UASB设计计算.doc

UASB设计计算
一、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=0.032 m3/s。
(3) 水质指标
表1  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
二、 UASB反应器容积及主要工艺尺寸的确定
(1) UASB反应器容积的确定
本设计采用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) 主要构造尺寸的确定
UASB反应器采用圆形池子，布水均匀，处理效果好。
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
采用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=63.6 m2
实际表面水力负荷  q1=Q/4A2=141.67/5 63.6=0.56 m3/（m2·d）
q1〈0.8m/h，符合设计要求。
二、UASB进水配水系统设计
(1) 设计原则
① 进水必须要反应器底部均匀分布，确保各单位面积进水量基本相等，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 易于观察进水管的堵塞现象，如果发生堵塞易于清除。
本设计采用圆形布水器，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) 设计计算
查有关数据，对颗粒污泥来说，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 πD2/4/n>2   
即n<πD2/8=3.14×9×9÷8=32    取n=30个
则  每个进水口负荷  a=πD2/4/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1

图1  UASB布水系统示意图
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：

用此直径作一个虚圆，在该圆内等分虚圆面积处设一实圆环，其上布5个孔口,则圆环的直径计算如下：
3.14*（3.672-d12）/4=S1/2

② 中圈10个孔口设计
服务面积： S2=10 ×2.12=21.2m2
折合为服务圆的直径为：

则中间圆环的直径计算如下：
3.14 ×(6.362－d22) /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

则中间圆环的直径计算如下：3.14×(92－d32)/4=S3/2
则 d3=7.8m
布水点距反应器池底120mm；孔口径15cm
三、三相分离器的设计
(1) 设计说明  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接影响气、液、固三相在反应器内的分离效果和反应器的处理效果。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，根据已有的研究和工程经验， 三相分离器应满足以下几点要求：
沉淀区的表面水力负荷<0.8m/h；
三相分离器集气罩顶以上的覆盖水深可采用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≥1.0m；
水力停留时间介于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效果。
(2) 设计计算
本设计采用无导流板的三相分离器

b1
b1
b2

图2  三相分离器设计计算草图
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 *D2/4=63.6m2
表面水力负荷
q=Q/A=141.67÷(4 ×63.6)=0.56m3/(m2.h)<0.8 m3/(m2.h)    符合要求
② 回流缝设计
h2的取值范围为0.5—1.0m,    h1一般取0.5
取h1=0.5m  h2=0.7m  h3=2.4m
依据图2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=9－2 2.0=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,可用下式计算：
V1=Q1/S1=4Q1/3.14b22
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的计算：  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=3.14× (6.0+7.53) ×1.0=42.48m2
V2=141.67/4/42.48=0.86m/h
V2<V1<2.0m/h , 不符合要求
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2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，气体分离效果越好，去除气泡的直径越小，对沉淀区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方向斜面流动，并设流速为Va，同时假定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，根据速度合成的平行四边形法则，则有：

要使气泡分离后不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

根据斯托克斯（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
校核：

四、 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。
五、 产气量计算
每日产气量  G=3726×0.85×0.5×3400×10－3 =5397 m3/d=224.9 m3/h
储气柜容积一般按照日产气量的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%。储气柜的压力一般为2～3KPa，不宜太大。
六、 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) . Q /η
QH－加热废水需要的热量，KJ/h；
dF－废水的相对密度，按1计算；
γF－废水的比热容，kJ/(kg.K)；
Q－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
所以        QH=4.2*1*(25－15) *141.67/0.85=7000KJ/h
每天沼气的产量为5397 m3，其主要成分是甲烷，沼气的平均热值为22.7 KJ/L
每小时的甲烷总热量为：（5397÷24）×22.7×103=5.1×106 KJ/h，因此足够加热废水所需要的热量。
七、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，很难准确测定和控制反应器内真实的pH值，这就要和靠碱度来维持和缓冲，一般碱度要2000-5000mgCaCO3/L时，就会导致其pH值下降，所以，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值在适当的范围内，必须向反应器中直接加入致碱或致酸物质。间接调节pH值。主要致碱药品有：NaCO3、NaHCO3、NaOH以及Ga(OH)2。
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，根据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值下降；反之，当UASB反应器中pH值过高时，关闭加碱管路上的开关，停止加碱，使pH值上升。
八、 活性污泥的培养与驯化 
对于一个新建的UASB反应器来说，启动过程主要是用未驯化的絮状污泥（如污水处理厂的消化污泥）对其进行接种，并经过一定时间的启动调试运行，使反应器达到设计负荷并实现有机物的去除效果，通常这一过程会伴随着污泥颗粒化的实现，因此也称为污泥的颗粒化。由于厌氧生物，特别是甲烷菌增殖很慢，厌氧反应器的启动需要很长的时间。但是，一旦启动完成，在停止运行后的再次启动可以迅速完成。当没有现成的厌氧污泥或颗粒污泥时，采用最多的是城市污水处理厂的消化污泥。除了消化污泥之外，可用作接种的物料很多，例如牛粪和各类粪肥、下水道污泥等。一些污水沟的污泥和沉淀物或微生物的河泥也可以被用于接种，甚至好氧活性污泥也可以作为接种污泥，并同样能培养出颗粒污泥。污泥的接种浓度以6-8kgVSS/m3（按反应器总有效容积计算）为宜，至少不低于5 kgVSS/m3，接种污泥的填充量应不超过反应器容积的60%。从负荷角度考虑UASB的初次启动和颗粒化过程，可分为三个阶段：
阶段1：即启动的初始阶段，这一阶段是低负荷的阶段(＜2Kg COD/(m3·d))。
阶段2：即当反应器负荷上升至2～5Kg COD/(m3·d)的启动阶段。在这阶段污泥的洗出 量增大，其中大多为细小的絮状污泥。实际上，这一阶段在反应器里对较重的污泥颗粒和分散的、絮状的污泥进行选择。使这一阶段的末期留下的污泥中开始产生颗粒状污泥或保留沉淀性能良好的污泥。所以在5.0 Kg COD/(m3·d)左右是反应器中以颗粒污泥或絮状污泥为主的一个重要的分界。
阶段3：这一阶段是反应器负荷超过5.0 Kg COD/(m3·d)。在此时，絮状污泥变得迅速减少，而颗粒污泥加速形成直到反应器内不再有絮状污泥存在。
当反应器负荷大于5.0 Kg COD/(m3·d)，由于颗粒污泥的不断形成，反应器的大部分被颗粒污泥充满时其最大负荷可以超过20 Kg COD/(m3·d)。当反应器运行在小于5.0 Kg COD/(m3·d)，系统中虽然可能形成颗粒污泥，但是，反应器的污泥性质是由占主导地位的絮状污泥所确定。