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UASB工艺设计计算
一、 UASB反应器设计说明
(一) 工艺简介：
　UA SB 是升流式厌氧污泥床反应器的简称, 是由荷兰W agen ingen 农业大学教授L et t inga 等人于1972～ 1978 年间开发研制的一项厌氧生物处理计术, 国内对UA SB 反应器的研究是从 20 世纪 80 年代开始的. 由于UA SB 反应器具有工艺结构紧凑,处理能力大, 无机械搅拌装置, 处理效果好及投资省等特点,UA SB 反应器是目前研究最多, 应用日趋广泛的新型污水厌氧处理工艺[ 1 ]
1. UA SB 反应器基本构造如图1
2. UA SB 的工作原理：
如图1 所示, 废水由反应器的底部进入后, 由于废水以一定的流速自下而上流动以及厌氧过程产生的大量沼气的搅拌作用, 废水与污泥充分混合, 有机质被吸附分解, 所产沼气经由反应器上部三相分离器的集气室排出, 含有悬浮污泥的废水进入三相分离器的沉降区, 由于沼气已从废水中分离, 沉降区不再受沼气搅拌作用的影响. 废水在平稳上升过程中,其中沉淀性能良好的污泥经沉降面返回反应器主体部分, 从而保证了反应器内高的污泥浓度. 含有少量较轻污泥的废水从反应器上方排出. UA SB 反应器中可以形成沉淀性能非常好的颗粒污泥, 能够允许较大的上流速度和很高的容积负荷. UA SB 反应器运行的3 个重要的前提是: ① 反应器内形成沉降性能良好的颗粒污泥或絮状污泥; ② 出产气和进水的均匀分布所形成良好的自然搅拌作用; ③ 设计合理的三相分离器, 能使沉淀性能良好的污泥保留在反应器内
(二) 设计作用
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。
(三) 设计参数
选用设计资料参数如下：
①参数选取：
a) 容积负荷（Nv）为：6kgCOD/(m3·d)
b) 污泥产率为：0.1kgMLSS/kgCOD
c) 产气率为：0.5m3/kgCOD
② 设计水量：
Q=1500m3/d=62.5m3/h=0.0174m3/s。
水 质 指 标
COD（㎎∕L）
BOD（㎎∕L）
SS（㎎∕L）
进 水 水 质
2300
1500
70
设计去除率
90%
90%
/
设计出水水质
230
150
70
(四) 设计计算
1. 反应器容积计算：
UASB有效容积为V有效 =
式中：V有效 ———— 反应器有效容积，m3；
S0、Se ———— 进出水COD的浓度,kgCOD/m3；
Q ———— 设计流量，m3/d；
Nv ———— 容积负荷,kgCOD/(m3·d)。
V有效 =
= 517.5m3
采用2座相同的UASB反应器则每座反应器的有效容积为:V单=517.5/2 = 258.75m3。
根据经验，UASB最经济的高度一般在3～6m之间，并且大多数情况下，这也是系统最优的运行范围。取有效水深h = 6m
则底面积：
采用矩形池比圆形池较经济。有关资料显示，当长宽比在2：1左右时，基建投资最省。取长L = 8m ，宽B = 6m
则实际横截面积为：A1 = L×B =8×6 = 48m2
实际总横截面积为：A = 48×2 = 96m2
本工程设计中反应器总高取H = 6.2m(超高h1=0.2m)
则单个反应池的容积为：V = L×B×H = 8×6×6 = 288m3
反应池的总容积为V总 = 288×2 = 576m3。
水力停留时间为：
表面水力负荷为:
对于颗粒污泥，表面水力负荷q = 0.1-0.9m3/( m2·h)，故符合设计要求。
2. 三相分离器设计：
三相分离器一般设在沉淀区的下部, 但有时也可将其设在反应器的项部. 三相分离器的主要作用是将气体(反应过程中产生的沼气)、固体(反应器中的污泥)和液体(被处理的废水)等三相加以分离. 将沼气引入集气室, 将处理出水引入出水区, 将固体颗粒导入反应区. 他由气体收集器和折流挡板组成. 只有三相分离器是UA SB 反应器污水厌氧处理工艺的主要特点之一. 他相当于传统污水处理工艺中的二次沉淀池, 并同时具有污泥回流的功能. 因而三相分离器的合理设计是保证其正常运行的一个重要内容.三相分离器设计计算草图见图5-2:
图5-2三相分离器设计计算草图
(一) 设计说明：
三相分离器要具有气、液、固三相分离、污泥回流的功能。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。
本工程设计中，每池设置1个三相分离器，三相分离器的长度为b=8m，宽度为：d = 6m。
1) 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 < 1.0 m/h；
②沉淀器斜壁角度在45°-60°之间，使污泥不致积聚，尽快落入反应区内；
③进入沉淀区前，沉淀槽底缝隙的流速≤ 2 m/h；
④总沉淀水深应大于1.5 m；
⑤水力停留时间介于1.5～2 h。
⑥沉淀区（集气罩）斜壁倾角θ＝50°。
⑦沉淀区的沉淀面积即为反应器的横截面积，即48m2。
如果以上条件均能满足，则可达到良好的分离效果。
沉淀区的表面水力负荷为：q = Q/A =
q < 1.0m3/( m2·h) ，符合设计要求。
2) 回流缝设计：
设单元三相分离器的长b = 8m，宽d = 6m
上下三角形集气室斜面水平夹角为θ＝50°
取保护水层高度（即超高）h1 = 0.3m
上三角形顶水深h2 = 0.5m，下三角形高度h3 = 1.5m
则下三角形集气室底部宽为：
式中：
b1————下三角集气室底水平宽度，m
θ ———上下三角集气室斜面的水平夹角
h3————下三角集气室的垂直高度，m
则相邻两个下三角形集气室之间的水平距离：
b2 = L–2b1 = 8–2×1.26 = 5.48m
则下三角形回流缝的面积为：
S1 = b2·B = 5.48×6 =32.88m2
下三角集气室之间的污泥回流逢中混合液的上升流速(V1)可用下式：
V1 = Q1/S1
式中：
Q1———— 反应器中废水流量，m3/h；
S1———— 下三角形集气室回流逢面积，m2。
V1 =
设上三角形集气室回流缝的宽度CD = 1.4m，则上三角形回流缝面积为： S2 = CD·B·2 = 1.4×6×2 = 16.8m2
上下三角形集气室之间回流逢中流速(V2)可用下式计算：
V2 = Q1/S2
式中：
Q1 ———— 反应器中废水流量，m3/h；
S2 ———— 上三角形集气室回流逢的之间面积，m2。
V2 =
则V1 < V2 < 2.0m/h，符合设计要求。
确定上下三角形集气室的相对位置及尺寸，由图可知：
CH=CD×sin40°=1.4×sin40°＝0.9m
设上集气罩下底宽CF=5.6m，则：
DH=CD×sin50°=1.4×sin50°＝1.07m
DE=2DH+CF=2×1.07+5.6=7.74m DI=(DE-b2)=(7.74-5.48)=1.58m
AI=DItan50°=1.58×tan50°=1.33m
故 h4=CH+AI=0.9+1.33=2.23m。
取h5=0.7m，由上述尺寸可计算出上集气罩上底宽为：
CF-2h5·tan40°=5.6-2×0.7×tan40°=4.43m
BC=CD/sin40°=1.4/sin40°=2.18m
AD=DI/cos50°=1.58/cos50°=2.46m
BD=DH/cos50°=1.07/cos50°=1.66m
AB=AD-BD=2.46-1.66=0.8m
3) 气液分离设计：
取d = 0.01cm(气泡)，T = 200С
水的密度ρ1 = 1.03g/cm3
空气的密度ρg = 1.2×10-3g/cm3
水的运动粘度ν = 0.0101cm2/s
碰撞系数ρ = 0.95
水的粘度μ=νρ1 = 0.0101×1.03 = 0.0104g/cm·s。
一般废水的粘度μ废水﹥净水的粘度μ净水，故取μ= 0.02g/cm·s。
由斯托克斯公式可得气体上升速度为：
=
= 0.266cm/s
= 9.58m/h
取Va = V2 = 1.86m/h ，则：
，
> ,故满足设计要求.
4) 三相分离器与UASB的高度设计：
三相分离器总高度：h = h2 + h4+h5=0.5+2.23+0.7=3.43m≈3.5m
UASB的总高:H = 6.2m(超高h1=0.2m)
反应区高2.6m，其中污泥区高1.6m，悬浮区高1m。
沉淀区高3.4m
(五) 进水系统设计：
1. 布水点的设置：
进水方式的选择应根据进水浓度及进水流量来定，本设计采用连续均匀的进水方式，一管多点的布水方式。一共设置64个出水孔，每个反应池各16个出水孔。所取容积负荷为6kgCOD/(m3·d)，据资料，每个点的布水负荷面积大于2m2。每个布水点的负荷面积为：48/16 =3m2 ＞2m2，满足设计要求。
2. 布水管的设置：
每个反应池采用树枝穿孔管配水，每个反应池中设置4根支管，布水支管的直径采用DN100mm。布水支管的中心距为2m，管与墙的距离为1m；出水孔孔距1.2m，出水孔距墙为0.7m。孔口向下并与垂线呈45°角。
两个池子的总管管径取DN200mm，流速为1.5m/s；每个池子的总管管径取DN150mm，长L=10m，流速为1.35 m/s。
为了使穿孔管隔空出水均匀，要求出口流速不小于2m/s，取其流速为u = 2m/s，
则布水孔孔径为：取16mm
为了增强污泥与废水之间的接触，减少底部进水管的堵塞，进水点距反应池池底200-500mm，本设计布水管离池底300mm。布水系统设计图如图5-3：
图5-3布水系统设计示意图
(六) 出水系统设计：
1. 出水槽设计：
为了保持出水均匀，沉淀区的出水系统通常采用出水槽。此设计中沿反应器的短边设置两条出水槽，而出水槽每隔一定的距离设三角出水堰。每个反应池有1个单元三相分离器，出水槽共有2条，槽宽be = 0.3m。
反应器流量：
取出水槽口附近水流速度为vc = 0.3m/s，槽口附近水深为0.3m，出水槽坡度为0.1；出水槽尺寸5m×0.5m×0.5m。
2. 溢流堰设计：
每个反应器中出水槽溢流堰有2条，每条长5m。设计900三角堰，堰高5mm，堰口宽为100mm，则堰口水面宽b=50mm。每个UASB反应器处理水量7.2L/s，查知溢流负荷为1-2L/（m·s），设计溢流负荷f = 1.256 L/（m·s）
则堰上水面总长为：
三角堰数量：个
每条溢流堰三角堰数量：120/6=20个
一条溢流堰上共有20个10mm的堰口，20个10mm的间隙。
3. 出水渠设计：
每个反应器沿长边设1条矩形出水渠，长为8.6m，2条出水槽的出水流至此出水渠。设出水渠宽0.8m，坡度0.01，出水渠渠口附近水流速度为0.3m/s
则渠口附近水深:
以出水槽槽口为基准计算，出水渠渠深：0.3+0.048=0.348m，出水渠取0.6m深，出水渠的尺寸为：8m×0.8m×0.6m。
4. UASB排水管设计：
每个UASB反应器排水量为7.2L/s，选用DN150钢管排水，充0.6，管内水流速度为： v=2*0.0072/(0.6*3.14*0.15*0.15)=0.3395
设计坡度为0.01；总管流量为13.9L/s，选用DN200钢管排水，充满度为0.6，
管内水流速度为：= 0.368m/s，设计坡度为0.01。
(七) 排泥系统设计：
每日产生的悬浮固体 PSS = Q·（S0-Se）·η·E
式中：
Q ———— 设计流量，m3/d；
η———— 污泥产率，kgSS/kgCOD；
S0、Se ———— 进出水COD的浓度,kgCOD/m3；
E ———— 去除率，本设计中取90%。
PSS = （2300-230）×0.90×0.1×1500×10-3 = 279.45kgSS/d
每日产泥量为：W =
式中：
Pss ———— 产生的悬浮固体，kgSS/d；
P ———— 污泥含水率，以98%计；
———— 污泥密度，以1000kg/m3计。
W =
每日产泥量13.97m3/d，则每个USAB日产泥量6.99m3/d。在每个UASB反应器距离底部0.3m处沿长度方向均匀设置排泥管一根，以便均匀排除污泥区的污泥。USAB反应器每天排泥一次，排泥管选用DN150的钢管，排泥总管选用DN200的钢管。必要时布水管兼做排泥管用。
(八) 产气量计算：
采用每去除1千克COD产生0.5立方米沼气做参数
则每日产气量为：Qg = Q·（S0-Se）·η·E
式中：
Q ———— 设计流量，m3/d；
η———— 产气率，m3/kgCOD；
S0、Se ———— 进出水COD的浓度，kgCOD/m3；
E ———— 去除率，本设计中取90%。
Qg =（2300-230）×0.90×0.5×1500×10-3 = 1397.25m3/d
(九) 上升水流速度和气流速度的计算：
常温下，产气率为：0.5m3/kgCOD；需满足空塔水流速度uk≤1.0 m/h，空塔沼气上升流速ug≤1.0 m/h。
空塔水流速度： 符合要求。
空塔气流速度： ＜ 1.0m/h,符合要求。