消化池计算.doc

3.3 消化池容积计算3.3.1 一级消化池1、一级消化池容积 因日处理污泥量较小，采用一座一级消化池 V=Qt (3-3)式中： V一级消化池容积，m3 Q污泥量，m3/d t一级消化池停留时间，d中温消化时两级消化停留时间一般采用2530d设计中取27d，其中一级消化停留时间为18d，Q=85 m3/d，则一级消化池的有效容积 V=8518=1530 m3 2、各部分尺寸的确定（1）消化池直径D设计中取16m（2）.集气罩直径d一般采用12m，设计中取2m（3）池底锥底直径d一般采用0.52m，设计中取2m（4）集气罩高度h一般采用12m，设计中取2m（5）上锥体高度hh=tan() (3-4)式中 上锥体倾角，一般采用1530，设计中取20h=tan20()=2.3m，设计中取2.5m（6）消化池高度h=8m（7）下锥体高度h h=tan () (3-5)式中 下锥体倾角，一般采用515，设计中取10h=tan10()=1.12m，设计中取1.5m（8）消化池总高度H= h+ h+ h+ h=2+2.5+8+1.5=14m (3-6) 总高度和圆柱直径的比例：=0.88 符合（0.81）的要求3、各部分容积集气罩容积V=d h=3.1422=6.28 m3 (3-7)弓形部分容积V= h=263.3 m3 (3-8) 圆柱部分容积V=Dh=3.14168=1607.7 m3 (3-9)下锥部分容积V= h=114.6 m3 (3-10)消化池有效容积V= V+ V=1607.7+114.6=1721.6 m3 1530 m3 符合要求 图3-1 一级消化池3.3.2 一级消化后污泥量一级消化降解了部分可消化有机物，同时一级消化不排除上清液，消化前后污泥含水量不变，有下式成立VP=VP (3-11)V(1- P)= V(1- P)(1-PRm) (3-12) 式中 V一级消化前生污泥量（m3/d） V一级消化后的污泥量（m3/d） P生污泥含水率（%） P一级消化污泥含水率（%） P生污泥中有机物含量（%）,一般采用65% R污泥可消化程度（%），一般采用50% m一级消化占可消化程度的比例（%），一般采用70%80% 设计中取V=85 m3/d，P=96%，m=80%。经计算V=84.12 m3/dP=97% 一级消化池排泥量为84.12 m3/d 3.3.3 二级消化池1、二级消化池容积V=Qt (3-13)式中 V二级消化池容积，m3 Q进入二级消化池的污泥量，m3/d t二级消化池停留时间，d设计中取Q=84.12 m3/d，t=9d，则二级消化池的有效容积V=84.129=757m32、各部分尺寸的确定 （1）消化池直径D 设计中取12m（2）集气罩直径d一般采用12m，设计中取2m（3）池底锥底直径d一般采用0.52m，设计中取2m（4）集气罩高度h一般采用12m，设计中取2m（5）上锥体高度hh=tan() (3-14)式中 上锥体倾角，一般采用1530，设计中取20h=tan20()=1.62m，设计中取2.0m（6）消化池高度h=6.5m（7）下锥体高度hh=tan () (3-15)式中 下锥体倾角，一般采用515，设计中取10h=tan10()=0.79m，设计中取1.0m（8）消化池总高度 H= h+ h+ h+ h=2.0+2.0+6.5+1.0=11.5m (3-16)总高度和圆柱直径的比例：=0.96 符合（0.81）的要求图3-2 二级消化池3、各部分容积集气罩容积V=d h=3.1422=6.28 m3 (3-17)弓形部分容积V= h=120.37 m3 (3-18)圆柱部分容积 V=Dh=3.14126.5=734.76 m3 (3-19)下锥部分容积 V= h=45 m3 (3-20) 消化池有效容积V= V+ V=734.76+45=779.76 m3 765 m3，符合要求。 3.3.4 二级消化后污泥量消化浓缩后污泥含水率由一级消化前的96%降至二级消化后的95%，每日二级消化池排除污泥为： V= V(1- PR) (3-21)式中 V生污泥量（m3/d） V二级消化后的污泥量（m3/d） P生污泥含水率（%） P二级消化污泥含水率（%）设计中取P=96%，P=95%，V=85 m3/dV=85（1-0.650.5）=45.9 m3/d二级消化池采用一座，排泥量为45.9 m3/d3.3.5 二级消化池上清液排放量整个消化过程中产生的上清液由二级消化池排除，上清液排放量为： V= VP-VP (3-22)式中 V上清液排放量（m3/d）V=850.96-45.90.95=38 m3/d二级消化池上清液排放量为38 m3/d3.4 消化池热工计算3.4.1 一级消化池平面尺寸计算1、 池盖表面积（1）集气罩表面积为： F=d+dh (3-23)F=3.142+3.142.02.0=15.7m（2）池顶表面积为： F=(4h+D) (3-24)F=3.14(42.5+16)=32.19 m（3）池盖表面积为：F+ F=15.7+32.19=47.89 m 2、池壁表面积地面以上部分池壁表面积为： F=Dh (3-25)F=3.14165=251.2 m 地面以下部分池壁表面积为： F=Dh (3-26)F=3.14163=150.72 m3、 池底表面积 F=F+（） (3-27) 式中 F池底部分侧面积，计算得F=202.25 mF=202.25+3.141=205.39 m3.4.2 提高新鲜污泥温度的耗热量 一级消化池投配的最大生污泥量为：V=1530=85m 年平均耗热量： Q=(T-T)1000 (3-28)式中 Q提高污泥温度所需要平均耗热量（kcal/h） T中温消化温度（C），设计中取T=35 C T新鲜污泥年平均温度（C），根据当地气象资料，取17.3CQ=（35-17.3）1000=62687.5 kcal/h 最大耗热量： Q=(T-T)1000 (3-29) 式中 T新鲜污泥日平均最低温度（C），根据当地气象资料，取12CQ=（35-12）1000=81458.3kcal/h3.4.3 消化池池体的耗热量1、盖部分全年耗热量 平均耗热量： Q=FK( T-T)1.2 (3-30)式中 Q池盖平均耗热量（kcal/h） F池盖表面积（m），F=32.19 m K池盖传热系数kcal/ (mhC ),一般采用K=0.7kcal/( mhC) T室外大气平均温度（C） T冬季室外计算温度（C）根据当地气象资料，池外介质为大气，设计中取T=9C，T= - 12CQ=32.190.7(35-9)1.2=703.03 kcal/h最大耗热量： Q=FK( T-T)1.2 (3-31)Q=32.190.7(35+12)1.2=1270.86 kcal/h2、壁在地面以上部分全年耗热量平均耗热量 Q=FK( T-T)1.2 (3-32)式中 Q地面上池壁平均耗热量（kcal/h） F地面上池壁表面积（m），F=251.2 m K池壁传热系数kcal/ (mhC ),池壁以上部分一般采用K=0.6kcal/( mhC) Q=251.20.6（35-9）1.2=4702.46 kcal/h最大耗热量 Q= FK( T-T) (3-33)Q=251.20.6(35+12)1.2=8500.61 kcal/h3、壁在地面以下部分全年耗热量 平均耗热量 Q=FK( T-T)1.2 (3-34)式中 Q地面下池壁平均耗热量（kcal/h） F地面下池壁表面积（m），F=150.72 m K池壁传热系数kcal/ (mhC ),池壁以下部分一般采用K=0.45 kcal/( mhC) T室外大气平均气温（C） T冬季室外计算温度（C）池外介质为土壤，设计中取T=11C，T=3.2CQ=150.720.45（35-11）1.2=1953.33 kcal/h 最大耗热量 Q= FK( T- T)1.2 (3-35)Q=150.720.45(35-3.2)1.2=2588.16 kcal/h4、池底全年耗热量平均耗热量 Q=FK( T- T)1.2 (3-36)式中 Q池底平均耗热量（kcal/h） F池底表面积（m），F=205.39 m K池底传热系数kcal/ (mhC ),池底K=0.6 kcal/( mhC)Q=205.390.45（35-11）1.2=2661.85 kcal/h最大耗热量 Q= FK( T- T)1.2 (3-37)Q=205.390.45(35-3.2)1.2=3526.96 kcal/h5、消化池池体全年耗热量 平均耗热量 Q= Q+Q+ Q+Q (3-38) Q=703.03+4702.46+1953.33+2661.85=10020.67 kcal/h 最大耗热量Q=Q+Q+ Q+Q (3-39)Q=1270.86+8500.61+2588.16+3526.96=1588.59 kcal/h3.4.4 消化池总耗热量全年平均耗热量 = Q+ Q (3-40)=10020.67+62687.5=72708.17 kcal/h 全年最大耗热量 = Q+ Q (3-41)=15886.59+81458.3=97344.89 kcal/h3.4.5 消化池保温结构厚度计算1、池盖保温结构厚度计算 = (3-42)式中 池盖保温材料的厚度（mm） 消化池池盖混凝土结构层厚度（mm） 钢筋混凝土的导热系数kcal/ (mhC ) 保温材料导热系数kcal/ (mhC ) K池盖传热系数kcal/ (mhC )，一般采用0.7 kcal/( mhC)设计中取=250mm，=1.33 kcal/( mhC),保温层采用聚氨酯硬质泡沫材料，=0.02 kcal/( mhC)=0.025m=25mm2、池壁保温层厚度计算 = (3-43)式中 K池壁传热系数kcal/ (mhC ),池壁地面以上部分一般采用K=0.6 kcal/( mhC) 设计中取=400mm,采用聚氨酯硬质泡沫塑料作为保温材料。池壁在地面以下的保温材料延伸到地面以下的深度为冰冻深度加0.5m,即延伸至地面以下2.35m。则：=0.027m=27mm3、池壁在地面以下的部分以土壤作为保温层时，其最小厚度的核算 土壤的导热系数为=1.0 kcal/(mhC)，K=0.45 kcal/( mhC)，设消化池池壁在地面以下的混凝土结构厚度为=400mm,则土壤的最小厚度为：=1.92m可以满足要求，故可不加其他的保温措施。4、池底以下土壤作为保温层，其最小厚度的核算消化池池底混凝土结构厚度为=700mm,则保温厚度为：=1.7m 由于地下水位在池底混凝土结构厚度1.0m以下，小于1.70m，需采取保温措施，降低保温层厚度。采用聚氨酯硬质泡沫塑料作为保温材料，则保温材料的厚度=0.034m=34mm池盖、池壁的保温材料采用硬质聚氨酯泡沫塑料，其厚度经计算分别为25mm和27mm和34mm,均按34mm计，乘以1.3的修正系数，实际可采用50mm。二级消化池的保温结构材料及厚度均与一级消化池相同。热工计算仅适用于一级消化池，二级消化池无加热与搅拌设备，仅利用余热继续进行消化。53.5 污泥加热方式目前常用的污泥加热方法有池外加热法，蒸汽直接加热法。池外加热法中最常见的是热交换法，这种方法设备费用较高，但设备置于池外，维护方便。本设计采用热交换法。热交换器的计算：设计采用套管式泥水热交换器池外加热，内管采用防锈的钢管，外管采用铸铁管。污泥在内管流动，热水在内外两层套管中与内管污泥向相反方向流动。此种方法设备费用虽较高，但因污泥与热水都是强制循环，传热系数较高，而且设备置于池外，清扫和修理比较容易，故优先采用。5 消化池处理污泥量Q=85 m3/d，生污泥在进入一级消化池之前，与回流的一级消化池污泥先行混合后再进入热交换器，其比例为1:2。则生污泥量为：Q=85/24=3.54 m3/d 回流的消化污泥量为：Q=2 Q=3.542=7.08 m3/d 进入热交换器的总污泥量为：Q= Q+ Q=3.54+7.08=10.62 m3 /h 取生污泥的日平均最低温度为12C，生污泥与消化污泥混合后的温度为：T=（112+235）/3/=27.33C 热交换器的套管长度按下式计算： L=1.2 (3-44)式中 L套管总长（m） Q污泥消化池最大总耗热量（kcal/h） D内管的管径（mm） K热交换器传热系数kcal/ (mhC )，一般采用600 kcal/ ( mhC) T平均温差的对数（C） 设计中取内管D采用DN60的钢管，外管管径D采用DN100铸铁管，则污泥在内管中的流速 = (3-45)=1.5m/s,符合1.52.0的要求 设计中传热系数采用K=600 kcal/( mhC) T：平均温差，按下式计算： T= (3-46)式中 热交换器入口的污泥温度（T）和出口的热水温度（T）之差 热交换器出口的污泥温度（T）和入口的热水温度（T）之差污泥循环量为Q= 10.62 m3 /hT=27.33+=36.50C设计中热交换器的入口热水温度T=85C，T- T采用10C，T=75C。则所需热水循环量Q为： Q= (3-47)Q=9.73 m3 /h核算内外管之间热水的流速： = (3-48)=0.54m/s= T- T=75-27.33=47.67C= T- T=85-36.50=48.50C则 T=48.08C每座消化池的套管式泥水热交换器的总长度为：L=1.2=24.49m设每根管的长度为4.0m，其根数为： N=24.49/4.0=6.1根，设计中取7根。3.6 混合搅拌设备3.6.1 搅拌方式的选择由于厌氧消化是由微生物与底物进行的接触反应，因此必须使二者充分混合，混合同时能使池温和浓度均匀，防止污泥分层和形成浮渣，故厌氧消化需设混合搅拌设备。消化池中污泥的搅拌方法采用沼气搅拌，即用消化池产生的沼气，经沼气压缩机加压后进入池内进行搅拌，特点是没有机械磨损，搅拌力度大，范围广。5设计中采用多路曝气管式沼气搅拌，即将沼气从贮气罐中抽出，经沼气压缩后通入插入消化池污泥中的竖管进行曝气搅拌。多路曝气管的竖管口延伸至距池底1.5m，呈环状布置。3.6.2 搅拌用气量单池搅拌用气量为： q=q (3-49)式中 q单池搅拌用气总量（m3 /s） q搅拌单位用气量m3 /(min 1000 m3)，一般采用57 m3 /(min 1000 m3) ，设计中取q=6 m3 /(min 1000 m )V消化池有效容积（m3） q=6=9.18 m3 /min=0.153 m3 /s3.6.3 沼气曝气管直径的选择沼气曝气管的总面积为： A= (3-50)式中 A沼气曝气立管的总面积（m） 管内沼气流速（m/s），一般采用715m/s，设计中取=11m/sA=0.014 m设计中选用立管直径DN=70mm，每根断面积为0.00385 mn=3.6（根）为方便布置，设计中取4根立管，实际流速为： = (3-51)=9.94m/s，符合要求3.7 沼气产量3.7.1 消化池降解的污泥量消化池降解的污泥量为： X=（1-P）VPR (3-52)式中 X消化池降解污泥量（kg/d） P生污泥含水率（%） V生污泥量（m3 /d） P生污泥有机物含量，一般采用65% R污泥可消化程度，一般采用50%设计中取P=96%，V=85 m3 /dX=（1-0.96）8565%50%1000=1105 kg/d3.7.2 消化池的产气量消化池的产气量为： q=aX (3-53)式中 q消化池沼气产量（m3 /d）a 污泥沼气产率（m3 /kg污泥），一般采用0.751.10 m3 /kg污泥设计中取a=0.9 m3 /kg污泥，则每日产气量为：q=0.91105=994.5 m3 /d=0.012 m3 /s3.8 管道系统计算3.8.1 一级消化池的管道系统1、进泥管 Q=(Q+Q)/n (3-54)式中 Q进泥管投泥量（m3 /d） Q投加生污泥量（m3 /d） Q循环污泥量（m3 /d），一般采用Q=（24）Q，设计中取Q=2Q n消化池数，设计中n=1Q =85+285=255 m3 /d采用间歇运行，每日运行6hQ=255/（63600）=0.0118 m3 /s 管内污泥流速为： = (3-55)式中 管内污泥流速（m/s） D投配管直径（mm），设计中为防止阻塞，取D=150mm=0.67m/s2、排泥管为了防止消化池中产生正负压的变化，在投泥的同时还要进行排泥。管内污泥流速为： = (3-56)式中 Q一级消化池排泥量（m3 /d） 管内污泥流速（m/s） D排泥管直径（mm） 设计中为防止堵塞，设计中取D=150mm，一级消化池单池排泥量Q=84.12 m3 /d，采用间歇排放，运行时间2h，用闸阀控制排泥，出泥口设在池底中央处。Q=84.12/（23600）=0.0117 m3 /s=0.66m/s3、循环出泥管 = (3-57)式中 Q循环污泥量（m3 /d） 管内污泥流速（m/s） D循环出泥管直径（mm）设计中取Q=2Q,n=1，采用间歇运行，每日运行6h Q=852/（63600）=0.0079 m3 /s设计中为防止堵塞，设计中取D=150mm =0.45m/s4、取样管在池中不同位置设置取样管，共设4根，DN=500mm。5、沼气集气管的设计计算 Q= Q+ Q (3-58) Q= (3-59) = (3-60)式中 Q集气管沼气流量(m3 /s) Q消化池产生的沼气流量(m3 /s) Q搅拌所需沼气流量(m3 /s)q每日产生沼气总量(m3 /d)a一级消化池产气量占总产气量的比率（%）n一级消化池数量集气管内沼气流速(m /s)D沼气集气管直径（mm）设计中取Q=0.153 m3 /s，q=994.5 m3 /d，n=1，沼气管DN=200mmQ=0.0092 m3 /sQ=0.0092+0.153=0.1622 m3 /s=5.17m/s，符合要求（78 m/s）设计中取最高产气量为平均产气量的2倍，最高时产气量Q=2 Q+ Q=20.0092+0.153=0.1714 m3 /s=5.46m/s6、 溢流管为防止池内液位超过限定的最高液位，池内应设置溢流管，采用溢流管DN=200mm。溢流管水封高度采用0.8m，水封的作用是防止池内沼气沿溢流管泄露。3.8.2 二级消化池的管道系统 二级消化池采用浮动罩式消化池，不加热、不搅拌。二级消化池管路主要有进泥管、排泥管、沼气管、上清液排放管、取样管等。1、 进泥管二级消化池为1座，采用间歇进泥的运行方式，每日进泥时间2h。 Q= (3-61) = (3-62)式中 Q进泥管流量(m3 /s)V二级消化池每日进泥量(m3 /d)n 二级消化池数量t二级消化池每日进泥时间(h)管内污泥流速(m/s)D二级消化池进泥管直径（mm）设计中取D=150mm，V=84.12 m3 /d，n=1，t=2hQ=0.0117 m3 /s=0.66m/s2、排泥管二级消化池采用间歇排泥，排泥时间1h。 Q= (3-63) = (3-64)式中 Q二级消化池排泥量(m3 /s) V二级消化池每日排泥量(m3 /d)t二级消化池每日排泥时间h管内污泥流速(m/s)D排泥管直径