UASB反应器的设计计算讲解.docx

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UASB反应器的设计计算讲解

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

h H

B1B1

500

1000

三2.1 三三三三三三三三

（一）栅条间隙数（n）

n =

Q max sin a

bhv

=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 10 mm 长 50 mm，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

=0.41 m

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 a1 取为 20°

则l1=

2´ tga1

=（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

a1 -------------- 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）

=0.024 m

4/3×0.6^2÷2÷9.8×sin45

h1=k×h0 =3×0.024

=0.072 m

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

=0.772 m

（七）栅槽总长度（L）

L=l1+l2+0.5+1.0+

tg 45°

=0.32+0.16+0.5+1.0+ 0.7

tg 45°

=2.68 m

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=

K 2 ⨯1000

=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.

水质指标

COD

BOD

进水水质（mg/l）

2000

1010

350

去除率（%）

出水水质（mg/l）

1860

939.3

175

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。

三、设计计算

调节沉淀池的设计计算草图见下图 2.2：

25000

三三

24000

1000

三2.2三三三三三三三三三三三

（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°

水质指标

COD

BOD

进水水质（mg/l）

1860

939.3

175

去除率（%）

出水水质（mg/l）

465

93.93

22.75

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）

= 1 ×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

（三）设计水量

　　　　 Q＝5000m3/d=208m3/h=0.058 m3/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´ S0

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

＝1550/260=6.0m

采用 4 座相同的 UASB 反应器

　　　　　　则　　A1=

＝260/4= 65 m2

4´ A1

= （4×65/3.14）1/2

=9.1m

取 D=9.5m

则实际横截面积为

=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 = 52 m3/h

（2）设计计算

布水系统设计计算草图见下图 2.3：

46 30

230 0

三2.3

UASB三三三三三三三三三三

圆环直径计算：

每个孔口服务面积为:

pD2 / 36 ＝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：

S1 ＝6×1.97=11.82m2

折合为服务圆的直径为：

4S1

= （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：

pd12

则 d1＝

2S1

＝（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（S1 + S2 ）

= （4×（11.82+23.64）/3.14）1/2

=6.72m

中间圆环直径计算如下：

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：

4（S1 + S2 + S3 ）

=9.50m

外圆环的直径 d3 计算如下：

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：

I D

B 0

三2.4 UASB三三三三三三三三三三三

（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= 1.5

tg50°

=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°

=1.07 m

DE=2DH+CF

=2×1.07 +7.8

=9.94m

S2 =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=2.66 m

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 =

r ´ g

18m

（r 1 - r g ）d 2

=（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=697.5 kgMLSS/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 3000 mgMLSS/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=

24N

=（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

水质指

标

COD

BOD

NH4-N

进水水质

（mg/l）

465

93.93

22.75

去除率

（%）

出水水质

（mg/l）

23.25

4.7

7.96

设计水质见下表 2.3：

（一）反应池有效容积

V1=

nQ0S0

XNs

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）

=401.3 m3

（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=120.39 m3

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：

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=6V1 =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

=1258.8kg O2/d

供氧速率为：

R= O2/24

=1258.8/24=52.45 kg O2/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=2 kgO2/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：

P = P +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：

Ot =

21（1- EA ）

79 + 21（1- EA ）

=21（1- 0.08）

79 + 21（1- 0.08）

=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

=43.8 kg O2/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：

三2.5 SBR三三三三三三三三三三三

（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：

1826

= 365.2m3 / h

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：

1826

= 36.52m3 / h

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

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