沼氣工藝畢業(yè)設(shè)計(jì)奶牛場(chǎng)正文

設(shè)計(jì)總說明隨著我國的國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的開展，一些能源消耗呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭，使總能源需求明顯擴(kuò)大、價(jià)格也不斷上升，局部地區(qū)出現(xiàn)了能源供給緊張情況。如今我國也已經(jīng)成為煤炭世界第一消費(fèi)大國，是繼美國之后的第二石油和電力消費(fèi)大國，但我國石油儲(chǔ)量?jī)H是世界的2%。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速持續(xù)開展，對(duì)能源的需求量也呈逐年遞增的趨勢(shì)，所以面臨能源供給的壓力也在不斷增加。在這種形勢(shì)下，加大沼氣等生物能源的開發(fā)利用已經(jīng)成為緩解我國的能源供給壓力的一個(gè)重要途徑。沼氣作為可再生清潔能源，既可以替代秸稈、薪柴等傳統(tǒng)生物質(zhì)能源，也可替代煤炭等商品能源，而且能源效率明顯高于秸稈、薪柴、煤炭等。開展沼氣目前是我國能源戰(zhàn)略的重要組成局部，對(duì)增加優(yōu)質(zhì)能源供給、緩解國家能源壓力具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。沼氣是有機(jī)物質(zhì)在厭氧的環(huán)境下，在一定的溫度、濕度、酸堿度條件下，通過微生物的發(fā)酵作用，產(chǎn)生的一種可燃性氣體。本次設(shè)計(jì)中以500頭奶牛牛糞作為沼氣發(fā)酵原料，重點(diǎn)對(duì)沼氣發(fā)酵池，即UASB反響器做重要設(shè)計(jì)，其中主要包括布水裝置、三相別離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從環(huán)保循環(huán)利用的方面考慮，需對(duì)生成的沼氣進(jìn)行進(jìn)一步處理，如脫水、脫硫處理等。還有對(duì)從UASB反響器流出的沼液以及沼渣經(jīng)過簡(jiǎn)易的曝氣池、沉淀池處理，防止造成污染，另一方面可利用最終沼渣、沼液作為農(nóng)肥，其具有營(yíng)養(yǎng)成分多樣性及均衡性、增強(qiáng)土壤肥力、環(huán)保性等優(yōu)點(diǎn)。最后還對(duì)各處理單元的結(jié)構(gòu)、平面布置和高程布置進(jìn)行了設(shè)計(jì)。采用AutoCAD繪圖工具進(jìn)行工程圖紙的繪制，以及對(duì)主要流程平面圖進(jìn)行繪制。本次設(shè)計(jì)的目的是為了了解沼氣技術(shù)的原理以及過程，實(shí)現(xiàn)以牛糞作為沼氣發(fā)酵原料生產(chǎn)沼氣，同時(shí)緩解我國能源供給壓力。通過此次設(shè)計(jì)穩(wěn)固所學(xué)的專業(yè)理論知識(shí)，掌握厭氧裝置的設(shè)計(jì)、污水處理工藝及各個(gè)構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)技術(shù)，熟練設(shè)計(jì)過程和標(biāo)準(zhǔn)要求，從而為將來的實(shí)際工程的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的根底。關(guān)鍵詞：沼氣發(fā)酵；沼氣凈化；UASB反響器；環(huán)保DesignInstructionWiththecontinuedrapidgrowthofournationaleconomy,someoftheenergyconsumptionofindustryshowsrapidgrowth,significantlyexpandingthetotalenergyusingpriceisrisinginsomeareasoftheenergysupplysituation.NowChinahasbecometheworld'slargestconsumerofcoalcountry,thesecondaftertheUnitedStatesoilandelectricityconsumer,butChinaistheworld'soilreserves,only2%.WithChina'ssustainedandrapideconomicdevelopment,energydemandalsoshowedanincreasingtrendyearbyyear,sopressureisalsofacingincreasingenergysupply.Undersuchcircumstances,increasedmethanedevelopmentandutilizationofbiomassenergyhasbecomearelievethepressureofChina'senergysupplyisanimportantway.Biogasasarenewablecleanenergy,canreplacestraw,firewoodandothertraditionalbiomassenergy,itcanreplacecoalandotherenergycommodities,andenergyefficientthanstraw,firewoodandcoal.China'senergystrategyforthedevelopmentofbiogasisanimportantcomponentoftheincreasethequalityofenergysupplyandeasepressureonthenationalenergyofgreatpracticalsignificance.Biogasisorganicmatterintheanaerobicenvironment,inacertaintemperature,humidity,pHconditions,bymicrobialfermentationtoproduceacombustiblegas.Thedesignofa500cowdungasthemethanefermentationofrawmaterials,focusingonthemethanefermentationtank,thatisimportanttodoUASBreactordesign,whichincludeswaterdistributioninstallations,three-phaseseparatordesign,fromenvironmentalconsiderationsrecyclingrequiredtogeneratebiogasforfurtherprocessing,suchasdehydration,desulfurizingprocess.UASBreactoralsoflowfromtheslurryandbiogasresiduethroughsimpleaerationtank,settlingtanktreatment,preventionofpollution,ontheotherhandcanusethefinalresidue,biogasslurryasagriculturalfertilizer,whichhasadiversityandnutritionbalance,enhancesoilfertility,environmentalprotectionandsoon.Finally,thestructureofeachprocessingunit,layoutandelevationlayoutofthedesign.AutoCADdrawingusingthedrawingtoolstoengineeringdrawings,andplanstodrawonthekeyprocesses.Thepurposeofthisdesignistounderstandtheprincipleandprocessofbiogastechnology,therealizationofcowdungusedasrawmaterialstoproducemethanebiogas,whilealleviatingpressureonChina'senergysupply.Designedtoconsolidatewhattheyhavelearnedthroughtheprofessionaltheoreticalknowledgeandmasterthedesignoftheanaerobicplant,sewagetreatmentprocessandthevariousstructuresofthedesigntechnology,skilleddesignprocessandregulatoryrequirements,andthusforthefutureapplicationofpracticalengineeringandlayasolidfoundation.Keywords：GasFerment;GasPurification;UASBreactor;Environmental目錄設(shè)計(jì)總說明IDesignInstructionII目錄IV1前言11.1沼氣技術(shù)開展現(xiàn)狀1我國沼氣技術(shù)開展歷程1國外沼氣技術(shù)進(jìn)展11.2沼氣技術(shù)在促進(jìn)社會(huì)開展中的作用2緩解我國化石能源供給壓力2改善農(nóng)民生活環(huán)境及衛(wèi)生條件2控制局部地區(qū)環(huán)境污染2促進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的改善3促進(jìn)新農(nóng)村建設(shè)32沼氣工程根底設(shè)計(jì)分析42.1沼氣的根本知識(shí)4沼氣的發(fā)酵原理4沼氣的主要成分4沼氣的性質(zhì)42.2沼氣發(fā)酵原料52.3沼氣發(fā)酵原料預(yù)處理53沼氣池的設(shè)計(jì)計(jì)算63.1根本參數(shù)確實(shí)定6總設(shè)計(jì)流程6設(shè)計(jì)參數(shù)63.2UASB反響器根底設(shè)計(jì)7根本參數(shù)73.2.2UASB反響器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介93.3UASB反響器的設(shè)計(jì)計(jì)算12設(shè)計(jì)參數(shù)123.3.2UASB反響器容積及主要工藝尺寸確實(shí)定133.3.3UASB反響器排泥系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算183.3.4UASB反響器產(chǎn)氣量設(shè)計(jì)計(jì)算184沼氣的凈化設(shè)計(jì)194.1沼氣脫水工藝194.2沼氣脫硫工藝及裝置195沼渣處理工藝225.1沼渣處理工藝流程圖225.2曝氣池簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)225.3二沉池225.4農(nóng)肥利用236管道設(shè)計(jì)計(jì)算247總體布局257.1平面布置25沼氣布線的管道規(guī)那么25附屬建筑物257.2高程布置268沼氣工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)278.1工程投資估算278.2運(yùn)行本錢估算27結(jié)論28參考文獻(xiàn)29致謝311前言1.1沼氣技術(shù)開展現(xiàn)狀我國沼氣技術(shù)開展歷程沼氣在我國應(yīng)用已有一個(gè)多世紀(jì)的歷史，其開展歷程大體上可以分為四個(gè)階段，即：20世紀(jì)30年代、50年代、70年代、80年代至今[1]。我國真正意義上沼氣的研究和推廣始于20世紀(jì)30年代，更深層次的認(rèn)識(shí)和更大范圍應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代，我國于1982年建成的成都鳳凰山畜牧園藝場(chǎng)沼氣工程是我國最早的農(nóng)場(chǎng)大型沼氣工程[2]，該工程由農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所設(shè)計(jì)。工程日處理1000頭奶牛糞污，裝置總?cè)莘e4×300m3隧道式，中溫發(fā)酵，平均池容產(chǎn)氣率0.765m3·m-3d-1。我國沼氣的開展主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：〔1〕有可靠的技術(shù)保障，農(nóng)業(yè)部組織成立了專門的研究機(jī)構(gòu)，1980年組織成立了中國沼氣學(xué)會(huì)，經(jīng)過廣闊的科技工作者的努力，在沼氣發(fā)酵微生物學(xué)原理和沼氣發(fā)酵工藝方面取得了重要進(jìn)展。〔2〕沼氣池的池型和沼氣發(fā)酵原料有了嗯大的開展和變化。在傳統(tǒng)圓筒型沼氣池的根底上，研究出許多高效實(shí)用的池型。沼氣發(fā)酵原料的方面實(shí)現(xiàn)了秸稈向牲畜糞便的轉(zhuǎn)變，從而解決了利用秸稈作為原料存在的出料難，易結(jié)殼難題?！?〕沼氣技術(shù)利用途徑實(shí)現(xiàn)了重大的轉(zhuǎn)變，由以前的單一制取能源向改善農(nóng)村的環(huán)境、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、開展生態(tài)農(nóng)業(yè)等多元化利用轉(zhuǎn)變，尤其是在生態(tài)農(nóng)業(yè)方面的獨(dú)特作用，更是近年來這一技術(shù)得已到重視和推廣的重要原因。據(jù)2002年有關(guān)統(tǒng)計(jì),全國大中型規(guī)模奶牛場(chǎng)沼氣工程已經(jīng)到達(dá)101處,近年來又有一定開展[3]。另一方面近年來以沼氣為紐帶的各種農(nóng)業(yè)生態(tài)工程技術(shù)模式得到快速開展，并且產(chǎn)生了良好的效果?？梢哉f，目前沼氣技術(shù)已經(jīng)成為我國生態(tài)農(nóng)業(yè)開展重要技術(shù)支撐之一。國外沼氣技術(shù)進(jìn)展歐洲是目前農(nóng)場(chǎng)沼氣工程技術(shù)最興旺、推廣數(shù)量最多,技術(shù)最成熟的地區(qū)[4、5]。歐洲沼氣工程數(shù)量較多的國家是德國、丹麥和英國。在美國的弗羅里達(dá)州有一處500頭奶牛場(chǎng)糞污沼氣處理工程[6],455m3厭氧濾器、進(jìn)料濃度大約為1%,HRT≤3d,COD去除率≥50%。加拿大近年來也建造了處理幾千頭牛糞污的大型全混合沼氣發(fā)酵裝置[7,8]。1776年意大利物理學(xué)家沃爾塔認(rèn)為沼氣與湖泊沉積物中植物體腐爛有關(guān),并對(duì)沼氣成分進(jìn)行了分析,1860年法國科學(xué)家穆拉創(chuàng)造人工沼氣發(fā)生器,1925年在德國、1926年在美國分別建造了備有加熱設(shè)施及集氣裝置的消化池,這是現(xiàn)代大、中型沼氣發(fā)生裝置的原型[9]。印度是繼中國之后戶用沼氣數(shù)量最多的國家,已經(jīng)建成近300萬口戶用沼氣裝置[10]，此外還實(shí)施了一大批大中型沼氣工程。印度的戶用沼氣裝置主要用作生產(chǎn)農(nóng)村能源,以牛糞為主要原料,沼渣沼液用作有機(jī)農(nóng)肥。此外，20世紀(jì)50年代末，尼泊爾首次引入沼氣，如今成千上萬的家庭都在使用沼氣。這種低科技生物燃料能使像尼泊爾這樣的貧困開展中國家，也為抵抗全球變暖出一分力。而且，在農(nóng)村地區(qū)使用沼氣還能使各國交易二氧化碳排放權(quán)。尼泊爾的經(jīng)驗(yàn)證明了交易權(quán)的價(jià)格是很具競(jìng)爭(zhēng)力的。在尼泊爾，沼氣設(shè)備是低科技的簡(jiǎn)單設(shè)備：即存儲(chǔ)牛糞的圓槽。該設(shè)備多建于房屋附近，以便產(chǎn)生的氣體通過管道輸送到廚房。將近85%的尼泊爾人生活在農(nóng)村地區(qū)，農(nóng)村人口大約為2千7百萬。其中95%的農(nóng)村人口使用諸如木材和農(nóng)業(yè)廢料等傳統(tǒng)的，收成不穩(wěn)定的燃料。1.2沼氣技術(shù)在促進(jìn)社會(huì)開展中的作用緩解我國化石能源供給壓力能源是各國國民經(jīng)濟(jì)的根底，其直接影響著經(jīng)濟(jì)開展的速度和國家的平安。隨著我國的國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的開展，一些能源消耗行業(yè)呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭，使能源的總需求明顯擴(kuò)大、價(jià)格也不斷上升，局部地區(qū)甚至出現(xiàn)了能源供給緊張的情況。沼氣作為可再生清潔能源，其既可替代秸稈、薪柴等傳統(tǒng)生物質(zhì)能源，也可替代煤炭等商品的能源，而且其能源效率明顯高于秸稈、薪柴等。目前開展沼氣是我國能源戰(zhàn)略的重要組成局部，對(duì)增加優(yōu)質(zhì)能源供給、緩解國家能源壓力都具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。改善農(nóng)民生活環(huán)境及衛(wèi)生條件2004年世界衛(wèi)生組織和聯(lián)合國開發(fā)的方案署公布數(shù)據(jù)顯示，開展中國家每年約有160萬人因炊煙引發(fā)的疾病死亡。開展戶用沼氣，可以使牲畜進(jìn)圈、糞進(jìn)池、沼渣沼液進(jìn)地，進(jìn)而顯著改善了農(nóng)民的居住環(huán)境和衛(wèi)生狀況?？梢哉f沼氣的使用總體上提高了身體健康水平和生活質(zhì)量?？刂凭植康貐^(qū)環(huán)境污染目前，我國許多地區(qū)養(yǎng)殖業(yè)排放的高濃度有機(jī)廢水對(duì)環(huán)境造成的污染已經(jīng)成為影響當(dāng)?shù)丨h(huán)境質(zhì)量的重要因素。畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)污水中含有大量的污染物質(zhì)，例如豬糞尿和牛糞尿混合排出物的COD值分別高達(dá)81000mg/L和36000mg/L,蛋雞場(chǎng)沖洗廢水的COD為43000~77000mg/L，對(duì)局部大型養(yǎng)殖場(chǎng)排出廢水的檢測(cè)結(jié)果，COD超標(biāo)50~70倍，BOD超標(biāo)70~80倍，懸浮固體超標(biāo)12~20倍，如不加以控制，任由這些高濃度畜禽有機(jī)污水排入江河湖泊，勢(shì)必會(huì)造成水質(zhì)不斷惡化。通過養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程建設(shè)，在產(chǎn)出清潔的燃料同時(shí)，還可以使養(yǎng)殖場(chǎng)糞污達(dá)標(biāo)排放，從而可顯著改善當(dāng)時(shí)的環(huán)境質(zhì)量。促進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的改善在促進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境改善方面，沼氣技術(shù)可發(fā)揮以下幾個(gè)方面功能：〔1〕保護(hù)森林資源，減少水土流失。〔2〕生產(chǎn)有機(jī)肥和殺蟲劑，降低農(nóng)藥和化肥污染?！?〕無害化處理畜禽糞便和生活污水，防治農(nóng)村面源污染。養(yǎng)殖糞便污水經(jīng)過沼氣發(fā)酵處理，顯著降低了廢水中有機(jī)質(zhì)含量，改善排放廢水的水質(zhì)，如果再對(duì)其加以綜合利用那么會(huì)產(chǎn)生更好的環(huán)保效果。促進(jìn)新農(nóng)村建設(shè)沼氣技術(shù)在農(nóng)村推廣利用可以為新農(nóng)村建設(shè)的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供有力的支持，進(jìn)而為提高農(nóng)民的生活質(zhì)量提供了必要的經(jīng)濟(jì)保障，從而增加農(nóng)民收入，使受益農(nóng)戶獲得更大的利益，使農(nóng)村面貌得到更大的改善。本次設(shè)計(jì)將了解我國沼氣技術(shù)的根底，沼氣池的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行管理，沼氣能源的利用，穩(wěn)固所學(xué)理論知識(shí)，掌握沼氣工藝設(shè)計(jì)流程，熟練過程及要求，為將來實(shí)踐打好根底。2沼氣工程根底設(shè)計(jì)分析2.1沼氣的根本知識(shí)沼氣的發(fā)酵原理沼氣發(fā)酵的過程實(shí)質(zhì)是微生物自身物質(zhì)代謝和能量代謝的一個(gè)生理反響。沼氣發(fā)酵的過程一般可分為3個(gè)階段。第一階段是液化階段，通過微生物對(duì)有機(jī)物進(jìn)行體外的酶解，把固體有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苡谒奈镔|(zhì)。第二階段是產(chǎn)酸階段，上述的水解產(chǎn)物進(jìn)入微生物細(xì)胞后，在胞內(nèi)酶作用下，進(jìn)一步將它們分解成小分子化合物。第三階段是產(chǎn)甲烷階段。甲烷二氧化碳蛋白質(zhì)脂肪甲烷二氧化碳蛋白質(zhì)脂肪碳水化合物液化階段微生物氨基酸脂肪酸單糖〔或二糖〕產(chǎn)酸階段微生物低級(jí)脂肪酸醇類中性化合物氫、二氧化碳產(chǎn)甲烷階段甲烷細(xì)菌圖2.1沼氣發(fā)酵過程沼氣的主要成分沼氣是有機(jī)物經(jīng)微生物厭氧消化而產(chǎn)生的可燃性氣體,由于這種氣體通常產(chǎn)生于沼澤地和池沼中,因此稱為沼氣[11]。沼氣同時(shí)是一種可燃性混合氣體，它的主要成分是甲烷，其次有二氧化碳、硫化氫(H2S)、氮、氫氣、氧氣、氨及其他一些成分。沼氣的組成中，可燃成分包括甲烷、硫化氫、一氧化碳和重?zé)N等氣體；不可燃的成分包括二氧化碳、氮和氨等氣體。在沼氣成分中甲烷含量為55%～70%、二氧化碳含量為28%～44%、硫化氫平均含量為0.034%。沼氣的性質(zhì)沼氣是一種無色、有味、有毒、有臭味的氣體，其主要成分甲烷在常溫下是一種無色、無味、無臭、無毒的氣體。甲烷分子式是CH4，是一個(gè)碳原子與四個(gè)氫原子所結(jié)合的簡(jiǎn)單碳?xì)浠衔?。甲烷?duì)空氣的重量比是0.54，比空氣約輕一半。甲烷的溶解度很少，在20℃、0.1千帕?xí)r，100單位體積的水，只能溶解3個(gè)單位體積的甲烷。甲烷為簡(jiǎn)單的有機(jī)化合物，是一種優(yōu)質(zhì)的氣體燃料。燃燒時(shí)火焰呈藍(lán)色，最高溫度可到達(dá)1400℃左右。純甲烷每立方米發(fā)熱量約為36.8千焦。沼氣每立方米的發(fā)熱量約23.4千焦，這相當(dāng)于0.55千克柴油或0.8千克煤炭充分燃燒后放出來的熱量。從熱效率分析，每立方米沼氣能利用的熱量，相當(dāng)于燃燒3.03千克煤能利用的熱量。2.2沼氣發(fā)酵原料每噸干牛糞、雞糞和豬糞(中溫發(fā)酵)分別可產(chǎn)生沼氣約300m3,490m3和420m3[12]。沼氣的熱值為18017~25140KJm-3,相當(dāng)于1kg原煤或0.74kg標(biāo)準(zhǔn)煤所產(chǎn)的熱量[13]。因此,利用畜禽糞便生產(chǎn)清潔能源,對(duì)于保護(hù)環(huán)境和開展可再生能源都有著重要的意義。沼氣發(fā)酵的原料既是生產(chǎn)沼氣的物質(zhì)根底，又是沼氣微生物進(jìn)行正常生命活動(dòng)所需的營(yíng)養(yǎng)和能量的物質(zhì)來源。為了保證沼氣發(fā)酵過程中有充足而穩(wěn)定的發(fā)酵原料，同時(shí)使池內(nèi)發(fā)酵既不結(jié)殼，又容易進(jìn)料和出料，到達(dá)管理方便，產(chǎn)氣率高的目的，須認(rèn)真選擇好沼氣發(fā)酵原料。本設(shè)計(jì)采用500頭奶牛糞便作為發(fā)酵原料。表2.1常用發(fā)酵原理總固體含量〔近似值〕%發(fā)酵原料總固體含量水分含量豬糞1882牛糞1783豬尿0.499.6牛尿0.699.4經(jīng)調(diào)查，奶牛的日排糞量為34Kg，日排尿量為34Kg，年排糞量為12410Kg，產(chǎn)沼氣量為208~370.2.3沼氣發(fā)酵原料預(yù)處理一般沼氣池發(fā)酵濃度的變化范圍為6%~10%為宜，夏季濃度6%~10%為宜，低溫季節(jié)濃度那么10%~12%為佳。一般的厭氧發(fā)酵所需的碳氮比為25～30[14]。動(dòng)物糞便屬富氮性原料，其C/N<25/1，糞便類原料顆粒較細(xì)，含有較多的低分子化合物，原料分解產(chǎn)氣速度較快，那么不必進(jìn)行多余預(yù)處理。本設(shè)計(jì)中500頭奶牛的牛糞經(jīng)過刮糞板進(jìn)入集糞池先暫時(shí)短期貯存，由于鮮牛糞的C/N比即為25/1，所以不用加料。3沼氣池的設(shè)計(jì)計(jì)算3.1根本參數(shù)確實(shí)定總設(shè)計(jì)流程集糞池集糞池UASB反響器貯氣罐刮糞板固液別離機(jī)牛舍曝氣池沉淀池枯燥劑脫水罐脫硫塔沼氣利用排放及農(nóng)肥利用污泥回流顆粒污泥儲(chǔ)池圖3.1總工藝流程圖設(shè)計(jì)參數(shù)奶牛場(chǎng)糞尿和污水量確實(shí)定：奶牛場(chǎng)排放糞尿與污水包括以下4個(gè)局部：牛糞尿、牛圈沖洗水、擠奶消毒水、牛奶桶清洗水。一頭體重600Kg奶牛的日排糞量為20Kg，排尿量為34Kg，養(yǎng)牛場(chǎng)沖洗水量每頭每天為500~800L。奶牛糞尿的組分如下表所示。表3.1奶牛糞尿的組分成分BOD/(mg/L)TSS/(mg/L)TN/(mg/L)P2O5/(mg/L)K2O/(mg/L)pH牛糞245001190009430440015007.2~8.2牛尿40005000834040189007.2~8.23.2UASB反響器根底設(shè)計(jì)根本參數(shù)UASB反響器由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易管理、負(fù)荷較高、產(chǎn)氣量大、出水水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用[15]。UASB設(shè)計(jì)涉及多個(gè)方面因素，包括池容確實(shí)定和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖3.2UASB結(jié)構(gòu)示意圖⑴廢水的水質(zhì)廢水成分對(duì)反響器內(nèi)污泥的顆?；卸喾矫嬗绊?，并能引起泡沫以及浮渣層的形成，處理含有高蛋白質(zhì)和脂肪的廢水時(shí)更易出現(xiàn)這些問題。在UASB設(shè)計(jì)時(shí)，廢水當(dāng)中顆粒物與溶解性COD的含量比值是需要重點(diǎn)考慮的因素，同時(shí)也是決定是否采用UASB工藝的決定性因素。⑵反響器容積負(fù)荷UASB反響器在30~35℃條件下處理廢水，當(dāng)容積負(fù)荷率在12~20KgCOD/(m3·d)時(shí)，COD去除率可達(dá)90%~95%，HRT可以降低到4~8小時(shí)。當(dāng)要求COD去除率低于90%時(shí)，且出水高TSS含量可以接受，那么可以采用更高的水力上升流速，使反響器內(nèi)形成密度更大的顆粒污泥，從而使反響器容積⑶水力上升流速水力上升流速是UASB的一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)，其主要取決于反響器的進(jìn)水流量和反響器水平截面積。水力上升流速設(shè)計(jì)推薦值見表。在處理COD完全可溶或局部可溶的廢水時(shí)，外表水力流速可分別允許出現(xiàn)短時(shí)間6m/h和2m/h的頂峰值。⑷發(fā)酵料液的酸堿度沼氣微生物最適宜pH值的范圍是6.8~7.5，如pH值低于最優(yōu)值，會(huì)危害厭氧消化的效率[16]。當(dāng)沼氣料液的pH值小于6或大于8時(shí)，沼氣發(fā)酵會(huì)受到抑制，甚至停止產(chǎn)氣，所以需經(jīng)常檢驗(yàn)UASB反映其中的pH值，如有不當(dāng)，需要投料重新啟動(dòng)。表3.2UASB水力上升流速和高度推薦值廢水類型水力上升流速反響器高度范圍典型值范圍典型值COD近似完全可溶COD局部可溶生活污水1.0~3.01.0~1.250.8~1.01.51.00.86~103~73~5865⑷反響器的容積UASB反響器的一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)是容積負(fù)荷或水力停留時(shí)間。一般來說，廢水的濃度較低時(shí)，反響器容積的計(jì)算主要取決于水力停留時(shí)間，在較高濃度下，反響器容積那么主要取決于容積負(fù)荷大小。畜禽糞便廢水是一種高濃度有機(jī)廢水，所以其容積的設(shè)計(jì)主要根據(jù)容積負(fù)荷來進(jìn)行。在采用傳統(tǒng)UASB系統(tǒng)的情況下，上升流速的平均值一般不超過0.5m/h。一般最經(jīng)濟(jì)的反響器高度在4~6m，并且大多數(shù)情況下這也是系統(tǒng)最正確運(yùn)行范圍。采用有機(jī)負(fù)荷(q)或水力停留時(shí)間(HRT)設(shè)計(jì)UASB反響器是目前最主要的方法。一旦q或HRT確定，反響器體積(V)可以很容易由公式(1或2)計(jì)算。對(duì)某種特定的廢水，反響器容積負(fù)荷一般應(yīng)通過試驗(yàn)確定。V=(1)(2)式中：V——反響器的有效容積，——進(jìn)水COD濃度，KgCOD/Q——進(jìn)液流量，/h；——反響器有機(jī)負(fù)荷率，KgCOD/();——反響器液體局部總?cè)莘e，；E——有效系數(shù)。表3.3不同類型廢水國內(nèi)外UASB反響器處理的負(fù)荷數(shù)據(jù)相關(guān)資料序號(hào)廢水類型負(fù)荷kgCOD/m3·d(國外資料)負(fù)荷kgCOD/m3·d(國內(nèi)資料)平均最高最低廠家數(shù)平均最高最低廠家數(shù)1酒精生產(chǎn)11.6202152啤酒廠9.818.85.6805.385103葡萄酒廠10.212844淀粉65.482.725酵母業(yè)9.812.461666616造紙12.738.96397食品加工103.54328屠宰廢水13.142.349制藥廠10.933.26.311580.8510家畜飼料廠10.510.510.5111垃圾濾液9.9127.97UASB反響器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介〔1〕反響器截面積以及長(zhǎng)、寬(或直徑)在確定反響器容積和高度后，可確定反響器的截面積，從而確定反響器的長(zhǎng)和寬，在同樣的面積下正方形池周長(zhǎng)比矩形池要小，矩形UASB需要更多建筑材料。從布水均勻性和經(jīng)濟(jì)性考慮，矩形池在長(zhǎng)/寬比在2:1以下較適宜。長(zhǎng)/寬比在4:1時(shí)費(fèi)用增加最為顯著。圓形反響器在同樣的面積下，其周長(zhǎng)比正方形的少12%。但這一優(yōu)點(diǎn)僅在采用單個(gè)池子時(shí)成立。當(dāng)建立兩個(gè)或兩個(gè)以上反響器時(shí)，矩形反響器可以采用共用壁。對(duì)于采用公共壁的矩形反響器，池型的長(zhǎng)寬比對(duì)造價(jià)也有較大影響，如果不考慮其他因素，這是一個(gè)在設(shè)計(jì)中需要優(yōu)化的參數(shù)，本設(shè)計(jì)將采用圓形池反響器?！?〕布水器布水器也是UASB反響器一個(gè)很關(guān)鍵的部件，它對(duì)于保證污水和污泥之間的充分接觸，最大限度的發(fā)揮反響器內(nèi)厭氧污泥的作用是十分重要的。進(jìn)水分配系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)對(duì)UASB的良好運(yùn)轉(zhuǎn)也是至關(guān)重要的，進(jìn)水系統(tǒng)有配水和水力攪拌的功能，為了這兩個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)，需滿足如下原那么：a)確保單位面積進(jìn)水量根本相同，以防短路等現(xiàn)象發(fā)生；b)盡可能滿足水力攪拌需求，保證進(jìn)水有機(jī)物與污泥能迅速混合；c)易觀察到進(jìn)水管的堵塞；d)當(dāng)堵塞發(fā)現(xiàn)后，極易被去除。布水系統(tǒng)進(jìn)水方式大致分為脈沖進(jìn)水和連續(xù)進(jìn)水兩種方式。連續(xù)進(jìn)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。圖3.3布水器結(jié)構(gòu)示意圖a.一管一孔配水式的特點(diǎn)：一根配水管效勞一個(gè)配水點(diǎn)，所以只要保證每根配水管的流量相等，即可實(shí)現(xiàn)每個(gè)配水點(diǎn)均勻配水。為保證每一個(gè)配水點(diǎn)到達(dá)其應(yīng)得的進(jìn)水流量，配水箱一般置于反響器的頂部，這樣布置有兩個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)，一是當(dāng)某一布水管或布水頭出現(xiàn)堵塞時(shí)通過配水箱液面的升高即可觀察得到，二是當(dāng)堵塞不是很嚴(yán)重的情況下，隨著配水箱液面升高，使布水管內(nèi)的壓力增大，從而可自行消除堵塞。b．脈沖式進(jìn)水使底層污泥交替進(jìn)行收縮和膨脹時(shí)，有助于底層污泥的混合。一定的布水強(qiáng)度能促進(jìn)反響區(qū)污泥床底部顆粒污泥的混合，促進(jìn)污染物與污泥充分的接觸，強(qiáng)化反響速率，同時(shí)也有利于底層顆粒污泥上黏附的微小氣泡的脫離，防止其浮升于懸浮層，減少污泥流失量。c.一管多孔配水方式特點(diǎn)：采用在反響器池底配水橫管上開孔的方式進(jìn)行布水，為了使配水均勻，要求出水的流速不小于2.0m/s。此配水方式可用于脈沖進(jìn)水系統(tǒng)。一管多孔式配水方式容易發(fā)生堵塞，從而進(jìn)水將從沒有堵塞的其他孔口重新分配，導(dǎo)致在反響器池底的進(jìn)水分布不均勻?？紤]到這種現(xiàn)象，應(yīng)盡量防止在一根管道上有過多的開口。〔3〕配水管道設(shè)計(jì)污水中存在的大物體可能會(huì)堵塞進(jìn)水管，設(shè)計(jì)良好的進(jìn)水系統(tǒng)可疏通堵塞；對(duì)于壓力流采用穿孔管布水器(一管多孔)，需要考慮設(shè)液體反沖洗或清堵的裝置，可采用停水分池分段反沖；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，以利于去除堵塞；采用重力流布水方式(一管一孔)，如果進(jìn)水水位差僅比反響器的水位稍高(水位差小于10cm)將會(huì)經(jīng)常發(fā)生堵塞。在水箱中的水位(三角堰的底部)與反響器中的水位差大于30cm將會(huì)很少發(fā)生這種堵塞。無論采用那一種布水方式，應(yīng)盡可能少地采用彎頭等非直管。〔4〕三相別離器圖3.4三相別離器結(jié)構(gòu)示意三相別離器是UASB反響器穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，而且在日益開展的三相流態(tài)化技術(shù)中也有著廣泛的應(yīng)用前景。但到目前為止,用于大規(guī)模生產(chǎn)的三相別離器結(jié)構(gòu)在國外仍屬專利[17]，有關(guān)設(shè)計(jì)方法也未見報(bào)道。氣、液、固三相別離器是UASB反響器的重要結(jié)構(gòu)特征，它對(duì)于污泥床的正常運(yùn)行和獲得良好出水水質(zhì)起十分重要的作用。它具有兩個(gè)功能，其一是收集從別離器下反響區(qū)產(chǎn)生的沼氣；其二是使在別離器之上的懸浮物沉淀下來。工作原理：待處理的廢水被引入U(xiǎn)ASB反響器的底部，向上流過由絮狀或顆粒狀污泥組成的污泥床，隨著污水與污泥相接觸而發(fā)生厭氧反響，產(chǎn)生的沼氣〔氣體是甲烷和二氧化碳〕會(huì)引起污泥床擾動(dòng)。在污泥床產(chǎn)生的氣體中有一局部會(huì)附著在污泥顆粒上，自由氣泡和附著在污泥顆粒上的氣泡上升至反響器頂部。污泥顆粒上升撞擊到脫氣擋板的底部時(shí)，引起附著的氣泡釋放，脫氣的污泥顆粒沉淀回到污泥床外表。自由氣體和從污泥顆粒釋放的氣體被收集在反響器頂部的集氣室內(nèi)。液體中包含的一些剩余固體和生物顆粒進(jìn)入到沉淀室內(nèi)，剩余固體和生物顆粒從液體中別離并通過反射板落回污泥層上面。別離氣體、固體后的液體繼續(xù)上升，最后從出水堰溢流，經(jīng)集水槽排出。沼氣聚集于三相別離器頂部，可通過氣管排出。高濃度有機(jī)生產(chǎn)廢水經(jīng)過厭氧反響器的預(yù)處理后，有機(jī)物得到大量去除，COD大幅下降。通常UASB的三相別離器的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原那么：a.沉淀區(qū)斜壁角度設(shè)計(jì)應(yīng)能使沉淀在斜壁上的污泥不積聚，順利返回到反響區(qū)內(nèi)，該傾角通常為55~60°。b.沉淀區(qū)的外表負(fù)荷應(yīng)在0.7m3/(m2·h)以下，混合液進(jìn)入沉淀區(qū)前，通過入流孔道〔縫隙〕的流速應(yīng)不大于c.反射板與入流孔道〔縫隙〕之間的遮蓋應(yīng)在100~200mm，以防止氣泡進(jìn)入沉淀區(qū)影響沉淀。d．應(yīng)防止氣室產(chǎn)生大量的泡沫，并控制好氣室高度，防止浮渣堵塞出氣管，要保證氣室出氣管暢通無阻。為了這一點(diǎn)，主要需控制好別離器下氣液界面的沼氣釋放速率，適當(dāng)?shù)臍怏w釋放速率是1~3m3/(m2·e.在集氣室上部應(yīng)該設(shè)置消泡噴嘴，當(dāng)處理污水產(chǎn)生嚴(yán)重泡沫的問題時(shí)用來消泡。出氣管的直徑應(yīng)足夠大以保證從集氣室引出沼氣，尤其是在產(chǎn)生泡沫的情況下。f．別離器相對(duì)于出水界面的位置，該位置決定了反響區(qū)和沉淀區(qū)的比例。在多數(shù)UASB反響器中沉淀區(qū)為總體積的15%~25%；在反響器的高度為5~7m時(shí)集氣室的高度應(yīng)該在1.5m左右。3.3UASB反響器的設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)溫度T=25℃容積負(fù)荷V=10.5kgCOD/(m3·d)平均體重500Kg的一頭奶牛的糞尿量為45.0L/d，本設(shè)計(jì)中500頭奶牛總糞尿量為22500L/d，產(chǎn)沼氣量為208~370m3進(jìn)液流量Q=3500m3/d表3.4設(shè)計(jì)參數(shù)水質(zhì)指標(biāo)COD〔mg/L〕BOD〔mg/L〕SS〔mg/L〕進(jìn)水水質(zhì)37352340568設(shè)計(jì)去除率85%90%0設(shè)計(jì)出水水質(zhì)560234568UASB反響器容積及主要工藝尺寸確實(shí)定〔1〕UASB反響器容積確實(shí)定畜禽糞便廢水是高濃度有機(jī)廢水，所以其容積設(shè)計(jì)根據(jù)容積負(fù)荷來計(jì)算。采用容積負(fù)荷法確立其容積VVn=式中：Vn——反響器液體局部有效容積，m3S0——進(jìn)水COD濃度，KgCOD/(m3·d)Q——進(jìn)液流量，m3/h；Lorg——反響器有機(jī)負(fù)荷率，KgCOD(m3·d)/。Vn=3500×3.735/1.5=1245取有效容積系數(shù)為0.8,那么反響器液體局部總?cè)莘eVL=Vn/E=1〔2〕構(gòu)造尺寸計(jì)算本設(shè)計(jì)UASB反響器采用圓形池取水力負(fù)荷q=0.6m3/(m2·d)

反響器外表積

A=Q/q=145.8/0.6=244m2HL=VL/A=6.38m式中：HL——反響器液體局部高度，m。反響器總高度HT=HL+HG=6.38+2.5=8.88m取9m式中：HG——反響器集氣局部的高度，m。采用4座相同的UASB反響器，那么每個(gè)單池面積A1為：A1=A/4=244/4=61D==8.8m

取D=9m那么實(shí)際橫截面積A2==63.59實(shí)際水力外表負(fù)荷為q1=Q/A=145.8/4×63.59=0.57符合設(shè)計(jì)要求〔3〕進(jìn)水配水系統(tǒng)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用圓形布水器，每個(gè)UASB反響器設(shè)36個(gè)布水點(diǎn)。每個(gè)池的流量

Q1=145.8/4=36.45m3/h每個(gè)孔口面積為=1.77設(shè)置3個(gè)圓環(huán)，里層設(shè)6個(gè)孔口，中層設(shè)12個(gè)孔口，外層設(shè)18個(gè)孔口。里層6個(gè)孔口設(shè)計(jì)總面積:S1=6×1.77=10.62m2效勞圓直徑為=3.68m以此直徑做一虛圓，該圓內(nèi)等分處設(shè)置6個(gè)孔口，圓的直徑計(jì)算如下：=2.6mb.中層12個(gè)孔口設(shè)計(jì)總面積：S2=12×1.77=21.24m2效勞圓直徑為=6.37m圓環(huán)直徑為d2=5.2mc.外層18個(gè)孔口設(shè)計(jì)總面積：S3=18×1.77=31.86m2效勞圓直徑為=9m圓環(huán)直徑為那么d3=7.8m圖3.5布水器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖〔4〕三相別離器設(shè)計(jì)三相別離器的設(shè)計(jì)包括沉淀區(qū)設(shè)計(jì)、回流縫設(shè)計(jì)和氣液別離設(shè)計(jì)。a.沉淀區(qū)的設(shè)計(jì)三相別離器集氣室頂以上的覆蓋水深采用1.0m，沉淀區(qū)總水深2.0m沉淀器斜面坡度

θ=55°沉淀區(qū)面積:A==63.58m2外表水力負(fù)荷q=Q/A=0.57m3/(m2·d)

符合要求b.回流縫設(shè)計(jì)

取h1=0.5mh2=1.0mh3=

依據(jù)圖中幾何關(guān)系，那么

b1=式中：b1——下三角集氣罩底水平寬度，m——下三角集氣罩斜面的水平夾角h3——下三角集氣罩的垂直高度，mb1===1.96mb2=b﹣2b1式中：b2——相鄰兩個(gè)下三角形集氣罩之間的水平距離，mb——三相別離器的寬度，mb2=5.08下三角集氣罩之間的污泥回流縫中混合液的上升流速v1,可用下式計(jì)算：v1=Q/S1式中：Q——反響器設(shè)計(jì)廢水流量，m3/h;S1——下三角形集氣罩回流縫的面積，m2=1.8m/h<2m/h符合要求上下三角形集氣罩之間回流縫流速v2用下式計(jì)算：

v2=Q/S2式中：S2——上三角形集氣罩回流縫的面積，m2S2可用下式表示：S2=cl2nC即為CE——上三角形集氣罩回流縫的寬度，建議CE>0.2m

取CE=1.0CF—上三角形集氣罩底寬，取CF=7LK=FK×sin55°=0.66mEL=CF+2LK=8S2=(CF+EL)×CE/2=3.14×(7+8.31)/2=24.04m2v2=145.8/4×24.04=1.52m/hv2<v1<2.0m/h,符合要求確定上下集氣罩相對(duì)位置及尺寸：BC=CE/cos55°=1.4mh4=1.0mDK=(CF－b2)/2=0.DL=DK+KL=1.IL=LD/sin35°=2.82mBE=CE×tan55°=1.43mAB=AE－BE=1.39DG=FD×sin55°=1.14mh5=DG+DI=1.14+2.82×sin55°=3.45bbCEBAFKDGHIL圖3.6三相別離器設(shè)計(jì)計(jì)算圖c.氣液別離設(shè)計(jì)由圖可知，欲到達(dá)氣液別離的目的，上、下兩組三角形集氣罩的斜邊必須重疊，重疊的水平距離〔AB的水平投影〕越大，氣體別離的效果越好，去除氣泡的直徑越小，對(duì)沉淀區(qū)固液別離效果的影響會(huì)越小。所以，重疊量的大小是決定氣液別離效果好壞的關(guān)鍵。由反響區(qū)上升的水流從下三角形集氣罩回流縫過渡到上三角形集氣罩回流縫再進(jìn)入沉淀區(qū)，其水流的狀態(tài)比擬復(fù)雜。當(dāng)混合液上升到A點(diǎn)后將沿著AB方向斜面流動(dòng)，并設(shè)流速為va，同時(shí)假定A點(diǎn)的氣泡以速度vb垂直上升，所以氣泡的運(yùn)動(dòng)軌跡將沿著va和vb合成速度的方向運(yùn)行，根據(jù)速度合成的平行四邊形法那么，有：要使氣泡別離后進(jìn)入沉淀區(qū)的必要條件為：氣泡上升速度vb與其直徑、水溫、液體和氣體的密度、廢水的粘滯系數(shù)等因素有關(guān)。當(dāng)氣泡的直徑很小〔d<0.1mm〕時(shí)，在氣泡周圍的水流呈層流狀態(tài)，Re<1,這時(shí)氣泡的上升速度可由斯托克斯〔Stokes〕公式計(jì)算。設(shè)計(jì)參數(shù)：取消化溫度T=25℃，沼氣密度=1.12g/L；水的密度=1000kg/m3；廢水的動(dòng)力粘滯系數(shù)=0.0089×10-4m2/s；取氣泡直徑d=0.008cm根據(jù)斯托克斯〔Stokes〕公式可得氣體上升速度vb為：式中：vb——?dú)馀萆仙俣龋琧m/s;g——重力加速度,cm/s2;β——碰撞系數(shù)，取0.95;μ—廢水的動(dòng)力粘度系數(shù)，Pa·s;那么vb==0.391cm/s=14.08m/h水流速度va=v2=1.52m/h;驗(yàn)證：滿足設(shè)計(jì)要求UASB反響器排泥系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算考慮到反響器的底部可能會(huì)積累顆粒物，且底部污泥的活性較差，故本設(shè)計(jì)將采用底部排泥，一般情況下，每去除1KgCOD,可產(chǎn)生0.05~0.1KgVSS，本設(shè)計(jì)中取0.1KgVSS/KgCOD。每日產(chǎn)泥量1111.16每座UASB反響器每日產(chǎn)泥量2UASB反響器產(chǎn)氣量設(shè)計(jì)計(jì)算每日產(chǎn)沼氣量G＝式中：r——產(chǎn)沼氣率：0.7m3/KgCOD〔理論值〕Q——進(jìn)液設(shè)計(jì)流量，m3/hC0——進(jìn)水COD濃度，KgCOD/m3e——設(shè)計(jì)去除率，%那么G=0.7×3500×3735×0.85×10-3=9150m3/d=381.3m3/h4沼氣的凈化設(shè)計(jì)4.1沼氣脫水工藝沼氣脫水屬于沼氣脫硫系統(tǒng)的一局部，脫水設(shè)備占整個(gè)氣體凈化投入的比重很小，但其作用僅次于硫化氫的脫除。本設(shè)計(jì)將采用固體物理吸收法，采用活性氧化鋁作為枯燥劑，其具有吸附能力較好，再生溫度低，在液態(tài)水中不易碎等優(yōu)點(diǎn)?？菰飫┟撍b置如圖，利用枯燥劑脫水時(shí)，枯燥劑裝在容器中，沼氣自下而上流過容器。使用過一段時(shí)間后，枯燥劑需要再生。22134圖4.1枯燥劑脫水裝置1-枯燥沼氣出口；2-吸水劑；3-再生氣出口；4-含水沼氣出口4.2沼氣脫硫工藝及裝置一般而言,沼氣中H2S的質(zhì)量濃度在1～12g·m-3之間,其受發(fā)酵原料和發(fā)酵工藝影響很大,當(dāng)原料中的蛋白質(zhì)或硫酸鹽含量較高時(shí),發(fā)酵后沼氣中的H2S質(zhì)量濃度就較大[18]。H2S對(duì)管道、燃燒器以及其它金屬設(shè)備、儀器儀表等有很強(qiáng)的腐蝕性,因此,影響了沼氣的回收利用[19]。H2S具有極強(qiáng)毒性，當(dāng)空氣中濃度為140mg/m3〔標(biāo)況〕時(shí)，就會(huì)引起結(jié)膜炎和角膜炎，當(dāng)濃度約為280mg/m3〔標(biāo)況〕時(shí)，會(huì)造成昏迷，呼吸困難甚至死亡。低濃度的H2S氣體會(huì)引起頭痛、嘔吐、乏力、失眠以及角膜發(fā)炎等。因此在使用沼氣之前，必須首先對(duì)沼氣進(jìn)行脫H2S的處理。沼氣直接脫硫方法按原理一般可分為濕式法和干式法兩大類，化學(xué)脫硫技術(shù)常運(yùn)用的是常溫Fe2O3干式脫硫法[20,21],它是將Fe2O3屑和木屑混合制成脫硫劑,以濕態(tài)(含水40%左右)填充于脫硫裝置內(nèi)。在濕式脫硫法中一般使用堿性液體來吸收H2S[22]。消化后的沼氣從底部進(jìn)入塔中，與吸收劑逆流接觸反響后從塔頂部排除。沼氣干法脫硫適用于含硫量較低的燃?xì)?，日處理量較小。該法工藝簡(jiǎn)單、成熟可靠、造價(jià)低，能到達(dá)較高的凈化程度。本設(shè)計(jì)采用脫硫塔反響裝置脫硫。設(shè)計(jì)尺寸：一級(jí)脫硫：H2S在2g/m3；二級(jí)脫硫：H2S在2~5g/m3；三級(jí)脫硫：H2S在5g/m3以上。結(jié)論：鑒于本設(shè)計(jì)針對(duì)奶牛場(chǎng)沼氣系統(tǒng)，實(shí)際含硫率很低，故采用一級(jí)脫硫方式。a.脫硫塔直徑脫硫塔的直徑設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足以下兩個(gè)條件：一般情況，粗脫硫時(shí)取高徑比為3~4，當(dāng)高徑比增大時(shí)，脫硫效果會(huì)提高，但同時(shí)壓力損失增大，因此在滿足壓力損失的情況下，應(yīng)盡量取上限值。本設(shè)計(jì)中脫硫高徑比取4。b.脫硫劑的填裝量本設(shè)計(jì)將采用TCS-106型常溫氧化鐵脫硫劑。其反響式為：脫硫Fe2O3+3H2SFe2S3+3H2O再生2Fe2S3+3O22Fe2O3+6S脫硫劑的填裝量取決于原料氣的氣量、硫含量以及設(shè)計(jì)脫硫劑的使用壽命，以V表示脫硫劑的填裝量：V=式中：V——脫硫劑填裝量，m3；C——進(jìn)口氣體中的濃度，mg/m3；Q——原料氣流量，m3/h；t——脫硫劑使用壽命，h;W——脫硫劑原粒度的質(zhì)量穿透硫容，%；d——脫硫劑的質(zhì)量堆密度，0.7t/m3。V=7.7H:D=4:1那么D取1.35m，H=5.4m，脫硫塔總高為8.1m。HHD0.1H0.1H0.1H0.2H圖4.2脫硫塔外形尺寸設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖5沼渣處理工藝5.1沼渣處理工藝流程圖曝氣池曝氣池沉淀池污泥回流排放或農(nóng)肥利用沼渣及廢水圖5.1沼渣處理工藝流程圖活性污泥法工藝能從污水中去除溶解性的和膠體的可生物降解的有機(jī)物，以及能被活性污泥吸附的懸浮固體和其他的一些物質(zhì)。曝氣設(shè)備的作用是傳遞氧氣進(jìn)入混合液，同時(shí)還起到了攪拌作用而使混合液呈現(xiàn)出懸浮狀態(tài)，隨后混合液流入沉淀池，混合液中懸浮固體在沉淀池中進(jìn)行固液別離，流出沉淀池的為凈化水。沉淀池中的污泥大局部回流至曝氣池，此過程稱為污泥回流，目的是使曝氣池內(nèi)保持一定的懸浮固體濃度，即保持一定的微生物濃度。在本設(shè)計(jì)中經(jīng)過處理后的剩余污泥可作為農(nóng)肥二次利用。5.2曝氣池簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)推流式曝氣池的長(zhǎng)寬比一般為5~10，池寬和有效水深之比一般為1~2，與常用曝氣鼓風(fēng)機(jī)的出口風(fēng)壓匹配，有效水深通常在4~6m。水量：Q=3500m3/d水力停留時(shí)間：HRT=7h曝氣池結(jié)構(gòu)：L×B×H=41m×5m×5m有效高度：H=5m超高：h=0.5m有效容積：V有效=41m×5m×5m=1025m3總?cè)莘e：V總=41m×5m×5.5m=1127.5m3主要設(shè)備：PWX型微孔曝氣器5.3二沉池二沉池中普遍存在四個(gè)區(qū)：清水區(qū)、絮凝區(qū)、成層沉降區(qū)、污泥壓縮區(qū)，一般存在泥水界面和壓縮界面，混合液進(jìn)入沉淀池后，首先被池水稀釋，從而固體濃度大大降低并開始形成絮凝區(qū)，絮凝區(qū)的上層是清水區(qū)，它們之間為泥水界面；絮凝區(qū)下部是成層沉降區(qū)，此區(qū)中固體的濃度根本不變，沉速也根本不變；靠近池底處為污泥壓縮區(qū)，壓縮區(qū)與成層沉降區(qū)之間有個(gè)明顯的界面，固體濃度發(fā)生突變。在本設(shè)計(jì)中將采用矩形池，即平流式二沉池。設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)：水量：Q=3500m3/d水力停留時(shí)間：HRT=2h二沉池結(jié)構(gòu)：L×B×H=13m×5m×4.5m有效高度：H=4.5m超高：h=0.5m有效容積：V有效=13m×5m×4.5m=292.5m3總?cè)莘e：V總=13m×5m×5m=325m3主要設(shè)備：鏈條式刮泥機(jī)污泥回流泵排泥泵5.4農(nóng)肥利用沼液中含有氮、磷、鉀、鈣、銅、鋅、鐵、B族維生素、赤霉素、氨基酸和酶活性物質(zhì),并且經(jīng)沼氣厭氧發(fā)酵后,約95%的寄生蟲和有害細(xì)菌被殺滅[23]。因此,發(fā)酵后的沼液是很好的有機(jī)肥料，可以直接將沼液作為有機(jī)肥灌溉到農(nóng)田中，或是把它作為葉面肥直接噴施均能到達(dá)很好的效果；還可以利用沼液來浸種，提高種子的出芽率和以后的生長(zhǎng)能力[24]，或者將沼液作為一種無毒、無殘留的農(nóng)藥來防治農(nóng)業(yè)病蟲害[25,26]。北京蟹島生態(tài)度假村嚴(yán)格按照有機(jī)農(nóng)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)，不使用任何化學(xué)農(nóng)藥與化肥，大田與日光溫室已連續(xù)施用沼液、沼渣多年[27]，內(nèi)蒙某牛場(chǎng)利用沼肥生產(chǎn)牧草，都取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。沼渣是發(fā)酵后的沉渣，含有較全面的養(yǎng)分和豐富的有機(jī)物，其中有機(jī)質(zhì)36%～49.9%;；腐植酸10.1%～24.6%；全N0.8%～1.5%；全P0.39%～0.71%；全K0.61%～1.3%，還含有對(duì)作物生長(zhǎng)起重要作用的B、Cu、Fe、Mn、Zn等微量元素，因此是優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥料。還有利用沼渣種植蘑菇[28]、代替局部飼料養(yǎng)豬[29]、養(yǎng)魚[30]、飼養(yǎng)蚯蚓等都取得了顯著開展。6管道設(shè)計(jì)計(jì)算牛舍至集糞池管道設(shè)計(jì)：水及低黏度液體〔0.1~1.0Mpa〕，流速范圍為1.5~3.0m/s，本設(shè)計(jì)選定1.5m/s。qv=3500m3/d=0.04m管路內(nèi)徑計(jì)算：d==0.2m25℃時(shí)水的黏度為0.8937×10-3pa·s，=997.0Kg·m-3Re==0.2×1.5×997.0/0.8937×10-3=3.35×105故為湍流形式。據(jù)相關(guān)資料，本設(shè)計(jì)選取管道材質(zhì)為熱軋無縫鋼管，其絕對(duì)粗糙度=0.2mm，故=0.001，查圖可得=0.0215，設(shè)計(jì)管道長(zhǎng)度l=15m；hf==1.814J/Kg集糞池至四座UASB反響器為4條相同獨(dú)立管道，以一條支路為例：需2個(gè)90°彎頭〔阻力系數(shù)，le/d=35〕，一個(gè)離心泵用來輸送混合液體至反響器。支路的流量qv1=qv/4=0.01m3/s那么管道內(nèi)徑d1==0.092m選取108mm的熱軋無縫鋼管，壁厚15mm集糞池設(shè)計(jì)深度h=3m，UASB反響器液面與集糞池液面取10m，管路總長(zhǎng)取7m，鋼管絕對(duì)粗糙度取=0.2mm，那么=0.0022，查得=0.026，截止閥le/d=300，2個(gè)90°彎頭le/d=35×2=70，管出口突然擴(kuò)大管路壓頭損失帶入計(jì)算得=1.33J/Kg那么揚(yáng)程可達(dá)11.33m，由此結(jié)合資料選取IS80-65-125的泵7總體布局7.1平面布置沼氣工程總體布置應(yīng)符合該沼氣工程工藝的要求，需要布置緊湊，便于施工、運(yùn)行和管理；同時(shí)應(yīng)結(jié)合地形、氣象和地質(zhì)條件等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析確定，使其充分利用地形、設(shè)施高度，到達(dá)排水暢通、降低能耗、土方平衡的需求。奶牛場(chǎng)沼氣工程的平面布置應(yīng)該包括：牛舍、處理構(gòu)筑物、辦公樓以及其它輔助構(gòu)筑物，還有以及各種管道、道路、綠化等的布置。平面布置應(yīng)遵循以下根本原那么：⑴處理構(gòu)筑物與生活、管理設(shè)備應(yīng)分別集中布置，其位置和朝向力求合理，生活、管理設(shè)施應(yīng)與處理構(gòu)筑物保持一定的距離。功能分區(qū)明確，配置得當(dāng)。⑵處理構(gòu)筑物宜按流程順序布置，應(yīng)當(dāng)充分利用原有地形，盡量做到土方量的平衡。構(gòu)筑物之間管線應(yīng)短捷，防止迂回曲折，盡量做到水流通暢。⑶處理場(chǎng)內(nèi)的雨水管道、污水管道、給水管道、電氣埋線等管線應(yīng)全面安排，防止相互干擾，管道復(fù)雜時(shí)可考慮設(shè)置管廊。⑸產(chǎn)生臭氣和噪聲的構(gòu)筑物和輔助建筑物〔如鼓風(fēng)機(jī)〕的布置，應(yīng)注意對(duì)周圍環(huán)境的影響。⑹處理廠內(nèi)的綠化面積一般不小于全廠總面積的30%。⑺應(yīng)設(shè)置通向各構(gòu)筑物和附屬建筑物的必要通道，以滿足物品運(yùn)輸、日常操作管理和檢修的需要。7.1.1沼氣布線的管道規(guī)那么布置沼氣管線時(shí)，應(yīng)考慮沼氣管道的壓力狀況，地形變化以及土壤性質(zhì)，應(yīng)具體考前須知如下：⑴沼氣管道一般情況下設(shè)為地下直埋敷設(shè)，應(yīng)盡量避開建筑物以及主要干道。⑵在各處理構(gòu)筑物之間，原那么上應(yīng)設(shè)有貫穿、連接的管渠。此外，還應(yīng)設(shè)有能夠使各個(gè)處理構(gòu)筑物獨(dú)立運(yùn)行的管、渠，當(dāng)某一處理構(gòu)筑物因故障停止工作時(shí)，要保證它的后接處理構(gòu)筑物仍能夠保持連續(xù)正常的運(yùn)行。⑶應(yīng)設(shè)超越所有處理構(gòu)筑物，能夠把其直接排放水體的超越管。7.1.2附屬建筑物該沼氣發(fā)酵流程中的附屬建筑物如下：泵房、鼓風(fēng)機(jī)房、綜合辦公樓、維修間、倉庫等，它們也是沼氣廠中不可缺少的組成局部?？傮w的建筑面積大小應(yīng)按平面圖布置具體情況與條件具體而定。7.2高程布置高程設(shè)計(jì)的任務(wù)是對(duì)各處理單元構(gòu)筑物與輔助設(shè)施等相對(duì)高程作豎向布置，通過計(jì)算確定各單元處理構(gòu)筑物和泵站的高程，各單元處理構(gòu)筑物之間連接管渠的高程和各局部的水面高程。高程布置的合理性也直接影響污水處理廠的工程造價(jià)、運(yùn)行費(fèi)用、維護(hù)管理和運(yùn)行操作等。高程布置圖需要標(biāo)明處理構(gòu)筑物的池底、池頂以及水面高程，表達(dá)出各處理構(gòu)筑物間的高程關(guān)系和處理工藝流程，以此保證污水能夠沿流程在各處理構(gòu)筑物之間通暢地流動(dòng)，來使整個(gè)設(shè)備流程能夠正常運(yùn)行。高程圖上的垂直和水平方向的比例尺—般不相同，一般垂直的比例大(取1：100)，而水平比例會(huì)取的小些(1：500)，可以使圖紙醒目、協(xié)調(diào)。8沼氣工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)8.1工程投資估算表8.1工程投資估算序號(hào)工程名稱土建費(fèi)用/萬元安裝費(fèi)用/萬元設(shè)備費(fèi)用/萬元合計(jì)/萬元1集糞池1311153固液別離機(jī)————554UASB反響器〔含布水器三相別離器沼氣儲(chǔ)氣罐等配套設(shè)備〕30303003608脫水罐——110119脫硫塔11121410有機(jī)肥加工中心4.531522.511曝氣池25120022612沉淀池15131914沼氣流量計(jì)————1.51.515綜合樓315916機(jī)修間3381417車庫、倉庫3——1418鍋爐房324919場(chǎng)內(nèi)道路432920綠化10————10合計(jì)〔萬元〕729經(jīng)濟(jì)核算分析的主要目的是追求費(fèi)用的最小化同時(shí)實(shí)現(xiàn)效益最大化。本次設(shè)計(jì)是針對(duì)500頭奶牛糞便進(jìn)行沼氣發(fā)酵技術(shù)，應(yīng)努力實(shí)現(xiàn)費(fèi)用最小化原那么。8.2運(yùn)行本錢估算運(yùn)行本錢的估算通常不僅僅包括能源消消耗、藥劑費(fèi)和修理基金提存以及日常維護(hù)檢修費(fèi)，還有員工的工資福利費(fèi)等。結(jié)論本設(shè)計(jì)采用UASB反響器作為牛糞發(fā)酵沼氣主要反響器，其具有反響器內(nèi)污泥濃度高、有機(jī)負(fù)荷高、水力停留時(shí)間長(zhǎng)、無需混合攪拌設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，此方法經(jīng)濟(jì)效益較好，值得推廣，將是一種非常有使用前景和廣闊空間的生化處理工藝。另一方面，沼氣作為一種清潔型可燃性氣體，可以廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)與生活中。因此，開發(fā)沼氣工程為緩解我國能源壓力將做出巨大奉獻(xiàn)，目前我國的沼氣工程逐漸開展為能源與生態(tài)相結(jié)合的方式，通過對(duì)奶牛場(chǎng)糞污的無害化管理的同時(shí)，變廢為寶，將糞污進(jìn)行深度處理后二次加工為有機(jī)廢料，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益。隨著沼氣工程技術(shù)與沼肥利用技術(shù)的日趨完善，規(guī)?；哪膛?chǎng)沼氣發(fā)酵工藝技術(shù)將具有廣泛的研究以及應(yīng)用背景。參考文獻(xiàn)[1]張全國.沼氣技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京化學(xué)工業(yè)出版社,2005.[2]周孟津.沼氣發(fā)酵工藝的開展[A].中國沼氣十年[C].北京:中國科學(xué)技術(shù)出社,1990,22～281[3]中國奶業(yè)協(xié)會(huì)等.奶業(yè)與生態(tài)環(huán)境國際論壇報(bào)告及論文集[C].大連,2005.[4]TeodoritaAlSeadi,etal.GoodpracticeinqualitymanagementofADresidue.[EB/OL].[5]DanishBiogasAssociation.Biogasandmore22systemsandmarketsoverviewofanaerobicdigestion[EB/OL].[6]AnnCwilkie.AnaerobicdigestionofflusheddairymanureP