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uasb工艺系统设计方法探讨及设计计算

简介：

本文全面的介绍了UASB系统的设计咨询题，介绍了厌氧预处理工艺和UASB反应器的负荷设计原则和设计方法。

重点介绍了混凝土结构的矩形UASB反应器各个部分尺寸的运算和确定原则。

对UASB的进水配水系统和布水方式进行了详细的介绍。

关于三相分离器和UASB建筑材料等咨询题也进行讨论。

关键字：

UASB反应器，预处理，配水系统，三相分离器，建筑材料，设计

简介：

本文全面的介绍了UASB系统的设计咨询题，介绍了厌氧预处理工艺和UASB反应器的负荷设计原则和设计方法。

重点介绍了混凝土结构的矩形UASB反应器各个部分尺寸的运算和确定原则。

对UASB的进水配水系统和布水方式进行了详细的介绍。

关于三相分离器和UASB建筑材料等咨询题也进行讨论。

关键字：

UASB反应器，预处理，配水系统，三相分离器，建筑材料，设计

一、概述

包含厌氧处理单元的水处理过程一样包括预处理、厌氧处理（包括沼气的收集、处理和利用）、好氧后处理和污泥处理等部分，能够用图1所示的流程表示。

二、UASB系统设计

　　1、预处理设施

　　一样预处理系统包括粗格栅、细格栅或水力筛、沉砂池、调剂（酸化）池、营养盐和pH调控系统。

格栅和沉砂池的目的是去除粗大固体物和无机的可沉固体，这对关于爱护各种类型厌氧反应器的布水管免于堵塞是必需的。

当污水中含有砂砾时，例如以薯干为原料的酿酒废水，如何强调去除砂砾的重要性也只是分。

不可生物降解的固体，在厌氧反应器内积存会占据大量的池容，反应器池容的持续减少最终将导致系统完全失效。

　　由于厌氧反应对水质、水量和冲击负荷较为敏锐，因此关于工业废水适当尺寸的调剂池，对水质、水量的调剂是厌氧反应稳固运行的保证。

调剂池的作用是均质和均量，一样还可考虑兼有沉淀、混合、加药、中和和预酸化等功能。

在调剂池中设有沉淀池时，容积需扣除沉淀区的体积；按照颗粒化和pH调剂的要求，当废水碱度和营养盐不够需要补充碱度和营养盐（N、P）等；可采纳计量泵自动投加酸、碱和药剂，通过调剂池水力或机械搅拌达中和作用。

　　同时，酸化池或两相系统是去除和改变，对厌氧过程有抑制作用的物质、改善生物反应条件和可生化性也是厌氧预处理的要紧手段，也是厌氧预处理的目的之一。

仅考虑溶解性废水时，一样不需考虑酸化作用。

关于复杂废水，可在调剂池中取得一定程度的酸化，然而完全的酸化是没有必要的，甚至是有害处的。

因为达到完全酸化后，污水pH会下降，需采纳投药调整pH值。

另外有证据表明完全酸化对UASB反应器的颗粒过程有不利的阻碍。

对以下情形考虑酸化或相分离可能是有利的：

　　2）当废水存在有较高的Ca2+时，部分酸化可幸免颗粒污泥表面产生CaCO3结垢；

　　3）当处理含高含悬浮物和/或采纳高负荷，对非溶解性组分去除有限时；

　　4）在调剂池中取得部分酸化成效能够通过调剂池的合理设计取得。

例如，上向流进水方式，在反应器底部形成污泥层（1.0m）。

底部布水孔口设计为5～10m2/孔即可。

　2、UASB反应器体积的设计

　　a）负荷设计法

　　采纳有机负荷（q）或水力停留时刻（HRT）设计UASB反应器是目前最为要紧的方法。

一旦q或HRT确定，反应器的体积（V）能够专门容易按照公式（1或2）运算。

对某种特定废水，反应器的容积负荷一样应通过试验确定。

　　V=QSo/q　　　　　　　　　　　　

（1）

　　V=KQ.HRT　　　　　　　　　　　　

（2）

　　式中：

Q---废水流量，m3/d；

　　So---进水有机物浓度，gCOD/L或gBOD5/L。

　　表1给出不同类型废水国内外采纳UASB反应器处理的负荷数据，需要讲明的是表中无法一一注明采纳的预处理条件和厌氧污泥类型等情形，这些条件对选择设计负荷是至关重要的。

下表供设计人员设计时参考，选用前必须进行必要的实验和进一步查询有关的技术资料。

表1国内外生产性UASB装置的设计负荷统计表

序号

废水类型

负荷kgCOD/m3·d

（国外资料）　

负荷kgCOD/m3·d

（国内资料）　

平均

最高

最低

厂家数

平均

最高

最低

厂家数

酒精生产

11.6

15.7

7.1

6.5

啤酒厂

9.8

18.8

5.6

5.3

造酒厂

13.9

18.5

9.9

6.4

葡萄酒厂

10.2

清凉饮料

6.8

1.8

小麦淀粉

8.6

10.7

6.6

淀粉

9.2

11.4

6.4

5.4

2.7

土豆加工等

9.5

16.8

酵母业

9.8

12.4

柠檬酸生产

8.4

14.3

14.8

6.5

味精

3.2

2.3

再生纸、纸浆

12.3

7.9

造纸

12.7

38.9

食品加工

9.1

13.3

0.8

3.5

屠宰废水

6.2

3.1

2.3

制糖

15.2

22.5

8.2

制药厂

10.9

33.2

6.3

0.8

家畜饲料厂

10.5

垃圾滤液

9.9

7.9

b）体会公式方法

　式中：

C1,C2——反应常数。

　　c）动力学方法

表2厌氧动力学参数（Henxen和Harremoes，1982）

培养

mm（d-1）

Y（mgVSS/mgCOD）

Km[mgCOD/（mgVSS?

d）]

Ks（mgCOD/L）

产酸菌

0.15

200

甲烷菌

0.4

0.03

混合培养

0.4

0.18

---

　　1）反应器的体积和高度

　　采纳水力停留时刻进行设计时，体积（V）按公式

（1）或

（2）运算。

选择反应器高度的原则是设计、运行和经济上综合考虑的结果。

从设计、运行方面考虑：

高度会阻碍上升流速，高流速增加系统扰动和污泥与进水之间的接触。

但流速过高会引起污泥流失，为保持足够多的污泥，上升流速不能超过一定的限值，从而使反应器的高度受到限制；高度与CO2溶解度有关，反应器越高溶解的CO2浓度越高，因此，pH值越低。

如pH值低于最优值，会危害系统的效率。

　　2）反应器的升流速度

关于UASB反应器还有其他的流速关系（图2）。

关于日平均上升流速的举荐值见表3，应该注意对短时刻（如2～6h）的高峰值是能够承担的（即临时的高峰流量能够接收）。

表3UASB和EGSB承诺上升流速（平均日流量）

UASB反应器

Vr＝0.25~3.0m/h0.75~1.0m/h

颗粒污泥絮状污泥

Vs≤1.5m/h

絮状污泥

≤8m/h

颗粒污泥

Vo≤12m/h

颗粒污泥

≤3.0m/h

絮状污泥

Vg＝1m/h

建议最小值

　3）反应器的截面积和反应器的长、宽（或直径）

　　4）单元反应器最大体积和分格化的反应器

　　在UASB反应器的设计中，采纳分格化对运行操作是有益的。

第一，分格化的单元尺寸可不能过大，可幸免体积过大带来的布水平均性等咨询题；同时多个反应器对系统的启动也是有益的，可第一启动一个反应器，再用那个反应器的污泥去接种其他反应器；另外，有利于爱护和检修，可放空一个反应器进行检修，而不阻碍系统的运行。

从目前实践看最大的单体UASB反应器（不是最优的）可为1000-2000m3。

　　5）单元反应器的系列化

三、反应器的配水系统的设计

　　1、配水孔口负荷

表4采纳UASB处理要紧为溶解性废水时进水管口负荷

污泥典型

每个进水口负荷（m2）

负荷（kgCOD/m3·d）

颗粒污泥

0.5～1

1～2

2～4

凝絮状污泥>40kgDS/m3

6.5～1

<1.0

1～2

2～3

中等浓度絮状污泥120～40kg/m3

1～2

<1～2

2～5

2、进水分配系统

　　在生产装置中采纳的进水方式大致可分为间歇式（脉冲式）、连续流、连续与间歇相结合等方式；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。

　　1）连续进水方式（一管一孔）

　　为了确保进水平均分布，每个进水管线仅仅与一个进水点相连接，是最为理想的情形（图3a）。

为保证每一个进水点的流量相等，建议用高于反应器的水箱（或渠道式）进行分配，通过渠道或分配箱之间的三角堰来保证等量的进水。

这种系统的好处是容易观看到堵塞情形。

2）脉冲进水方式

　　我国UASB反应器与国外的最为明显的特点是专门多采纳脉冲进水方式。

有些研究者认为脉冲方式进水，使底层污泥交替进行收缩和膨胀，有助于底层污泥的混合。

图3a为北京环科院采纳的一种脉冲布水器的原理图，该系统借鉴了给水中虹吸滤池的布水方式。

　　3）一管多孔配水方式

　　采纳在反应器池底配水横管上开孔的方式布水，为了配水平均，要求出水流速不小于2.0m/s。

这种配水方式可用于脉冲进水系统。

一管多孔式配水方式的咨询题是容易发生堵塞，因此，应该尽可能幸免在一个管上有过多的孔口。

　　4）分枝式配水方式

　　这种配水系统的特点采纳较长的配水支管增加沿程阻力，以达到布水平均的目的（图3c）。

按照笔者的实践，最大的分枝布水系统的负荷面积为54m2。

大阻力系统配水平均度好，但水头缺失大。

小阻力系统水头缺失小，如果不阻碍处理效率，可减少系统的复杂程度。

　　对其他类型布水方式，我国也有专门多设计和运行体会。

与三相分离器一样，不同型式的布水装置之间，专门难比较孰优孰劣。

事实上，各种类型的布水器都有成功的体会和业绩。

　　3、配水管道设计

　　污水中存在大的物体可能堵塞进水管，设计良好的进水系统要求可疏通堵塞；关于压力流采纳穿孔管布水器（一管多孔或分枝状），需考虑设液体反冲洗或清堵装置，可采纳停水分池分段反冲；采纳一管多孔布水管道，布水管道尾端最好兼作放空和排泥管，以利于清除堵塞；采纳重力流布水方式（一管一孔），如果进水水位差仅仅比反应器的水位稍高（水位差小于10cm）将经常发生堵塞。

在水箱中的水位（三角堰的底部）与反应器中的水位差大于30cm专门少发生这种堵塞。

不管采纳那一种布水方式，尽可能少地采纳弯头等非直管。

四、气、固、液三相分离装置

　　三相分离器是UASB反应器最有特点和最重要的装置。

它同时具有两个功能：

　　1）能收集从分离器下的反应室产生的沼气；

　　2）使得在分离器之上的悬浮物沉淀下来。

　　三相分离器设计要点汇总：

　　1）集气室的隙缝部分的面积应该占反应器全部面积的15～20％；

　　2）在反应器高度为5～7m时，集气室的高度在1.5～2m；

　　3）在集气室内应保持气液界面以开释和收集气体，防止浮渣或泡沫层的形成；

　　4）在集气室的上部应该设置消泡喷嘴，当处理污水有严峻泡沫咨询题时消泡；

5）反射板与隙缝之间的遮盖应该在100～200mm以幸免上升的气体进入沉淀室；

　　6）出气管的直管应该充足以保证从集气室引出沼气，专门是有泡沫的情形。

　　选择适当的建筑材料关于UASB反应器的持久性是专门重要的。

防腐较差的UASB反应器在使用3-5年后都显现了严峻腐蚀，最严峻的腐蚀显现在反应器上部气、液交界面。

此处H2S可能造成直截了当化学腐蚀，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。

不管一般钢材和一样不锈钢在此处都会被损害。

UASB反应器的设计运算

1设计参数

（1）污泥参数

设计温度T=25℃

容积负荷NV=8.5kgCOD/（m3.d）污泥为颗粒状

污泥产率0.1kgMLSS/kgCOD,

产气率0.5m3/kgCOD

（2）设计水量Q=2800m3/d=116.67m3/h=0.032m3/s。

（3）水质指标

表5 UASB反应器进出水水质指标

水质指标

COD（㎎∕L）

BOD（㎎∕L）

SS（㎎∕L）

进水水质

3735

2340

568

设计去除率

85%

90%

设计出水水质

560

234

568

2UASB反应器容积及要紧工艺尺寸的确定

（1）UASB反应器容积的确定

本设计采纳容积负荷法确立其容积V V=QS0/NV

V—反应器的有效容积（m3）

S0—进水有机物浓度（kgCOD/L）

V=3400*3.735/8.5=1494m3

取有效容积系数为0.8,则实际体积为1868m3

（2）要紧构造尺寸的确定

UASB反应器采纳圆形池子，布水平均，处理成效好。

取水力负荷q1=0.6m3/（m2·d）

反应器表面积 A=Q/q1=141.67/0.6=236.12m2

反应器高度 H=V/A=1868/236.12=7.9m 取H=8m

采纳4座相同的UASB反应器，则每个单池面积A1为：

A1=A/4=236.12/4=59.03m2

取D=9m

则实际横截面积 A2=3.14D2/4=63.6m2

实际表面水力负荷 q1=Q/4A2=141.67/563.6=0.56

q1在0.5—1.5m/h之间，符合设计要求。

3UASB进水配水系统设计

（1）设计原则

①进水必须要反应器底部平均分布，确保各单位面积进水量差不多相等，防止短路和表面负荷不均；

②应满足污泥床水力搅拌需要，要同时考虑水力搅拌和产生的沼气搅拌；

③易于观看进水管的堵塞现象，如果发生堵塞易于清除。

本设计采纳圆形布水器，每个UASB反应器设30个布水点。

（2）设计参数

每个池子的流量

Q1=141.67/4=35.42m3/h

（3）设计运算

查有关数据[6]，对颗粒污泥来讲，容积负荷大于4m3/（m2.h）时，每个进水口的负荷须大于2m2

则布水孔个数n必须满足пD2/4/n>2 即n<пD2/8=3.14*9*9/8=32 取n=30个

则每个进水口负荷 a=пD2/4/n=3.14*9*9/4/30=2.12m2

可设3个圆环，最里面的圆环设5个孔口，中间设10个，最外围设15个，其草图见图4

①内圈5个孔口设计

服务面积：

S1=5*2.12=10.6m2

折合为服务圆的直径为：

用此直径用一个虚圆，在该圆内等分虚圆面积处设一实圆环，其上布5个孔口

则圆环的直径运算如下：

3.14*d12/4=S1/2

②中圈10个孔口设计

服务面积：

S1=10*2.12=21.2m2

折合为服务圆的直径为：

则中间圆环的直径运算如下：

3.14*（6.36^2－d2^2）/4=S2/2

则d2=5.2m

③外圈15个孔口设计

服务面积：

S3=15*2.12=31.8m2

折合为服务圆的直径为

则中间圆环的直径运算如下：

3.14*（9^2－d3^2）=S3/2

则d3=7.8m

布水点距反应器池底120mm；孔口径15cm

图4 UASB布水系统示意图

4三相分离器的设计

（1）设计讲明 UASB的重要构造是指反应器内三相分离器的构造，三相分离器的设计直截了当阻碍气、液、固三相在反应器内的分离成效和反应器的处理成效。

对污泥床的正常运行和获得良好的出水水质起十分重要的作用，按照已有的研究和工程体会，三相分离器应满足以下几点要求：

沉淀区的表面水力负荷<1.0m/h；

三相分离器集气罩顶以上的覆盖水深可采纳0.5～1.0m；

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；

沉淀区斜面高度约为0.5～1.0m；

进入沉淀区前，沉淀槽底缝隙的流速≤2m/h；

总沉淀水深应≥1.5m；

水力停留时刻介于1.5～2h；

分离气体的挡板与分离器壁重叠在20mm以上；

以上条件如能满足，则可达到良好的分离成效。

（2）设计运算

本设计采纳无导流板的三相分

①沉淀区的设计

沉淀器（集气罩）斜壁倾角 θ=50°

沉淀区面积：

A=3.14*D^2/4=63.6m2

表面水力负荷q=Q/A=141.67/（4*63.6）=0.56m3/（m2.h）<1.0m3/（m2.h）符合要求

②回流缝设计

h2的取值范畴为0.5—1.0m, h1一样取0.5

取h1=0.5m h2=0.7m h3=2.4m

依据图8中几何关系，则 b1=h3/tanθ

b1—下三角集气罩底水平宽度，

θ—下三角集气罩斜面的水平夹角

h3—下三角集气罩的垂直高度，m

b1=2.4/tan50=2.0m b2=b－2b1=9－22.0=5.0m

下三角集气罩之间的污泥回流缝中混合液的上升流速v1,可用下式运算：

V1=Q1/S1=4Q1/3.14b2

Q1—反应器中废水流量（m3/s）

S1—下三角形集气罩回流缝面积（m2）

符合要求

上下三角形集气罩之间回流缝流速v2的运算：

V2=Q1/S2

S2—上三角形集气罩回流缝面积（m2）

CE—上三角形集气罩回流缝的宽度，CE>0.2m 取CE=1.0m

CF—上三角形集气罩底宽，取CF=6.0m

EH=CE*sin50=1.0*sin50=0.766m

EQ=CF+2EH=6.0+2*1.0*sin50=7.53m

S2=3.14（CF+EQ）.CE/2=3.14（6.0+7.53）*1.0/2=21.24m2

v2=141.67/4/21.24=1.67m/h

确定上下集气罩相对位置及尺寸

BC=CE/cos50=1.0/cos50=1.556m

HG=（CF－b2）/2=0.5m

EG=EH+HG=1.266m

AE=EG/sin40=1.266/sin40=1.97m

BE=CE*tan50=1.19m

AB=AE－BE=0.78m

DI=CD*sin50=AB*sin50=0.778*sin50=0.596m

h4=AD+DI=BC+DI=2.15m

h5=1.0m

气液分离设计

由图5可知，欲达到气液分离的目的，上、下两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，气体分离成效越好，去除气泡的直径越小，对沉淀区固液分离成效的阻碍越小，因此，重叠量的大小是决定气液分离成效好坏的关键。

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。

当混合液上升到A点后将沿着AB方向斜面流淌，并设流速为va，同时假定A点的气泡以速度Vb垂直上升，因此气泡的运动轨迹将沿着va和vb合成速度的方向运动，按照速度合成的平行四边形法则，则有：

要使气泡分离后进入沉淀区的必要条件是：

在消化温度为25℃，沼气密度=1.12g/L；水的密度=997.0449kg/m3；

水的运动粘滞系数v=0.0089×10^-4m2/s；取气泡直径d=0.01cm

按照斯托克斯（Stokes）公式可得气体上升速度vb为

vb—气泡上升速度（cm/s）

g—重力加速度（cm/s2）

β—碰撞系数，取0.95

μ—废水的动力粘度系数，g/（cm.s） μ=vβ

水流速度,Va=V2=1.67m/h

图5 三相分离器设计运算草图

5排泥系统设计

每日产泥量为

△X=3735×0.85×0.1×3400×10^－3=1079㎏MLSS/d

则每个UASB每日产泥量为

W=1097/4=269.75㎏MLSS/d

可用200mm的排泥管，每天排泥一次。

6产气量运算

每日产气量 G=3726×0.85×0.5×3400×10^－3=5397m3/d=224.9m3/h

储气柜容积一样按照日产气量的25%～40%设计，大型的消化系统取高值，小型的取低值，本设计取38%。

储气柜的压力一样为2～3KPa，不宜太大。

7加热系统

设进水温度为15°C，反应器的设计温度为25°C。

那么所需要的热量：

QH=dF.γF.（tr－t）.qv/η

QH－加热废水需要的热量，KJ/h；

dF－废水的相对密度，按1运算；

γF－废水的比热容，kJ/（kg.K）；

qv－废水的流量，m3/h

tr－反应器内的温度，°C

t－废水加热前的温度，°C

η－热效率，可取为0.85

因此 QH=4.2*1*（25－15）*141.67/0.85=7000KJ/h

每天沼气的产量为5397m3，其要紧成分是甲烷，沼气的平均热值为22.7KJ/L

每小时的甲烷总热量为：

（5397/24）*22.7*10^3=5.1*10^6KJ/h，因此足够加热废水所需要的热量。

8加碱系统

在厌氧生物处理中，产甲烷菌最佳节pH值是6.8~7.2，由于厌氧过程的复杂性，专门难准确测定和操纵反应器内真实的pH值，这就要和靠碱度来坚持和缓冲，一样碱度要2000~5000mgCaCO3/L时，就会导致其pH值下降，因此，反应器内碱度须保持在1000mgCaCO3/L以上，因为为保证厌氧反应器内pH值在适当的范畴内，必须向反应器中直截了当加入致碱或致酸物质。

间接调剂pH值。

要紧致碱药品有：

NaCO3、NaHCO3、NaOH以及Ga（OH）2[6]。

在UASB反应器中安装pH指示仪，并在加碱管路上设有计量装置，将计量装置和pH指示仪用信号线连接起来，按照UASB反应器中pH值的大小来调整加碱量，当UASB反应器中pH值过低时，打开加碱管路上的开关，往UASB反应器中加碱，使pH值

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