沼气池设计设计例题课件.pptx
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1、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10.513.5、气温为-12.712.5;夏季(5-10月间),污泥平均温度为13.217,气温为1826。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
2、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=10013=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
3、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=1000.040.65=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
4、池盖倾角可取1520,集气罩直径d1可取25m,高h1可取13m,池底锥底直径可取12m。,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
5、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=1371.94 m1300 m,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
6、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1.42.0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=26000.5=1300kg/d,所以甲烷产量为0
7、.691300=897 m/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=1495 m/d,甲烷燃烧热值为37500kJ/ m,则本消化池可供热量为89737500=33637500 kJ/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57m3/(1000m3min)计,本设计取6 m3/(1000m
8、3min),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/(cms),消化池内的混合液污泥浓度,mg/L,消化温度为35时为,0.72g/(cms),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=2600050%=13000mg/L,Y取0.044,b取0.01
9、9,则,本设计中,所需搅拌总功率N=5.31.357=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/
10、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/
11、(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10.513.5,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
12、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13.217,取13.2 进行计算,可得:
13、Q1=9127224kJ/d;已知夏季室外计算温度为1826,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
14、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2224 mg/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4
15、34mg/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=153.8
16、6m2; 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)8001000=2052.8kg/d;则污泥产量X=2052.80.04=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.
17、11282.112=9.20 kg/d;所需要的P的量为:0.02382.112=1.89 kg/d;,五、甲烷产量计算,标准状态下,每分解1g COD 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=VCH4Q(C0-Ce)-1.42QCe10-3 =0.395800(3000-434)-1.42800434 10-3 =616 m/d以甲烷的体积分数60%计算,则沼气产量为6160.6=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(
18、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:,3750061624=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700020000mg/L,pH37,BOD5为469016500mg/L,SS浓度为8701060mg/L,废水流量为2
19、40m/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2530%,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
20、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=9.2 kg COD/(md),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
21、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5m8m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=926=15.3m2,采用正方形截面,则边长为44m,反应器实际容积为96m; 反应区反应时间:t=V/Q=182.6240=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C0QV=8.75 kgC
22、OD/md,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
23、、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/(m2h),一般可取0.50.7m/(m2h);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/(m2h),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700
24、020%=1400mg/L。 产甲烷体积为: VCH4=V生成Q(C0-Ce)-1.42QCe10-3=343m; 以沼气中含CH4体积平均以54.5%计,则产生的沼气体积为: 34354.5%=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3060d;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90120d;自身培养积累法,此法约需9个月以上。,UASB反应器的设计与计算,设计例题,以颗粒污泥启动时:颗粒污泥接种量宜为10kgVSS/m20kgV
25、SS/m;启动的初期负荷宜为3kgCOD/(md);处理废水与接种污泥废水性质完全不同时,宜在第一周保持初始污泥负荷低于最大设计负荷的50%;本设计例题中接种污泥浓度为20 kg/m,接种量为915kg。当进水水量达到设计流量的70%80%,容积负荷达到60%以上时,反应区内颗粒污泥床形成,COD去除率达到80%以上时,调试完成。,UASB反应器的设计与计算,设计例题,启动进水量、进水COD浓度及容积负荷控制:启动时进水量以设计废水量的30%分阶段递增,开始时COD浓度不宜大于5000mg/L,容积负荷不宜超过设计容积负荷的20%。启动初期,由于接种污泥中的细小颗粒被水流带走,污泥增长率低于流
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