沼气池设计设计例题.pptx

沼气技术及其应用 沼气池设计 完全混合式消化池的设计与计算 设计例题 某城市污水厂的初沉污泥与浓缩剩余活性污泥混合 含水率96 污泥量100m3 d 挥发性固体 VSS 含量为65 冬季 11月至次年4月间 污泥平均温度为10 5 13 5 气温为 12 7 12 5 夏季 5 10月间 污泥平均温度为13 2 17 气温为18 26 要求采用中温厌氧消化 35 经消化后 VSS去除率50 设计传统完全混合式厌氧消化产沼气系统 完全混合式消化池的设计与计算 一 用试验方法确定动力学参数 试验装置 完全混合式消化池的设计与计算 一 用试验方法确定动力学参数 消化程度与污泥龄的关系 完全混合式消化池的设计与计算 一 用试验方法确定动力学参数 污泥龄与甲烷产量之间的关系 完全混合式消化池的设计与计算 二 构筑物的计算与设计 1 消化池容积的计算 完全混合式消化池的设计与计算 水力停留时间的确定 二 构筑物的计算与设计 传统厌氧消化属于无回流厌氧活性污泥法 故水力停留时间t c 今要求挥发性固体 VSS 去除50 查图可得 c 13d t 完全混合式消化池的设计与计算 二 构筑物的计算与设计 容积的计算 根据下式计算消化池容积 则消化池容积应为V 100 13 1300m 完全混合式消化池的设计与计算 二 构筑物的计算与设计 容积的校核 根据厌氧反应器的容积负荷来对计算得出的消化池容积进行校核 完全混合式消化池的设计与计算 二 构筑物的计算与设计 容积的校核 校核所用公式为 完全混合式消化池的设计与计算 二 构筑物的计算与设计 容积的校核 污泥C0的确定 剩余污泥的含水率96 则固体浓度为4 其中VSS含量为65 则每日进入消化池中有机物的量为 VSS 100 0 04 0 65 2 6t d 26kg m 26000mg L 本设计中 Sv满足表格中所规定的容积负荷要求 容积确定基本合理 完全混合式消化池的设计与计算 二 构筑物的计算与设计 消化器外形尺寸的确定 圆柱形消化池 根据结构或工艺要求 圆柱形消化池的直径D 高度H应近似为1 池底与池盖倾角 可取15 20 集气罩直径d1可取2 5m 高h1可取1 3m 池底锥底直径可取1 2m 完全混合式消化池的设计与计算 二 构筑物的计算与设计 消化池直径D的确定 消化池的直径可以根据消化池的体积按照下表进行插值法选取 本设计中消化池体积为V 1300m 故可选D 15m 完全混合式消化池的设计与计算 二 构筑物的计算与设计 集气罩直径d1 本设计中取2m 集气罩高度h1 本设计中取2m 消化池锥底直径d2 本设计中取2m 上锥体高度h2的确定 本设计中 取15 则 取h2 2m 完全混合式消化池的设计与计算 二 构筑物的计算与设计 消化池高度h3 一般为消化池直径的一半 本设计中0 5D 7 5m 取h3 7m 下锥体高度h4的确定 本设计中 取15 则 取h2 2m 消化池总高度 H h1 h2 h3 h4 2 2 6 2 12m H D 1 04 符合设计要求 完全混合式消化池的设计与计算 二 构筑物的计算与设计 圆柱形消化池的体积核算 完全混合式消化池的设计与计算 二 构筑物的计算与设计 集气罩体积 弓形部分容积 圆柱部分容积 下锥体容积 消化池有效容积V V3 V4 1236 4 135 5 1371 94m 1300m 符合计算要求 完全混合式消化池的设计与计算 二 构筑物的计算与设计 消化器外形尺寸的确定 蛋形消化池 蛋形消化池的长轴H与短轴直径D之比一般控制在1 4 2 0之间变化 具体计算要求如下表所示 完全混合式消化池的设计与计算 二 构筑物的计算与设计 本设计当中 取H D 1 4 即b a 1 4 则根据 确定出a 6 05m b 8 47m 则本设计中 取a 6m b 9m b a 1 5 则体积为 符合计算要求 完全混合式消化池的设计与计算 三 热工计算 沼气产量的计算 完全混合式消化池的设计与计算 据上图所示 当污泥龄 c 13d时 甲烷产量为0 69m kg VSS 本设计中VSS的降解率为50 故被降解的VSS 2600 0 5 1300kg d 所以甲烷产量为0 69 1300 897m d 按甲烷体积占沼气体积的60 计算 本消化池的沼气产量为897 0 6 1495m d 甲烷燃烧热值为37500kJ m 则本消化池可供热量为897 37500 33637500kJ d 三 热工计算 完全混合式消化池的设计与计算 搅拌系统的设计 消化池搅拌方法有多种 沼气循环搅拌法 泵搅拌法 机械搅拌法及混合搅拌法等 沼气循环搅拌现代消化池最常用的是沼气循环搅 沼气经压缩机加压后 通过消化池顶的配气环管 由均布的竖管输入 竖管的喷气出口位置在消化池半径的2 3处 消化池搅拌气量一般按5 7m3 1000m3 min 计 本设计取6m3 1000m3 min 则所需搅拌沼气量为6 1356 1000 8 2m3 min 137L s 三 热工计算 完全混合式消化池的设计与计算 三 热工计算 机械搅拌计算采用机械搅拌方式时 消化池所需最小搅拌功率可按照下式进行计算 消化池所需最小搅拌功率 kW 1000m 消化池内的混合液动力粘滞度 与温度有关 g cm s 消化池内的混合液污泥浓度 mg L 消化温度为35 时为 0 72g cm s 完全混合式消化池的设计与计算 三 热工计算 可以根据下式进行计算 完全混合式消化池的设计与计算 三 热工计算 本设计中 Ce 26000 50 13000mg L Y取0 044 b取0 019 则 本设计中 所需搅拌总功率N 5 3 1 357 7 92kW 完全混合式消化池的设计与计算 三 热工计算 消化池的加热方式主要采用池外间接加热法 即把生污泥用热交换器或者在污泥投配池中加热到所需温度后 再投入消化池中进行反应 加热时优先考虑用消化过程所产生的沼气进行加热 当所产生的沼气的热量不足以满足加热污泥所需的热量时 则需要另设锅炉来进行加热 完全混合发酵沼气池的总耗热量包括 把生污泥温度加热到消化温度的热量Q1 消化池壳体热量损失Q2 输泥管道与热交换器的热量损失Q3 完全混合式消化池的设计与计算 三 热工计算 加温生污泥所需热量Q1 把生污泥温度提高到消化温度耗热量 kJ h 每日投入消化池的生污泥量 m d 消化温度 生污泥消化温度 采用日平均最低污水温度 完全混合式消化池的设计与计算 三 热工计算 消化池壳体耗热量Q2 壳体耗热量 kJ h 厌氧消化池壳体总表面积 m2 池外介质的温度 池外介质为大气时 采用冬季室外计算温度 池外介质为土壤时 采用全年平均温度 池体的传热系数 为简化计算 可取K 7 98 kJ m2 h 完全混合式消化池的设计与计算 三 热工计算 管道与热交换器的耗热量 Q3 管道 热交换器的散热量 kJ h 管道 热交换器的表面积 m2 锅炉出口和入口的热水温度平均值 管道 热交换器的传热系数 kJ m2 h 为简化计算 可以取Q3 0 05 0 15 Q1 nQ2 完全混合式消化池的设计与计算 三 热工计算 本设计中 因该污水处理厂地处我国东北 冬季与夏季平均气温与污泥温度有较大差别 故加温所需热量 以及甲烷气除供消化池加温外 剩余量也有较大差别 即可利用的热能 冬季与夏季是不同的 所以应分别进行计算 本例题以蛋形消化池为例进行计算 完全混合式消化池的设计与计算 三 热工计算 冬季热能平衡计算 加温污泥所需热量 已知冬季 11月至次年4月间 污泥平均温度为10 5 13 5 以10 5 计 则有Q1 完全混合式消化池的设计与计算 三 热工计算 冬季热能平衡计算 壳体热损失 以蛋形消化池为例 求得壳体表面积为 完全混合式消化池的设计与计算 三 热工计算 冬季热能平衡计算 输泥管及热交换器热损失 Q3 0 05 0 15 Q1 nQ2 0 1 Q1 Q2 116052 7kJ h 则冬季总热量为Q Q1 Q2 Q3 1276579 3kJ h 所产生的甲烷的燃烧值为33637500kJ d 1401562 5kJ h 所以剩余热能为1401562 5 1276579 3 124983 2kJ h可用于发电 完全混合式消化池的设计与计算 三 热工计算 夏季热能平衡计算 已知夏季 5月至10月间 污泥平均温度为13 2 17 取13 2 进行计算 可得 Q1 9127224kJ d 已知夏季室外计算温度为18 26 取18 进行计算 可得 Q2 6270748kJ d 则Q3 0 1 Q1 Q2 1539797kJ d 夏季总需热量为Q 16937769kJ d 则夏季可供发电或者其他用途的甲烷热值为 33637500 16937769 16699731kJ d 厌氧接触法 有回流厌氧发酵 设计与计算 设计例题 某肉类加工废水 废水量Q 800m d COD为3000mg L 水温较高 冬季平均温度20 拟采用中温 35 厌氧接触法 COD去除率85 以上 已知当地冬季气温计算温度为 9 进行厌氧发酵设计 厌氧接触法 有回流厌氧发酵 设计与计算 一 动力学参数的确定 需要确定哪些动力学参数 关键 厌氧接触法 有回流厌氧发酵 设计与计算 一 动力学参数的确定 k与Km的半经验计算公式 厌氧接触法 有回流厌氧发酵 设计与计算 一 动力学参数的确定 本设计例题中 采用中温 35 进行发酵 则k与Km分别为6 67d 1与2224mg L 要求COD去除率达到85 以上 则临界Ce 3000 1 85 450mg L 厌氧接触法 有回流厌氧发酵 设计与计算 一 动力学参数的确定 根据以上资料及公式 带入公式 可得 c 33 45d 为保证出水Ce能够稳定达标 COD去除率在85 以上 本设计取 c 35d 此时出水COD为434mg L 污泥龄 产率系数 出水COD浓度 米门常数 甲烷最大生成速率 细菌衰亡速率系数 厌氧接触法 有回流厌氧发酵 设计与计算 二 消化池容积的计算 根据公式计算消化池容积 根据容积计算水力停留时间 厌氧接触法 有回流厌氧发酵 设计与计算 二 消化池容积的计算 进行容积负荷校核 满足要求 三 消化池尺寸的确定 拟采用两级厌氧消化 第一级与第二级反应器的容积比为1 1 则每一座消化池的容积为VA VB 271m 因容积较小 所以可以采用圆柱形 对消化池的结构设计可如右图所示 三 消化池尺寸的确定 用几何公式进行计算 柱体部分的体积V1 269 25m 壳体表面积F1 153 86m2 底部倒锥体的体积V2 14 1m 壳体表面积F2 41 35m2 顶盖锥体的体积V3 10m3 锥盖表面积F3 40 4m2 集气罩表面积F4 3 93m2 则每个消化池的有效容积为V1 V2 283 5m3 每个消化池的壳体表面积F F1 F2 F3 F4 479m2 四 污泥产量及氮 磷需要量 污泥的产量以被去除的COD值乘以Y进行计算 每天被去除的COD 3000 434 800 1000 2052 8kg d 则污泥产量 X 2052 8 0 04 82 112kg d 厌氧活性污泥对营养元素的需求比值为C N P 1 0 112 0 023 则 所需要的N的量为 0 112 82 112 9 20kg d 所需要的P的量为 0 023 82 112 1 89kg d 五 甲烷产量计算 标准状态下 每分解1gCOD产甲烷0 35L 则消化池内温度为35 时 根据V1 V2 T1 T2 可计算出每分解1gCOD 产生甲烷的体积为0 395L V VCH4 Q C0 Ce 1 42QCe 10 3 0 395 800 3000 434 1 42 800 434 10 3 616m d以甲烷的体积分数60 计算 则沼气产量为616 0 6 1027m 六 热工计算 加温污泥所需热量 壳体热损失 输泥管及热交换器热损失 Q3 0 1 Q1 nQ2 0 1 Q1 Q2 229525 7kJ h 六 热工计算 所需总热量为 Q Q1 Q2 Q3 2524783kJ h 甲烷燃烧热值为37500kJ m3 则本设计产生的甲烷供热量为 37500 616 24 962500kJ h 由上可知 产生的甲烷不足以供给中温厌氧发酵所需的热量 差值为 2524783 962500 1562283kJ h 需要由锅炉进行供给 UASB反应器的设计与计算 设计例题 某涤纶聚酯厂 以有机酸 乙二醇和对苯二甲酸为原料 生产聚酯 废水COD浓度7000 20000mg L pH3 7 BOD5为4690 16500mg L SS浓度为870 1060mg L 废水流量为240m d 废水处理的工艺流程为 废水 调节池 混凝沉淀池 UASB 接触氧化 砂滤 出水 UASB反应器的设计与计算 设计例题 通过上述工艺 要求使处理水达到 污水综合排放标准 的一级排放标准 即COD100mg L 设计调节池调节时间为10h 使COD浓度调节至9600mg L 预处理 混凝沉淀 去除COD约25 30 按平均27 5 计 则进入UASB反应器的COD为7000mg L 7kg m 进行UASB反应器的设计 UASB反应器的设计与计算 设计例题 反应区容积 UASB反应器的设计与计算 设计例题 反应区容积 反应器的容积负荷应通过试验或参照类似工程确定 在缺少相关资料时可参考升流式厌氧污泥床反应器污水处理工程技术规范进行选取 处理中 高浓度复杂废水的UASB反应器设计负荷可参考下表 UASB反应器的设计与计算 设计例题 本设计中 取容积负荷Nv 9 2kgCOD m d 则计算容积为 UASB反应器宜设置两个系列 以具备可灵活调节的运行方式 且便于污泥培养和启动 且单体尺寸不应大于3000m 则本设计设置两组UASB反应器 每一组反应器的体积为V1 91 3m UASB反应器的设计与计算 设计例题 UASB反应器的结构 反应器一般由布水装置 三相分离器 出水收集装置 排泥装置及加热和保温装置组成 具体结构形式如右图所示 UASB反应器的设计与计算 设计例题 反应器尺寸确定 UASB反应器的有效水深应控制在5m 8m之间 则本设计例题中 取反应区设计高度为6m 则反应区面积为 A1 V H 92 6 15 3m2 采用正方形截面 则边长为4 4m 反应器实际容积为96m 反应区反应时间 t V Q 182 6 240 0 76d 18 2h 水力负荷q Q A 240 32 0 3125m h UASB水力负荷不高于0 8m h 本设计0 3125m h 满足要求 UASB反应器的设计与计算 设计例题 反应器布水装置确定 UASB反应器宜采用多点布水装置 进水管负荷可参考下表 本设计中 容积负荷为C0 Q V 8 75kgCOD m d 可设置4个配水点进行配水 UASB反应器的设计与计算 设计例题 三相分离器设计 三相分离器是EGSB UASB等厌氧反应器的重要结构 它对污泥床的正常运行和获得良好的出水水质起着十分重要的作用 它同时具有以下两个功能 一是收集从分离器下反应室产生的沼气 二是使得在分离器之上的悬浮物沉淀下来 UASB反应器的设计与计算 设计例题 三相分离器工作原理 气 液 固混合液上升到三相分离器内 气泡碰到分离器下部的反射板时 折向气室而被有效地分离排出 与固 液分离 与气泡分离后的污泥在重力作用下一部分落回反应区 另一部分随流体沿一狭道上升 进入沉淀区 澄清液通过溢流堰排出 污泥在沉淀区絮凝 沉降和浓缩 然后沿斜壁下滑 通过污泥回流口返回反应区 由于沉淀区内液体无气泡 故污泥回流口以上的水柱密度大于反应器内液体密度 使浓缩后的污泥能够返回反应区 达到固液分离 UASB反应器的设计与计算 设计例题 三相分离器设计要求 沉淀区的总水力负荷应小于0 8m m2 h 一般可取0 5 0 7m m2 h 沉淀区的总水深应大于1m 沉淀槽斜坡不应小于50 以便污泥顺利滑落 实现固液分离 本设计中 取水力负荷0 5m m2 h 则沉淀区面积为Q 0 5 10m2 UASB反应器的设计与计算 设计例题 沼气产量计算 本设计中 以UASB对COD的去除率80 计算 则出水COD浓度为7000 20 1400mg L 产甲烷体积为 VCH4 V生成 Q C0 Ce 1 42QCe 10 3 343m 以沼气中含CH4体积平均以54 5 计 则产生的沼气体积为 343 54 5 629m UASB反应器的设计与计算 设计例题 UASB工艺的启动 接种污泥 接种类似废水 已运行的UASB颗粒污泥作为接种污泥 这是最便捷的启动方法 此法调试期一般为30 60d 取用厌氧消化池内的消化污泥 絮状污泥 作为接种污泥 此法调试期一般为90 120d 自身培养积累法 此法约需9个月以上 UASB反应器