厌氧接触消化池设计

第一章 设计概况说明 ................................ 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 设计计算 .................................... 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 沼气利用 ................................... 13

一、一般用途 ..................................................... 13 二、沼气发动机及余热利用 ......................................... 14

第四章 其它相关说明 ............................... 14 参考资料 .......................................... 16

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

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 设计概况说明

一、设计题目 厌氧接触消化池设计 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

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 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

1

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：

2

ab3nab3nab3CnHaObNd(nd)H2O(d)CH4dNH3(d)CO2能量42428682848

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

3

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<2500m3/d 中形≈5000 m3 /d大型>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

4

第二章 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n1/160.0625，n1/100.1。 一、消化池容积

一级消化池总容积:

V8128m3

0.0625采用 2 座一级消化池，则每座池子的有效容积为

V0V128m3，取 100m3 22消化池直径D采用6m（参见图9） 集气罩直径d1采用1.2m ； 池底下锥底直径d2采用1.2m； 集气罩高度h1采用1m； 上锥体高度h2采用1.2m； 消化池柱体高度h3应大于D3m，采用3.5m； 2下锥体高度h4采用0.5m； 则消化池总高度为 Hh1h2h3h46.2m 5

图9 消化池 消化池各部分容积的计算： 集气罩容积为 d214h3.141.22V11411.13m3 弓形部分容积为 V224h(3D24h2222)3.141.2(36241.2)17.87m324 圆柱部分容积为 D23.1462V34h343.598.96m3 下锥体部分容积为

V1hDDdd1244[(2)2222(22)2]33.140.5(330.60.62)5.84m33

则消化池的有效容积为

V0V3V498.965.84104.8m3

6

二级消化池总容积为

V0V'880m3 P0.1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

池盖表面积： 集气罩表面积为

F14d12d1h13.141.223.141.214.9m2 4池顶表面积为 F242(4h2D)3.14(41.226)9.24m2 4则池盖总表面积为 F1F215.742.414.14m2 池壁表面积为 F3Dh53.1462.241.5m2 （地面以上部分）

F4Dh63.1461.324.5m2 （地面以下部分）

池底表面积为 Dd2F5d()3.142.45(30.6)27.7m2

22三、消化池热工计算 a．提高新鲜污泥温度的耗热量 中温消化温度TD35℃ 新鲜污泥年平均温度为Ts20℃ 每座一级消化池投配的最大生污泥量为

V''1000.06256.25m3/d

7

则全年平均耗热量为

Q1V''6.25(TDTS)1000(3520)10004.54kW(3906.25kcal/h) 2424 b．消化池体的耗热量

消化池各部传热系数采用：

池盖 K0.81W/m2K[0.7kcal/(m2h℃)]

池壁在地面以上部分为 K0.7W/m2K[0.6kcal/(m2h℃)] 池壁在地面以下部分及池底为 K0.52W/m2K[0.45kcal/(m2h℃)] 池外介质为大气时，全年平均气温为TA18℃，冬季室外计算温度为TA8℃ 池外介质为土壤时，全年平均温度为TB18℃，冬季计算温度TB5℃ 池盖部分全年平均耗热量为

Q2FKTDTA1.214.140.735181.2234.8W(201.9kcal/h) 最大耗热量为

Q2max14.140.7(358)1.2373W(302.7kcal/h)

池壁在地面以上部分全年平均热量为：

Q3FKTDTA1.241.50.635181.2590.8W(508kcal/h) 最大耗热量为：

Q3max41.50.6(358)1.2938.3W(806.7kcal/h)

池壁在地面以下部分全年平均热量为：

Q4FKTDTA1.224.50.4535181.2261.6W(224.9kcal/h) 最大耗热量为：

Q4max24.50.453551.2461.6W(396.9kcal/h)

池底部分全部平均耗热量为：

Q5FKTDTB1.227.70.4535181.2295.7W(254.3kcal/h) 最大耗热量为：

Q5max27.70.45(355)1.2521.9W(448.7kcal/h)

8

每座消化池池体全年平均热量为：

Qx234.8590.8261.6295.71382.9W(11.1kcal/h)

最大耗热量为：

Qmax373938.3461.6521.92294.8W(1973.2kcal/h)

c.每年消化池总耗热量为

Q45401382.95922.9W(5092.8kcal/h)

最大耗热量为

Qmax45402294.86834.7W(5876.8kcal/h)

d.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 Qs180.17m3/h 242回流的消化污泥量为 QS20.1720.34m3/h 进入热交换器的总污泥量为 QSQS1QS20.170.340.51m3/h 生污泥与消化污泥混合后的温度为 TS12023530℃ 3内管管径选用142mm（GB13296-91）时，则污泥在内管中的流速为

v0.514 1.8m/s(符合要求）0.013600Qmax5876.83041.5oC

Qs10000.5110002T'sTs热交换器的入口热水温度采用Tw＝85oC

9

TwTw'采用10oC

则循环热水量为

QwQmax5876.80.59m3/h

(TwTw')1000101000外管管径选用252.5mm 核算内外管之间热水的流速为

v0.59(0.0220.0142)3600441.02m/s，符合要求 由于热水与污泥为逆流，故T1＝45，T2＝43.5

则 Tm＝T1T24543.544.2oC T45lnln143.5T22o热交换器的传热系数选用K697.8(W/m2k)600kcal/(mhC,则每座消化池

的套管式泥－水热交换器的总长度为 LQmax5876.81.21.23.4m

DKTm3.140.02560044.2设每根长1m ,则其根数为n4。 e.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 2池盖为 K0.81W/(m2K)0.7kcal/(mhC 2池壁在地上部分及池底为 K0.7W/(m2K)0.6kcal/(mhC 2池壁在地下部分及池底为 K0.52W/(m2K)0.45kcal/(mhC

池盖保温材料厚度m的计算

设消化池池盖混凝土结构厚度为G250mm

2混凝土导热系数G1.55W/(m2K)1.33kcal/(mhC

10

采用聚氨酯硬质泡沫塑料作为保温材料，导热系数B0.02kcal/(mhC)，则保温材料的厚度为

GB1KGGB1.330.250.70.025m25mm 1.330.02池壁在地面以上部分保温材料厚度B2的计算 设消化池池壁混凝土结构厚度为G400mm

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 GB2KGGB1.330.40.60.027m27mm 1.330.02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B1.163W/mK1.0kcal/mh℃ 设消化他池壁在地面以下的混凝土结构厚度为G400mm，则保温层厚度为

GB2KGGB1.330.40.451.96m1960mm

1.331.0池底以下土壤作为保温层，其最小厚度（b3）的计算 消化池池底混凝士结构厚度为G700mm, Gb3KGGB1.330.70.451.7m1700mm

1.331.0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25mm及27mm ，均按27mm计，乘以1.5 的修正系数，采用50mm。

11

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

消化池的混合搅拌采用多路曝气管式（气通式）沼气搅拌。 a．搅拌用气量

单位用气量采用6m3/(min1000m3池容），则用气量

q6100/10000.6m3/min0.01m3/s

b．曝气立管管径

曝气立管的流速采用10m/s，则所需立管的总面积为0.01/100.001m2。选用立管的规格为422.5mm时，每根断面A0.0011m2，所需立管的总数为 2根。

核算立管的实际流速为 v0.019.1m/s，符合要求。 0.0011五、沼气相关设备计算 a.沼气产量 每天产生的沼气量按10倍污泥量计算，则 V沼81080m3/d9.2610-4m3/s b.沼气管直径 沼气在管内流速取v5m/s 4V沼249.261042所以D0.0217m22mm

v3.145取272.5mm 4V沼249.261044.9m/s， 符合要求 则v22D3.140.022c.沼气压缩机

根据每天产沼气量，选取型号为ZK0.4/10，电机功率5.5kW。一用一备。 d.贮气柜

选取单级湿式贮气柜

12

贮气柜的体积V取平均日产气量的40%，即

VV沼40%8040%32m3 取平均直径D4m，则圆柱部分总高度 HV322.5m 220.785D0.7854六、污泥投配池及污泥泵 a.污泥投配池 设置两个。单个容积4m3。需要时可在来泥管处设筛网。 b.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WQ770.55KW。 第三章 沼气利用 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0.2m，相当60—100烛光。 （4）作汽车的燃料，每立方米沼气约相当于0.7L汽油。

13

3

（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

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—45kJ/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 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。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。

14

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、沼气出气管道坡度应顺气流方向以0.5%进行安装，低点应设凝结罐。应在沼气管道上的适当地点设水封罐。消化池的气室及气体管道均应保证在正压下运行。

9、在沼气管道、阀门及其他装置可能逸出沼气的地点，应装设可燃气体报警器。房间内应有足够的换气次数，一般为8—12次每小时，室内上下均应设置换气孔。所有电气、计量仪表、设备、房屋建筑均应该按有关规定采取防爆措施。

10、贮气柜内部必须进行防腐处理，外部应涂反射性色彩。浮动罩下部的水室，在冬季应有防冻措施。

11、阀门操作间需设置在消化池附近。沼气管线及其阀门应尽量减少穿过其它机械设备的情况。

12、沼气压缩机房宜单独设置．在压缩机进出气管上除装有闸阀外，还应装设水封罐以防止回火。

13、在消化池的中心或池壁处需设置温度计，同时还应测定消化他的液位以决定污泥的投入量和排除量，用吹气法测定液位较为准确．同时还应设置pH计和压力计等。

15

14、消化池、溢流管及排上清液工作间，招气搅拌加热间、贮气柜闸门间、沼气压缩机房、沼气发电机房、沼气管廊及闸门间等，按照生产的火灾危险性分类，属于甲类生产建筑．电气防爆登记为Q—2。厂房的耐火等级、防火间距、厂房的防爆建筑结构、消防给水、采暖通风以及电力设备的选型、电力线路的选择和保护等，均应严格按照相应的规范、规程和规定执行。

15、消化设施的排水管接入厂区下水道时，应设水封井。各个构筑物之伺的管沟及电气管道等，不应互相直接连通，需要加隔绝措施

16、在污泥泵间，不应敷设沼气管道。在配电间及仪表控制室护不应敷设沼气管道及污泥管等。溢流管及排上清液设施，有条件时应露天设置声当需要布置在室内时，宜单独设置。为安全起见，须在其排出管端增设水封。溢流管的排气管应通向室外。

17、经厌氧消化处理后的污泥，应进行脱水浓缩处理。

参考资料

1. 北京市市政工程设计研究院主编. 给水排水设计手册第5册-城镇排水. 北京：中国建筑工业出版社，2001 2. 韩洪军主编. 污水处理构筑物设计与计算. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2002

3. 锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管（GB 13296-1991）

4. 蒋建国编著. 固体废物处置与资源化. 北京：化学工业出版社，2007

16