UASB三相分离器结构设计方法

UASB三相分离器结构设计方法

升流式厌氧污泥床（Upflow Anaerobic Sludge Bed，UASB）是荷兰Lettinga教授等人在1970年代开发的厌氧生物反应工艺，现已被广泛应用于有机物浓度高的市政污水、工业废水处理中。但是在很多项目中，UASB的气、固、液三相分离效果差，导致污泥流失、出水水质难以保证，究其原因是三相分离器没有进行详细的设计计算。本文分享UASB三相分离器结构设计计算方法，供水处理人士参考。

一、UASB结构

 

如上图所示，UASB内需要设置上集气罩和下集气罩，二者配合完成三相分离。上集气罩和下集气罩均有多个，截面为三角形。上集气罩三角形和两个下集气罩三角形的一半构成一个三相分离单元。

二、三相分离器设计计算

建议UASB的表面负荷<0.8 m?/(㎡·h），三相分离器集气罩(气室)顶以上复盖的水深0.5~1.0m。集气罩斜面的坡度建议采用55°~60°。沉淀区斜面的高建议采用0.5~1.0m，沉淀区的总水深建议>1.5m，如能保证这些条件，即可实现良好的三相分离效果。

每一个三相分离单元的结构尺寸关系如下图所示。

 

我们以处理量为Q = 3000 m?/d的UASB反应器为例，反应器长L=20 m、宽B=10 m。 

计算反应器的表面负荷为3000÷(24×20×10)=0.625 m?/(㎡·h），满足要求。

取上下三角形集气罩的水平倾角为θ=55°，下三角形集气罩高h₂=1.0 m，则按下式计算下三角形的一半宽度为0.70 m。

 

取单元三相分离器宽度b=2.5 m，则下三角形集气罩之间的回流缝宽度为b₂=2.5-0.7×2=1.1 m。按下式计算下三角形集气罩之间的回流缝的面积S1=88 ㎡。

为保证良好的泥水分离效果和污泥顺利回流，上三角形集气罩与下三角形集气罩斜面之间的流速、下三角形集气罩之间的回流缝流速均应小于2 m/h，按下式计算下三角形集气罩之间的回流缝流速为v₁=1.42 m/h，小于2 m/h，设计合理。

取上三角形集气罩与下三角形集气罩斜面之间回流缝的宽度b₃=0.50 m，按下式计算上三角形集气罩与下三角形集气罩斜面之间回流缝的总面积为S₂=80 m²。

 

再按下式计算下三角形集气罩之间的回流缝流速为v₂=1.56 m/h，小于2 m/h，设计合理。

由上图可知，h₅=b₃/sin(90-θ)°=0.87 m，取b₄ = 0.4 m，上集气罩的位置即可确定，再按下式计算上集气罩高度为h₃=1.11 m。

确定三相分离器的基本尺寸后，还应校核沼气分离效果是否满足要求。设沼气气泡的直径d=0.05 mm=0.008 cm，废水的动力粘滞系数取v=0.02 g/(cm·s)、水密度ρw=1 g/cm?，沼气的密度ρg=0.0012 g/cm?，碰撞系数β=0.95。按下式计算气泡的上升速度vB=0.165 cm/s =5.96 m/h。水在上升流动过程中，先经过下集气罩下沿的回流缝，而后分开两侧进入上集气罩与下集气罩之间的回流缝，这是一个复杂的流动过程，要保证气水有效分离，需要满足的条件是vB/v2＞h5/b4，本案例中，vB/v2=5.96/1.56 =3.82，h5/b4=0.87/0.4=2.18，满足设计条件，证明三相分离器可以分离直径≥0.008 cm的沼气气泡。继续缩小气泡直径，反复计算，气泡直径达到约0.006 cm时，vB/v2＜h5/b4，这表示该三相分离器可以分离直径≥0.006 cm的沼气气泡。

总结

UASB的三相分离器有很多关键的结构尺寸参数，合理计算这些参数才能保证良好的气、固、液三相分离效果，从而使污泥浓度稳定，出水水质优良。