毕业设计（论文）-奶牛场沼气发酵工艺技术研究.doc

济南大学毕业设计设计总说明随着我国的国民经济持续快速的发展，一些能源消耗呈现快速增长的势头，使总能源需求明显扩大、价格也不断上升，局部地区出现了能源供应紧张情况。如今我国也已经成为煤炭世界第一消费大国，是继美国之后的第二石油和电力消费大国，但我国石油储量仅是世界的2%。随着我国经济的快速持续发展，对能源的需求量也呈逐年递增的趋势，所以面临能源供应的压力也在不断增加。在这种形势下，加大沼气等生物能源的开发利用已经成为缓解我国的能源供应压力的一个重要途径。沼气作为可再生清洁能源，既可以替代秸秆、薪柴等传统生物质能源，也可替代煤炭等商品能源，而且能源效率明显高于秸秆、薪柴、煤炭等。发展沼气目前是我国能源战略的重要组成部分，对增加优质能源供应、缓解国家能源压力具有重大的现实意义。沼气是有机物质在厌氧的环境下，在一定的温度、湿度、酸碱度条件下，通过微生物的发酵作用，产生的一种可燃性气体。本次设计中以500头奶牛牛粪作为沼气发酵原料，重点对沼气发酵池，即uasb反应器做重要设计，其中主要包括布水装置、三相分离器结构设计，从环保循环利用的方面考虑，需对生成的沼气进行进一步处理，如脱水、脱硫处理等。还有对从uasb反应器流出的沼液以及沼渣经过简易的曝气池、沉淀池处理，防止造成污染，另一方面可利用最终沼渣、沼液作为农肥，其具有营养成分多样性及均衡性、增强土壤肥力、环保性等优点。最后还对各处理单元的结构、平面布置和高程布置进行了设计。采用autocad绘图工具进行工程图纸的绘制，以及对主要流程平面图进行绘制。本次设计的目的是为了了解沼气技术的原理以及过程，实现以牛粪作为沼气发酵原料生产沼气，同时缓解我国能源供应压力。通过此次设计巩固所学的专业理论知识，掌握厌氧装置的设计、污水处理工艺及各个构筑物的设计技术，熟练设计过程和规范要求，从而为将来的实际工程的应用打下坚实的基础。关键词：沼气发酵；沼气净化；uasb反应器；环保design instructionwith the continued rapid growth of our national economy, some of the energy consumption of industry shows rapid growth, significantly expanding the total energy using price is rising in some areas of the energy supply situation. now china has become the worlds largest consumer of coal country, the second after the united states oil and electricity consumer, but china is the worlds oil reserves, only 2%. with chinas sustained and rapid economic development, energy demand also showed an increasing trend year by year, so pressure is also facing increasing energy supply. under such circumstances, increased methane development and utilization of biomass energy has become a relieve the pressure of chinas energy supply is an important way.biogas as a renewable clean energy, can replace straw, firewood and other traditional biomass energy, it can replace coal and other energy commodities, and energy efficient than straw, firewood and coal. chinas energy strategy for the development of biogas is an important component of the increase the quality of energy supply and ease pressure on the national energy of great practical significance. biogas is organic matter in the anaerobic environment, in a certain temperature, humidity, ph conditions, by microbial fermentation to produce a combustible gas.the design of a 500 cow dung as the methane fermentation of raw materials, focusing on the methane fermentation tank, that is important to do uasb reactor design, which includes water distribution installations, three-phase separator design, from environmental considerations recycling required to generate biogas for further processing, such as dehydration, desulfurizing process. uasb reactor also flow from the slurry and biogas residue through simple aeration tank, settling tank treatment, prevention of pollution, on the other hand can use the final residue, biogas slurry as agricultural fertilizer, which has a diversity and nutrition balance, enhance soil fertility, environmental protection and so on. finally, the structure of each processing unit, layout and elevation layout of the design. autocad drawing using the drawing tools to engineering drawings, and plans to draw on the key processes.the purpose of this design is to understand the principle and process of biogas technology, the realization of cow dung used as raw materials to produce methane biogas, while alleviating pressure on chinas energy supply. designed to consolidate what they have learned through the professional theoretical knowledge and master the design of the anaerobic plant, sewage treatment process and the various structures of the design technology, skilled design process and regulatory requirements, and thus for the future application of practical engineering and lay a solid foundation.朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典key words：gas ferment ;gas purification ;uasb reactor ;environmental目 录设计总说明idesign instructionii目 录iv1 前 言11.1沼气技术发展现状11.1.1我国沼气技术发展历程11.1.2国外沼气技术进展11.2沼气技术在促进社会发展中的作用21.2.1缓解我国化石能源供应压力21.2.2改善农民生活环境及卫生条件21.2.3控制局部地区环境污染21.2.4促进农业生态环境的改善31.2.5促进新农村建设32沼气工程基础设计分析42.1沼气的基本知识42.1.1沼气的发酵原理42.1.2沼气的主要成分42.1.3沼气的性质42.2沼气发酵原料52.3沼气发酵原料预处理53沼气池的设计计算63.1基本参数的确定63.1.1总设计流程63.1.2设计参数63.2 uasb反应器基础设计73.2.1基本参数73.2.2 uasb反应器结构简介93.3 uasb反应器的设计计算123.3.1设计参数123.3.2 uasb反应器容积及主要工艺尺寸的确定133.3.3 uasb反应器排泥系统设计计算183.3.4 uasb反应器产气量设计计算184 沼气的净化设计194.1沼气脱水工艺194.2沼气脱硫工艺及装置195沼渣处理工艺225.1沼渣处理工艺流程图225.2曝气池简易设计225.3二沉池225.4农肥利用236管道设计计算247 总体布局257.1平面布置257.1.1沼气布线的管道规则257.1.2附属建筑物257.2高程布置268 沼气工程技术经济评价278.1工程投资估算278.2运行成本估算27结 论28参 考 文 献29致 谢3132- -1 前 言1.1沼气技术发展现状1.1.1我国沼气技术发展历程沼气在我国应用已有一个多世纪的历史，其发展历程大体上可以分为四个阶段，即：20世纪30年代、50年代、70年代、80年代至今1。我国真正意义上沼气的研究和推广始于20世纪30年代，更深层次的认识和更大范围应用始于20世纪80年代，我国于1982 年建成的成都凤凰山畜牧园艺场沼气工程是我国最早的农场大型沼气工程2 ，该工程由农业部沼气科学研究所设计。工程日处理1000 头奶牛粪污，装置总容积4 300 m3 隧道式，中温发酵，平均池容产气率0. 765 m3m- 3d - 1 。我国沼气的发展主要有以下几个特点：（1）有可靠的技术保障，农业部组织成立了专门的研究机构，1980年组织成立了中国沼气学会，经过广大的科技工作者的努力，在沼气发酵微生物学原理和沼气发酵工艺方面取得了重要进展。（2）沼气池的池型和沼气发酵原料有了嗯大的发展和变化。在传统圆筒型沼气池的基础上，研究出许多高效实用的池型。沼气发酵原料的方面实现了秸秆向牲畜粪便的转变，从而解决了利用秸秆作为原料存在的出料难，易结壳难题。（3）沼气技术利用途径实现了重大的转变，由以前的单一制取能源向改善农村的环境、保护生态环境、发展生态农业等多元化利用转变，尤其是在生态农业方面的独特作用，更是近年来这一技术得已到重视和推广的重要原因。据2002 年有关统计,全国大中型规模奶牛场沼气工程已经达到101 处,近年来又有一定发展3 。另一方面近年来以沼气为纽带的各种农业生态工程技术模式得到快速发展，并且产生了良好的效果。可以说，目前沼气技术已经成为我国生态农业发展重要技术支撑之一。1.1.2国外沼气技术进展欧洲是目前农场沼气工程技术最发达、推广数量最多,技术最成熟的地区4、5 。欧洲沼气工程数量较多的国家是德国、丹麦和英国。在美国的弗罗里达州有一处500 头奶牛场粪污沼气处理工程6 ,455 m3 厌氧滤器、进料浓度大约为1% ,hrt 3 d ,cod 去除率50 %。加拿大近年来也建造了处理几千头牛粪污的大型全混合沼气发酵装置7,8。1776 年意大利物理学家沃尔塔认为沼气与湖泊沉积物中植物体腐烂有关,并对沼气成分进行了分析,1860 年法国科学家穆拉发明人工沼气发生器,1925 年在德国、1926 年在美国分别建造了备有加热设施及集气装置的消化池,这是现代大、中型沼气发生装置的原型9。印度是继中国之后户用沼气数量最多的国家,已经建成近300 万口户用沼气装置10，此外还实施了一大批大中型沼气工程。印度的户用沼气装置主要用作生产农村能源,以牛粪为主要原料,沼渣沼液用作有机农肥。此外，20世纪50年代末，尼泊尔首次引入沼气，如今成千上万的家庭都在使用沼气。这种低科技生物燃料能使像尼泊尔这样的贫困发展中国家，也为抵制全球变暖出一分力。而且，在农村地区使用沼气还能使各国交易二氧化碳排放权。尼泊尔的经验证明了交易权的价格是很具竞争力的。在尼泊尔，沼气设备是低科技的简单设备：即存储牛粪的圆槽。该设备多建于房屋附近，以便产生的气体通过管道输送到厨房。将近85%的尼泊尔人生活在农村地区，农村人口大约为2千7百万。其中95%的农村人口使用诸如木材和农业废料等传统的，收成不稳定的燃料。1.2沼气技术在促进社会发展中的作用1.2.1缓解我国化石能源供应压力能源是各国国民经济的基础，其直接影响着经济发展的速度和国家的安全。随着我国的国民经济持续快速的发展，一些能源消耗行业呈现出快速增长的势头，使能源的总需求明显扩大、价格也不断上升，局部地区甚至出现了能源供应紧张的情况。沼气作为可再生清洁能源，其既可替代秸秆、薪柴等传统生物质能源，也可替代煤炭等商品的能源，而且其能源效率明显高于秸秆、薪柴等。目前发展沼气是我国能源战略的重要组成部分，对增加优质能源供应、缓解国家能源压力都具有重大的现实意义。1.2.2改善农民生活环境及卫生条件2004年世界卫生组织和联合国开发的计划署公布数据显示，发展中国家每年约有160万人因炊烟引发的疾病死亡。发展户用沼气，可以使牲畜进圈、粪进池、沼渣沼液进地，进而显著改善了农民的居住环境和卫生状况。可以说沼气的使用总体上提高了身体健康水平和生活质量。1.2.3控制局部地区环境污染目前，我国许多地区养殖业排放的高浓度有机废水对环境造成的污染已经成为影响当地环境质量的重要因素。畜禽养殖场污水中含有大量的污染物质，例如猪粪尿和牛粪尿混合排出物的cod值分别高达81000mg/l和36000mg/l,蛋鸡场冲洗废水的cod为4300077000mg/l，对部分大型养殖场排出废水的检测结果，cod超标5070倍，bod超标7080倍，悬浮固体超标1220倍，如不加以控制，任由这些高浓度畜禽有机污水排入江河湖泊，势必会造成水质不断恶化。通过养殖场沼气工程建设，在产出清洁的燃料同时，还可以使养殖场粪污达标排放，从而可显著改善当时的环境质量。1.2.4促进农业生态环境的改善在促进农业生态环境改善方面，沼气技术可发挥以下几个方面功能：（1）保护森林资源，减少水土流失。（2）生产有机肥和杀虫剂，降低农药和化肥污染。（3）无害化处理畜禽粪便和生活污水，防治农村面源污染。养殖粪便污水经过沼气发酵处理，显著降低了废水中有机质含量，改善排放废水的水质，如果再对其加以综合利用则会产生更好的环保效果。1.2.5促进新农村建设沼气技术在农村推广利用可以为新农村建设的目标实现提供有力的支持，进而为提高农民的生活质量提供了必要的经济保障，从而增加农民收入，使受益农户获得更大的利益，使农村面貌得到更大的改善。本次设计将了解我国沼气技术的基础，沼气池的设计、施工及运行管理，沼气能源的利用，巩固所学理论知识，掌握沼气工艺设计流程，熟练过程及要求，为将来实践打好基础。2沼气工程基础设计分析2.1沼气的基本知识2.1.1沼气的发酵原理沼气发酵的过程实质是微生物自身物质代谢和能量代谢的一个生理反应。沼气发酵的过程一般可分为3个阶段。第一阶段是液化阶段，通过微生物对有机物进行体外的酶解，把固体有机物转变为可溶于水的物质。第二阶段是产酸阶段，上述的水解产物进入微生物细胞后，在胞内酶作用下，进一步将它们分解成小分子化合物。第三阶段是产甲烷阶段。甲烷二氧化 碳蛋白质脂肪碳水化合物液化阶段微生物氨基酸脂肪酸单糖（或二糖）产酸阶段微生物低级脂肪酸醇类中性化合物氢、二氧化碳产甲烷阶段甲烷细菌图2.1 沼气发酵过程2.1.2沼气的主要成分沼气是有机物经微生物厌氧消化而产生的可燃性气体,由于这种气体通常产生于沼泽地和池沼中,因此称为沼气11。沼气同时是一种可燃性混合气体，它的主要成分是甲烷，其次有二氧化碳、硫化氢(h2s)、氮、氢气、氧气、氨及其他一些成分。沼气的组成中，可燃成分包括甲烷、硫化氢、一氧化碳和重烃等气体；不可燃的成分包括二氧化碳、氮和氨等气体。在沼气成分中甲烷含量为55%70%、二氧化碳含量为28%44%、硫化氢平均含量为0.034%。2.1.3沼气的性质沼气是一种无色、有味、有毒、有臭味的气体，其主要成分甲烷在常温下是一种无色、无味 、无臭 、无毒的气体。甲烷分子式是ch4，是一个碳原子与四个氢原子所结合的简单碳氢化合物。甲烷对空气的重量比是0.54，比空气约轻一半。甲烷的溶解度很少，在20、0.1千帕时，100单位体积的水，只能溶解3个单位体积的甲烷。甲烷为简单的有机化合物，是一种优质的气体燃料。燃烧时火焰呈蓝色，最高温度可达到1400 左右。纯甲烷每立方米发热量约为36.8千焦。沼气每立方米的发热量约23.4千焦，这相当于 0.55千克柴油或0.8千克煤炭充分燃烧后放出来的热量。从热效率分析，每立方米沼气能利用的热量，相当于燃烧3.03千克煤能利用的热量。2.2沼气发酵原料每吨干牛粪、鸡粪和猪粪(中温发酵)分别可产生沼气约300m3,490m3 和420m3 12 。沼气的热值为18 017 25 140 kjm- 3, 相当于1 kg 原煤或0. 74 kg标准煤所产的热量13。因此, 利用畜禽粪便生产清洁能源, 对于保护环境和发展可再生能源都有着重要的意义。沼气发酵的原料既是生产沼气的物质基础，又是沼气微生物进行正常生命活动所需的营养和能量的物质来源。为了保证沼气发酵过程中有充足而稳定的发酵原料，同时使池内发酵既不结壳，又容易进料和出料，达到管理方便，产气率高的目的，须认真选择好沼气发酵原料。本设计采用500头奶牛粪便作为发酵原料。表2.1 常用发酵原理总固体含量（近似值）%发酵原料总固体含量水分含量猪粪1882牛粪1783猪尿0.499.6牛尿0.699.4经调查，奶牛的日排粪量为34kg，日排尿量为34kg，年排粪量为12410kg，产沼气量为208370.2.3沼气发酵原料预处理一般沼气池发酵浓度的变化范围为6%10%为宜，夏季浓度6%10%为宜，低温季节浓度则10%12%为佳。一般的厌氧发酵所需的碳氮比为253014。动物粪便属富氮性原料，其c/n25/1，粪便类原料颗粒较细，含有较多的低分子化合物，原料分解产气速度较快，则不必进行多余预处理。本设计中500头奶牛的牛粪经过刮粪板进入集粪池先暂时短期贮存，由于鲜牛粪的c/n比即为25/1，所以不用加料。3沼气池的设计计算3.1基本参数的确定3.1.1总设计流程集粪池uasb反应器贮气罐刮粪板固液分离机牛舍曝气池沉淀池干燥剂脱水罐脱硫塔沼气利用排放及农肥利用污泥回流颗粒污泥储池图3.1 总工艺流程图3.1.2设计参数奶牛场粪尿和污水量的确定：奶牛场排放粪尿与污水包括以下4个部分：牛粪尿、牛圈冲洗水、挤奶消毒水、牛奶桶清洗水。一头体重600kg奶牛的日排粪量为20kg，排尿量为34kg，养牛场冲洗水量每头每天为500800l。奶牛粪尿的组分如下表所示。表3.1 奶牛粪尿的组分成分bod/(mg/l)tss/(mg/l)tn/(mg/l)p2o5/(mg/l)k2o/(mg/l)ph牛粪245001190009430440015007.28.2牛尿40005000834040189007.28.23.2 uasb反应器基础设计3.2.1基本参数uasb反应器由于其结构简单、容易管理、负荷较高、产气量大、出水水质好等优点得到广泛应用15。uasb设计涉及多个方面因素，包括池容的确定和结构设计。图3.2 uasb结构示意图废水的水质废水成分对反应器内污泥的颗粒化有多方面影响，并能引起泡沫以及浮渣层的形成，处理含有高蛋白质和脂肪的废水时更易出现这些问题。在uasb设计时，废水当中颗粒物与溶解性cod的含量比值是需要重点考虑的因素，同时也是决定是否采用uasb工艺的决定性因素。反应器容积负荷uasb反应器在3035条件下处理废水，当容积负荷率在1220kgcod/(m3d)时，cod去除率可达90%95%，hrt可以降低到48小时。当要求cod去除率低于90%时，且出水高tss含量可以接受，则可以采用更高的水力上升流速，使反应器内形成密度更大的颗粒污泥，从而使反应器容积的负荷可以进一步提高。水力上升流速水力上升流速是uasb的一个重要设计参数，其主要取决于反应器的进水流量和反应器水平截面积。水力上升流速设计推荐值见表。在处理cod完全可溶或部分可溶的废水时，表面水力流速可分别允许出现短时间6m/h和2m/h的高峰值。发酵料液的酸碱度沼气微生物最适宜ph值的范围是6.87.5，如ph值低于最优值，会危害厌氧消化的效率16。当沼气料液的ph值小于6或大于8时，沼气发酵会受到抑制，甚至停止产气，所以需经常检验uasb反映其中的ph值，如有不当，需要投料重新启动。表3.2 uasb水力上升流速和高度推荐值废水类型水力上升流速反应器高度范围典型值范围典型值cod近似完全可溶cod部分可溶生活污水1.03.01.01.250.81.01.51.00.86103735865反应器的容积uasb反应器的一个重要设计参数是容积负荷或水力停留时间。一般来说，废水的浓度较低时，反应器容积的计算主要取决于水力停留时间，在较高浓度下，反应器容积则主要取决于容积负荷大小。畜禽粪便废水是一种高浓度有机废水，所以其容积的设计主要根据容积负荷来进行。在采用传统uasb系统的情况下，上升流速的平均值一般不超过0.5m/h。一般最经济的反应器高度在46m，并且大多数情况下这也是系统最佳运行范围。采用有机负荷(q)或水力停留时间(hrt)设计uasb反应器是目前最主要的方法。一旦q或hrt确定，反应器体积(v)可以很容易由公式(1或2)计算。对某种特定的废水，反应器容积负荷一般应通过试验确定。 v= (1) (2)式中：v反应器的有效容积，进水cod浓度，kgcod/q进液流量，/h；反应器有机负荷率，kgcod/();反应器液体部分总容积，；e有效系数。表3.3 不同类型废水国内外uasb反应器处理的负荷数据相关资料序号废水类型负荷kgcod/m3d(国外资料)负荷kgcod/m3d(国内资料)平均最高最低厂家数平均最高最低厂家数1酒精生产11.615.77.176.5202152啤酒厂9.818.85.6805.385103葡萄酒厂10.212844淀粉9.211.46.465.482.725酵母业9.812.461666616造纸12.738.96397食品加工9.113.30.8103.54328屠宰废水6.26.26.213.142.349制药厂10.933.26.311580.8510家畜饲料厂10.510.510.5111垃圾滤液9.9127.973.2.2 uasb反应器结构简介（1）反应器截面积以及长、宽(或直径) 在确定反应器容积和高度后，可确定反应器的截面积，从而确定反应器的长和宽，在同样的面积下正方形池周长比矩形池要小，矩形uasb需要更多建筑材料。从布水均匀性和经济性考虑，矩形池在长/宽比在2:1以下较合适。长/宽比在4:1时费用增加最为显著。 圆形反应器在同样的面积下，其周长比正方形的少12%。但这一优点仅在采用单个池子时成立。当建立两个或两个以上反应器时，矩形反应器可以采用共用壁。对于采用公共壁的矩形反应器，池型的长宽比对造价也有较大影响，如果不考虑其他因素，这是一个在设计中需要优化的参数，本设计将采用圆形池反应器。 （2）布水器布水器也是uasb反应器一个很关键的部件，它对于保证污水和污泥之间的充分接触，最大限度的发挥反应器内厌氧污泥的作用是十分重要的。进水分配系统的合理设计对uasb的良好运转也是至关重要的，进水系统有配水和水力搅拌的功能，为了这两个功能的实现，需满足如下原则：a) 确保单位面积进水量基本相同，以防短路等现象发生；b) 尽可能满足水力搅拌需求，保证进水有机物与污泥能迅速混合；c) 易观察到进水管的堵塞；d) 当堵塞发现后，极易被清除。布水系统进水方式大致分为脉冲进水和连续进水两种方式。连续进水方式包括有一管一孔配水式，一管多孔配水式和分支式配水方式。图3.3 布水器结构示意图a.一管一孔配水式的特点：一根配水管服务一个配水点，所以只要保证每根配水管的流量相等，即可实现每个配水点均匀配水。为保证每一个配水点达到其应得的进水流量，配水箱一般置于反应器的顶部，这样布置有两个方面的优点，一是当某一布水管或布水头出现堵塞时通过配水箱液面的升高即可观察得到，二是当堵塞不是很严重的情况下，随着配水箱液面升高，使布水管内的压力增大，从而可自行消除堵塞。b脉冲式进水使底层污泥交替进行收缩和膨胀时，有助于底层污泥的混合。一定的布水强度能促进反应区污泥床底部颗粒污泥的混合，促进污染物与污泥充分的接触，强化反应速率，同时也有利于底层颗粒污泥上黏附的微小气泡的脱离，防止其浮升于悬浮层，减少污泥流失量。c. 一管多孔配水方式特点：采用在反应器池底配水横管上开孔的方式进行布水，为了使配水均匀，要求出水的流速不小于2.0m/s。此配水方式可用于脉冲进水系统。一管多孔式配水方式容易发生堵塞，从而进水将从没有堵塞的其他孔口重新分配，导致在反应器池底的进水分布不均匀。考虑到这种现象，应尽量避免在一根管道上有过多的开口。（3）配水管道设计污水中存在的大物体可能会堵塞进水管，设计良好的进水系统可疏通堵塞；对于压力流采用穿孔管布水器(一管多孔)，需要考虑设液体反冲洗或清堵的装置，可采用停水分池分段反冲；采用一管多孔的布水管道，管道尾端最好兼作放空和排泥管，以利于清除堵塞；采用重力流布水方式(一管一孔)，如果进水水位差仅比反应器的水位稍高(水位差小于10cm)将会经常发生堵塞。在水箱中的水位(三角堰的底部)与反应器中的水位差大于30cm将会很少发生这种堵塞。无论采用那一种布水方式，应尽可能少地采用弯头等非直管。（4）三相分离器图3.4 三相分离器结构示意三相分离器是uasb反应器稳定运行的关键，而且在日益发展的三相流态化技术中也有着广泛的应用前景。但到目前为止, 用于大规模生产的三相分离器结构在国外仍属专利17，有关设计方法也未见报道。气、液、固三相分离器是uasb反应器的重要结构特征，它对于污泥床的正常运行和获得良好出水水质起十分重要的作用。它具有两个功能，其一是收集从分离器下反应区产生的沼气；其二是使在分离器之上的悬浮物沉淀下来。工作原理：待处理的废水被引入uasb反应器的底部，向上流过由絮状或颗粒状污泥组成的污泥床，随着污水与污泥相接触而发生厌氧反应，产生的沼气（气体是甲烷和二氧化碳）会引起污泥床扰动。在污泥床产生的气体中有一部分会附着在污泥颗粒上，自由气泡和附着在污泥颗粒上的气泡上升至反应器顶部。污泥颗粒上升撞击到脱气挡板的底部时，引起附着的气泡释放，脱气的污泥颗粒沉淀回到污泥床表面。自由气体和从污泥颗粒释放的气体被收集在反应器顶部的集气室内。液体中包含的一些剩余固体和生物颗粒进入到沉淀室内，剩余固体和生物颗粒从液体中分离并通过反射板落回污泥层上面。分离气体、固体后的液体继续上升，最后从出水堰溢流，经集水槽排出。沼气聚集于三相分离器顶部，可通过气管排出。 高浓度有机生产废水经过厌氧反应器的预处理后，有机物得到大量去除，cod大幅下降。通常uasb的三相分离器的设计应遵循下列原则：a. 沉淀区斜壁角度设计应能使沉淀在斜壁上的污泥不积聚，顺利返回到反应区内，该倾角通常为5560。b.沉淀区的表面负荷应在0.7m3/(m2h)以下，混合液进入沉淀区前，通过入流孔道（缝隙）的流速应不大于2m/h。c.反射板与入流孔道（缝隙）之间的遮盖应在100200mm，以防止气泡进入沉淀区影响沉淀。d应防止气室产生大量的泡沫，并控制好气室高度，防止浮渣堵塞出气管，要保证气室出气管畅通无阻。为了这一点，主要需控制好分离器下气液界面的沼气释放速率，适当的气体释放速率是13 m3/(m2h)。e. 在集气室上部应该设置消泡喷嘴，当处理污水产生严重泡沫的问题时用来消泡。出气管的直径应足够大以保证从集气室引出沼气，尤其是在产生泡沫的情况下。f分离器相对于出水界面的位置，该位置决定了反应区和沉淀区的比例。在多数uasb反应器中沉淀区为总体积的15%25%；在反应器的高度为57m时集气室的高度应该在1.5m左右。3.3 uasb反应器的设计计算3.3.1设计参数设计温度t=25容积负荷v=10.5kgcod/(m3d )平均体重500kg的一头奶牛的粪尿量为45.0l/d，本设计中500头奶牛总粪尿量为22500 l/d，产沼气量为208370 m3进液流量q=3500 m3/d表3.4 设计参数水质指标cod（mg/l）bod（mg/l）ss（mg/l）进水水质37352340568设计去除率85%90%0设计出水水质5602345683.3.2 uasb反应器容积及主要工艺尺寸的确定（1）uasb反应器容积的确定畜禽粪便废水是高浓度有机废水，所以其容积设计根据容积负荷来计算。采用容积负荷法确立其容积vvn= 式中：vn反应器液体部分有效容积，m3 s0进水cod浓度，kgcod/ (m3d )q进液流量，m3 /h；lorg反应器有机负荷率，kgcod(m3d )/。vn =35003.735/1.5=1245 m3取有效容积系数为0.8,则反应器液体部分总容积vl= vn /e=1557 m3（2）构造尺寸计算本设计uasb反应器采用圆形池取水力负荷q=0.6 m3/(m2d)反应器表面积a=q/q=145.8/0.6=244 m2hl=vl/a=6.38m式中：hl反应器液体部分高度，m。反应器总高度ht=hl+hg=6.38+2.5=8.88m 取9m式中：hg反应器集气部分的高度，m。采用4座相同的uasb反应器，则每个单池面积a1为：a1=a/4=244/4=61 m2d= =8.8m 取d=9m 则实际横截面积a2= =63.59实际水力表面负荷为q1=q/a=145.8/463.59=0.57 符合设计要求（3）进水配水系统设计本设计采用圆形布水器，每个uasb反应器设36个布水点。每个池的流量q1=145.8/4=36.45 m3/h每个孔口面积为=1.77设置3个圆环，里层设6个孔口，中层设12个孔口，外层设18个孔口。里层6个孔口设计总面积:s1=61.77=10.62m2 服务圆直径为=3.68m以此直径做一虚圆，该圆内等分处设置6个孔口，圆的直径计算如下： =2.6mb.中层12个孔口设计总面积：s2 =121.77=21.24m2服务圆直径为=6.37m圆环直径为 d2=5.2mc.外层18个孔口设计总面积：s3 = 181.77=31.86m2服务圆直径为=9m圆环直径为 则d3=7.8m图3.5 布水器设计结构示意图（4）三相分离器设计三相分离器的设计包括沉淀区设计、回流缝设计和气液分离设计。a.沉淀区的设计三相分离器集气室顶以上的覆盖水深采用1.0m，沉淀区总水深2.0m沉淀器斜面坡度 =55沉淀区面积:a= =63.58 m2表面水力负荷q=q/a=0.57 m3/(m2d) 符合要求b.回流缝设计取h1=0.5m h2=1.0m h3=2.8m 依据图中几何关系，则b1=式中：b1下三角集气罩底水平宽度，m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，mb1= =1.96mb2=b2b1式中：b2相邻两个下三角形集气罩之间的水平距离，m b三相分离器的宽度，mb2=5.08m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=q/s1式中：q反应器设计废水流量，m3/h;s1下三角形集气罩回流缝的面积，m2 =1.8m/h0.2m 取ce=1.0mcf上三角形集气罩底宽，取cf=7.0mlk=fksin55=0.66mel=cf+2lk=8.31ms2= (cf+el)ce/2=3.14(7+8.31)/2=24.04 m2v2=145.8/424.04=1.52m/h v2 v12.0m/h , 符合要求确定上下集气罩相对位置及尺寸：bc=ce/cos55=1.4mh4=1.0mdk=(cfb2)/2=0.96mdl=dk+kl=1.62mil=ld/sin35=2.82mbe=cetan55=1.43m ab=aebe=1.39mdg=fdsin55=1.14mh5=dg+di=1.14+2.82sin55 =3.45mb cebafkdghil图3.6 三相分离器设计计算图 c.气液分离设计由图可知，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，气体分离的效果越好，去除气泡的直径越小，对沉淀区固液分离效果的影响会越小。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，其水流的状态比较复杂。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合成速度的方向运行，根据速度合成的平行四边形法则，有：要使气泡分离后进入沉淀区的必要条件为：气泡上升速度vb与其直径、水温、液体和气体的密度、废水的粘滞系数等因素有关。当气泡的直径很小（d0.1mm）时，在气泡周围的水流呈层流状态，re1,这时气泡的上升速度可由斯托克斯（stokes）公式计算。设计参数：取消化温度t=25，沼气密度 =1.12g/l；水的密度 =1000kg/m3；废水的动力粘滞系数=0.008910-4m2/s；取气泡直径d=0.008cm根据斯托克斯（stokes）公式可得气体上升速度vb为：式中：vb气泡上升速度，cm/s;g重力加速度, cm/s2;碰撞系数，取0.95;废水的动力粘度系数，pas; 那么vb=0.391cm/s=14.08m/h水流速度va=v2=1.52m/h;验证： 满足设计要求3.3.3 uasb反应器排泥系统设计计算考虑到反应器的底部可能会积累颗粒物，且底部污泥的活性较差，故本设计将采用底部排泥，一般情况下，每去除1kgcod,可产生0.050.1kgvss，本设计中取0.1kgvss/kgcod。每日产泥量1111.16每座uasb反应器每日产泥量277.83.3.4 uasb反应器产气量设计计算每日产沼气量g式中：r产沼气率： 0.7 m3/kgcod（理论值） q进液设计流量，m3/h c0进水cod浓度，kgcod/ m3e设计去除率，%则g=0.7350037350.8510-3 =9150 m3/d=381.3 m3/h4 沼气的净化设计4.1沼气脱水工艺沼气脱水属于沼气脱硫系统的一部分，脱水设备占整个气体净化投入的比重很小，但其作用仅次于硫化氢的脱除。本设计将采用固体物理吸收法，采用活性氧化铝作为干燥剂，其具有吸附能力较好，再生温度低，在液态水中不易碎等优点。干燥剂脱水装置如图，利用干燥剂脱水时，干燥剂装在容器中，沼气自下而上流过容器。使用过一段时间后，干燥剂需要再生。2134图4.1 干燥剂脱水装置1-干燥沼气出口；2-吸水剂；3-再生气出口；4-含水沼气出口4.2沼气脱硫工艺及装置一般而言,沼气中h2s的质量浓度在112gm- 3之间,其受发酵原料和发酵工艺影响很大,当原料中的蛋白质或硫酸盐含量较高时,发酵后沼气中的h2s质量浓度就较大18。h2s对管道、燃烧器以及其它金属设备、仪器仪表等有很强的腐蚀性,因此,影响了沼气的回收利用19。h2s具有极强毒性，当空气中浓度为140mg/m3（标况）时，就会引起结膜炎和角膜炎，当浓度约为280 mg/m3（标况）时，会造成昏迷，呼吸困难甚至死亡。低浓度的h2s气体会引起头痛、呕吐、乏力、失眠以及角膜发炎等。因此在使用沼气之前，必须首先对沼气进行脱h2s的处理。沼气直接脱硫方法按原理一般可分为湿式法和干式法两大类，化学脱硫技术常运用的是常温fe2o3 干式脱硫法20,21 ,它是将fe2o3 屑和木屑混合制成脱硫剂,以湿态(含水40%左右)填充于脱硫装置内。在湿式脱硫法中一般使用碱性液体来吸收h2s22。消化后的沼气从底部进入塔中，与吸收剂逆流接触反应后从塔顶部排除。沼气干法脱硫适用于含硫量较低的燃气，日处理量较小。该法工艺简单、成熟可靠、造价低，能达到较高的净化程度。本设计采用脱硫塔反应装置脱硫。设计尺寸：一级脱硫：h2s在2 g/m3；二级脱硫：h2s在25 g/m3；三级脱硫：h2s在5 g/m3以上。结论：鉴于本设计针对奶牛场沼气系统，实际含硫率很低，故采用一级脱硫方式。a.脱硫塔直径 脱硫塔的直径设计应该满足以下两个条件：一般情况，粗脱硫时取高径比为34，当高径比增大时，脱硫效果会提高，但同时压力损失增大，因此在满足压力损失的情况下，应尽量取上限值。本设计中脱硫高径比取4。b.脱硫剂的填装量本设计将采用tcs-106型常温氧化铁脱硫剂。其反应式为：脱硫 fe2o3+3h2s fe2s3+3h2o再生 2fe2s3 +3o2 2 fe2o3+6s脱硫剂的填装量取决于原料气的气量、硫含量以及设计脱硫剂的使用寿命，以v表示脱硫剂的填装量：v=式中：v脱硫剂填装量，m3； c进口气体中的浓度，mg/m3； q原料气流量，m3/h；t脱硫剂使用寿命，h;w脱硫剂原粒度的质量穿透硫容，%；d脱硫剂的质量堆密度，0.7 t/m3。v=