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本科生畢業(yè)設計（論文）中期檢查表
設計（論文）題目
某啤酒廠啤酒廢水處理工藝設計
指導教師
姓名 單位：廣東工業(yè)大學環(huán)境學院
學生姓名
設計（論文）起始時間
20xx 年 3月 10 日
學生班級
）
教師填寫部分
論文（設計）進度情況：
提前完成
√ 正常進行
延期滯后（請寫出原因）
工作態(tài)度情況（學生對畢業(yè)論文（設計）的認真程度、紀律及出勤情況）：
√ 認真
較認真
一般
不認真
查閱文獻資料的能力：
強
√ 較強
一般
差
中期質(zhì)量評價（學生已完成部分的工作質(zhì)量情況）：
√ 好
中
差
畢業(yè)設計（論文）的內(nèi)容有無調(diào)整
有 √ 無
指導教師對學生的指導頻率
1 次/周
對能否按期完成畢業(yè)設計（論文）的評估
√ 能 否
學生與指導教師有關畢業(yè)設計（論文）的原始材料是否保存齊全
√ 是 否
其他:
存在問題及解決辦法:
文獻綜述比較全面，有較強的文獻查閱能力，能掌握啤酒廢水常用的處理技術和工藝流程。
工藝流程里有的東西有些多余，如第一個污水提升泵可以不用，污水直接從格柵進入調(diào)節(jié)池。
指導教師簽字： 2xxx 年 5月 6 日
基層教學單位（專業(yè)）審核意見：
同意
負責人簽字： 2xxx 年5月 12日
注：此表由指導教師組織填寫，與學生畢業(yè)設計（論文）一起裝訂,不夠填寫可附紙。
摘要
本設計為某啤酒廠啤酒廢水處理工藝設計。啤酒廢水水質(zhì)的主要特點是含有大量的有機物，屬高濃度有機廢水，故其生化需氧量也較大。該啤酒廢水處理廠的處理水量為5000 m3/d。原污水中各項指標為：BOD濃度為1200 mg/L,COD濃度為2000 mg/L，SS濃度為700 mg/L。因該廢水BOD值和COD值較大,不經(jīng)處理會對環(huán)境造成巨大污染，故要求處理后的排放水要嚴格達到國家二級排放標準,即：BOD≤20 mg/ L，COD≤100 mg/ L，SS≤70 mg/ L。
經(jīng)分析知該處理水質(zhì)屬易生物降解又無明顯毒性的廢水，可采用兩級生物處理以使出水達標。一級處理主要采用物理法，用來去除污水中的懸浮物質(zhì)和無機物。二級處理主要采用生物法,包括厭氧生物處理法中的UASB法和好氧生物處理法中的SBR法，可有效去除污水中的BOD、COD。本設計工藝流程為：
啤酒廢水 → 格柵 → 污水提升泵房 → 調(diào)節(jié)沉淀池 → UASB反應器→預曝氣沉淀池→ SBR池 →處理水（污泥）
整個工藝具有總投資少，處理效果好，工藝簡單，占地面積省，運行穩(wěn)定，能耗少的優(yōu)點。
關鍵詞：啤酒廢水處理，高濃度有機廢水，UASB法，SBR法
Abstract
This design is the brewery water treatment of a Beer Company. The main distinguishing feature of the brewery water is that it contains massive organic matters and it belongs to the high concentration organic wastewater, so its biochemical oxygen demand is also high. The water which needs to be treated in the beer wastewater is 5000 . The concentrations of BOD, COD and SS are 1200 mg/L, 2000mg/L and 700 mg/L, respectively. For the high value of BOD and COD for the brewery water, it can pollute the environment if it is discharged without disposal. So it is required to be strictly meet the secondary discharge standard of National Wastewater Discharge Standards which requests BOD≤20 mg/ L, COD≤100 mg/ L, SS≤70 mg/ L.
After the analysis, the brewery water can biodegrade easily and has no obvious toxicity, so we use two levels of biological treatment to treat the drained water meet the designated standard. The first level of processing mainly uses the physical methods, which remove the suspended matter and the inorganic substance in the wastewater. The second level of processing is the biological methods, contains UASB (Up flow anaerobic sluge blanket) of anaerobic oxygen biology methods and SBR (Sequencing Batch Reactor) of demand oxygen biology methods, which could reduce BOD and COD in the waste water. The technological process of this design is:
Beer wastewater → Screens →Swage lift pump house → Regulates sendimatation tank →Tank of UASB →pre-aeration sedimentation tank → Tank of SBR →Treatment water (sludge) .
The technology has many advantages such as low investment, high efficiency, simple process, less occupied area, steady running and energy saving.
Keyword: Brewery Water，High Concentration of Organic Wastewater，UASB Process，SBR Process
55
目 錄
1 前言 1
1.1 處理工藝 2
1.1.1 好氧生物處理 2
1.1.2 厭氧生物處理 4
1.1.3 組合工藝 6
1.2 設計資料 9
2 啤酒廢水處理工藝流程 10
2.1 工藝流程圖 10
2.2 工藝流程的說明 11
3 處理工藝構筑物設計 13
3.1 格柵 13
3.1.1 設計說明 13
3.1.2 設計計算 13
3.2 調(diào)節(jié)池的設計 15
3.2.1 設計說明 15
3.2.2 設計計算 15
3.3 污水泵設計計算 17
3.3.1 設計說明 17
3.3.2污水泵房 17
3.4 UASB的設計 17
3.4.1 設計說明 17
3.4.2 UASB反應器工藝構造設計計算 18
3.4.3產(chǎn)泥量的計算 23
3.4.4 沼氣管路系統(tǒng)設計計算 23
3.5 預曝氣沉淀池設計計算 26
3.5.1 設計說明 26
3.5.2 預曝氣沉淀池工藝構造計算 27
3.5.3 曝氣量計算 29
3.5.4 排泥 29
3.5.5 進水配水 29
3.6 SBR反應池設計計算 29
3.6.1 設計計算說明 29
3.6.2 SBR反應池容積計算 30
3.6.3 SBR反應池運行時間與水位控制 31
3.6.4 排泥量及排泥量系統(tǒng) 31
3.6.5 需氧量設計計算 32
3.7 鼓風機房設計 33
3.7.1 供風量 33
3.7.2 供風風壓 33
3.7.3 鼓風機的選擇 34
3.7.4 鼓風機房布置 34
3.8 污泥處理系統(tǒng) 35
3.8.1 產(chǎn)泥量 35
3.8.2 污泥處理方式 35
3.9 污泥濃縮池設計計算 35
3.9.1 設計說明 35
3.9.2 容積計算 36
3.9.3 工藝構造尺寸 36
3.10 污泥脫水系統(tǒng)設計 36
3.10.1 污泥貯柜 36
3.10.2 污泥脫水機房 37
4 污水處理站平面布置和高程布置 39
4.1 構筑物和建筑物主要設計參數(shù) 39
4.2 污水處理站平面布置 40
4.2.1.管線設計 40
4.3 污水處理站高程布置 42
4.3.1.布置原則 42
5 投資估算 43
5.1 估算范圍 43
5.2 編制依據(jù) 43
5.3 估算 43
5.3.1.材料價格 43
5.3.2.投資估算 43
5.3.3.運行費用 45
5.4 年估算運行成本 46
總 結 47
參考文獻 48
致 謝 50
1 前言
啤酒是當今風靡世界最流行的飲料之一，我國啤酒廠的噸酒耗水量較大，一般為 8 t～12 t，部分廠家可達 10 t～20 t，每生產(chǎn)1 t啤酒將產(chǎn)生廢液4 mL，而西方先進國家每產(chǎn)1 t啤酒廢水排放量約4 mL，廢水排放接近于耗水量的90％。啤酒以大麥芽為主要原料，加酒花，經(jīng)酵母發(fā)酵釀制啤酒，年產(chǎn)量15萬 t。其生產(chǎn)工藝流程見圖 1.1。
麥芽
糖化
過濾
麥汁煮沸
沉淀槽
大米
糊化
生產(chǎn)廢水
發(fā)酵
過濾
清酒
洗瓶罐裝
殺菌
外運
麥汁冷卻
圖1.1 啤酒生產(chǎn)工藝流程
啤酒廢水來自于啤酒生產(chǎn)各工序中的排放，主要污染物成分是糖類、醇類、氨基酸、果膠、啤酒花、維生素、蛋白等有機物及鉀、鈣、鎂的硅酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽等無機物。啤酒廢水具有有機物濃度高，具有水量大、懸浮物及有機物含量高、COD波動大、BOD/COD高等特點，其中BOD/COD值較高，屬于中等濃度有機廢水，直接排入水體，在自然降解的過程中使水中的微生物大量繁殖，從而消耗了自然水體中的溶解氧，造成水體缺氧，導致水質(zhì)發(fā)黑變臭，嚴重影響漁業(yè)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)及飲用水源，破壞人類的生存環(huán)境。另外，上述成分多來自啤酒生產(chǎn)原料，棄之不用不僅造成資源的巨大浪費，也降低了啤酒生產(chǎn)的原料利用率。如何既有效地處理啤酒廢水又充分利用其中的有用資源，已成為環(huán)境保護的一項重要研究內(nèi)容。
1.1 處理工藝
由于啤酒廢水的可生化性良好，國內(nèi)處理啤酒廢水多采用生化法。所以，處理啤酒廢水的方法多是采用好氧生物處理，也可先采用厭氧處理，降低污染負荷，再用好氧生物處理。目前國內(nèi)的啤酒廠工業(yè)廢水的污水處理工藝，都是以生物化學方法為中心的處理系統(tǒng)。隨著改革開放的發(fā)展，90年代初完整的厭氧技術也在國內(nèi)啤酒、飲料行業(yè)得到應用。這里所說完整的意義在于除厭氧生化技術外，沼氣通過自動化系統(tǒng)得到燃燒，這是厭氧系統(tǒng)安全運行和不產(chǎn)生二次污染的重要保證，這也是國內(nèi)外開發(fā)厭氧技術和設備應充分引起重視的問題。厭氧技術的引進與應用能耗節(jié)約70%以上。
1.1.1 好氧生物處理
好氧生物處理是在氧氣充足的條件下，利用好氧微生物的生命活動氧化啤酒廢水中的有機物，其產(chǎn)物是二氧化碳、水及能量(釋放于水中)?；钚晕勰喾?、生物膜法、深井曝氣法是較有代表性的好氧生物處理方法。
1.1.1.1 活性污泥法
活性污泥法是中、低濃度有機廢水處理中使用最多、運行最可靠的方法，具有投資省、處理效果好等優(yōu)點。該處理工藝的主要部分是曝氣池和沉淀池。廢水進入曝氣池后，與活性污泥混合，在人工充氧的條件下，活性污泥吸附并氧化分解廢水中的有機物，而污泥和水的分離則由沉淀池來完成。我國的珠江啤酒廠、煙臺啤酒廠、上海益民啤酒廠、武漢西湖啤酒廠、廣州啤酒廠和長春啤酒廠等廠家均采用此法。據(jù)報道，進水CODCr為1200 mg/L～1500 mg/L時，出水CODCr可降至50 mg/L～100 mg/L，去除率為92％～96％?；钚晕勰喾ㄌ幚砥【茝U水的缺點是動力消耗大，處理中常出現(xiàn)污泥膨脹。污泥膨脹的原因是啤酒廢水中碳水化合物含量過高，而N、P、Fe等營養(yǎng)物質(zhì)缺乏，各營養(yǎng)成分比例失調(diào)，導致微生物不能正常生長而死亡。解決的辦法是投加含N、P的化學藥劑，但這將使處理成本提高。而較為經(jīng)濟的方法是把生活污水(其中N、P濃度較大)和啤酒廢水混合。間歇式活性污泥法(SBR)通過間歇曝氣可以使動力耗費顯著降低，同時，廢水處理時間也短于普通活性污泥法。例如，珠江啤酒廠引進比利時SBR專利技術廢水處理時間僅需19～20h，比普通活性污泥法縮短10～1l h，CODCr的去除率也在 96％以上[1]。揚州啤酒廠和三明市大田啤酒廠采用SBR技術處理啤酒廢水，也收到了同樣的效果。劉永淞等認為[1]，SBR法對廢水的稀釋程度低，反應基質(zhì)濃度高，吸附和反應速率都較大，因而能在較短時間內(nèi)使污泥獲得再生。
1.1.1.2 深井曝氣法
為了提高曝氣過程中氧的利用率，節(jié)省能耗，加拿大安大略省的巴利啤酒廠[2]，我國的上海啤酒廠和北京五星啤酒廠均采用深井曝氣法(超深水曝氣)處理啤酒廢水。深井曝氣實際上是以地下深井作為曝氣池的活性污泥法，曝氣池由下降管及上升管組成。將廢水和污泥引入下降管，在井內(nèi)循環(huán)，空氣注入下降管或同時注入兩管中，混合液則由上升管排至固液分離裝置，即廢水循環(huán)是靠上升管和下降管的靜水壓力差進行的。其優(yōu)點是：占地面積少，效能高，對氧的利用率大，無惡臭產(chǎn)生等。據(jù)測定，當進水BOD濃度為2400 mg/L時，出水濃度可降為50 mg/L，去除率高達97.92％。當然，深井曝氣也有不足之處，如施工難度大，造價高，防滲漏技術不過關等。
1.1.1.3 生物膜法
生物膜法是在處理池內(nèi)加入軟性填料，利用同著生長于填料表面的微生物對廢水進行處理，不會出現(xiàn)污泥膨脹的問題。生物接觸氧化池和生物轉盤是這類方法的代表，在啤酒廢水治理中均被采用，主要是降低啤酒廢水中的 BOD。生物接觸氧化池是在微生物固著生長的同時，加以人工曝氣。這種方法可以得到很高的生物固體濃度和較高的有機負荷，因此處理效率高，占地面積也小于活性污泥法。國內(nèi)的淄博啤酒廠、青島啤酒廠、渤海啤酒廠和徐州釀酒總廠等廠家的廢水治理中采用了這種技術[3]。青島啤酒廠在二段生物接觸氧化之后輔以混凝氣浮處理，啤酒廢水中CODCr和BOD的去除率分別在80％和90％以上[4]。在此基礎上，山東省環(huán)科所改常壓曝氣為加壓曝氣(0.25～0．30MPa)，目的在于強化氧的傳質(zhì)，有效提高廢水中的溶解氧濃度，以滿足中、高濃度廢水中微生物和有機物氧化分解的需要。結果表明，當容積負荷 ≤13.33 kg·m-3, 停留時間為3～4 h時，COD和BOD平均去除率分別達到93.52％和99.03％。由于停留時間縮短為原來的1.3 h～1.4 h，運轉費用也較低。生物轉盤是較早用以處理啤酒廢水的方法。它主要由盤片、氧化槽、轉動軸和驅動裝置等部分組成，依靠盤片的轉動來實現(xiàn)廢水與盤上生物膜的接觸和充氧。該法運轉穩(wěn)定，動力消耗少，但低溫對運行影響大，在處理高濃度廢水時需增加轉盤組數(shù)。該方法在美國應用較為普及，國內(nèi)的杭州啤酒廠、上海華光啤酒廠和浙江慈溪啤酒廠也在使用。
1.1.2 厭氧生物處理
厭氧生物處理適用于高濃度有機廢水(CODCr >200 mg/L，BOD >1000 mg/L)。它是在無氧條件下靠厭氣細菌的作用分解有機物。在這一過程中，參加生物降解的有機基質(zhì)有50％～90％轉化為沼氣(甲烷 )，而發(fā)酵后的剩余物質(zhì)可作為優(yōu)質(zhì)肥料和飼料[5]。因此，啤酒廢水的厭氧生物處理受到社會越來越多的關注。厭氧生物處理包括多種方法，但以升流式厭氧污泥床(UASB)技術在啤酒廢水的治理方面最為成熟[6]。UASB的主要組成部分是反應器[7]，其底部為絮凝和沉淀性能良好的厭氧污泥構成的污泥床，上部設置了一個專用的氣-液-固分離系統(tǒng)(三相分離室)[8]。廢水從反應器底部加入，在向上流動穿過生物顆粒組成的污泥床時得到降解，同時生成沼氣(氣泡)、液、固(懸浮污泥顆粒 )一同升入三相分離室，氣體被收集在氣罩里，而污泥顆粒受重力作用下沉至反應器底部，水則經(jīng)出流堰排出。實踐證明[9]，UASB成功處理高濃度啤酒廢水的關鍵是培養(yǎng)出沉降性能良好的厭氧顆粒污泥。顆粒污泥的形成是厭氧細菌群不斷繁殖、積累的結果，較多的污泥負荷有利于細菌獲得充足的營養(yǎng)基質(zhì)，故對顆粒污泥的形成和發(fā)展具有決定性的促進作用[10]。適當高的水力負荷將產(chǎn)生污泥的水力篩選，淘汰沉降性能差的絮體污泥而留下沉降性能好的污泥，同時產(chǎn)生剪切力，使污泥不斷旋轉，有利于絲狀菌互相纏繞成球。此外，一定的進水堿度也是顆粒污泥形成的必要條件，因為厭氧生物的生長要求適當高的堿度，例如產(chǎn)甲烷細菌生長的最適宜pH為6.8～7.2。一定的堿度既能維持細菌生長所需的pH，又能保證足夠的平衡緩沖能力。由于啤酒廢水的堿度一般為500 mg/L～800 mg/L(以 CaCO3計)。堿度不足，所以需投加工業(yè)碳酸鈉或氧化鈣加以補充。研究表明[11]，在UASB啟動階段，保持進水堿度不低于l000 mg/L對于顆粒污泥的培養(yǎng)和反應器在高負荷下的良好運行十分必要。應該指出，啤酒廢水中的乙醇是一種有效的顆?；龠M劑，它為UASB的成功運行提供了十分有利的條件。總之，UASB具有效能高、處理費用低、電耗省、投資少占地面積小等一系列優(yōu)點，完全適用于高濃度啤酒廢水的治理。其不足之處是出水CODCr的濃度仍達500 mg/L左右，需進行再處理或與好氧處理串聯(lián)才能達標排放。
厭氧反應器主要有厭氧濾器(AF)、厭氧流化床反應器(AFBR)、上流式厭氧污泥床反應器(UASB)、膨脹顆粒污泥床反應器(EGSB)和內(nèi)循環(huán)厭氧反應器(IC)這幾種反應器形式。目前高濃度有機污水較多采用UASB、EGSB和IC反應器，(表1.1)是三種反應器的性能對比。
表1.1 不同厭氧反應器的比較[19]
項目
UASB
EGSB
IC
容積
8～10
20～50
20～50
液體上升流速（m/h）
0.5～1
4～6
4～8
處理效率
高
高
高
反應器進水流量
穩(wěn)定－可控
穩(wěn)定－可控
變動－不可控
耐負荷沖擊
強
強
最強
進水分布器堵塞
會
會
不會
沼氣處理
簡單，無需
沼氣緩沖器
簡單，無需
沼氣緩沖器
復雜，需要
沼氣緩沖罐
提升泵揚程要求
低
高
最高
建筑高度
＋/－7
＋/－13
＋/－20
占地面積
較大
小
較小
罐/池體材料
水泥
水泥/鋼結構
鋼結構，需要保溫
關鍵部位安裝
容易
容易
較復雜
運行費用
低
較低
較高
1.1.3 組合工藝
1.1.3.1 酸化—SBR法處理啤酒廢水
其主要處理設備是酸化柱和SBR反應器。這種方法在處理啤酒廢水時，在厭氧反應中，放棄反應時間長、控制條件要求高的甲烷發(fā)酵階段，將反應控制在酸化階段，這樣較之全過程的厭氧反應具有以下優(yōu)點：
(1) 所需水解池體積??；
(2) 構造簡，造價低，維護方便，易于放大；
(3) 產(chǎn)生污泥量少，有機物降解迅速；
(4) 去除率高。
1.1.3.2 新型接觸氧化法處理啤酒廢水
此方法處理過程為：廢水首先通過微濾機去除大部分懸浮物，出水進入調(diào)節(jié)池，然后經(jīng)提升泵打入VTBR反應器中進行生化處理，通過風機強制供風使廢水與填料接觸，維持生化反應的需氧量，VTBR反應器出水進入沉淀器，去除一部分脫落的生物膜以減輕氣浮設備的處理負荷，之后流入氣浮設備去除剩余的生物膜，污泥及浮渣送往污泥池濃縮后脫水。該處理工藝有以下主要特點：
（1） 投資少，處理穩(wěn)定，處理效果好；
（2） 生物活性高；
（3） 水深大，耗電大。
1.1.3.3 生物接觸氧化法處理啤酒廢水
該工藝采用水解酸化作為生物接觸氧化的預處理，水解酸化菌通過新陳代謝將水中的固體物質(zhì)水解為溶解性物質(zhì)，將大分子有機物降解為小分子有機物。水解酸化不僅能去除部分有機污染物，而且提高了廢水的可生化性，有益于后續(xù)的好氧生物接觸氧化處理。該工藝在處理方法、工藝組合及參數(shù)選擇上是比較合理的，充分利用各工序的優(yōu)勢將污染物質(zhì)轉化、去除。采用此工藝處理啤酒廢水時要遵循下列要求：
（1）. 采用水解酸化作為預處理工序時應考慮懸浮物去除措施；
（2）. 采用推流式生物接觸氧化池時，為避免前端有機物負荷過高可采用多點進水；
（3）. 應嚴格控制溶解氧濃度，供氧不足會造成生物膜大范圍脫落，導致運行失敗。
1.1.3.4 循環(huán)UASB反應器＋氧化溝工藝處理啤酒廢水
此工藝采用厭氧和好氧相串聯(lián)的方式，厭氧采用內(nèi)循環(huán)UASB技術，好氧處理用地有一處狹長形池塘，為了降低土建費用，因地制宜，采用氧化溝工藝。本處理工藝的關鍵設備是UASB反應器。該反應器是利用厭氧微生物降解廢水中的有機物，其主體分為配水系統(tǒng)、反應區(qū)、氣、液、固三相分離系統(tǒng)，沼氣收集系統(tǒng)四個部分。厭氧微生物對水質(zhì)的要求不象好氧微生物那么高，最佳pH為6.5－7.8，最佳溫度為35℃～40℃，而本工程的啤酒廢水水質(zhì)超出了這個范圍。這就要求廢水進入UASB反應器之前必需進行酸度和溫度的調(diào)節(jié)。這無形中增加了電器、儀表專業(yè)的設備投資和設計難度。內(nèi)循環(huán)UASB技術是在普通UASB技術的基礎上增加一套內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，它包括回流水池及回流水泵。UASB反應器的出水水質(zhì)一般都比較穩(wěn)定，在回流系統(tǒng)的作用下重新回到配水系統(tǒng)。這樣一來能提高UASB反應器對進水水溫、pH值和COD濃度的適應能力，只需在UASB反應器進水前對其pH和溫度做一粗調(diào)即可。UASB反應器采用環(huán)狀穿孔管配水，通過三相分離器出水，并在三相分離器的上方增加側向流絮凝反應沉淀器，它由玻璃鋼板成60°安裝而成，能在最大程度上截留三相分離出水中的顆粒污泥。此處理工藝主要有以下特點：
（1）. 實踐證明，采用內(nèi)循環(huán)UASB反應器＋氧化溝工藝處理啤酒廢水是可行的，其運行結果表明CODCr總去除率高達95％以上。
（2）. 由于采用的是內(nèi)循環(huán)UASB反應器和氧化溝工藝串聯(lián)組合的方式，可根據(jù)啤酒生產(chǎn)的季節(jié)性、水質(zhì)和水量的情況調(diào)整UASB反應器或氧化溝處理運行組合，以便進一步降低運行費用。
1.1.3.5 UASB+SBR法處理啤酒廢水
本處理工藝主要包括UASB反應器和SBR反應器。將UASB和SBR兩種處理單元進行組合，所形成的處理工藝突出了各自處理單元的優(yōu)點，使處理流程簡潔，節(jié)省了運行費用，而把UASB作為整個廢水達標排放的一個預處理單元，在降低廢水濃度的同時，可回收所產(chǎn)沼氣作為能源利用。同時，由于大幅度減少了進入好氧處理階段的有機物量，因此降低了好氧處理階段的曝氣能耗和剩余污泥產(chǎn)量，從而使整個廢水處理過程的費用大幅度減少。采用該工藝既降低處理成本，又能產(chǎn)生經(jīng)濟效益。并且UASB池正常運行后，每天產(chǎn)生大量的沼氣，將其回收作為熱風爐的燃料，可供飼料烘干使用。UASB去除COD達7500 kg/d，以沼氣產(chǎn)率為0.5 m3/kg COD計算，UASB產(chǎn)氣量為3500 m3/d(甲烷含量為55%～65%)。沼氣的熱值約為22680 kJ/m3，煤的熱值為21000 kJ/t計算，則1 m3沼氣的熱值相當于1 kg原煤，這樣可節(jié)煤約4 t/d左右，年收益約為39.6 萬元。UASB+SBR法處理工藝與水解酸化+SBR處理工藝相比有以下優(yōu)點：
（1）. 節(jié)約廢水處理費用。UASB取代原水解酸化池作為整個廢水達標排放的一個預處理單元，削減了全部進水COD的85%，從而降低后續(xù)SBR池的處理負荷，使SBR池在廢水處理量增加的情況下，運行周期同樣為12 h，廢水也能達標排放。也就是說，耗電量并沒有隨廢水處理量的增加而增加。同原工藝相比較，每天實際節(jié)約1500 m3～2500 m3廢水的處理費用，節(jié)約能耗約21.4 萬元/a；
（2）. 節(jié)約污泥處理費用。廢水經(jīng)過UASB處理后，75%的有機物被去除，使SBR處理負荷大大降低，產(chǎn)泥量相應減少。水解酸化+SBR處理工藝工藝計算，產(chǎn)泥量達17 t/d(產(chǎn)泥率為0.3 kg污泥/ kgCOD，污泥含水率為80%)，UASB+SBR法處理工藝產(chǎn)泥量只有5 t/d(含水率為80%)左右，只有水解酸化+SBR處理工藝的1/3，污泥處理費用大大減少，節(jié)約污泥處理費用約為20 元/t。
1.2 設計資料
設計處理能力為日處理啤酒廢水5000 m3/d，最大時廢水約380 m3/h。
原水水質(zhì)指標及處理后水質(zhì)要求如下表1.2：
表1.2 水質(zhì)要求
PH
BOD(mg/L)
COD(mg/L)
SS(mg/L)
進水水質(zhì)
5-10
1200
2000
700
出水水質(zhì)
6-9
20
100
70
2 啤酒廢水處理工藝流程
根據(jù)綜述中對處理工藝的比較，厭氧－好氧聯(lián)合工藝是較佳的技術手段，該工藝投資小，運行成本低，單位面積的污水處理能力高，污泥產(chǎn)量大大減少，適于難生物降解的污水處理，是一種經(jīng)濟實用、高質(zhì)高效的啤酒廢水處理技術。
本設計選取將UASB和SBR兩種處理單元進行組合，使處理流程簡潔，節(jié)省運行費用。而把UASB作為整個廢水達標排放的一個預處理單元，它具有良好的耐沖擊性，可去除85％以上的COD，并在降低廢水濃度的同時，可回收所產(chǎn)沼氣作為能源利用。同時，由于大幅度減少了進入好氧階段的有機物量，因此降低了SBR好氧階段的曝氣能耗和剩余污泥產(chǎn)量，從而使整個廢水處理過程的費用大幅度減少。USAB＋SBR工藝，處理效率高，并具有脫氮除磷的功能。
2.1 工藝流程圖
該啤酒廠生產(chǎn)廢水處理工藝流程如圖2.1所示：
格柵
污水提升泵
調(diào)節(jié)池
預曝氣沉淀池池
UASB
反應器
SBR
濃縮池
脫水間
鼓風機
水封罐
沼氣柜
泥餅
外運
原污水
沼氣
出水
圖2.1 啤酒廢水處理工藝流程圖
2.2 工藝流程的說明
廢水通過格柵截留大顆粒有機物和漂浮物，由于截污量較小，采用人工清渣方式。
污水提升泵，污水泵設置地面上露天放置（考慮環(huán)境氣溫不低于－3 ℃），污水泵配套引水筒。
調(diào)節(jié)沉淀池在調(diào)節(jié)水量同時，去除一部分格柵無法截留的懸浮顆粒有機物，該池采用半地下式結構，便于沉淀物的排除。
UASB為主要的生化處理裝置，全鋼結構，地上式，考慮保溫。沼氣部分，設計水封罐、氣水分離器。
預曝氣沉淀池，要改變厭氧出水的溶解氧含量，沉淀去除UASB出水帶來的懸浮污泥。該池為地上式，鋼筋混凝土結構。
SBR池為半地下式，鋼筋混凝土結構，運行中采用自動控制。處理出水排入市政污水管。
啤酒廢水各級處理效果如下[18，21，22]：調(diào)節(jié)沉淀池進水CODCr2000 mg/L，BOD51200 mg/L，SS700 mg/L，去除率分別為CODCr 25％、BOD510％、SS 40％，出水水質(zhì)分別為1500 mg/L、1080 mg/L、420 mg/L。UASB的去除率分別為CODCr 87.5％、BOD5 90.0％、SS 70.0％，出水水質(zhì)分別為187.5 mg/L、108 mg/L、126 mg/L。預曝氣沉淀池去除率為CODCr 20.0％、BOD510.0％、SS 40.0％，出水水質(zhì)分別為150 mg/L、97.2 mg/L、75.6 mg/L。SBR的出水水質(zhì)為60 mg/L、20 mg/L、60 mg/L，去除率分別為CODCr 60％、BOD5 79.4％、SS 20.6％。
3 處理工藝構筑物設計
3.1 格柵
3.1.1 設計說明
格柵主要是攔截廢水中較大顆粒和漂浮物，如破布，瓶子，菜葉，麥末等，防止由于堵塞或反應池容積的減少而使得系統(tǒng)完全失效，對水泵起保護的作用，以確保后續(xù)處理的順利進行。
該廠處理的是生產(chǎn)廢水，盡管SS含量不低，但較大漂浮物及較大顆粒少，格柵攔截的污染物不多，故選用人工清渣方式。
設計流量：平日流量 Qd＝5000 m3/d＝208 m3/h=0.058 m3/s
最大日流量 Qmax=Kz Qd=1.83×208＝380.64 m3/h＝0.1057 m3/s
設計參數(shù)：柵條間隙e＝0.02 m，過柵流速v=0.6 m/s,
柵前水深h＝0.4 m，安裝傾角δ＝60°。
3.1.2 設計計算
1、柵條的間隙數(shù)
n＝＝＝21條 （3.1）
2、柵槽寬度
設計采用φ10圓鋼的柵條，即S＝0.01 m.
B=S(n-1)+en=0.01(21-1)+0.02×21＝0.62 m （3.2）
3、進水渠道漸寬部分的長度
設計水渠寬B1=0.52 m，其漸寬部分展開角α＝20°。
L1=＝＝0.14 m （3.3）
4、柵槽與出水渠道連接處的漸窄部分長度
L2＝L1/2＝0.14/2＝0.07 m
5、過柵水力損失
h1=β4/3sinα.×k＝1.79×（0.01/0.02）4/3××sin60°×3＝0.034 m （3.4）
取h1＝50 mm=0.05 m
6、柵后槽總高度
設柵前渠超高h2=0.3 m
H＝h+h1+h2=0.4+0.034+0.3=0.75 m （3.5）
7、柵槽總高度
L=L1+L2+0.5+1.0+＝0.14＋0.07＋0.5＋1.0＋＝2.11 m （3.6）
8、每日柵渣量
在e＝20 mm時，設柵渣量為每1000m3污水產(chǎn)0.05 m3渣[23，24]
W＝＝＝0.25 m3/d （3.7）
采用人工格柵。格柵計算示意圖如下圖3.1：
圖3.1 格柵計算示意圖
3.2 調(diào)節(jié)池的設計
3.2.1 設計說明
根據(jù)生產(chǎn)廢水排放規(guī)律，后續(xù)處理構筑物對水質(zhì)水量穩(wěn)定性的要求，調(diào)節(jié)池停留時間取8.0 h。調(diào)節(jié)池采用半地下式，便于利用一次提升的水頭，并便于污泥重力排入集泥井，并有一定的保溫作用，由于調(diào)節(jié)池內(nèi)不安裝工藝設備或管道，考慮土建結構可靠性高時，故障少，只設一個調(diào)節(jié)池。
3.2.2 設計計算
調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)周期T＝8.0 h
調(diào)節(jié)池有效容積V＝TQd＝8.0×208＝1664 m3
調(diào)節(jié)池有效水深h＝4 m
調(diào)節(jié)池規(guī)格2 m×8 m×16 m×4 m，V有＝1024 m3
調(diào)節(jié)池設污泥斗四個，每斗上口面積8 m×8 m，下口面積1 m×1 m，泥斗高3.5 m。
每個泥斗面積
Vi=h/3(S1+S2+)=3.5/3(82+12+)=85 m2 （3.8）
泥斗容積共V=4Vi=340 m3
調(diào)節(jié)池每日沉淀污泥重為
W＝300×40％×5000＝0.6 t （3.9）
濕污泥體積約為V’=0.6/2.5%=24 m3(設污泥密度為1 t/m3)
泥斗可存約三天污泥。
調(diào)節(jié)池最高水位設置為＋3.00 m，超高為0.50 m，頂標高為3.50 m。最低水位－0.50 m，池底標高－3.20 m。調(diào)節(jié)池出水端設吸水段。
調(diào)節(jié)池設計計算見圖3.2。
圖3.2 調(diào)節(jié)池工藝計算圖
3.3 污水泵設計計算
3.3.1 設計說明
污水泵從集水井中吸水壓至調(diào)節(jié)池，污水泵設置于地面上，不能自灌，設置引水筒。
污水泵總提升能力按Qmax考慮，即Qmax＝380.64 m3/h，選五臺泵，則每臺流量為76.13 m3/h。
選100WQ90-19-7.5污水泵五臺[25]，另備用一臺，單泵提升能力90 m3/h，揚程19 m，轉速1450 r.min-1，電動機功率7.5 kw，占地尺寸1100 mm×500 mm。
3.3.2污水泵房
污水泵單臺占地L1297 mm×B596 mm，高H530 mm。
污水泵房地下一層，深1.4 m，平面面積（4.5×6.8）m2，設積水坑300 mm×500 mm×500 mm一個，地面排水由污水泵吸水管預留管排出。
污水泵房地上一層，高3.6 m，平面面積為（8.4×9.0）m2，設手動葫蘆及單軌小車。
污水泵設就地控制柜一組，設流量計于控制柜，并遠程傳至中控室。
3.4 UASB的設計
3.4.1 設計說明
UASB反應器是由荷蘭赫寧根農(nóng)業(yè)大學的G.Lettinga等人在20世紀70年代研制的。80年代以后，我國開始研制UASB在工業(yè)廢水處理中的應用，90年代該工藝在處理工程中被廣泛采用[20]。
本工程所處理啤酒生產(chǎn)廢水，屬高濃度有機廢水，生物降解性好，USAB反應器作為處理工藝的主體，停留時間為7.0 h，擬按下列參數(shù)設計。
設計流量 5000 m3/d，即208 m3/h
進水濃度 CODCr 2000 mg/L,CODCr去除率 E＝87.5％；
容積負荷 Nv＝8 kgCOD/( m3.d)(按常溫23℃)；[27，28]
產(chǎn)氣率 r＝0.4 m3/kgCOD
污泥產(chǎn)率 X＝0.1 kg/kgCOD
3.4.2 UASB反應器工藝構造設計計算
1、 UASB總容積計算
UASB總容積 V＝ （3.11）
式（3.11）中 Q——設計處理流量，m3/d；
Sr——去除的有機污雜物濃度，kg/m3；
Nv——容積負荷，kgCOD/( m3.d)。
則 V＝＝820（m3）
選用6個池子，每個池子的體積為 Vi＝V/6＝820/6＝137（m3）
假定UASB體積有效系數(shù)90％，則每池的需容積為 Vi＝152 m3
若選用直徑φ5000 mm的反應器6個，則容器水力負荷約為0.4 m3/( m2.h),基本符合要求[25]。
2、工藝構造設計 UASB的重要構造是指反應器內(nèi)三相分離器的構造，三相分離器的設計直接影響氣、液、固三相在反應器內(nèi)的分離效果和反應器的處理效果。對污泥床的正常運行和獲得良好的出水水質(zhì)起十分重要的作用，根據(jù)已有的研究和工程經(jīng)驗，三相分離器應滿足以下幾點要求[28]。
①混合液進入沉淀區(qū)之前，必須將其中的氣泡予以脫出，以防氣泡進入沉淀影響沉淀。
②沉淀區(qū)的表面水力負荷應在0.7 m3/(m2.h)以下，進入沉淀區(qū)前，通過沉淀槽底縫隙的流速不大于2.0 m/h。
③沉降斜板傾角不應小于50°，使污泥不在斜板積聚，盡快回落入反應區(qū)內(nèi)。
④出水堰前設置擋板，以防止上浮污泥流失；某些情況下，應設置浮雜清除裝置。
三相分離器設計須確定三相分離區(qū)數(shù)量，大小斜板尺寸、傾角和相互間關系。
小斜板（反射錐）臨界長度計算。[21，24]
反射錐臨界長度計算公式為
AO’＝〔（q/L·N·Up）＋r〕 （3.12）
式（3.12）中 q——通過縫隙的流量，m3/h；
L——回流縫隙長度，m；
N——縫隙條數(shù)；
Up——氣泡的上升速度，m/s；
r——上斜板到器壁的距離，m；
β——下斜板與器壁的夾角。
且其中Up由斯托克斯公式計算：
Up＝（ρ1－ρ2）dg2 （3.13）
式（3.13）中 Up——氣泡自由上升速度，cm/s；
B——氣泡碰撞系數(shù)；
g——重力加速度，980cm/s2；
ρ1——液體密度，g/cm3；
ρg——氣體密度，g/cm3；
μ——液體動力粘度，g/(cm.s)；
dg——氣體直徑，cm。
且 μ＝γ. ρ1 （3.14）
式（3.14）中 γ——液體的運動粘滯系數(shù)，cm2/s；
設水溫為25℃，氣泡直徑dg為0.02 cm，廢水ρ1為1.02 g/cm3，氣體ρg為1.15×10－3 g/cm3,β取0.95，凈水γ＝0.0089 cm2/s，則凈水動力粘度為
μ’＝ γ. ρ1＝0.0089×1.02＝0.00908（g/cm.s）
因處理對象為廢水，μ比凈水的μ大，其值取為凈水的2.5倍，則廢水動力粘度為μ＝μ’×2.5＝0.0227 g/（cm.s）,氣泡在靜止水中上升速度為
Up＝×（1.02－1.15×10－3）×0.022
=0.93(cm/s)＝0.93×10－2（m/s）
單池處理水量為 q＝×＝0.96×10－2（m3/s）
設計回流縫隙數(shù)量n＝1，寬度r＝0.6 m，下傾板傾角α＝54°,即β＝36°，計算出回流縫長度 L＝（3.5－0.2－0.3）×2×π＝18.85（m）
計算回流縫后，進一步計算下斜板臨界長度
AO’＝〔（0.96×10－2/18.85×1×0.93×10－2）＋0.6〕
＝1.232（m） （3.15）
取小斜板長度L?。?.2 m，AO’＝1.3 m，其水平L小水平＝0.94 m，垂直L小垂直＝1.29 m，三相分離器設計如下圖3.3所示。
圖3.3 三相分離器工藝計算圖
圖中D1＝1.0 m，D2＝2.8 m，D3＝3.8 m，α1＝53.1°，α2＝54.3°
大集氣罩的收氣面積占總面積的比例為
A3/A＝＝52％ 符合要求
沉淀區(qū)面積S＝π（5－0.6）2－π×1.02＝14.5（m2） （3.16）
回流縫的過水流速為：v＝＝3.17（m/h） 符合要求。
UASB設計結果：D＝5.0 m，H＝8.0 m，其中超高H1＝0.3 m，三相分離器高度H2＝2.5 m，反應區(qū)高H3＝4.5 m，反應器底污泥區(qū)高H4＝0.7 m。集氣罩頂直徑D1＝1.0 m，大斜板長L大＝2.83 m，傾角α2＝54.3°，小斜板長L?。?.0,傾角α1＝53.1°
3、脫氣條件校核 如果水是靜止的，則沼氣將以Up＝0.9～1.0 cm/s的流速上升，可以進入氣室中。但由于在三相分離器中，水是變相流動，因此沼氣氣泡不僅獲得了水的加速，而且運動發(fā)生了方向改變。氣泡進入氣室，必須保證滿足以下公式要求
Up/v>L2/L1 （3.17）
式（3.17）中 Up——氣泡垂直上升速度；
v——氣泡實際縫隙流速；
L2——回流縫垂直長度；
L1——小斜板與大斜板重疊長度。
根據(jù)三相分離器設計結果，得
Up/v＝＝10.56
L2/L1=(0.6×tan53.1°)/〔(5.2-4.6)××tan53.1°〕＝2.0
可見Up/v>L2/L1,滿足脫氣條件要求。
3.4.3產(chǎn)泥量的計算
產(chǎn)泥系數(shù) r＝0.15 kg干泥/（kgCOD.d）
設計流量 Q＝208 m3/h
進水COD濃度 S0＝1500 mg/L
CODCr去除率 E＝87.5％
則UASB反應器總產(chǎn)泥量為
△X＝rQSr＝rQS0E＝0.15×5000×6×0.875
＝3937.5 kg（干）/d＝164.1 kg（干）/h （3.18）
每池產(chǎn)泥
△Xi＝△X/6＝656.3 kg（干）/d
設污泥含水量為98％，因含水率P>95％，取ρ＝1000 kg/m，則污泥產(chǎn)量為 Qs＝＝196.87（m3/d） （3.19）
每池排泥量
Qsi＝196.87/6＝32.8（m3/d）
3.4.4 沼氣管路系統(tǒng)設計計算
1、產(chǎn)氣量計算
設計流量 Q＝208 m3/h
進水CODCr S0＝1500 mg/L
COD去除率 E＝0.4 m3氣/kgCOD
則總產(chǎn)量為
G＝eQSr＝eQS0E＝208×1.5×0.4＝124.8（m3/h） （3.20）
每個UASB反應器產(chǎn)氣量
Gi＝G/6＝20.8 m3/h
2、沼氣集氣系統(tǒng)布置 由于有機負荷較高，產(chǎn)氣量大，每三臺反應器設置一個水封罐，水封罐出來的沼氣分別進入氣水分離器，氣水分離器設置一套兩級，共兩個，從分離器出來去沼氣貯柜。
集氣室沼氣出氣管最小直徑為DN100，且盡量設置不短于300 mm的立管出氣，若采用橫管出氣，其長度不宜大于150 mm。每個集氣室設置獨立出氣管至水封罐。
3、水封罐的設計計算 見圖3.4
圖3.4 水封罐計算圖
水封罐一般設于消化反應器和沼氣柜或壓縮機房之間，起到調(diào)整和穩(wěn)定壓力，兼作隔絕和排除冷凝水之用。
UASB反應中大集氣罩中出氣氣體壓力為p1＝1.0 mH2O（1 mH2O＝9800Pa）,小集氣罩中出氣體壓力為p2＝2.5 mH2O，則兩者氣壓差為
△p＝p2-p1＝1.5（mH2O） （3.21）
故水封罐中該兩收氣管的水封深度差為1.5 mH2O。沼氣柜壓力p≤400 mmH2O,取為0.4 mH2O，則在忽略沼氣管路壓力損失（這種計算所得結果最為安全），水封罐所需最大水封為
H0＝p2－p＝2.5－0.4＝2.1(mH2O) （3.22）
取水封罐總高度為H＝2.5 m。
水封罐直徑1800 mm，設進氣管DN100鋼管四根，出氣管DN150鋼一根，進水管DN52鋼管一根，放空管DN50鋼管一根，并設液面計。
4、氣水分離器 氣水分離器起到對沼氣干燥作用，選用φ500 mm×H1800 mm[25]，鋼制氣分離器兩個，串聯(lián)使用。氣水分離器中預裝鋼絲填料，在各級氣水分離器前設置過濾器以凈化沼氣，在分離器的出氣管上裝設流量計、壓力表及溫度計。
5、沼氣柜容積確定 由上述計算可知該處理日產(chǎn)沼氣2300 m3，則沼氣柜容積應為平均時產(chǎn)氣量的3 h體積確定，即
3×＝287.5（m3）
設計選用500 m3鋼板水槽內(nèi)導軌濕式貯氣柜[26]。
§ 3.4.5.檢修
（1）入孔 為便于檢修，各UASB反應器在距地坪1.0 m處設φ800 mm入孔一個。
（2）通風 為防止部分容重過大的沼氣在UASB反應器內(nèi)聚集，影響檢修和發(fā)生危險，檢修時可向UASB反應器中通入壓縮空氣，因此在UASB反應器一側預埋縮空氣管（由鼓風機房引來）。
（3）采光 為保證檢修的采光，除采用臨時燈光處，還可移走UASB反應器的活動頂蓋，或不設UASB頂蓋。
§ 3.4.6.給排水 在UASB反應器布置區(qū)設置一根DN40供水管供補水、沖洗及排空中使用。
§ 3.4.7.通行 在UASB反應器頂面之下1.1 m之處設置鋼架、鋼板行走平臺，并連接上臺鋼梯。
§ 3.4.8.安全要求
（1）UASB反應器的所有電器設施，包括泵、閥、燈等一律采用防爆設備；
（2）禁止明火火種進入該布置區(qū)域，動火操作應遠離該區(qū)及沼氣柜；
（3）保持該區(qū)域良好通風。
3.5 預曝氣沉淀池設計計算
3.5.1 設計說明
污水經(jīng)UASB反應器厭氧處理后，污水中含一部分且有厭氧活性的絮狀顆粒，在UASB反應器中難以沉淀去除，故而使其在此曝氣沉淀池中去除，由于經(jīng)曝氣作用，厭氧活性遺失，沉淀效果增強，同時在該沉淀池中沒有沼氣氣流影響，故而沉淀效果亦增強，另外，UASB出水中溶解氧含量幾乎為零，若直接進入好氧處理構筑物，會使曝氣池中好氧污泥難以適應，影響好氧處理效果，通過預曝氣亦可以吹脫去除一部分UASB反應器出水中所含帶的氣體。
預曝氣沉淀池參考曝氣沉砂池和豎流沉淀池設計。曝氣利用穿孔管進行，壓縮空氣引自鼓風機房，曝氣后污水從檔墻下進入沉淀池，沉淀后污水經(jīng)池周出水。所產(chǎn)生污泥由重力自排入集泥井，每天排泥一次。
3.5.2 預曝氣沉淀池工藝構造計算
進水水質(zhì)CODCr187.5 mg/L，BOD5108 mg/L，SS126 mg/L。
出水水質(zhì)CODCr150 mg/L,BOD597.2 mg/L，SS75.6 mg/L。
預曝氣沉淀池，曝氣時間10～15 min，沉淀時間1 h，沉淀池表面負荷0.7～1.0 m3/(m2.h)。曝氣量為0.4 m3/m3污水。
1、有效容積計算
曝氣區(qū) V1＝×0.25＝52.1（m3） (3.23)
沉淀區(qū) V2＝×1.0＝208.3（m3）
2、工藝構造設計計算 預曝氣沉淀池工藝構造如下圖3.5和圖3.6。
圖3.5 預曝氣沉淀池平面圖 圖3.6 預曝氣沉淀池立面圖
曝氣區(qū)平面尺寸2 m×6.5 m×2.0 m，池高3.5 m，其中超高0.5 m，水深3.0 m，總容積為78 m3。曝氣區(qū)設進水配槽，尺寸為2 m×6.5 m×0.3 m×0.8 m（含超高）。
沉淀區(qū)平面尺寸2 m×6.5 m×6.5 m，池總高6.0 m，其中沉淀有效水深2.0 m，沉淀區(qū)總容積169.0 m3，沉淀池負荷為0.74 m3/(m2.h)。
沉淀池總深度H為
H＝H1＋H2＋H3＋H4＋H5 (3.24)
式（3.24）中 H1——超高，取H1＝0.4 m；
H2——沉淀區(qū)高度，H2＝2.0 m；
H3——隙高度，取H3＝0.2 m；
H4——緩沖層高度，取H4＝0.4 m；
H5——污泥區(qū)高度，H5＝3.0 m。
即沉淀池總深H＝6.0 m。
沉淀池污泥斗容積為
Vi＝
＝)＝47.3（m3） (3.25)
總容積V＝2Vi＝94.6 m3
3、沉淀污泥量計算 預曝氣沉淀池污泥主要因懸浮物沉淀產(chǎn)生，不考慮微生物代謝造成的污泥增量。
進水SS126 mg/L，出水75.6 mg/L，則所產(chǎn)生污泥量為：
Qs＝5000×（126-75.6）×10－3＝252 kg（干）/d (3.26)
污泥容重為1000 kg/m3，含水率為99％，其污泥體積為
V＝＝25.2（m3） （3.27）
每日污泥流量為25.2 m3/d。
3.5.3 曝氣量計算
設計流量為208 m3/h，曝氣量為0.4 m3/m3污水。則供氣量為1