厌氧接触消化池设计

第一章第一章 设计概况说明设计概况说明 1 1 一 设计题目 1 二 设计内容 1 三 原始数据及操作条件要求 1 四 污泥厌氧消化的概述 1 第二章第二章 设计计算设计计算 5 5 一 消化池容积 5 二 消化池各部分表面计算 7 三 消化池热工计算 7 五 沼气相关设备计算 12 六 污泥投配池及污泥泵 13 第三章第三章 沼气利用沼气利用 1313 一 一般用途 13 二 沼气发动机及余热利用 14 第四章第四章 其它相关说明其它相关说明 1414 参考资料参考资料 1616 附图 1 消化池工艺图 附图 2 工艺流程图 附图 3 消化池平面图 1 摘要摘要 本设计说明书融合了计算书的内容 根据污泥日处理量和性质并通过对基础条 件和参数的选取和计算 得出厌氧消化池设计的构筑物数据 加热设备选材和设计 尺寸数据 保温材料的选取和保温层厚度等 为设计图提供数据支持 第一章第一章 设计概况说明设计概况说明 一 设计题目一 设计题目 厌氧接触消化池设计 二 设计内容二 设计内容 8m3 d 中温定容式污泥厌氧消化池设计 三 原始数据及操作条件要求三 原始数据及操作条件要求 1 城市生活污水污泥含水率 96 污泥全年平均温度 20 2 大气全年平均温度 18 土壤冬季计算温度 5 冬季冻土深度 0 6m 土壤全 年平均温度 18 冬季室外计算温度 8 3 地下水位深度 6m 4 采用中温消化 消化温度控制在 33 35 消化需加热搅拌 消化停留时间取 26d 四 污泥厌氧消化的概述四 污泥厌氧消化的概述 1 基本定义 厌氧消化 即污泥中的有机物在无氧的条件下被厌氧菌 包括专性厌氧菌 和兼性厌氧菌 群最终分解成 CH4 CO2和 NH3的过程 是目前国际上最为常用的污 泥生物处理方法 同时也是大型污水处理厂最为经济的污泥处理方法 污泥厌氧消化运行管理要求高 消化池需密封 池容量大 池数多 因此当污 泥量不大时可采用厌氧消化 2 处理的对象 2 污泥厌氧消化池的处理对象主要是初沉污泥 腐殖污泥 剩余污泥 食品废料 生活污水污泥及高浓度有机生产废水 如屠宰场废水 酒精加工厂废水 食品厂污 水及成分复杂的石油化工污水等等 对于 COD 含量高 在缺氧条件下易分解的生 产污水特别有效 3 意义作用 厌氧生物处理是利用厌氧生物的代谢过程 在无需提供氧的条件下吧有机 物转化为无机物和少量的细胞物质 这些无机物主要包括大量的生物气和水 沼气 的主要成分是约 2 3 的 CH4和 1 3 的 CO2 是一种可回收的能源 厌氧消化具有以 下优点 i 工艺能耗低 在工艺过程中可以产生高能量的沼气 沼气利用可减少污水处 理厂能耗的 50 左右 ii 处理后污泥体积减少 30 50 iii 可以达到很好的稳定效果 是其他生化工艺无法比拟的 最大限度地降解了 污泥中的有机物 消除恶臭 iv 杀死病原微生物 特别是高温消化 杀死率达 99 以上 v 消化污泥容易脱水 含有有机肥效成分 使用于土壤改良 4 有机物厌氧消化 厌氧发酵 的基本原理 1979 年 伯力特等根据微生物种群的胜利分类特点 提出了厌氧消化三阶段 理论 这是当前较为公认的理论模式 第一阶段 有机物在水解与发酵细菌的作用下 使碳水化合物 蛋白质和脂肪 经水解 发酵转化为单糖 氨基酸 脂肪酸 甘油及 CO2 氢等 第二阶段 是在 产氢 产乙酸菌的作用下 把第一阶段的产物转化为氢 CO2和乙酸 第三阶段 通过两组是你生理物性上不同的产甲烷菌的作用 将氢和 CO2转化为甲烷或对乙酸 脱酸产生甲烷 产甲烷阶段产生的能量绝大部分都用于维持细菌生存 只有很少能 量用于合成新细菌 故细胞的增殖很少 综上所述 厌氧消化过程中产生 CH4 CO2和 NH3等的计量化学反应方程式如下 3 nabd2432 333 C H O N H O CHNH CO 42428682848 abnabnab ndddd 能量 5 影响厌氧消化的因素 由于甲烷菌生长速率慢 HRT 长 且对温度 pH 较敏感 因此厌氧反应各项影 响因素以对甲烷菌的影响因素为主 i 温度 温度是影响消化的主要因素 温度适宜时细菌活力高 有机物分解完 全 产气量大 消化温度的范围按所利用的厌氧菌最适温度可分为低温消化 中温 消化和高温消化 大多数厌氧消化系统设计在中温范围内操作 因为温度在 35 C 左右消化 有机物的产气速率比较快 产氢量也比较大 生成的浮渣较少 并且消 化液与污泥分离较容易 高温消化能够改善污泥脱水性能 增加病原微生物的杀灭 率 增加浮渣的消化 但高温操作费用高 过程稳定差 对设备要求高 因而高温 系统少见 ii pH 酸碱度和消化液的缓冲作用 产甲烷菌的诗意 pH 在 6 8 7 2 之间 污水和泥液中的监督有缓冲作用 如果有足够的碱度中和有机酸 其 pH 有可能维 持在 6 8 以上 酸化和甲烷化两大类细菌有可能共存 从而消除分阶段现象 iii 搅拌和混合 厌氧消化是由细菌体的内酶和外酶与底物进行接触反应 必须 使两者充分混合 由于产乙酸菌和产甲烷菌之间存在着严格的共生关系 如果在系 4 统内进行连续的剧烈搅拌则会破坏这种共生关系 可用低速循环泵代替高速泵进行 搅拌 iv 营养和 C N C 作为能量供给的来源 N 作为蛋白质合成的要素 因而厌氧菌 的分解受到 C N 的影响很大 McCarty 等提出污泥细胞质的分子式是 C5H7NO3 即 合成细胞的 C N 约为 5 1 因此要求 C N 达到 10 20 1 为宜 v 生物固体停留时间 SRT 污泥逆龄 消化池的 HRT 等于 SRT 由于产甲烷 菌的增殖速率较慢 对于环境条件的变化十分敏感 因此 要获得稳定的处理效果 就需要保持较长的 SRT vi 污泥投配率 投配率过高则消化池内有机酸积累 pH 下降 污泥消化不完全 投配率过低 污泥消化完全 产气率高但污泥容积大 利用率低 vii 污泥种类 污泥包括了初沉污泥和剩余污泥 两者有机物含量不同 可降解 程度不同 实际中可将两者混合以提高降解性 6 厌氧消化池的类型 按容积大小可分为 小型10000 m3 d 按处理负荷可分为 标准负荷消化池 无需加热搅拌 消化时间长 已淘汰 高负 荷消化池 需要加热和搅拌 消化时间短 按结构可分为 固定盖式 定容式 浮动盖式 动容式 按温度可分为 低温 20 C 自然消化 很少采用 中温 30 35 C 加热搅拌 人 工控制消化 高温 50 56 C 加热搅拌 人工控制消化 7 工艺流程 5 第二章第二章 设计计算设计计算 消化停留时间 26d 采用二级消化池 一级消化停留时间为 16d 二级消化停留时 间为 10d 所以两级的新鲜污泥投配率分别为 n1 160 0625 n1 100 1 一 消化池容积一 消化池容积 一级消化池总容积 3 8 128 0 0625 Vm 采用 2 座一级消化池 则每座池子的有效容积为 取 3 0 128 64 22 V Vm 3 100m 消化池直径采用 参见图 9 D6m 集气罩直径采用 1 d1 2m 池底下锥底直径采用 2 d1 2m 集气罩高度采用 1 h1m 上锥体高度采用 2 h1 2m 消化池柱体高度应大于 采用 3 h3 2 D m 3 5m 下锥体高度采用 4 h0 5m 则消化池总高度为 1234 6 2Hhhhhm 6 图 9 消化池 消化池各部分容积的计算 集气罩容积为 22 3 1 11 3 14 1 2 11 13 44 d Vhm 弓形部分容积为 22223 222 3 14 34 1 2 3 64 1 2 17 87 2424 VhDhm 圆柱部分容积为 22 3 33 3 14 6 3 598 96 44 D Vhm 下锥体部分容积为 22223 22 44 11 3 14 0 5 33 0 60 6 5 84 322223 ddDD Vhm 则消化池的有效容积为 3 034 98 965 84104 864VVVm 7 二级消化池总容积为 3 0 8 80 0 1 V Vm P 采用 1 座二级消化池 两座一级消化池串联一座二级消化池 二级消化池各部尺寸同一级消化池 二 消化池各部分表面计算二 消化池各部分表面计算 池盖表面积 集气罩表面积为 222 111 1 3 14 1 23 14 1 2 14 9 44 Fdd hm 池顶表面积为 222 22 3 14 4 4 1 26 9 24 44 FhDm 则池盖总表面积为 2 12 15 742 414 14FFm 池壁表面积为 地面以上部分 2 35 3 14 6 2 241 5FDhm 地面以下部分 2 46 3 14 6 1 324 5FDhm 池底表面积为 2 2 5 3 14 2 45 30 6 27 7 22 d D Fdm 三 消化池热工计算三 消化池热工计算 a a 提高新鲜污泥温度的耗热量 提高新鲜污泥温度的耗热量 中温消化温度 35 D T 新鲜污泥年平均温度为 20 s T 每座一级消化池投配的最大生污泥量为 3 100 0 06256 25 Vmd 8 则全年平均耗热量为 1 6 25 1000 3520 10004 54 3906 25 2424 DS V QTTkWkcal h b b 消化池体的耗热量 消化池体的耗热量 消化池各部传热系数采用 池盖 22 0 81 0 7 KWmKkcalm h 池壁在地面以上部分为 22 0 7 0 6 KWmKkcalm h 池壁在地面以下部分及池底为 22 0 52 0 45 KWmKkcalm h 池外介质为大气时 全年平均气温为 冬季室外计算温度为 18 A T 8 A T 池外介质为土壤时 全年平均温度为 冬季计算温度 18 B T 5 B T 池盖部分全年平均耗热量为 2 1 214 14 0 735 181 2234 8 201 9 DA QFK TTWkcal h 最大耗热量为 2max 14 14 0 7 358 1 2373 302 7 QWkcal h 池壁在地面以上部分全年平均热量为 3 1 241 5 0 635 181 2590 8 508 DA QFK TTWkcal h 最大耗热量为 3max 41 5 0 6 358 1 2938 3 806 7 QWkcal h 池壁在地面以下部分全年平均热量为 4 1 224 5 0 4535 181 2261 6 224 9 DA QFK TTWkcal h 最大耗热量为 4max 24 5 0 453551 2461 6 396 9 QWkcal h 池底部分全部平均耗热量为 5 1 227 7 0 4535 181 2295 7 254 3 DB QFK TTWkcal h 最大耗热量为 5max 27 7 0 45 355 1 2521 9 448 7 QWkcal h 9 每座消化池池体全年平均热量为 234 8590 8261 6295 71382 9 1189 1 x QWkcal h 最大耗热量为 max 373938 3461 6521 92294 8 1973 2 QWkcal h c c 每年消化池总耗热量为每年消化池总耗热量为 4540 1382 95922 9 5092 8 QWkcal h 最大耗热量为 max 45402294 86834 7 5876 8 QWkcal h d d 热交换器的计算热交换器的计算 消化池的加热 采用池外套管式泥 水热交换器 全天均匀投配 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进入热交换器 其比例 为 1 2 则每个池子的生污泥量为 3 1 8 0 17 24 2 s Qmh 回流的消化污泥量为 3 2 0 1720 34 S Qmh 进入热交换器的总污泥量为 3 12 0 170 340 51 SSS QQQmh 生污泥与消化污泥混合后的温度为 1 202 35 30 3 S T 内管管径选用 GB13296 91 时 则污泥在内管中的流速为14 2mm 2 0 51 1 8 0 013600 4 vm s 符合要求 max 5876 8 3041 5 10000 51 1000 o ss s Q TTC Q 热交换器的入口热水温度采用85o w TC 10 采用 10oC ww TT 则循环热水量为 3 max 5876 8 0 59 100010 1000 w ww Q Qmh TT 外管管径选用25 2 5mm 核算内外管之间热水的流速为 符合要求 22 0 59 1 02 0 020 014 3600 44 vm s 由于热水与污泥为逆流 故 1 45T 2 43 5T 则 12 m 1 2 4543 5 44 2 45 lnln 43 5 o TT TC T T 热交换器的传热系数选用 则每座消化池 22 697 8 600 o KWm kkcalm h C 的套管式泥 水热交换器的总长度为 max 5876 8 1 21 23 4 3 14 0 025 600 44 2 m Q Lm DK T 设每根长 1m 则其根数为 4n e e 消化池保温结构厚度计算消化池保温结构厚度计算 消化池各部传热系数允许值采用 池盖为 22 0 81 0 7 KWm Kkcalm h C 池壁在地上部分及池底为 22 0 7 0 6 KWm Kkcalm h C 池壁在地下部分及池底为 22 0 52 0 45 KWm Kkcalm h C 池盖保温材料厚度的计算 m 设消化池池盖混凝土结构厚度为 250 G mm 混凝土导热系数 22 1 55 1 33 G Wm Kkcalm h C 11 采用聚氨酯硬质泡沫塑料作为保温材料 导热系数 则0 02 B kcalmh C 保温材料的厚度为 mmm K B G G G B 25025 0 02 0 33 1 25 0 7 0 33 1 1 池壁在地面以上部分保温材料厚度的计算 2B 设消化池池壁混凝土结构厚度为mm G 400 采用采用聚氨酯硬质泡沫塑料作为保温材料 则保温材料的厚度为 mmm K B G G G B 27027 0 02 0 33 1 4 0 6 0 33 1 2 池壁在地面以上的保温材料延伸到地面以下的深度为冻深加上 0 5m 池壁在地面以下部分以土壤作为保温层时 其最小厚度的计算 土壤导热系数为 1 163 1 0 B WmKkcalmh 设消化他池壁在地面以下的混凝土结构厚度为 则保温层厚度为400 G mm mmm K B G G G B 196096 1 0 1 33 1 4 0 45 0 33 1 2 池底以下土壤作为保温层 其最小厚度 的计算 3b 消化池池底混凝士结构厚度为 700 G mm mmm K B G G G b 17007 1 0 1 33 1 7 0 45 0 33 1 3 地下水位在池底混凝土结构厚度以下 大于 1 7m 故不加其它保温措施 池盖 池壁的保温材料采用聚氨酯硬质泡沫塑料 其厚度经计算分别为 及 均按计 乘以 1 5 的修正系数 采用 25mm27mm27mm50mm 12 二级消化池的保温材料及厚度与一级消化池相同 四 沼气混合搅拌计算四 沼气混合搅拌计算 消化池的混合搅拌采用多路曝气管式 气通式 沼气搅拌 a a 搅拌用气量 搅拌用气量 单位用气量采用 则用气量 33 6 min 1000mmA池容 33 6 100 10000 6 min0 01 qmms b b 曝气立管管径 曝气立管管径 曝气立管的流速采用 则所需立管的总面积为 选用10 m s 2 0 01 100 001m 立管的规格为时 每根断面 所需立管的总数为 2 根 42 2 5mm 2 0 0011Am 核算立管的实际流速为 符合要求 0 01 9 1 0 0011 vm s 五 沼气相关设备计算五 沼气相关设备计算 a a 沼气产量沼气产量 每天产生的沼气量按 10 倍污泥量计算 则 3 43 8 1080 9 26 10 Vmdms 沼 b b 沼气管直径沼气管直径 沼气在管内流速取5 vm s 所以 4 424 9 26 102 0 021722 3 14 5 V Dmmm v 沼 取27 2 5mm 则 符合要求 4 22 424 9 26 10 4 9m 3 14 0 022 V vs D 沼 c c 沼气压缩机沼气压缩机 根据每天产沼气量 选取型号为 电机功率 一用一备 ZK0 4 10 5 5kW d d 贮气柜贮气柜 选取单级湿式贮气柜 13 贮气柜的体积 V 取平均日产气量的 40 即 3 40 80 40 32VVm 沼 取平均直径 则圆柱部分总高度4Dm 22 32 2 5 0 7850 785 4 V Hm D 六 污泥投配池及污泥泵六 污泥投配池及污泥泵 a a 污泥投配池污泥投配池 设置两个 单个容积 需要时可在来泥管处设筛网 3 4m b b 污泥泵及污泥管道污泥泵及污泥管道 每座消化池配备一台污泥泵 另备一台备用 共五台 根据污泥量 选取型 号为 WQ770 55KW 第三章第三章 沼气利用沼气利用 一 一般用途一 一般用途 1 烧茶炉和做饭 每人每日约需 1 5m3沼气 2 烧锅炉 供消化池本身加热及处理厂采暖 每立方米沼气可代替 1kg 煤 3 用来照明 沼气灯每小时耗气 0 2m3 相当 60 100 烛光 14 4 作汽车的燃料 每立方米沼气约相当于 0 7L 汽油 5 用于纺织厂纱线烧毛 6 用苛性钠或苛性钾去掉沼气中的 CO2 使甲烷含量达 80 90 可代替 乙炔进行焊接 能切割 10 2Omm 厚的钢板 7 作化工产品的原料 用沼气可制造四氯化碳 沼气加氨及氧 合成氢氰 酸 再经醇化及酯化 可合成有机玻璃树脂 此外 经氧化可制取甲醛及甲醇 利 用沼气中的 CO2可制纯碱或干冰 甲烷在高温和纯氧作用下 可得出碳黑 8 作为动力利用 利用沼气发动机可带动鼓风机 水泵或发电机 二 沼气发动机及余热利用二 沼气发动机及余热利用 以沼气为燃料的燃气发动机 一般有两种形式 a 火花点火式燃气发动机 当带动发电扒时 消耗的热量为 10868 12122kJ kw h 总的余热回收量为 5016 5852kJ kwh b 压缩点火式双燃料发动机 这种发动机把沼气和空气吸入气缸 并加以压 缩 用柴油引火 所需的液体燃料相当于通常燃料消耗量的 8 15 另外 可以作为普通的柴油发动机使用 当带动发电机时 其消耗的热量 9614 l0868kJ kwh 总的余热回收量为 3971 4589kJ kwh 这两种沼气发动机的选择 应充分考虑各自的特点 处理厂的规模和使用条件 根据实际情况决定 第四章第四章 其它相关说明其它相关说明 1 污泥中有机物的分解主要是在一级消化池内完成 在二级消化中设有集气 设备和撇除上清液装置 但不再加热和搅拌 污泥在二级消化池中最后完成消化 全部消化过程产生的上清液都由二级消化池排出 2 消化池的进泥口布置在泥位上层 设置一根进泥管 出泥口布置在池底中 央 排空管与出泥管合并使用 取样管一般设置在池顶 最少为两个 一个在池子 中部 一个在池边 取样管的长度最少应伸入最低泥位以下 0 5m 15 3 一般应备有清洗水或蒸汽的进口及清理污泥管道的设备 排出的上清液及 溢流出泥 应重新导入初次沉淀池进行处理 设计沉淀池时 应计入此项污染物 4 消化池的池底要求不渗水 采用钢筋混凝土结构 其气室部分应不漏气 加敷设耐腐蚀的涂料或衬里 5 污泥消化池的耗热量 主要考虑使新鲜污泥温度提高到要求值的耗热量 补充消化池池盖 池壁 池底管道的热损失 以及从热源到池子及其他构筑物的热 损失 其他热损失由于很小 一般不予考虑 6 锅炉台数宜在 2 台以上 有条件应实现自动控制 在保持防火 防爆距离 的前提下 锅炉房尽可能靠近消化池 以设置在与消化池结合的污泥消化控制室中 为好 锅炉用水应根据水质情况 设置软化装置 7 气体的出气口最少应高出最高污泥面 1 5m 同时在气管上应安装阀门 在 集气罩顶部应装有排气管 进气管 取样管 测压管以及测温管等 必要时安装冲 洗龙头 8 沼气出气管道