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啤酒废水处理工艺设计

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2020年4月19日
文档仅供参考

某啤酒废水处理工艺设计

摘 要

啤酒是世界通用性饮料,是酒精含量最低的饮料酒,而且营养丰富。生产啤酒产生的废水,主要含有淀粉、蛋白质、酵母菌残体、酒花残渣、残余啤酒、少量酒精及洗涤用碱,有机物浓度较高,虽然无毒,但易于腐败,排入水体要消耗大量的溶解氧,对水体环境造成严重危害。随着啤酒行业的迅速发展,啤酒生产产生的大量废水迫切需要适当的处理,以免对环境造成更恶劣的影响。当前,啤酒废水处理的方法多种多样,由于啤酒废水具有良好的可生化性,常常采用以生化为主,生化与物化相结合的处理工艺。
本设计处理啤酒废水采用的UASB+CASS法,是一种厌氧消化和好氧处理相结合的工艺。厌氧处理能有效处理高浓度有机废水,不但运转费用相对较便宜,且可回收沼气;能耗低,产泥量少。后接的好氧处理,能弥补厌氧处理的不足,能有效去除氮、磷,保证出水水质达标排放。经过设计计算,本工艺COD去除率达到98.8%,BOD去除率高达99%,处理效果显著,出水达到<污水综合排放标准>GB8978-1996一级标准,且回收了大量沼气,创造了一定的经济效益。

关键词:UASB,CASS,啤酒废水,有机废水

DESIGN OF A BREWERY WASTEWATER TREATMENT PROCESS

ABSTRACT

Beer is the international beverage, is the lowest alcohol content alcohol drinks, with abundant of nutritious. Wastewater generated by production of beer, contains mostly starch, protein, yeast residue, hop residue, residual beer, a small amount of alcohol and washing with alkali, organic matter concentration was higher, although non-toxic, but easy to corruption, into the water body to consume a large amount DO, on the aquatic environment causing serious harm. With the rapid development of the beer industry, beer production of large quantities of waste properly addressed urgently needed to avoid the impact of the environment even worse. Currently, a wide variety of beer waste water treatment methods, because good beer wastewater biodegradability, often dominated by biochemical, biological and physicochemical treatment processes combined.
The design treatment of brewery wastewater using the UASB + CASS method, is an anaerobic and aerobic digestion process of combining. Anaerobic treatment can effectively deal with high concentration organic wastewater, not only operating costs are relatively cheap, and recyclable methane; energy consumption is low, producing less sludge. Followed by aerobic treatment, anaerobic treatment can compensate for the deficiency, can effectively remove nitrogen, phosphorus, and ensure the quality of the effluent discharge standards. By design calculations, this process COD removal rate 98.8%, BOD removal rate of up to 99%, a significant treatment effect, the water reached, "Integrated Wastewater Discharge Standard" GB8978-1996 standard level, and the recovery of a large number of methane, creating a certain economic benefits.

KEYWORD: UASB, CASS, BREWAGE WASTE WATER, ORGANIC WASTE WATER

目 录

第1章 前言 1
§1.1 UASB+CASS工艺的选择 1
§1.2 UASB+CASS工艺的概述 2
第2章 设计背景 3
§2.1 项目概况及意义 3
§2.2 设计条件 3
§2.3 设计原则 3
第3章 啤酒废水处理方法比较 4
§3.1 酸化—SBR法处理啤酒废水 4
§3.2 UASB—好氧接触氧化工艺处理啤酒废水 5
§3.3新型接触氧化法处理啤酒废水 5
§3.4生物接触氧化法处理啤酒废水 6
§3.5内循环UASB反应器＋氧化沟工艺处理啤酒废水 7
§3.6 UASB+SBR法处理啤酒废水 8
第4章 工艺流程的确定 10
§4.1工艺流程选择 10
§4.2 工艺流程说明 10
第5章 主要构筑物工艺尺寸设计计算 11
§5.1 最大流量QVmax设计计算 11
§5.2 中格栅工艺尺寸设计计算 11
§5.3调节池尺寸设计计算 12
§5.4 UASB反应器的设计 13
§5.4.1 UASB工艺尺寸设计计算 13
§5.4.2进水分配系统的设计 14
§5.4.3三相分离器的设计 16
§5.4.4 排泥系统的设置 20
§5.4.5 出水系统的设计计算 22
§5.4.6沼气收集系统的设计计算 23
§5.5辐流式沉淀池 24
§5.6 CASS曝气池工艺尺寸设计计算 27
第6章 啤酒废水处理厂平面布置 33
§6.1总平面图布置原则 33
§6.2 总平面布置结果 33
第7章 工程造价、效益分析 34
§7.1 工程投资估算 34
§7.1.1 土建部分 34
§7.1.2 设备费用 35
§7.2 成本估算 35
§7.3 效益分析 36
结 论 37
参考文献 38
致　谢 40

第1章 前 言

啤酒是世界通用性饮料,是酒精含量最低的饮料酒,而且营养丰富。它以优质大麦和水为主要原料,啤酒花为香料,经过麦芽制备、麦芽汁制备、发酵等工序制成,富含营养物质和二氧化碳。中国的啤酒行业发展迅速,啤酒产量位居世界首位,但由于中国的啤酒工业发展起步较晚,投资费较低,在生产中对形成的残渣、废水的控制还很不得力,因此造成废水量较大。据有关部门推测, 全国啤酒废水排放量2.7亿立方米,年排放COD约2.9万吨;啤酒废水占全国工业废水排放总量的1.3%,COD占全国工业废水中COD排放总量的0.5%。虽然啤酒生产的废水属于无毒的废水,但由于其排放量大、有机物浓度较高,易于腐败,排入水体要消耗大量的溶解氧,对水体环境造成严重危害。
本文采用UASB+CASS工艺对给定的常州某啤酒有限公司排出的废水进行处理,经过进水量和水质,对主要构筑物进行设计计算,构建啤酒废水处理厂,使出水水质达到国家规定要求,从而达到一定的经济效益、社会效益、环境效益。

§1.1 UASB+CASS工艺的选择

根据啤酒废水的水质特征[1],虽然其水质和水量常依生产周期波动很大,但其BOD5/CODCr值较高,为0.4-0.7,可生化性良好,因此本设计采用生物法处理啤酒废水[2]。根据相关资料中记载的啤酒废水处理的方法,发现厌氧+好痒工艺处理啤酒废水不但处理效果好,且所需费用较低,且在厌氧+好痒的相关工艺的比较中发现[3],UASB+CASS法处理啤酒废水效果明显,流程简洁,费用低等一系列优点[4],最终本设计采用UASB+CASS法处理啤酒废水。

§1.2 UASB+CASS工艺的概述

UASB是上流式厌氧污泥床反应器的简称[5],由Lettinga等人于1972年开发研制的一项有机废水厌氧生物处理技术,这种反应器在经过小试中试和生产性的实验的基础上,于20实际80年代开始在高浓度有机废水的处理中得到日趋广泛的应用[6]。该反应器集生物反应与沉淀于一体[7],是一种结构紧凑、效率高的厌氧反应器。具有结构紧凑、简单,无需搅拌装置,负荷能力高、污泥颗粒化,处理效果好,操作管理简便,运行成本低等优点[8]。
CASS,也称CAST工艺[9],是SBR 工艺的一种改进型,由Goronszy教授及其同事在SBR工艺和氧化沟技术的基础上开发出来的,国内外公认的先进工艺[10]。该工艺已广泛应用于欧美许多国家的城市污水和各种工业废水的处理。由于其具有投资少、运行管理方便、可分期建设等特点,适合中国国情,近年来,在国内已得到推广应用[11]。
将UASB和CASS两种处理单元进行组合[12],所形成的处理工艺突出了各自处理单元的优点,使处理流程简洁,节省了运行费用,而把UASB作为整个废水达标排放的一个预处理单元,在降低废水浓度的同时,可回收所产沼气作为能源利用。同时,由于大幅度减少了进入好氧处理阶段的有机物量,因此降低了好氧处理阶段的曝气能耗和剩余污泥产量,从而使整个废水处理过程的费用大幅度减少[13]。采用该工艺既降低处理成本,又能产生经济效益[14]。而且UASB池正常运行后,每天产生大量的沼气,将其回收作为热风炉的燃料,可供饲料烘干使用[15]。UASB去除COD达7500 kg/d,以沼气产率为0.5m3/kgCOD计算,UASB产气量为3500m3/d(甲烷含量为55%-65%)[16]。沼气的热值约为22680kJ/m3,煤的热值为21000 kJ/t计算,则1 m3沼气的热值相当于1 kg原煤,这样可节煤约4 t/d左右,年收益约为39.6万元[17]。

第2章 设计背景

§2.1 项目概况及意义

常州某啤酒有限公司计划建设年产20万吨啤酒生产设施。由于啤酒在生产过程中排出大量的有机废水,直接排放将造成对周围环境的严重污染。为贯彻执行”三同时”,保护环境,消除污染[18],常州某啤酒有限公司拟配套实施废水处理工程,对啤酒生产中排出的混合废水集中收集处理后达标排放,做到社会效益、经济效益、环境效益的统一。

§2.2 设计条件

1．设计水量:Q=5000m3/d;
2．进水水质:CODCr(mg/L)=2500,BOD5(mg/L)=1625,SS(mg/L)=540,NH3-N(mg/L)=15,pH=6-11,总磷为2.5mg/L;
出水水质要求满足<污水综合排放标准>GB8978-1996一级标准:CODCr<100mg/L,BOD5<30mg/L,SS<70mg/L,NH3-N <15mg/L,TP<0.5mg/L,出水pH 6-9。

§2.3 设计原则

严格遵循国家相关法规、规范和标准,确保出水水质指标达到国家排放的标准;
废水处理装置布置紧凑、流畅,尽量减少占地面积,坚持实用和美观相结合的总布原则;选择工艺简单,采用当前国内成熟、实用的处理工艺;尽量经过优化设计降低工程投资及运转费用,努力实现技术先进与企业财力相适应。
第3章 啤酒废水处理方法比较

§3.1 酸化—SBR法处理啤酒废水

其主要处理设备是酸化柱和SBR反应器。这种方法在处理啤酒废水时,在厌氧反应中,放弃反应时间长、控制条件要求高的甲烷发酵阶段,将反应控制在酸化阶段,这样较之全过程的厌氧反应具有以下优点[19]:
1．由于反应控制在水解、酸化阶段反应迅速,故水解池体积小;
2．不需要收集产生的沼气,简化了构造,降低了造价,便于维护,易于放大;
3．对于污泥的降解功能完全和消化池一样,产生的剩余污泥量少。同时,经水解反应后溶解性COD比例大幅度增加,有利于微生物对基质的摄取,在微生物的代谢过程中减少了一个重要环节,这将加速有机物的降解,为后续生物处理创造更为有利的条件。
4．酸化—SBR法处理高浓度啤酒废水效果比较理想,去除率均在94%以上,最高达99%以上。
要想使此方法在处理啤酒废水达到理想的效果时运行环境要达到下列要求:
1．酸化—SBR法处理中高浓度啤酒废废水,酸化至关重要,它具有两个方面的作用,其一是对废水的有机成分进行改性,提高废水的可生化性;其二是对有机物中易降解的污染物有不可忽视的去除作用。酸化效果的好坏直接影响SBR反应器的处理效果,有机物去 除主要集中在SBR反应器中。
2．酸化—SBR法处理啤酒废水受进水碱度和反应温度的影响,最佳温度是24℃,最佳碱度范围是500-750mg/L。视原水水质情况,如碱度不足,采取预调碱度方法进行本工艺处理;若温度差别不大,运行参数可不做调整,若温度差别较大,视具体情况而定。

§3.2 UASB—好氧接触氧化工艺处理啤酒废水

此处理工艺中主要处理设备是上流式厌氧污泥床和好氧接触氧化池[19],处理主要过程为:废水经过转鼓过滤机,转鼓过滤机对SS的去除率达10%以上,随着麦壳类有机物的去除,废水中的有机物浓度也有所降低。调节池既有调节水质、水量的作用,还由于废水在池中的停留时间较长而有沉淀和厌氧发酵作用。由于增加了厌氧处理单元,该工艺的处理效果非常好。上流式厌氧污泥床能耗低、运行稳定、出水水质好,有效地降低了好氧生化单元的处理负荷和运行能耗(因为好氧处理单元的能耗直接和处理负荷成正比)。好氧处理(包括好氧生物接触氧化池和斜板沉淀池)对废水中SS和COD均有较高的去除率,这是因为废水经过厌氧处理后仍含有许多易生物降解的有机物。
该工艺处理效果好、操作简单、稳定性高。上流式厌氧污泥床和好氧接触氧化池相串联的啤酒废水处理工艺具有处理效率高、运行稳定 、能耗低、容易调试和易于每年的重新启动等特点。只要投加占厌氧池体积1/3的厌氧污泥菌种,就能够保证污泥菌种的平稳增长,经过3个月的调试UASB即可达到满负荷运行。整个工艺对COD的去除率达96.6%,对悬浮物的去除率达97.3%-98%,该工艺非常适合在啤酒废水处理中推广应用。

§3.3新型接触氧化法处理啤酒废水

此方法处理过程为:废水首先经过微滤机去除大部分悬浮物,出水进入调节池,然后中提升泵打入VTBR反应器中进行生化处理,经过风机强制供风使废水与填料接触,维持生化反应的需氧量,VTBR反应器出水进入沉淀器,去除一部分脱落的生物膜以减轻气浮设备的处理负荷,之后流人气浮设备去除剩余的生物膜,污泥及浮渣送往污泥池浓缩后脱水。
该处理工艺有以下主要特点[19]:
1．VTBR反应器由废旧酒精罐改造而成,节省了投资。与钢筋混凝土结构相比,具有一次性投资低,运行稳定,处理效果好等特点。
2．冬季运行时,在VTBR反应器外部加了一层保温材料,使罐中始终保持较高的温度,提高了生物的活性。
3．因 VTBR反应器高达10m左右,水深大,所选用风机为高压风机,风压为98kPa,N＝75kw,耗电量大。

§3.4生物接触氧化法处理啤酒废水

该工艺采用水解酸化作为生物接触氧化的预处理,水解酸化菌经过新陈代谢将水中的固体物质水解为溶解性物质,将大分子有机物降解为小分子有机物。水解酸化不但能去除部分有机污染物,而且提高了废水的可生化性,有益于后续的好氧生物接触氧化处理。
该工艺在处理方法、工艺组合及参数选择上是比较合理的,充分利用各工序的优势将污染物质转化、去除。然而,如果由于某些构筑物的构造设计考虑不周会影响运行效果,致使出水水质不理想,使生物接触氧化池的出水(静沉30min的澄清液)COD为500-600mg/L,经混凝气浮处理后出水COD仍高达300mg/L,远高于排放要求(150mg/L)。
可是此处理方法在设计和运行中回出现以下问题[19]:
1．水解酸化池存在的问题主要是沉淀污泥不能及时排除。由于该废水中悬浮物浓度较高,因而池内污泥产量很大,而原工艺仅在水解酸化池前端设计了污泥斗,因此池子的后部很快就淤满了污泥。另外,随着微生物量的增加在软性生物填料的中间部位形成了污泥团,使得传质面积减小。针对污泥淤积情况,在水解酸化池前可增设一级混凝气浮以去除水中的悬浮物,经此改进后水解酸化池能长期、稳定、有效地运行,其出水COD也从1100-1200mg/L降至900-1000mg/L,收到了较好的效果。不过,增设混凝气浮增加了运行费用,而且气浮过程中溶入的O2还可能对水解酸化产生不利影响。因此,在设计采用水解酸化处理悬浮物浓度高的污水时,可增设污泥斗的数量以便及时排除沉淀污泥。另外,为防止填料表面形成污泥团应采用比表面积大、不结泥团的半软性填料。
2．如果废水中污染物浓度较高或前处理效果不理想,生物接触氧化池前端的有机物负荷较高,使得供氧相对不足,此时该处的生物膜呈灰白色,处于严重的缺氧状态,而池末端成熟的好氧生物膜呈琥珀黄色。同时,水中的生物活性抑制性物质浓度也较高,对微生物也有一定的抑制作用。这些因素使得生物接触氧化池没有发挥出应有的作用,处理效果不理想。鉴于此,可采取阶段曝气措施即多点进水,污水沿池长多点流入生物接触氧化池以均分负荷,消除前端缺氧及抑制性物质浓度较高的不利影响。改为多点进水并经过一段时间的稳定运行后,生物接触氧化池的出水(30min的澄清液)COD为200-300mg/L。再经混凝气浮工序处理后最终出水COD＜150mg/L(一般在130 mg/L),达到了排放要求。
3．在调试运行过程中,生物接触氧化池中生物膜脱落、气泡直径变大(曝气方式为微孔曝气)、出水浑浊、处理效果恶化的现象时有发生。经研究、分析、验证发现这是由于负荷波动或操作不当造成溶解氧不足而引起的。溶解氧不足使得生物膜由好氧状态转变为厌氧状态,其附着力下降,在空气气泡的搅动下生物膜大量脱落,导致水粘度增加、气泡直径增大、氧转移效率下降,这又进一步造成缺氧,如此形成恶性循环致使处理效果恶化。
4．在调试运行初期,发生这种现象时一般是增大供气量以提高供氧能力来消除缺氧,结果由于气泡搅动强度增大,造成了更大范围的生物膜脱落、水粘度更大、氧转移效率更低,非但没 能提高供氧能力反而使情况更糟。正确的处理措施应是减小曝气量,待脱落的生物膜随水流 流出后再逐渐增加曝气量使溶解氧浓度恢复到原有水平,若水温适宜则2-3d后生物膜就可恢复正常。
因此当采用此工艺处理啤酒废水时要遵循下列要求:(1)采用水解酸化作为预处理工序时应考虑悬浮物去除措施。(2)采用推流式生物接触氧化池时,为避免前端有机物负荷过高可采用多点进水。(3)应严格控制溶解氧浓度,供氧不足会造成生物膜大范围脱落,导致运行失败。

§3.5内循环UASB反应器＋氧化沟工艺处理啤酒废水

此工艺采用厌氧和好氧相串联的方式,厌氧采用内循环UASB技术,好氧处理用地有一处狭长形池塘,为了降低土建费用,因地制宜,采用氧化沟工艺[19]。本处理工艺的关键设备是UASB反应器。该反应器是利用厌氧微生物降解废水中的有机物,其主体分为配水系统,反应区,气、液、固三相分离系统,沼气收集系统四个部分。厌氧微生物对水质的要求不象好氧微生物那么宽,最佳pH为6.5-7.8,最佳温度为35℃-40℃,而本工程的啤酒废水水质超出了这个范围。这就要求废水进入UASB反应器之前必须进行酸度和温度的调节。这无形中增加了电器。仪表专业的设备投资和设计难度。
内循环UASB技术是在普通UASB技术的基础上增加一套内循环系统,它包括回流水池及回流水泵。UASB反应器的出水水质一般都比较稳定,在回流系统的作用下重新回到配水系统。这样一来能提高UASB反应器对进水水温、pH值和COD浓度的适应能力,只需在UASB反应器进水前对其pH和温度做一粗调即可。
UASB反应器采用环状穿孔管配水,经过三相分离器出水,并在三相分离器的上方增加侧向流絮凝反应沉淀器,它由玻璃钢板成60°安装而成,能在最大程度上截留三相分离出水中的颗粒污泥。
此处理工艺主要有以下特点:1．实践证明,采用内循环UASB反应器＋氧化沟工艺处理啤酒废水是可行的,其运行结果表明CODCr总去除率高达95％以上。2．由于采用的是内循环UASB反应器和氧化沟工艺串联组合的方式,可根据啤酒生产的季节性、水质和水量的情况调整UASB反应器或氧化沟处理运行组合,以便进一步降低运行费用。

§3.6 UASB+SBR法处理啤酒废水

本处理工艺主要包括UASB反应器和SBR反应器。将UASB和SBR两种处理单元进行组合,所形成的处理工艺突出了各自处理单元的优点,使处理流程简洁,节省了运行费用,而把UASB作为整个废水达标排放的一个预处理单元,在降低废水浓度的同时,可回收所产沼气作为能源利用[19]。同时,由于大幅度减少了进入好氧处理阶段的有机物量,因此降低了好氧处理阶段的曝气能耗和剩余污泥产量,从而使整个废水处理过程的费用大幅度减少。采用该工艺既降低处理成本,又能产生经济效益。而且UASB池正常运行后,每天产生大量的沼气,将其回收作为热风炉的燃料,可供饲料烘干使用。UASB去除COD达7500 kg/d,以沼气产率为0.5m3/kgCOD计算,UASB产气量为3500m3/d(甲烷含量为55%-65%)。沼气的热值约为22680kJ/m3,煤的热值为21000 kJ/t计算,则1m3沼气的热值相当于1 kg原煤,这样可节煤约4 t/d左右,年收益约为39.6万元。
UASB+SBR法处理工艺与水解酸化+SBR处理工艺相比有以下优点:1．节约废水处理费用。UASB取代原水解酸化池作为整个废水达标排放的一个预处理单元,削减了全部进水COD的75%,从而降低后续SBR池的处理负荷,使SBR池在废水处理量增加的情况下,运行周期同样为12 h,废水也能达标排放。也就是说,耗电量并没有随废水处理量的增加而增加。同原工艺相比较,每天实际节约1500-2500m3废水的处理费用,节约能耗约21.4万元/a。2．节约污泥处理费用。废水经过UASB处理后,75%的有机物被去除,使SBR处理负荷大大降低,产泥量相应减少。水解酸化+SBR处理工艺计算,产泥量达17t/d(产泥率为0.3kg污泥/kgCOD,污泥含水率为80%),UASB+SBR法处理工艺产泥量只有5t/d(含水率为80%)左右,只有水解酸化+SBR处理工艺的1/3,污泥处理费用大大减少,节约污泥处理费用约为20元/a。

第4章 工艺流程的确定

§4.1工艺流程选择

经过对比比较,决定采用UASB+CASS工艺,其中,CASS是SBR的改进型。本设计处理啤酒废水流程[3]如下图所示:

图4-1 啤酒处理工艺流程图

§4.2 工艺流程说明

啤酒生产废水先经过中格栅去除粗大杂质后,经提升泵进入调节池,调节水质水量,根据在线pH计显示的pH值,用计量泵将酸碱送入调节池,调节废水的pH值在6.5-7.5之间。调节池的出来的水用泵连续送入UASB反应器进行厌氧消化,降低有机物浓度。厌氧处理过程中产生的沼气被收集到沼气罐中重新利用。UASB反应器的出水流入沉淀池,进一步去除水中SS。沉淀池出水进入CASS反应器,进行好氧处理。经处理水质达标,由CASS反应池出水后直接外排。来自UASB、沉淀池及CASS反应器内的剩余污泥先在污泥浓缩池内被浓缩,中心污泥斗内的污泥送入污泥脱水车间,进一步降低污泥含水率,实现污泥的减量化。污泥经脱水机脱水后形成泥饼,装车外运处理。

第5章 主要构筑物工艺尺寸设计计算

§5.1 最大流量QVmax设计计算

本设计中采用的废水流量,是啤酒产量较大的季节统计的的平均废水流量,因流量变大的系数较小,因此取废水流量的变化系数为=1.1。因此废水最大流量为:
(5-1)

§5.2 中格栅工艺尺寸设计计算

1．中格栅的间隙数量n
设栅前水深h=0.4m,过栅流速v=0.8m/s,
栅条间距d=20mm,格栅安装倾角а=60゜
(5-2)
取n=10。
格栅设两组[21],一台工作,一台备用,按一组工作计算。
2．格栅建筑宽 b
取栅条宽度s=0.01m,
(5-3)
验证栅前水速:(0.4-0.9)
(5-4)
符合要求。
3．格栅的水头损失
取栅条断面为锐边矩形,则β=2.42,k=3。
(5-5) (5-6)
4．栅后槽的总高度
设栅前渠道超高= 0.3 m,
=h+h1+h2=0.4+0.081+0.3=0.78(m) (5-7)
5．栅槽总建筑长度L 设进水渠道宽=0.2m,渐宽部分展开部分角度为20°。
(1) 进水渠道渐宽部位的长度:
(5-8)
(2) 栅槽与出水槽连接处的渐宽部分长度:
(5-9)
(5-10)
6．每日栅渣量W:
取=0.08污水
(5-11)
故可采用机械清渣。

§5.3调节池尺寸设计计算

1．设计说明[21] 工业废水的水量和水质随时间变化幅度较大。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。该池设计的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,使同时进入调节沉淀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。
2．设计参数 水力停留时间HRT=3h;
设计流量Q=5500/d=229.2 /h=0.064/s。
3．设计计算
(1) 池子尺寸
池子有效容积:V=QT=229.2×3=687.6 ;
取池总高H=3.0m,其中超高0.3m,有效水深h=2.7m;
则池面积 A=V/h=687.6/2.7=254.7 m2;
取圆形池子,则A=π×R×R=254.7 m2
得R=9.0 m。
池子总尺寸为π×R×R×H =3.14×9×9×3()。
§5.4 UASB反应器的设计
§5.4.1 UASB工艺尺寸设计计算
表5-1 UASB反应器进出水水质

COD
BOD
SS
TP
进水水质(mg/L)
2500
1625
540
2.5
去除率 (%)
86
89
64
10
出水水质(mg/L)
350
178.75
194.4
2.25
1．UASB反应器的有效容积[22]
对于中等浓度和高浓度的有机废水,一般情况下,有机容积负荷率是限制因素,反应器的容积与废水量、废水浓度和允许的有机物容积负荷去除率有关。设计容积负荷为NV=4.0kgCOD/(m3·d),COD去除率为86%,则UASB反应器有效容积为:
V有效=Q(S0—Se)/NV=5000×(2.5－0.35)/4=2687.5 (m3) (5-12)
2．UASB反应器的形状和尺寸
据资料,经济的反应器高度一般为4-6m之间,而且在大多数情况下这也是系统优化的运行范围。生流式厌氧污泥床的池形有矩形、方形和圆形。圆形反应器具有结构较稳定的特点,可是建造圆形反应器的三相分离器要比矩形和方形反应器复杂得多,因此,本设计采用矩形池。从布水均匀性和经济型考虑,矩形池长宽比在2:1左右比较合适。
设计反应器有效高度为h=5m,则横截面积:
S= V有效 /H=2687.5/5=537.5 (m2) (5-13)
设池长L约为池宽B的2倍,则可取B=16m,L=34m。
一般应用时反应器装液量为70%-90%,本工程设计反应器总高H=6.5m其中超高0.5m。
反应器的总容积:
V=BLH=16×34×(6.5-0.5)=3264 (m3) (5-14)
有效容积为2687.5 m3,则体积有效系数为82.3%,负荷有机负荷的要求。
3．水力停留时间(HRT)和水力负荷率(Vr)
(5-15)
(5-16)
对于颗粒污泥,水力负荷Vr=0.1-0.9 m3/(m2﹒h)符合要求。

§5.4.2进水分配系统的设计
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而定,一般采用的是连续均匀进水方式。进水点的数量选择一管多点的布水方式,布水点数量与处理废水的流量、进水浓度、容积负荷等因素有关。
由于所取容积负荷为4.0 kgCOD/( m3·d),据资料,每个点的布水负荷面积小于或等于2m2。本次设计池中共设置270个布水点,则每点的负荷面积为:
(5-17)
2．布水系统形式
UASB反应器的进水分配系统形式多样,主要有树枝管式、穿孔管式、多管多点式和上给式4种。本次设计采用多管多点式配水。为配水均匀,配水管中心距可采用1.0-2.0m,出水孔孔距也可采用1.0-2.0m,孔径一般为10-20mm,孔口向下,每个出水孔的服务面积一般为2-4m2。配水管中心距池底一般为20-25cm,配水管的直径最好不小于100mm。为了使穿孔管各孔出水均匀,要求出口流速不小于2m/s。
进水总管管径取200mm,流速约为1.84m/s。反映器中设置27根Φ100的支管,每两根之间的中心距为1.23,每根管上有10个配水孔,孔距为1.4m,则每个孔的服务面积为1.4×1.23=1.7(m2),孔口向下。并设置布水孔270个,出水流速u选为2m/s,则孔径为:
(5-18)
本设置采用连续进水方式,布水孔空口向下,有利于避免管口堵塞,且由于UASB反应器底部反射散布作用,有利于布水均匀。
为了增强污泥和废水之间的接触,减少底部进水管的堵塞,进水点距反应器池底200-250mm,本工程设计布水管距UASB反应器底部200mm。
3．上升水流速度和气流速度
本次设计中常温下容积负荷NV=4.0kgCOD/(m3·d),沼气产率r=0.35m3/(kg﹒COD),根据接种污泥的不同选择不同的空塔水流速度和气流速度。本设计采用厌氧消化污泥接种,应满足空塔水流速度uk≤1.0m/h,空塔沼气上升速度ug≤1.0m/h。则
空塔水流速度:
(5-19)
空塔气流速度:
(5-20) 符合要求。
η为COD去除率,取86%。

§5.4.3三相分离器的设计
三相分离器的构造形式是多种多样的,但都是由3个主要功能和3个组成部分:气液分离,固液分离和污泥回流3个功能以及气封、沉淀区和回流缝3个组成部分。
1．沉淀区设计
三相分离器沉淀区固液分离是靠重力沉淀(vs)达到的,其设计主要考虑两个因素即沉淀面积和水深。沉淀面积可根据废水流量和沉淀区的表面负荷率确定。一般表面负荷率的数值等于水流向上流速vL,该值的大小与需要去除的污泥颗粒的沉降速度vs相等,但方向相反。对于已形成颗粒污泥的反应器,为防止和减少悬浮层絮状污泥流失,沉淀室内设计日平均表面负荷率小于0.7 m3/(m2﹒h),沉淀区进水口的水流上升速度一般小于2 m3/(m2﹒h)。
本设计中,与短边平行,沿长边布置8个集气罩,构成6个分离单元,则设置6个三相分离器。三相分离器单元结构示意图如下:

图5-1三相分离器单元结构示意图
三相分离器的长度为B=14m,每个单元宽度L=34/7=4.857(m),其中沉淀区长B1=14m,宽度b=3.4m,集气罩顶端宽度a=1.457m,壁厚为0.2m,沉淀室底部进水口宽度b1=1.7m。
沉淀区面积:

沉淀区表面负荷:
(5-21)
符合要求。
沉淀室进水口面积:
(5-22)
沉淀室进水口水流上升速度:
v2=Q/S2=208.33/166.6=1.25[m3/(m2.h)]﹤2.0[m3/(m2.h)] (5-23)
符合要求。
2．沉淀区斜壁角度与深度设计
三相分离器沉淀区斜壁倾斜度应在45°-60°之间,上部液面距反应器顶部距离h>0.2m,集气罩顶以上的覆盖水深h2可采用0.5-1.0m,沉淀区斜面的高度h3建议采取0.5-1.0m。不论任何形式的三相分离器,其沉淀区的水深大于或等于1.0m,而且沉淀区的水力停留时间以1-1.5h为宜。如能满足以上条件,则可取得良好的固液分离效果。
设计UASB反应器沉淀区最大水深为2m,h1=0.5m(超高),h2 =0.45m,h3=1.05m。则倾角:
(5-24)符合要求。
3．气液分离设计
如下图所示,设计就是要在确定气封β角后,合理选择缝隙宽度l1和斜面长度BC(主要是MB),以防止UASB消化区中产生的气泡被上升的液流带入沉淀池,干扰固液分离,造成污泥流失。当气泡随液流以速度vM沿分离器斜面BC上升时,由于浮力作用,它同时具有垂直向上的速度vN。为保证气泡不随液流窜入沉淀室,气泡必须在其随液流有B点移至M点时,在垂直方向上移动距离MN。则在分离器设计中,必须满足以下公式要求:
(vN/vM)>(MN/MB) (5-25)
倾角β=60°,γ=70°,b2=0.6m,分隔板下端距反射锥垂直距离MN=0.224m,则缝隙宽度l1=MNsinβ=0.224×sin60°=0.194(m)。

图5-2三相分离器气液分离器设计示意图
废水总流量为5000m3/d,根据资料,设有0.7Q=3500 m3/d的废水经过进水缝进入沉降区,另有0.3Q=1500 m3/d的废水经过回流缝进入沉降区。则