UASB反应器的设计计算.docx
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UASB反应器的设计计算
第二章啤酒废水处理构筑物设计与计算
第一节格栅的设计计算
一、设计说明
格栅由一组平行的金属栅条或筛网制成，安装在废水渠道的进口处，用于截留较大的悬浮物或漂浮物，主要对水泵起保护作用，另外可减轻后续构筑物的处理负荷。
二、设计参数
取中格栅；栅条间隙d=10mm；
栅前水深h=0.4m；格栅前渠道超高h2=0.3m
过栅流速v=0.6m/s；
安装倾角α=45°；设计流量Q=5000m3/d=0.058m3/s
三、设计计算
（一）栅条间隙数（n）
=0.058×√（sin45）÷0.01÷0.4÷0.6
=20.32
取n=21条
式中：
Q-------------设计流量，m3/s
α-------------格栅倾角，取450
b-------------栅条间隙，取0.01m
h-------------栅前水深，取0.4m
v-------------过栅流速，取0.6m/s；
（二）栅槽总宽度（B）
设计采用宽10mm长50mm，迎水面为圆形的矩形栅条,即s=0.01m
B=S×（n-1）+b×n
=0.01×（21-1）+0.01×21
=0.41m
式中：
S--------------格条宽度，取0.01m
n--------------格栅间隙数，
b--------------栅条间隙，取0.01m
（三）进水渠道渐宽部分长度（l1）
设进水渠道内流速为0.5m/s,则进水渠道宽B1=0.17m,
渐宽部分展开角
取为20°
则l1=
=（0.41-0.17）÷2÷tg20
=0.32
式中：
l1-----------进水渠道间宽部位的长度，m
L2----------格栅槽与出水渠道连接处的渐窄部位的长度，m
B--------------栅槽总宽度，m
B1--------------进水渠道宽度，m
--------------进水渠展开角，度
（四）栅槽与出水渠道连接处的渐窄部分长度（l2）
l2=l1/2=0.32/2
=0.16m
（五）过栅水头损失（h1）
取k=3,β=1.83（栅条断面为半圆形的矩形），v=0.6m/s
ho=β×（S÷b）4/3×V^2÷2÷g×sinα
=1.83×（0.01÷0.01）4/3×0.6^2÷2÷9.8×sin45
=0.024m
h1=k×h0=3×0.024
=0.072m
式中：
h0--------计算水头损失，m
h1---------过格栅水头损失，m
k--------系数，水头损失增大倍数
β--------形状系数，与断面形状有关ξ
S--------格栅条宽度，m
b--------栅条间隙，m
v--------过栅流速，m/s
α--------格栅倾角，度
（六）栅槽总高度（H）
取栅前渠道超高h2=0.3m
栅前槽高H1=h+h2=0.7m
则总高度H=h+h1+h2
=0.4+0.072+0.3
=0.772m
（七）栅槽总长度（L）
L=l1+l2+0.5+1.0+
=0.32+0.16+0.5+1.0+
=2.68m
式中：
H1------格栅前槽高，H1=h＋h2=0.4+0.3=0.7
（八）每日栅渣量（W）
取W1=0.06m3/103m3K2=1.0
则W=
=0.058×0.08×86400÷1.5÷1000
=0.27㎡/d（采用机械清渣）
式中：
Q-----------设计流量，m3/s
W1----------栅渣量（m3/103m3污水），取0.1～0.01,粗格栅用小值，细格栅用大值，中格栅用中值.取0.08
K2-----------污水流量总变化系数.
第二节调节沉淀池的设计计算
一、设计说明
啤酒废水的水量和水质随时间的变化幅度较大，为了保证后续处理构筑物或设备的正常运行，需对废水的水量和水质进行调节，由于啤酒废水中悬浮物（ss）浓度较高，此调节池也兼具有沉淀池的作用，该池设计有沉淀池的泥斗，有足够的水力停留时间，保证后续处理构筑物能连续运行，其均质作用主要靠池侧的沿程进水，使同时进入池的废水转变为前后出水，以达到与不同时序的废水相混合的目的。
二、设计参数
水力停留时间T=6h;
设计流量Q=5000m3/d=208m3/h=0.058m3/s,
采用机械刮泥除渣。
表2.1调节沉淀池进出水水质指标
水质指标
COD
BOD
SS
进水水质（mg/l）
2000
1010
350
去除率（%）
7
7
50
出水水质（mg/l）
1860
939.3
175
三、设计计算
调节沉淀池的设计计算草图见下图2.2：
（一）池子尺寸
池子有效容积为：
V=QT=208×6=1248m3
取池子总高度H=2.5m,其中超高0.5m,有效水深h=2m
则池面积A=V/h=1248/2=624m3
池长取L=35m,池宽取B=20m
则池子总尺寸为L×B×H=35×20×2.5
（二）理论上每日的污泥量
W=Q*（C0-C1）/1000（1-0.97）
式中：
Q------------设计流量，m3/d
C0------------进水悬浮物浓度，mg/L
C1------------出水悬浮物浓度，mg/L
P0------------污泥含水率，%
W=5000*（350-175）/（1000*1000（1-0.97））=29.2m3/d
（三）污泥斗尺寸
取斗底尺寸为500×500，污泥斗倾角取60°
则污泥斗的高度为：
h2=（5-0.2）×tg60°
=8.3136m
污泥斗的容积V2=
h2（a12+a1a2+a22）
=
×8.3136×（202+20×0.5+0.52）
=1136.88m3
V总>W符合设计要求，采用机械泵吸泥
（四）进水布置
进水起端两侧设进水堰，堰长为池长2/3
第三节UASB反应器的设计计算
一、设计说明
UASB，即上流式厌氧污泥床，集生物反应与沉淀于一体，是一种结构紧凑，效率高的厌氧反应器。
它的污泥床内生物量多，容积负荷率高，废水在反应器内的水力停留时间较短，因此所需池容大大缩小。
设备简单，运行方便，勿需设沉淀池和污泥回流装置，不需充填填料，也不需在反应区内设机械搅拌装置，造价相对较低，便于管理，且不存在堵塞问题。
二、设计参数
（一）参数选取
设计参数选取如下：
容积负荷（Nv）6.0kgCOD/（m3·d）；
污泥产率0.1kgMLSS/kgCOD；
产气率0.5m3/kgCOD
（二）设计水质
表2.2UASB反应器进出水水质指标
水质指标
COD
BOD
SS
进水水质（mg/l）
1860
939.3
175
去除率（%）
75
90
87
出水水质（mg/l）
465
93.93
22.75
（三）设计水量
Q＝5000m3/d=208m3/h=0.058m3/s
三、设计计算
（一）反应器容积计算
UASB有效容积：
V有效＝
式中：
Q-------------设计流量，m3/s
S0-------------进水COD含量,mg/l
Nv-------------容积负荷,kgCOD/（m3·d）
V有效＝5000×1.860/6.0
=1550m3
将UASB设计成圆形池子，布水均匀，处理效果好
取水力负荷q＝0.8[m3/（m2·h）]
则A=
=208/0.8=260m2
h=
＝1550/260=6.0m
采用4座相同的UASB反应器
则 A1=
＝260/4=65m2
D=
=（4×65/3.14）1/2
=9.1m
取D=9.5m
则实际横截面积为
=
πD2=
×3.14×9.52
=70.85m2
实际表面水力负荷为
q1=Q/A
＝208/（4×70.85）
=0.73<1.0
故符合设计要求
（二）配水系统设计
本系统设计为圆形布水器，每个UASB反应器设36个布水点
（1）参数
每个池子流量：
Ｑ＝208/4=52m3/h
（2）设计计算
布水系统设计计算草图见下图2.3：
圆环直径计算：
每个孔口服务面积为:
a=
＝1.97m2
a在1～3m2之间，符合设计要求
可设3个圆环，最里面的圆环设6个孔口，中间设12个，最外围设18个孔口
1）内圈6个孔口设计
服务面积：
＝6×1.97=11.82m2
折合为服务圆的直径为：
=（4×11.82/3.14）1/2
=3.9m
用此直径作一个虚圆，在该圆内等分虚圆面积处设一实圆环，其上布6个孔口，则圆的直径计算如下：
则d1＝
＝（2×11.82/3.14）1/2
=2.7m
2）中圈12个孔口设计
服务面积：
S2=12×1.97=23.64m2
折合成服务圆直径为：
=（4×（11.82+23.64）/3.14）1/2
=6.72m
中间圆环直径计算如下：
π（6.722-d22）＝
S2
则d2=5.49m
3）外圈18个孔口设计
服务面积：
S3=18×1.97=35.46m2
折合成服务圈直径为：
=9.50m
外圆环的直径d3计算如下：
π（9.502-d32）=
S3
则d3＝8.23m
（三）三相分离器设计
三相分离器设计计算草图见下图2.4：
（1）设计说明
三相分离器要具有气、液、固三相分离的功能。
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。
（2）沉淀区的设计
三相分离器的沉淀区的设计同二次沉淀池的设计相同，主要是考虑沉淀区的面积和水深，面积根据废水量和表面负荷率决定。
由于沉淀区的厌氧污泥及有机物还可以发生一定的生化反应产生少量气体，这对固液分离不利，故设计时应满足以下要求：
1）沉淀区水力表面负荷<1.0m/h
2）沉淀器斜壁角度设为50°,使污泥不致积聚，尽快落入反应区内。
3）进入沉淀区前，沉淀槽底逢隙的流速≦2m/h
4）总沉淀水深应大于1.5m
5）水力停留时间介于1.5～2h
如果以上条件均能满足，则可达到良好的分离效果
沉淀器（集气罩）斜壁倾角θ＝50°
沉淀区面积为：
A=1/4πD2=1/4×3.14×9.52=70.85m2
表面水力负荷为：
q=Q/A=208/（4×70.85）=0.73<1.0
符合设计要求。
（3）回流缝设计
取h1=0.3m,h2=0.5m,h3=1.5m
如图2.4所示：
b1=h3/tgθ
式中：
b1----------下三角集气罩底水平宽度，m;
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=
=1.26m
b2=9.5-2×1.26=6.98m
下三角集气罩之间的污泥回流逢中混合液的上升流速V1可用下式计算：
V1=Q1/S1
式中：
Q1----------反应器中废水流量，m3/h；
S1----------下三角形集气罩回流逢面积，m2；
V1=（208/4）/（3.14×6.982/4）
=1.36m/h
V1<2m/h,符合设计要求
上下三角形集气罩之间回流逢中流速（V2）可用下式计算：
V2=Q1/S2，
式中：
Q1----------反应器中废水流量，m3/h；
S2----------上三角形集气罩回流逢之间面积，m2；
取回流逢宽CD=1.4m,上集气罩下底宽CF=7.8m
则DH=CD×sin50°
=1.07m
DE=2DH+CF
=2×1.07+7.8
=9.94m
=π（CF+DE）CD/2
=39.0m2
则V2=Q1/S2
=208/（4×39.0）
=1.33m/h故符合设计要求
确定上下三角形集气罩相对位置及尺寸，由图可知：
CH=CDsin40°=1.4×sin40＝0.9m
AI=DItg50°=
（DE-b2）×tg50°
=
（9.94-6.98）×tg50°
=1.76m
故h4=CH+AI=0.9+1.76=2.66m
h5=1.0m
由上述尺寸可计算出上集气罩上底直径为：
CF-2h5tg40°=7.8-2×1.0×tg40°=6.12m
BC=CD/sin40°=1.4/sin40°=2.18m
DI=
（DE-b2）=
（9.94-6.98）=1.48m
AD=DI/cos50°=1.48/cos50°=2.30m
BD=DH/cos50°=1.07/cos50°=1.66m
AB=AD-BD=2.30-1.66=0.64m
（4）气液分离设计
d=0.01cm（气泡），T=20°С
ρ1=1.03g/cm3,ρg=1.2×10-3g/cm3
V=0.0101cm2/s,ρ=0.95
μ=Vρ1=0.0101×1.03
=0.0104g/cm·s
一般废水的μ>净水的μ,故取μ=0.02g/cm·s
由斯托克斯工式可得气体上升速度为：
Vb=
=（0.95×9.81×（1.03-1.2×10-3）×0.012）/（18×0.02）
=0.266cm/s
=9.58m/h
Va=V2=1.33m/h
则：
=9.58/1.33=7.20,
=2.18/0.64=3.41
>
故满足设计要求。
（四）出水系统设计
采用锯齿形出水槽，槽宽0.2m,槽高0.2m
（五）排泥系统设计
产泥量为：
1860×0.75×0.1×5000×10-3=697.5kgMLSS/d
每日产泥量697.5kgMLSS/d，则每个USAB日产泥量174.38kgMLSS/d,可用150mm排泥管，每天排泥一次。
（六）理论上每日的污泥量
W=Q*（C0-C1）/1000（1-0.97）
式中：
Q------------设计流量，m3/d
C0------------进水悬浮物浓度，mg/L
C1------------出水悬浮物浓度，mg/L
P0------------污泥含水率，%
W=5000*（175-22.75）/（1000*1000（1-0.98））=38.06m3/d
（七）产气量计算
每日产气量：
1860×0.75×0.5×5000×10-3=3487.5m3/d
SBR反应器的设计计算
一、设计说明
经UASB处理后的废水,COD含量仍然很高,要达到排放标准,必须进一步处理,即采用好氧处理。
SBR结构简单，运行控制灵活，本设计采用6个SBR反应池，每个池子的运行周期为6h
二、设计参数
（一）参数选取
（1）污泥负荷率
Ns取值为0.13kgBOD5/（kgMLSS·d）
（2）污泥浓度和SVI
污泥浓度采用3000mgMLSS/L,SVI取100
（3）反应周期
SBR周期采用T=6h,反应器一天内周期数n=24/6=4
（4）周期内时间分配
反应池数:
N=6
进水时间：
T/N=6/6=1h
反应时间：
3.0h
静沉时间：
1.0h
排水时间：
0.5h
（5）周期进水量
Q0=
=（5000×6）/（24×6）=208.3m3/s
（二）设计水量水质
设计水量为：
Q=5000m3/d=208m3/h=0.058m3/s
设计水质见下表2.3：
表2.3SBR反应器进出水水质指
水质指标
COD
BOD
SS
NH4-N
TP
进水水质（mg/l）
465
93.93
22.75
40
6
去除率（%）
95
95
65
出水水质（mg/l）
23.25
4.7
7.96
三、设计计算
（一）反应池有效容积
V1=
式中：
n------------反应器一天内周期数
Q0------------周期进水量,m3/s
S0------------进水BOD含量,mg/l
X-------------污泥浓度,mgMLSS/L
Ns-------------污泥负荷率
V1=（4×208.3×187.86）/（3000×0.13）
=401.3m3
（二）反应池最小水量
Vmin=V1-Q0=401.3-208.3=193m3
（三）反应池中污泥体积
Vx=SVI·MLSS·V1/106=100×3000×401.3/106=120.39m3
Vmin>Vx,合格
（四）校核周期进水量
周期进水量应满足下式：
Q0<（1-MLSS·MLSS/106）·V
=（1-100×3000/106）×401.3
=280.91m3
而Q0=208.3m3<280.91m3故符合设计要求
（五）确定单座反应池的尺寸
SBR有效水深取5.0m,超高0.5m,则SBR总高为5.5m,
SBR的面积为401.3/5=80.26m2
设SBR的长：
宽=2：
1
则SBR的池宽为：
6.5m；池长为：
13m.
SBR反应池的最低水位为：
193/（6.5×13）=2.28m
SBR反应池污泥高度为：
120.39/（6.5×13）=1.42m
2.28-1.42=0.86m
可见，SBR最低水位与污泥位之间的距离为0.86m,大于0.5m的缓冲层高度符合设计要求。
（六）鼓风曝气系统
（1）确定需氧量O2
由公式：
O2=a′Q（S0-Se）+bˊXvV
式中：
aˊ-----------微生物对有机污染物氧化分解
过程的需氧率，kg
Q-----------污水设计流量，m3/d
S0------------进水BOD含量,mg/l
Se------------出水BOD含量,mg/l
bˊ------------微生物通过内源代谢的自身氧化
过程的需氧率，kg
Xv------------单位曝气池容积内的挥发性悬浮
固体（MLVSS）量,kg/m3
取aˊ=0.5,bˊ=0.15；出水Se=9.393mg/L；
Xv=f×X=0.75×3000=2250mg/L=2.25kg/m3；
V=6
=6×401.3=2407.8m3
代入数据可得：
O2=0.5×5000×（187.86-9.393）/1000+0.15×2.25×2407.8
=1258.8kgO2/d
供氧速率为：
R=O2/24
=1258.8/24=52.45kgO2/h
（2）供气量的计算
采用SX-1型曝气器，曝气口安装在距池底0.3m高处，淹没深度为4.7m，计算温度取25℃。
该曝气器的性能参数为：
Ea=8%，Ep=2kgO2/kWh；
服务面积1-3m2；
供氧能力20-25m3/h·个；
查表知氧在水中饱和容解度为：
Cs（20）=9.17mg/L，Cs（25）=8.38mg/L
扩散器出口处绝对压力为：
=
+9.8×103×H
=1.013×105+9.8×103×4.7
=1.47×105pa
空气离开反应池时氧的百分比为：
=
=19.65%
反应池中容解氧的饱和度为：
Csb（25）=Cs（25）（Pb/（2.026×105）+Ot/42）
=8.38×（1.47×105/2.026×105+19.65/42）
=10.0mg/L
Csb（20）=Cs（20）（Pb/（2.026×105）+Ot/42）
=9.17（Pb/（2.026×105）+Ot/42）
=10.9mg/L
取α=0.85,β=0.95,C=2,ρ=1,20℃时，脱氧清水的充氧量为：
R0=RCsb（20）/a（brCsb（25）-C）×1.24（25-20）
=28.86×10.9/0.85×（0.95×10.0-2）×1.245
=43.8kgO2/h
供气量为：
Gs=R0/0.3Ea
=43.8/（0.3×0.08）
=1826m3/h
=30.43m3/min
（3）布气系统的计算
反应池的平面面积为：
6.5×13.0×6=507m2
每个扩散器的服务面积取1.7m2,则需507/1.7=299个。
取299个扩散器，每个池子需50个。
布气系统设计如下图2.5：
（4）空气管路系统计算
按SBR的平面图，布置空气管道，在相邻的两个SBR池的隔墙上设一根干管，共五根干管，在每根干管上设5对配气竖管，共10条配气竖管。
则每根配气竖管的供气量为：
本设计每个SBR池内有50个空气扩散器
则每个空气扩散器的配气量为：
选择一条从鼓风机房开始的最远最长管路作为计算管路，在空气流量变化处设计算节点。
空气管道内的空气流速的选定为：
干支管为10～15m/s；
通向空气扩散器的竖管、小支管为4～5m/s；
空气干管和支管以及配气竖管的管径，根据通过的空气量和相应的流确定。
空气管路的局部阻力损失，根据配件类型按下式
Lo=55.5KD12
式中：
----------管道的当量长度，m
D----------管径，m
K----------长度换算系数，按管件类型不同确定
折算成当量长度损失
，并计算出管道的计算长度
（m）,
空气管路的沿程阻力损失，根据空气管的管径D（mm），空气量m3/min，计算温度℃和曝气池水深，得空气管道系统的总压力损失为：
＝96.21×9.8
＝0.943kpa
空气扩散器的压力损失为5.0kpa，则总压力损失为：
0.943＋5.0＝5.943kpa
为安全起，设计取值为9.8kpa
则空压机所需压力p=（5-0.3）×9.8×103+9.8×103
=56kpa
又Gs=37.64m3/min
由此条件可选择罗茨RME-20型鼓风机
转速1170r/min，配套电机功率为75kw
（七）理论上每日的污泥量
W=Q*（C0-C1）/1000（1-0.97）
式中：
Q------------设计流量，m3/d
C0------------进水悬浮物浓度，mg/L
C1------------出水悬浮物浓度，mg/L
P0------------污泥含水率，%
W=5000*（22.75-7.96）/（1000*1000（1-0.98））=3.7m3/d
（八
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