m3•d）

容积负荷值与反应器的温度、废水的性质和浓度有关，同时与反应器内是否形成颗粒污泥也有很大关系。

对某种废水，反应器的容积负荷一般应通过试验确定，如何同类型的废水处理资料，可以作为参考选用。

食品工业废水或与其性质相似的其他工业废水，采用UASB反应器处理，在反应器内往往能够形成

厌氧颗粒污泥，不同反应温度下的进水容积负荷可参考表3-19-10所列数据确定，COD去除率一般可

达80-90%。

但如果反应器内不能形成厌氧颗粒污泥，而主要为絮状污泥、则反应器的容积负荷不可能很高，因为负荷高絮状污泥将会大量流失。

所以进水容积负荷一般不超过5kgCOD/（m3•d）。

表3-19—10不同温度的设计容积负荷

温度（C）

设计容积负荷[kgCOD/（m3•d）]

高温（50-55）

20-30

中温（30-35）

10-20

常温（20-25）

5-10

低温（10-15）

2-5

反应器的有效高度通常应通过试验确定。

现行生产性装置的有效高度常采用4-6m。

低浓度废水、

水力停留时间较短，常采用较小的高度，浓度较高的废水水力停留时间长，则常采用较大的反应器高度。

确定反应器有效高度后，就可以求定反应器的总水平面积，进而确定直径和长宽比。

为了运行的灵活性，同时考虑维修的可能，一般设二座或二座以上反应器。

由于反应器的水平面积一般与三相分离器的沉淀面积相同，所以确定的水平面积必须用沉淀区的表面负荷来校核，如不适合，则必须改变反应器的高度或加大三相分离器沉淀区的面积。

2、进水配水系统的设计

进水配水系统兼有配水和水力搅拌的功能、所以必须满足以下各项要求：

1进水必须在反应器底部均匀分配，确保各单位面积的进水量基本相同，以防止短路或表面负荷不均匀等现象发生。

2应满足污泥床水力搅拌的需要，要同时考虑水力搅拌与产生的沼气搅拌，怄达到完全混合的效果，确保进水有机物与污泥迅速混合，防止局部产生酸化现象。

UASB反应器进配水系统有多种形式，但多属专利，具体设计数据未公开，配水系统的形式有以下几种：

（1）树枝管式配水系统

如图3-19-25所示，为了配水均匀一般采用对称布置，各支管出水口向下距池底约20cm，位于所

服务面积的中心。

管口对准的池底所设的反射锥体，使射流向四周散开，均布于池底，一般出水口直径采用15-20mm，每个出水口服务面积为2-4m2。

这种形式的配水系统的特点是比较简单，只要施工安

装正确，配水能够基本达到均匀分布的要求。

（2）穿孔管配水系统

如图3-19-26所示。

为了配水均匀，配水管中心距可采用1.0-2.0m，出水孔距也可采用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，每个出水孔服务面积一般为2-4m2。

配水管的直径最好不小于100mm，配水管中心距池底一般为20-25cm。

为了使穿孔管各孔出水均匀，要

求出水流速不小于2m/s，使出水孔阻力损失大于空孔管的沿程阻力损失，为了增大出水孔的流速，可采用脉冲间歇进水。

（3）多点多管配水系统

如图3-19-17所示。

此种配水系统的特点是一根配水管只服务一个配水点，配水管根数与配水点数相同。

只要保证每根配水管流量相等，则即可达到每个配水点流量相等的要求。

一般多采用配水渠道通过三角堰把废水均匀流入配水管的方式。

也有在反应器不同高度设置配水管和配水点。

国外有些专利采用脉冲配水器，每根管是间歇进水的，但整个反应器是连续进水的。

图3-19-17多点多管配水系统

配水系统的形式确定后，就可进行管道布置、计算管径和水头损失，根据水头损失和反应器（或配水

渠）水面主调节池（或集水池）水面高程差计算进水水泵所需的扬程，可以选择合适的水泵。

3、三相分离器设计

（1）三相分离器的基本构造三相分离器的型式是多种多样的，但其三项主要功能均为：

气液分离、固液分离和污泥回流三个功能：

主要组成部分为气封、沉淀区和回流缝。

图3-19-28所示为三相分离器的基本构造形式。

图3-19-28三相分离器的基本构造

图3-19-28中的a式构造简单，但泥水分离的情况不佳，在回流缝同时存在上升和下降两股流体，相互干扰，污泥回流不通畅。

c式也存在类似情况。

b式的构造较为复杂，但污泥回流和水流上升互不干扰，污泥回流通畅，泥水分离效果较好，气体分离效果也较好。

（2）三相分离器的布置形式

三相分离器有多种多样的布置形式，下面将列出常用的几种形式于容积较大的UASB反应器，往往有若干个连续安装的三相分离器系统，如图3-19-29所示。

（3）三相分离器的设计方法

三相分离器的设计可分为三个内容：

沉淀区设计、回流缝设计和气液分离设计。

本节将以图3-19

-28c为例来说明设计计算方法。

图3-19-30为三相分离器设计计算断面的几何关系图。

图3-19-30三相分离器的布置形式

①沉淀区设计：

三相分离器沉淀区的设计方法与普通二次沉淀池的设计相似，主要考虑两项因素，即沉淀面积和水深。

沉淀区的面积根据废水量和沉淀区的表面负荷确定，由于在沉淀区的厌氧污泥与水中残余的有机物尚能产生生化反应，有少量的沼气产生，对固液分离有一定的干扰。

这种情况在处理高浓度有机废水时可能更为明显，所以建议表面负荷一般应v1.0m3/（m2・h）。

图3-19-29c形式三相分离

器集气罩（气室）上的复盖水深可采用0.5-1.0m,集气罩斜面的坡度应采用55°-60°，沉淀区斜面（或斗）

的高度建议采用0.5—1.0m。

不论何种形式三相分离器，其沉淀区的总水深应》1.5m，并保证在沉淀区的

停留时间介于1.5-2.0h。

如能满足上述条件，则可取得良好的固液分离效果。

②回流缝设计：

由图3—19—30可知，三相分离器由上、图3—19—29所示的几何关系可得：

b1=h3/tg0

F二组重叠的三角形集气罩所组成，根据

式中:

1

6——下三角形集气罩底的宽度，m;

2

0--下三角形集气罩斜面的水平夹角，一般可采用h3——下三角形集气罩的垂直高，

b2=b-2b1

b2——相邻二个下三角形集气罩之间的水平距离，

55°—60°;

式中：

--单元三相分离器的宽度，

下三角形集气罩之间的污泥回流缝中混合液的上升流速

Q

V1=

S1

:

V1-—回流缝中混合液上升流速，m/h;

Q――反应器设计废水流量，m3/h;

S1――下三角形集气罩回流缝的总面积，m2,其值可用下式表示：

S1=b2xlxn

:

I——反应器的宽度，即三相分离器的长度，

n——反应器的三相分离器单元数。

为了使回流缝的水流稳定，污泥能顺利地回流，建议流速

上三角形集气罩与下三角形集气罩斜面之间回流缝的流速

V2=q/s2

式中：

S2――上三角形集气罩回流缝的面积，

S2=cxlx2n

式中：

c——上三角形集气罩回流缝的宽度，

CE,建议CE>0.2m。

为了使回流缝和沉淀区的水流稳定，确保良好的固液分离效果和污泥的顺利回流，要求满足下列条件：

m，即污泥的回流缝之一;

式中:

式中:

m。

（Vi）可用下式计算:

m；

vi<2m/h。

（V2）可用下式计算:

m2，可用下式表示:

m,即为图3-19-30中的c点至AB斜面的垂直距离

v2

③气液分离设计：

由图3—19—30可知，欲达到气液分离目的，上下二组三角形集气罩的斜边必须重叠，重叠的水平距离（AB的水平投影）越大，气体分离效果越好，去除气泡的直径越小，对沉淀固液分离效果的影响越小。

所以，重叠量的大小是决定气液分离效果好坏的关键。

由图3—19—30可知，由反应区上升的水流从下三角形集气罩回流缝过渡到上三角形集气罩回流缝再进入沉淀区，其水流状态比较复杂。

当混合液上升A点后将沿着AB方向斜面流动，并设流速

时假定A点的气泡以速度vb垂直上升，所以气泡的运动轨迹将沿着va和vb合成速度的方向运动，速度合成的平行加边形法则，则有：

二_ADBC

aABAB

要使气泡分离后进入沉淀区的必要条件是：

二ADVaAB

气泡上升速度（vb）与其直径、水温、液体和气体的密度、废水的粘滞系数等因素有关。

当气泡的直径很小（d<0.1mm）时，在气泡周围的水流呈层流状态，Re<1，这时气泡的上升速度可用斯笃克斯

分式计算。

即：

是：

-AB」

制j^2

式中Vb—气泡上升速度，cm/s;

a，同

根据

（Stokes）

d—气泡直径，cm;

pi—废水密度，g/cm3；

pg—沼气密度，g/cm3；

g—重力加速度，cm/s2；

—废水的动力粘滞系数，g/（cm•s）；

=VP1

v—废水的运动粘滞系数，cm?

/s;碰撞系数，可取-.95。

4.出水系统的设计

出水的均匀排除也是保证反应器均匀稳定运行的关键，尤其对固液分离的影响较大。

UASB反应器

的出水槽布置与三相分离器沉淀区设计有关，通常每个单元三相分离器设一个出水槽，常用的两种布置形式，如图3-19-31（a）所示。

出水槽宽度常采用20cm，深度则计算确定。

图3-19-31（b）所示出槽的特点是出水槽与三相分离器集气罩成一整体，有助于实现装配化，简化加工和安装过程。

当UASB反应器为封闭式时，总出水管必须通过一个水封，以防漏气和确保厌氧条件。

当处理的废水中含有蛋白质和脂肪或含有大量悬浮固体时，出水一般也挟带有大量悬浮固体或漂浮污泥，为了减少出水悬浮固体量，在出水槽前设置挡板，这样可减少出水中悬浮固体数量，有利于提高出水水质。

5.浮渣清除系统设计

在处理含蛋白质或脂肪较高的工业废水时，这些化合物的存在会促进泡沫的产生和污泥的漂浮，在集气室和反应器的液面可能形成一层很厚的浮渣层，对正常运行会带来一些问题，如阻碍沼气的顺利释放，或堵塞出气管，导致部分沼气从沉淀区逸出，干扰了沉淀区的沉淀效果，为了清除浮渣层，必须设置专门的清除设备或采取预防措施。

在沉淀区液面产生的浮渣层，可用刮渣机清除，它们的构造与沉淀池和气浮池的刮渣机相同。

在气室形成的浮，渣难于清除，可用定期进行循环水或沼气反冲等方法减少或去除。

这时必须设置冲洗管和循环水泵（或气泵）。

6.排泥系统设计

UASB反应器污泥床区均匀排泥也是使反应器正常工作的重要因素，因为大型反应器一般都不设污泥斗，池底面积又较大，所以不宜集中在一点排泥，否则污泥床区的污泥分布不均匀，在排泥口附近的污泥浓度会大大降低，从而影响该处出水的处理效果，因此必须进行均匀的多点排泥。

排泥点设多少合适，尚有待于在实践中总结，建议每10m2设一个排泥口。

当采用穿孔管配水系统时，同时肥穿孔管兼作

1

排泥管是较为适宜的。

专设排泥管管径一般不小于200mm，以防堵塞。

为了运行方便，可在反应器高-

2

处或三相分离器下0.5m处再设一个排泥口。

沿反应器高度均匀地设5-6个污泥取样管。

7.其他设计应考虑的问题

UASB反应器加热和保温的设计与计算方法可参阅本章§19.2节消化池设计的的有关部分。

UASB反应器沼气的收集、贮存和利用的设计计算也可参阅本章§19.2节有关部分。

UASB反应器的各部分应采取相应的防腐措施，以延长反应器的使用寿命。

一3一

［例］某工业废水的流量为2600m/d,废水的COD为2200mg/L,SS为700mg/L,pH6—7,水温为

20-25C，要求处理后COD<500mg/L,SS<500mg/L。

试采用UASB反应器处理并进行设计计算。

［解］

经过类比调查，已知在常温条件下UASB反应器的进水容积负荷为6.0kgCOD/（m3•d）,COD和SS的去除率分别为85%和70%,沼气产率为0.4m3（沼气）/kgCOD（去除）。

污泥的表现产率为0.05kgVSS/kgCOD（去除）、VSS/SS=0.8,UASB的有效高度为4.6m。

（1）处理后出水水质计算出水COD浓度为：

2200x（1—0.85）=330mg/L（<500mg/L）

出水SS浓度为：

700x（1—0.70）=210mg/L（<500mg/L）

当采用UASB反应器处理，COD和SS两项指标均匀可满足排入城市排水系统的要求。

（2）

UASB反应器有效容积及主要部位尺寸的确定：

根据（3.19.48）式，UASB反应器的有效容积为：

上三角形集气罩回流缝中的流速（V2）（=Va）的计算：

设上三角形集气罩回流缝的宽度c=0.42m，根据（3.19.54）式缝隙总面积（S2）为:

S2=exLxn=0.42x7.2x12=36.29m2

108.3

v2=va==1.49m/h

2x36.29

符合V2（Va）

h4

已知BC=CE/sin35°=0.42/0.5736=0.73m，取AB=0.4m，上三角形集气罩的位置即可确定，其高为：

h4=,ABCOS55”+学tg55°

x1.4281=0.84m

已知上三角形集气罩顶的水深为0.5m，则上、下三角形集气罩在反应器内的位置已确定。

根据已确定的三相分离器构造，如例图2还应该校核气液分离的条件是否能符合要求。

例图2三相分离器的构造尺寸

根据（3.19.57）式可求得气泡在A点的上升速度（Vb）。

气泡的直径dg=0.01cm，在常温（20C）下，取p!

=1.03g/cm3，pg=1.2x10-3g/cm3,v=0.0101cm2/s（按净水取值）,3=0.95:

卩=vp1

=0.0101x1.03=0.0104g/（cm•s）

卩为0.02g/（cm•s）,则：

0.95：

981-32

（1.03-1.2x10）x（0.01）

18002

8根d150mm、长7.2m的穿孔管，穿孔管中心间距

1.8x1.8=3.24m2

=0.266cm/s=9.58m/h

（7）排泥系统的设计

1

计划把配水穿孔管同时作为排泥管用，可达到排泥均匀的要求，同时可在反应器的一侧底部及池高一

2

处另设排泥管，用作辅助排泥。

（8）沼气产量计算

每日的沼气产量为：

3

2600x2.2x0.85x0.4=1944.8m（沼气）/d

（9）产泥量计算

每日理论产泥量为：

2600x2.2x0.85x0.05=243.1kgVSS/d

243.1-0.8=303.9kgVSS/d

三、升流式厌氧污泥层反应器应用实例

1973年至1977年，在瓦根宁根（Wageningen）农业大学和德勒夫（Delft）大学的帮助下，荷兰CSM甜菜糖业公司先后进行了容积为6m3、30m3和200m3的半生产性和生产性装置的试验。

在中温（35C左右）条件下，6m3装置的容积负荷达到了36kgCOD/（m3•d），生产性装置达到了kgCOD/（m3•d）,COD去除率为

70-90%。

其后，原联邦德国、比利时和美国等国的学者用UASB装置进行了处理土豆淀粉加工废水、

屠宰废水、罐头加工废水、甲醇废水、糖蜜废水、酒精废水等各种规模的试验，均取得了较好的处理效

果。

至U1990年9月，国外已有205座UASB的生产性装置投入运行。

最近有些国家已把UASB反应器

成功地应用于处理城市废水。

表3-19—11列举出国外部分UASB反应器的应用情况。

国内对UASB反应器的研究起步于1981年。

许多单位先后进行了用UASB反应器处理多种有机废

水的试验研究，目前已建成并已投产运行了一批半生产性和生产性UASB反应器。

表3—19—12所列举

的即为其所取得的数据。

废水类型

使用国家

装置数

设计负荷

3

[kgCOD/（m•d）]

反应器体积

（m3）

温度

（C）

荷兰

7

12.5-17

200-1700

30-35

甜菜制糖

原联邦德国

2

9.12

2300,1500

30-35

奥地利

1

8

3040

30-35

荷兰

8

5-11

240-1500

30-35

土豆加工

美国

1

6

2200

30-35

瑞士

1

8.5

600

30-35

土豆淀粉

荷兰

2

10.3,10.9

1700,5500

30-35

美国

1

11.1

1800

30-35

玉米淀粉

荷兰

1

10-12

900

30-35

荷兰

1

6.5

500

30-35

小麦淀粉

爱尔兰

1

9

2200

30-35

澳大利亚

1

9.3

4200

30-35

大麦淀粉

芬兰

1

8

420

30-35

酒精

荷兰

1

16

700

30-35

原联邦德国

1

9

2300

30-35

美国

1

7.00

2100

30-35

美国

2

10.8,10.3

5000,1800

30-35

酵母

沙特阿拉伯

1

10.5

950

30-35

荷兰

1

5-10

1400

23

啤酒

美国

1

14

4600

30-35

美国

1

5.7

1500

20

屠宰

荷兰

1

3-5

600

24

牛奶

加拿大

1

6-8

450

24

荷兰

2

8-10

1000,740

24

造纸

荷兰

1

8

740

20

荷兰

1

5-6

2200

25

蔬菜罐头

荷兰

1

10

375

30-35

美国

1

11

500

30-35

白酒

泰国

1

15

3000

30-35

城市废水

印度

1

2.3

1200

常温

哥伦比亚

1

2

6600

常温

表3-19-12我国部分半生产及生产性UASB反应器运行数据

废水种类

温度

（C）

反应器容积

（m3）

COD容积负荷

3

[kg/（m•d）]

进水COD

（mg/L）

COD去除率

（%）

研究或应用单位

味精废水

30-32

4.6

5.5

12150

88.5

中科院广州能源所

酒精过滤液

咼温

24

22.3

900-2800

91

北京环保院、山东酒精

总厂

溶剂废醪

52

53

14.8

19870

88

无锡环保监测所

无锡溶剂总厂

柠檬酸废水

35

6

20.3

20000-36000

90

常州市环境工程设计研究所

酿造废水

常温

64.8

4.2

2000-6000

82.4

北京环保所

丙丁废醪

35

200

6-8

25000

90

华北制药厂

啤酒废水

常温

6.7

9-13

2000-3000

85

清华大学、北京啤酒厂

柠檬酸、庆大

霉素、螺旋霉素

38

4X200

11.75

23450

91.2

无锡第二制药厂

混合废水啤酒废水

常温

8X240

5-7

1500-3000

85

北京啤酒厂、清华大学

§19.5厌氧生物滤池

一、厌氧生物滤池的工艺特征

厌氧生物滤池是装填有滤料的厌氧生物反应器，在滤料表面有以生物膜形态生长的微生物群体，在滤料的空隙中则截留了大量悬浮生长的微生物，废水通过滤料层时，有机物被截留，吸附及代谢分解，最后在到稳定化。

厌氧生物滤池创建于二十世纪60年代末期，是公认的早期的高效厌氧生物反应器。

1972的以来，一

批生产性的厌氧生物滤池投入了运行，处理废水的COD浓度在300—85000mg/L的范围内，处理效果良

好，运行管理方便。

厌氧生物滤池具有以下主要工艺特征

1、滤料

滤料是厌氧生物滤池的主体，其主要作用是提供微生物附着生长的表面及悬浮生长的空间，理想的滤料应具备下列条件：

1比表面积大，以利于增加厌氧生物滤池中生物固体的总量；

2空隙率高，以截留并保持大量的悬浮生长的微生物，并防止厌氧生物滤池被堵塞；

3利于生物膜附着生长，如表面粗糙的滤料就比表面光滑的滤料为佳；

4具有足够的机械强度，不易破损或流失；

5化学和生物学稳定性好，不易受废水中化学物质的侵蚀和微生物的分解破坏，也无有害物质溶出，使用寿命较长；

6质轻，使厌氧生物滤池的结构荷载较小；

7价廉易得，以利于降低厌氧生物滤池的基建投资。

曾被人采用或试验研究过的滤料种类多，所得出的结论也不尽相同。

有人认为，由于厌氧生物滤池

中截留的悬浮生长的生物体比滤料表面的生物膜在净化废水中起的作用更大，因此滤料的比表面积（单位

体积滤料所具有的面积）不如滤料的空隙率重要，而且滤料应具有截留生物体并防止其流失的特性。

有人提出最重要的滤料特性是其表面的粗糙度、总的空隙度和孔隙大小。

有人在对粘土、珊瑚、贝壳、塑料等四种滤料进行比较试验的基础上发现，粘土制成的滤料取得的效果最好，并认为其原因是粘土中含有的某些无机营养物具有刺激产甲烷菌活性的作用。

在生产及试验研究中最常用的滤料有以下几类：

（1）实心块状滤料

如直径为30—45mm的碎石、砾石等，此类滤料价格低、货源足，其缺点是比重大，比表面积和空隙率均低。

一般其比表面积仅为40—50m2/m3，空隙率仅为50—60%。

因此，采用实心块状滤料的厌氧

生物滤池生物固体浓度低，使其有机负荷受到限制，仅为3—6kgCOD/（m3•d），而且此类滤池在运行中

易发生局部滤层被堵塞，以及随之而生的短流现象，使运行效果受到不利影响。

（2）空心块状滤料

此类滤料多