某啤酒厂废水处理厂工艺设计 57页

某啤酒厂污水处理厂工艺设计摘要本文根据前人的研究成果综述了啤酒废水的处理和利用现状，有针对性的对啤酒废水自身的特性，通过对酸化――SBR处理啤酒废水，UASB＋SBR法处理啤酒废水，新型接触氧化法处理啤酒废水，生物接触氧化法处理啤酒废水，上流式厌氧污泥床（UASB）等处理啤酒废水的几种处理方法的详细分析，确定最佳方案即用UASB。UASB的主要组成部分是反应器。本文介绍了有关UASB的处理流程和设计的计算，对格栅，调节池，UASB池，气浮池，污泥浓缩池等进行了精细的设计和计算。并对主要构筑物UASB池，SBR池做了详细的说明。UASB处理高浓度有机废水，其关键是培养出沉降性能良好的厌氧颗粒污泥。采用此工艺，不但使处理流程简洁，也节省了运行费用，在降低废水浓度的同时，还可以回收在处理过程中所产沼气作为能源的利用。以便我为进一步探讨效益资源型处理技术提供借鉴。关键字：啤酒工业废水处理UASB反应器\nWastewaterTreatmentofaBreweryProcessDesignAbstractsincethereishighorganiccontentinthebrewerywastewater,ifdrainoffthewastewater,itwillnotonlypollutetheenvironmentbutalsoreducetherawmaterialutilizationofthebeerindustry,sotherearemanyscholarsandmanufacturersresearchthebeerwastewatertreatmentandutilizationoftechnology,basedonpreviousresearchresultsinChinabrewerywastewaterhandlinganduseofthestatusquo,targetedbrewerywastewatercharacteristics,acidification-SBRtreatmentofbrewerywastewaterbyUASB+SBRtreatmentofbrewerywastewater,thenewcontactoxidationtreatmentofbrewerywastewater,biologicalcontactoxidationtreatmentofbrewerywastewater,severaloftheupflowanaerobicsludgeblanket(UASB)treatmentofbrewerywastewatertreatmentmethodsdetailedanalysistodeterminethebestoptionwiththeUASB.ThemainpartofUASBisthereactor.ThisarticledescribesthecalculationoftherelatedprocessesanddesignoftheUASB,andalsomakesameticulouscaculationofthegrill,adjustmentpool,theUASBpool,contactoxidationtank,flotationtankandsludgethickenerpool.ItalsodoesadetaileddescriptionofthemainstructurestheUASBpoolandcontactoxidationtank.ForUASBtreatmentofhighconcentrationorganicwastewater,thekeyistocultivateagoodsettlingcharacteristicsofanaerobicgranularsludge.Adoptthistechnologynotonlymakethetreatmentprocessesmoresimple,savingsinoperatingcostsbutalsocanretrievethebiogasthatproducedinthetreatmentforenergyusingwhilereducingwastewaterconcentration.Sothatcanprovideusreferencesforfurtherstudyoftheeffectivenessofresource-basedprocessingtechnology.Keywords:beerindustrythetreatmentofwastewaterUASBreactor\n目录1绪论11.1概述11.1.1啤酒生产工艺11.1.2啤酒厂废水主要来源11.1.3啤酒生产废水特点21.2啤酒废水的处理与利用21.2.1好氧生物处理31.2.2厌氧生物处理41.3啤酒厂废水处理工艺组合51.3.1酸化—SBR法处理啤酒废水51.3.2UASB—好氧接触氧化工艺处理啤酒废水61.3.3UASB反应器＋氧化沟工艺处理啤酒废水62设计水质水量及设计要求72.1设计任务72.1.1设计依据及范围72.2工艺流程选择82.2.1工艺确定82.2.2工艺流程图92.2.3主要构筑物作用93主要构筑物计算113.1格栅113.1.1格栅的栅条间隙数113.1.2栅槽宽度B113.1.3通过格栅的水头损失113.1.4栅后槽总高度H123.1.5栅槽总长度L123.1.6每日栅渣量W133.1.7格栅除污机选择133.2事故池133.2.1设计参数13\n3.2.2设计计算133.3调节池143.3.1设计参数143.3.2设计计算143.4气浮池153.4.1设计参数153.4.2设计计算153.4.3设备选型173.5UASB反应器173.5.1设计说明173.5.2设计参数173.5.3设计计算183.6SBR池213.6.1参数选取213.6.2设计计算223.6.3设备选型253.7污泥浓缩池253.7.1设计参数253.7.2设计计算253.8污泥脱水间283.8.1设计参数283.8.2设计计算283.8.3污泥脱水设备选型283.9清水池283.9.1参数选择283.9.1平面尺寸计算284平面及高程布置294.1平面布置294.2高程布置304.2.1高程布置原则如下：304.2.2水头损失计算304.3高程计算345部分设备的选择34\n5.1泵的选择345.1.1选泵原则345.1.2计算选泵355.2风机的选择355.3脱水机的选择366结论37谢辞38参考文献39附录40外文文献42外文翻译49\n唐山学院毕业设计1绪论1.1概述随着人们生活水平的不断提高，我国啤酒工业发展迅速，啤酒产量较过去有了大幅度提高，已成为世界五大啤酒生产国之一。截止1986[1]年上半年止，全国啤酒产量1860万t。以生产1t啤酒生产20m3废水计算，则啤酒工业排放的废水量每年达3.72亿m3，污染物中BOD5为（18.6~33.5）万t，CODCr为（37.2~55.8）万t，SS为（7.4~14.9）万t。1.1.1啤酒生产工艺制造啤酒的主要原料是大麦和大米，辅之以啤酒花和鲜酵母。啤酒生产的过程是先将大麦制成麦芽（制麦流程见图1-1-1）。将麦芽粉碎与糊化的大米用温水混合进行糖化,糖化结束后立即过滤,除去麦糟,然后冷却和澄清。澄清的麦汁冷却至6.5~8.0℃,接种酵母,进行发酵.发酵分主发酵和后发酵。主发酵是将糖化转化成乙醇和二氧化碳；后发酵是将主酵嫩酒送至后酵罐，长期低温贮藏，以完成残糖的最后发酵，澄清啤酒，促进成熟。经过后发酵的成熟酒，需经过滤或分离去除残余酵母和蛋白质。过滤后的成品酒，若作为鲜啤酒出售，可直接装桶就地销售。外运的或出口的啤酒，必须经杀菌，以保证其生物稳定性，杀菌后的啤酒为熟啤酒。大麦干燥筛选浸麦发芽贮藏成品麦芽排水干燥图1-1-1制麦工艺过程图示1.1.2啤酒厂废水主要来源啤酒厂废水主要来源有：麦芽生产过程的洗麦水、浸麦水、发芽降温喷雾水、麦槽水、凝固物洗涤水；糖化过程的糖化、过滤洗涤水；发酵过程的发酵罐洗涤、过滤洗涤水；灌装过程洗瓶水、灭菌水及破瓶啤酒；冷却水和成品车间洗涤水；以及来自办公室、食堂、单身宿舍和浴室的生活污水。52\n唐山学院毕业设计1.1.3啤酒生产废水特点啤酒生产过程用水量很大，特别是酿造、罐装工序过程，由于大量使用新鲜水，相应生产大量废水。由于啤酒生产工序较多，不同啤酒厂生产过程中吨酒耗水量和水质相差较大。管理和技术水平较高的啤酒厂吨酒耗水量为8～12t,我国啤酒厂的吨酒耗水量一般大于该数值。国内每吨啤酒从糖化到罐装总耗水10～20m3。啤酒工业废水可分为以下几类：⑴清洁废水冷冻机、麦汁和发酵冷却水等。这类废水基本上未受污染。⑵清洗废水如大麦浸渍废水、大麦发芽降温喷雾水、清洗生产装置废水、漂洗酵母水、洗瓶机初期洗涤水、酒罐消毒废液和地面冲洗水等。这类废水受到不同程度的有机污染。⑶冲渣废水如麦糟液、冷热凝固物、酒花糟、滤酒渣和残碱性洗涤液等。这类废水中含有大量的悬浮性固体有机物。工段中将产生麦汁冷却水、麦糟、装置洗涤水、热凝固物和酒花糟。⑷装酒废水在罐装酒时，机器的跑冒滴漏时有发生，还经常出现冒酒。废水中掺杂了大量残酒，另外喷淋时造成炸瓶现象使大量啤酒洒在喷淋水中。⑸洗瓶废水清洗瓶子时先用碱性洗涤剂浸泡，然后用压力水初洗和终洗。瓶子清洗水中含参与碱性洗涤剂、残酒和泥砂等。因此废碱性洗涤剂应先进入调节、沉淀装置进行单独处理，以此来节省污水处理药剂用量[3]。1.2啤酒废水的处理与利用鉴于啤酒废水自身的特性，啤酒废水不能直接排入水体，据统计，啤酒厂工业废水如不经处理，每生产100吨啤酒所排放出的BOD值相当于14000人生活污水的BOD值，悬浮固体SS值相当于8000人生活污水的SS，其污染程度是相当严重的，所以要对啤酒废水进行一定的处理。目前常根据BOD5/CODcr比值来判断废水的可生化性，即：当BOD5/CODcr>0.3时易生化处理，当BOD5/CODcr>0.25时可生化处理，当BOD5/CODcr<0.25难生化处理，而啤酒废水的BOD5/CODcr的比值>0.3所以，处理啤酒废水的方法多是采用好氧生物处理，也可先采用厌氧处理，降低污染负荷，再用好氧生物处理。目前国内的啤酒厂工业废水的污水处理工艺，都是以生物化学方法为中心的处理系统。80年代中前期，多数处理系统以好氧生化处理为主。由于受场地、气温、初次投资限制，除少数采用塔式生物滤池，生物转盘靠自然充氧外，多数采用机械曝气充氧，其电耗高及运行费用高制约了污水处理工程的发展和限制了已有工程的正常使用或运行。52\n唐山学院毕业设计随着人们对于节能价值和意义的认识不断变化与提高，开发节能工艺与产品引起了国内环保界的重视。1988年开封啤酒厂国内首次将厌氧酸化技术成功的引用到啤酒厂工业废水处理工程中，节能效果明显，约节能30%～50%，而且使整个工艺达标排放更加容易和可靠。随着改革开放的发展，90年代初完整的厌氧技术也在国内啤酒、饮料行业得到应用。这里所说完整的意义在于除厌氧生化技术外，沼气通过自动化系统得到燃烧，这是厌氧系统安全运行和不产生二次污染的重要保证，这也是国内外开发厌氧技术和设备应充分引起重视的问题。厌氧技术的引进与应用能耗节约70%以上。目前，国内外普遍采取生化法处理啤酒废水。根据处理过程中是否需要曝气，可以把生化处理法分为好氧生物处理和厌氧生物处理两大类。1.2.1好氧生物处理好氧生物处理是在氧气充足的情况下，利用好氧微生物的生命活动氧化啤酒废水中的有机物，其产物是二氧化碳、水及能量（释放于水中）。这种方法没有考虑到废水中有机物的利用问题，因此处理成本较高。活性污泥法、生物膜法、深井曝气法是较有代表性的好氧生物处理方法[3]。1.活性污泥法活性污泥法是中、低浓度有机废水处理中使用最多，运行最可靠的方法，具有投资省，处理效果好等优点。该处理工艺的主要部分是曝气池和沉淀池。废水进入曝气池后，与活性污泥（含大量的好氧微生物）混合，在人工充氧的条件下，活性污泥吸附并氧化分解水中的有机物，而污泥和水的分离则由沉淀池来完成。我国的珠江啤酒厂，烟台啤酒厂，上海益民啤酒厂，武汉西湖啤酒厂。广州啤酒厂和长春啤酒厂等厂家均采用此法处理啤酒废水.据报道，进水CODcr为1200－1500mg/L时出水CODcr可降至50－100mg/L.去除率为94％－96％。活性污泥处理啤酒废水的缺点时动力消耗大，处理中常出现污泥膨胀。污泥膨胀的原因是啤酒废水中碳水化合物含量过高，而N,P,Fe等营养物质缺乏，各营养成分比例失调，导致微生物不能正常生长而死亡。解决的办法是投加含N,P的化学药剂，但这将使处理成本提高。而较为经济的方法是把生活污水（其中N,P浓度较大）和啤酒废水混合。间歇式活性污泥法（SBR）通过间歇曝气可以使动力消耗显著降低，同时，废水处理时间也短于普通活性污泥法。例如。珠江啤酒厂引进比利时SBR专利技术，废水厂处理时间仅需19－20h，比普通活性污泥法缩短10－11h,CODcr的去除率也在96％以上,扬州啤酒厂和三明市大田啤酒厂采用SBR技术处理啤酒废水，也收到了同样的效果.2.深井曝气法52\n唐山学院毕业设计为了提高曝气过程中氧的利用率，节省能耗，加拿大安大略省的巴利啤酒厂，我国的上海啤酒厂和北京五星啤酒厂均采用深井曝气法（超深水曝气）处理啤酒废水。深井曝气实际上是以地下深井作为曝气池的活性污泥法，曝气池由下降管以及上升管组成。将废水和污泥引入下降管，在井内循环，空气注入下降管或同时注入两管中，混合液则由上升管排至固液分离装置，即废水循环是靠上升管和下降管的静水压力差进行的。其优点是：占地面积少，效能高，对氧的利用率大，无恶臭产生等。据测定，当进水BOD5浓度为2400mg/L时，出水浓度可降为50mg/L,去除率高达97．92％。当然，深井曝气也有不足之处，如施工难度大，造价高，防渗漏技术不过关等。3.生物膜法与活性污泥法生物膜法时在处理池内加入软性填料，利用固着生长于填料表面的微生物对废水进行处理，不会出现污泥膨胀的问题。生物接触氧化池和生物转盘是这类方法的代表，在啤酒废水治理中均被采用，主要是降低啤酒废水中的BOD5。生物接触氧化池是在微生物固着生长的同时，加以人工曝气。这种方法可以得到很高的固体浓度和较高的有机负荷，因此处理效果高，占地面积也小于活性污泥法。国内的淄博啤酒厂，青岛啤酒厂，渤海啤酒厂荷徐州酿酒总厂等厂家的废水处理中采用了这种技术。青岛啤酒厂在二段生物接触氧化之后辅以混凝气浮处理，啤酒废水中CODcr和BOD5的取出率分别在80％和90％以上。在此基础上，山东省环科所改常压曝气为加压曝气（P＝0.25～0.30MPa）,目的在于强化氧的传质，有效提高废水中溶解氧的浓度，以满足中高浓度废水中微生物和有机物氧化分解的需要。结果表明，当容积负荷<=13.33kg·m-3·d-1COD,停留时间为3～4小时.COD和BOD平均去除率分别达到93.52％和99.03％。由于停留时间缩短为原来的1/3～1/4，运转费用也降低。生物转盘是较早用以处理啤酒废水的方法。他主要由盘片、氧化槽转动轴和驱动装置等部分组成，依靠盘片的转动来实现废水与盘上生物膜的接触和充氧。该法运转稳定动力消耗少，但低温对运行影响大，在处理高浓度废水是需增加转盘组数。该方法在美国应用较普及，国内的杭州啤酒厂、上海华光啤酒厂和浙江慈溪啤酒厂也在使用。据报道，废水中BOD5的去除率在80％以上。1.2.2厌氧生物处理厌氧生物处理适用于高浓度有机废水（CODcr>2000mg·L-1,BOD5>1000mg·L-1）。52\n唐山学院毕业设计它是在无氧条件下，靠厌氧细菌的作用分解有机物。在这一过程中，参加生物降解的有机基质有50％～90％转化为沼气（甲烷），而发酵后的剩余物又可作为优质肥料和饲料。因此，啤酒废水的厌氧生物处理受到了越来越多的关注。厌氧生物处理包括多种方法，但以升流式厌氧污泥床(UASB)技术在啤酒废水的治理方面应用最为成熟。UASB的主要组成部分是反应器，其底部为絮凝和沉淀性能良好的厌氧污泥构成的污泥床，上部设置了一个专用的气－液－固分离系统（三相分离室）。废水从反应器底部加入，在向上流穿过生物颗粒组成的污泥床时得到降解，同时生成沼气（气泡）。气，液，固（悬浮污泥颗粒）一同升入三相分离室，气体被收集在气罩里，而污泥颗粒受重力作用下沉至反应器底部，水则经出流堰排出。截至1990年9月，全世界已建成30座生产性UASB反应器处理啤酒废水，总容积达60600立方米。目前已有北京啤酒厂，沈阳啤酒厂等厂家利用UASB来处理啤酒废水。荷兰美国的某些公司所设计的UASB反应器对啤酒废水CODcr的去处率为80％－86％，北京啤酒厂UASB处理装置中试结果也保持在这一水平，而且其沼气产率为0.3－0.5m3/kg(COD)。清华大学在常温条件下利用UASB厌氧处理啤酒废水的研究结果表明，进水CODcr浓度为2000mg·L-1时，去处率为85％－90％。沈阳啤酒厂采用回收固性物及厌氧消化综合治理工艺，实行清污分流，集中收集CODcr大于5000mg·L-1d的高浓度有机废水送入UASB进行厌氧处理，废水中CODcr的质能利用率可达91.93％。1.3啤酒厂废水处理工艺组合1.3.1酸化—SBR法处理啤酒废水其主要处理设备是酸化柱和SBR反应器。这种方法在处理啤酒废水时，在厌氧反应中，放弃反应时间长、控制条件要求高的甲烷发酵阶段，将反应控制在酸化阶段，这样较之全过程的厌氧反应具有以下优点：1.由于反应控制在水解、酸化阶段反应迅速，故水解池体积小。2.不需要收集产生的沼气，简化了构造，降低了造价，便于维护，易于放大。3.对于污泥的降解功能完全和消化池一样，产生的剩余污泥量少。同时，经水解反应后溶解性COD比例大幅度增加，有利于微生物对基质的摄取，在微生物的代谢过程中减少了一个重要环节，这将加速有机物的降解，为后续生物处理创造更为有利的条件。4.酸化—SBR法处理高浓度啤酒废水效果比较理想，去除率均在94%以上，最高达99%以上。要想使此方法在处理啤酒废水达到理想的效果时运行环境要达到下52\n唐山学院毕业设计列要求：（1）酸化—SBR法处理中高浓度啤酒废水，酸化至关重要，它具有两个方面的作用，其一是对废水的有机成分进行改性，提高废水的可生化性；其二是对有机物中易降解的污染物有不可忽视的去除作用。酸化效果的好坏直接影响SBR反应器的处理效果，有机物去除主要集中在SBR反应器中。（2）酸化—SBR法处理啤酒废水受进水碱度和反应温度的影响，最佳温度是24℃，最佳碱度范围是500～750mg/L。视原水水质情况，如碱度不足，采取预调碱度方法进行本工艺处理；若温度差别不大，运行参数可不做调整，若温度差别较大，视具体情况而定。1.3.2UASB—好氧接触氧化工艺处理啤酒废水此处理工艺中主要处理设备是上流式厌氧污泥床和好氧接触氧化池，处理主要过程为：废水经过转鼓过滤机，转鼓过滤机对SS的去除率达10%以上，随着麦壳类有机物的去除，废水中的有机物浓度也有所降低。调节池既有调节水质、水量的作用，还由于废水在池中的停留时间较长而有沉淀和厌氧发酵作用。由于增加了厌氧处理单元，该工艺的处理效果非常好。上流式厌氧污泥床能耗低、运行稳定、出水水质好，有效地降低了好氧生化单元的处理负荷和运行能耗(因为好氧处理单元的能耗直接和处理负荷成正比)。好氧处理(包括好氧生物接触氧化池和斜板沉淀池)对废水中SS和COD均有较高的去除率，这是因为废水经过厌氧处理后仍含有许多易生物降解的有机物。该工艺处理效果好、操作简单、稳定性高。上流式厌氧污泥床和好氧接触氧化池相串联的啤酒废水处理工艺具有处理效率高、运行稳定、能耗低、容易调试和易于每年的重新启动等特点。只要投加占厌氧池体积1/3的厌氧污泥菌种，就能够保证污泥菌种的平稳增长，经过3个月的调试UASB即可达到满负荷运行。整个工艺对COD的去除率达96.6%，对悬浮物的去除率达97.3%～98%[3]，该工艺非常适合在啤酒废水处理中推广应用。1.3.3UASB反应器＋氧化沟工艺处理啤酒废水此工艺采用厌氧和好氧相串联的方式，厌氧采用内循环UASB技术，好氧处理用地有一处狭长形池塘，为了降低土建费用，因地制宜，采用氧化沟工艺。本处理工艺的关键设备是UASB反应器。该反应器是利用厌氧微生物降解废水中的有机物，其主体分为配水系统，反应区，气、液、固三相分离系统，沼气收集系统四个部分。厌氧微生物对水质的要求不象好氧微生物那么宽，最佳pH为6.5－7.8，最佳温度52\n唐山学院毕业设计为35℃－40℃，而本工程的啤酒废水水质超出了这个范围。这就要求废水进入UASB反应器之前必需进行酸度和温度的调节。这无形中增加了电器，仪表专业的设备投资和设计难度。UASB反应器的出水水质一般都比较稳定，在回流系统的作用下重新回到配水系统。这样一来能提高UASB反应器对进水水温、pH值和COD浓度的适应能力，只需在UASB反应器进水前对其pH和温度做一粗调即可。UASB反应器采用环状穿孔管配水，通过三相分离器出水，并在三相分离器的上方增加侧向流絮凝反应沉淀器，它由玻璃钢板成75°安装而成，能在最大程度上截留三相分离出水中的颗粒污泥。此处理工艺主要有以下特点：1.实践证明，采用内循环UASB反应器＋氧化沟工艺处理啤酒废水是可行的，其运行结果表明CODcr总去除率高达95％以上。2.由于采用的是内循环UASB反应器和氧化沟工艺串联组合的方式，可根据啤酒生产的季节性、水质和水量的情况调整UASB反应器或氧化询处理运行组合，以便进一步降低运行费用。2设计水质水量及设计要求2.1设计任务2.1.1设计依据及范围（1）设计规模：水量1000m3/d（2）进出水水质根据当地环保部门水质监测及其他同类污水厂调查，确定设计进出水水质[1]。废水处理站进出水水质:项目COD（mg/l）BOD5（mg/l）SS（mg/l）pH进水水质4000~60002500~35001000~30006~9出水水质≤150≤60≤2006~9处理程度计算：COD去除率η1=(6000-150)/6000×100%=97.5%BOD5去除率η2=(3500-60)/3500×100%=98.29%SS去除率η3=(3000-200)/3000×100%=93.33%（3）自然条件根据厂方提供的自然条件获悉：室外年平均气温13.60C，室外年极端最高气温52\n唐山学院毕业设计40.50C，最低气温-14.7℃，夏季主导风向为西北风，拟建处理站场地基本平整，有效使用面积14000—16000m2，最高洪水水位1.700米最大冻土深度0.600米。废水通过城区管网收集入处理站管中心标高-0.750米，处理后排水水位为0.900米。2.2工艺流程选择2.2.1工艺确定根据设计任务本处理采用UASB+SBR工艺流程，主要包括UASB反应器和SBR反应器。将UASB和SBR两种处理单元进行组合，所形成的处理工艺突出了各自处理单元的优点，使处理流程简洁，节省了运行费用，而把UASB作为整个废水达标排放的一个预处理单元，在降低废水浓度的同时，可回收所产沼气作为能源利用。同时，由于大幅度减少了进入好氧处理阶段的有机物量，因此降低了好氧处理阶段的曝气能耗和剩余污泥产量，从而使整个废水处理过程的费用大幅度减少。采用该工艺既降低处理成本，又能产生经济效益。并且UASB池正常运行后，每天产生大量的沼气，将其回收作为热风炉的燃料，可供饲料烘干使用。UASB去除COD达7500kg/d，以沼气产率为0.5m3/kgCOD计算，UASB产气量为3500m3/d(甲烷含量为55%～65%)。沼气的热值约为22680kJ/m3，煤的热值为21000kJ/t计算，则1m3沼气的热值相当于1kg原煤，这样可节煤约4t/d左右，年收益约为39.6万元。UASB+SBR法处理工艺与水解酸化+SBR处理工艺相比有以下优点：（1）节约废水处理费用。UASB取代原水解酸化池作为整个废水达标排放的一个预处理单元，削减了全部进水COD的75%，从而降低后续SBR池的处理负荷，使SBR池在废水处理量增加的情况下，运行周期同样为12h，废水也能达标排放。也就是说，耗电量并没有随废水处理量的增加而增加。同原工艺相比较，每天实际节约1500～2500m3废水的处理费用，节约能耗约21.4万元/a。（2）节约污泥处理费用。废水经过UASB处理后，75%的有机物被去除，使SBR处理负荷大大降低，产泥量相应减少。水解酸化+SBR处理工艺工艺计算，产泥量达17t/d(产泥率为0.3kg污泥/kgCOD，污泥含水率为80%)，UASB+SBR法处理工艺产泥量只有5t/d(含水率为80%)左右，只有水解酸化+SBR处理工艺的1/3，污泥处理费用大大减少，节约污泥处理费用约为20元/a。实践证明，UASB成功处理高浓度啤酒废水的关键是培养出沉降性能良好的厌氧颗粒污泥。颗粒污泥的形成时厌氧细菌群不断繁殖，积累的结果，较多的污泥负荷有利于细菌获得充足的营养基质，故对颗粒污泥的形成和发展具有决定性的促进作用；适当高的水利负荷将长生污泥的水利筛选，淘汰沉降性能差的絮体污泥而留下沉降性能好的污泥同时产生剪切力，使污泥不对流旋转，有利于丝状菌相互缠绕52\n唐山学院毕业设计成球。此外，一定的进水碱度也是颗粒污泥形成的必要条件，因为厌氧生物的生长要求适当高的碱度，例如：产甲烷细菌生长的最适宜PH值为6.8－7.2。一定的碱度既能维持细菌生长所需的PH值，又能保证足够的平衡缓冲能力。由于啤酒废水的碱度一般为500－800mg·L-1（以Caco3计），碱度不足，所以需投加工业碳酸钠或氧化钙加以补充。研究表明，在UASB启动阶段，保持进水碱度不低于1000mg·L-1对于颗粒污泥的培养和反应器在高负荷下的良好运行十分必要。应该指出。啤酒废水中的乙醇是一种有效的颗粒化促进剂，它为UASB的成功运行提供了有利的条件。总之，UASB具有效能高，处理费用低，电耗省，投资少，占地面积小等一系列优点，完全适用于高浓度啤酒废水的治理。其不足之处是出水CODcr的浓度仍达500mg·L-1左右，需进行再处理或好氧处理串连才能达标排放[6]。2.2.2工艺流程图沼气泵格栅排放上清液滤液高浓度调节池气浮池UASBSBR反应器废水泥饼外运污泥脱水间污泥浓缩池2.2.3主要构筑物作用（1）格栅格栅一般设置在废水处理的前端，用以去除废水中较大的悬浮物、漂浮物、纤维物质和固体颗粒物质，从而保证后续处理构筑物的处理负荷[7]。（2）调节池调节池有对水量和水质的调节，调节污水水温，有预曝气作用，还可用作事故排水。调节池按作用分：均质池，水量缓冲池，均质均量池。一般车间不连续排水时都要做成有水量缓冲功能的。由于啤酒废水是间歇排放的，其生产过程中排放的废水量变化较大。因此，流程中调节池的设置是非常必要的。废水处理设备及构筑物都是按一定的水量标准设计的，要求均匀进水，特别对生物处理系统更为重要，为了保证后续处理系统的正常运行，在废水进入处理系统之前，预先调节水量，使处理系统满足设计要求。52\n唐山学院毕业设计（3）事故池工厂为防止水质出现恶性事故，有破坏污水厂运行的可能性，设置事故池，贮留事故出水，这是一种变相的均化池。事故池的进水阀门必须自动控制，否则无法及时发现事故。事故池平时必须保证泄空，容积必须足够。（4）气浮池气浮池就是向水中通入大量微小的气泡，使其粘附到悬浮颗粒上，形成密度小于水的气浮体，快速上浮，达到固液分离的目的。气浮主要去除水中相对密度小于1的悬浮物、油脂和脂肪。根据布气方式的不同，气浮处理分为散气气浮、溶气气浮和电解气浮。（5）UASB反应器UASB的主要组成部分是反应器，其底部为絮凝和沉淀性能良好的厌氧污泥构成的污泥床，上部设置了一个专用的气－液－固分离系统（三相分离室）。废水从反应器低部加入，在向上流穿过生物颗粒组成的污泥床时得到降解，同时生成沼气（气泡）。气，液，固（悬浮污泥颗粒）一同升入三相分离室，气体被收集在气罩里，而污泥颗粒受重力作用下沉至反应器底部，水则经出流堰排出.（6）SBR池SBR工艺不设二沉池和污泥回流设备，且曝气池容积也小于连续式，所以它的工艺流程简单，氧利用率高，基建费用和运行费用均较低，不易产生污泥膨胀。同时通过对运行方式的调节，具有脱氮除磷的功能，且处理水水质优于连续式。但该工艺要求程序控制，自动化水平较高，对操作人员的技术要求较高，不易操作管理；停留时间较长，占地面积仍较大，运行费用虽较其他工艺低，但仍是较高。1）污泥产率低，剩余污泥较少。2）机电设备较多，控制系统复杂，运行管理要求较高。3）半地上或全地上放置，不宜建在地下。(7）污泥浓缩池污泥浓缩可使污泥初步减容，使其体积减为原来的几分之一，从而为后续处理或处置带来方便。浓缩池的目的在于降低污泥中占70%的空隙水，以便减容。本设计采用间歇式重力浓缩池。(8）污泥脱水间在此设计中，污泥脱水采用带式脱水机，污泥机械脱水与自然干化相比较，特点是脱水效果好、效率高不受气候影响，占地面积小。带式过滤脱水方法的优点是机器制造容易，附属设备少，投资、能耗低，噪音小；连续运行，操作管理维修简便；滤带可以回旋，脱水能力大[9]。（9）清水池52\n唐山学院毕业设计清水池用于贮存处理后的清水，处理后的清水可以直接排放，或者可用来进行处理厂内设备冲洗等。3主要构筑物计算3.1格栅3.1.1格栅的栅条间隙数Q=1000m3/d设栅前水深h=0.50m，过栅流速v=0.6m/s，栅条间隙宽度b=0.01m.格栅倾角α=75°.则n=Qmaxbhv=1500／(3600×24)×0.01×0.5×0.6=5.3在实际工程中，5.3太小。操作不方便，因此，在此取n=20.3.1.2栅槽宽度B栅槽宽度一般比格栅宽0.2～0.3m，取0.2m；设栅条宽度S=0.01m则栅槽宽度B=S(n-1)+bn+0.2=0.01×(20-1)+0.02×20+0.2=0.79(m)3.1.3通过格栅的水头损失式中：——设计水头损失，m；52\n唐山学院毕业设计——计算水头损失，m；g——重力加速度，；k——系数，格栅受污物堵塞时水头损失增大倍数，一般采用3；——阻力系数，与栅条断面形状有关，可按手册提供的计算公式和相关系数计算；设栅条断面为锐边距形断面，。=0.049（m）3.1.4栅后槽总高度H设栅前渠道超高3.1.5栅槽总长度L①进水渠道渐宽部分的长度。设进水渠宽=0.6m，其渐宽部分展开角度②栅槽与出水渠道连接处的渐窄部分长度式中：为栅前渠道深，52\n唐山学院毕业设计=2.085（m）3.1.6每日栅渣量W()式中，为栅渣量，污水，格栅间隙为10～25mm时，～0.05污水。格栅间隙为30～50mm时，=0.03～0.01污水。本设计格栅间隙为10mm,取=0.07污水。故选用机械除污。3.1.7格栅除污机选择此设计采用ZD1型转动自清洗型过滤器，它采用筛网或细栅条组成环形过滤装置，拦截在环形网内的污物由自动清洗转刷集中到安装有螺旋泵中的斗中，通过螺旋泵逐渐挤压输送到污物箱中，污物中所含水及多余水，自动返回污水池中[11]。3.2事故池3.2.1设计参数（1）设计流量Q=1500m3·d-1；（2）停留时间T=12h；（3）保护高h1=0.5m；（4）有效水深h2=5m。3.2.2设计计算（1）事故池有效容积V有效V有效=QT=1500/24×12=750m3（2）事故池尺寸事故池面积A=V/h2=750/5=150m252\n唐山学院毕业设计事故池面积为150m2池长L=15m池宽B=A/L=150/15=10m（3）事故池的实际容积V：V=15×10×5.5=825m3取超高h1=0.5m，池总高H=h1+h2=0.5+5=5.5m3.3调节池3.3.1设计参数设计流量Q=1000×1.5=1500m3/d=62.5m3/h设计中取停留时间T=12h，超高h1=0.3m，有效水深h2=5.0m；3.3.2设计计算（1）调节池有效容积VV=QT=62.5×12=750m3（2）调节池尺寸调节池面积：A=V/h2=750/5=150m2调节池长L：取12.25m池宽B：取12.25m池总高：H=h1+h2=0.3+5.0=5.3m（3）空气管计算采用穿孔管空气搅拌，取空气量Qs=2m³/(m³·h)。空气量：Qs=62.5×2=125m3/h=0.035m3/s设计中取空气总管管径D1=160mm管内流速：V1=4Qs/πD12=(4×0.035)/(π×0.162)=1.74m/s空气支管共设10根，每根支管的空气流量q为：q=Qs/10=0.035/10=0.0035m3/s支管内的空气流速V2应在5～10m/s范围内，选V2=8m/s，则支管管径D2为D2===0.024m取整D2=25mm52\n唐山学院毕业设计穿孔管：每根支管连接两根穿孔管，则每根穿孔管的空气流量q1=0.00175m3/s,取V3=10m/s,管径D3为D3==0.015m取整D3=15mm3.4气浮池3.4.1设计参数（1）接触室应对气泡与絮粒提供良好的接触条件，其宽度还应考虑安装和检修的要求，水流上升流速一般取10~20mm/s,水流在室内的停留时间不宜小于60s。（2）气浮分离室应根据带气絮粒上浮分离的难易程度确定水流流速，一般取1.5~2.5mm/s,即分离室表面负荷率取5.4~9.0m3/(㎡﹒h)。（3）气浮池的有效水深一般取2.0~2.5m,池中水流停留时间一般为15~30min。（4）气浮池的长宽比无严格要求，一般以单格宽度不超过10m,池长不超过15m为宜。（5）气浮池集水应力求均匀，一般采用穿孔集水管，集水管内的最大流速宜控制在0.5m/s左右[8]。设计水质如表3.1表3.1气浮池进出水水质指标水质指标CODBOD5SS进水水质(mg·L-1)600035002700去除率（%）10590出水水质(mg·L-1)540033252703.4.2设计计算（1）设计流量（2）平面尺寸计算52\n唐山学院毕业设计①气浮池表面积②气浮分离室的长度和宽度设气浮分离室宽度为1.8m，气浮分离室长度为③气浮池水力停留时间气浮池内水平流速v为：（3）气浮池进出水系统①气浮池的进水设计进水流速v1为：满足进口流速小于1.5~2.0m/s的要求。②气浮池的出水设计V2<0.5m/s,满足要求10条穿孔集水管最后汇总到出水总管，总管管径为DN600mm，管内流速（4）加压溶气水量QvQv=RQ=10%×34.375=3.4375m3/h同时根据所需压力为0.25MPa,选取IS6550-160A型号水泵一台，为安全计，增设一台备用[14]。（5）气浮所需空气量Qg52\n唐山学院毕业设计Qg=Qv×40×=3.43×40×1.2=164.64L/h.（6）空气压缩机所需额定气量QQ=Qg×∮/60×1000=164.64×1.4/60×1000=0.0038m3/min式中：∮为安全系数，一般取1.2~1.5，在此设计中取1.4。3.4.3设备选型（1）根据所需压力为0.25MPa,选取IS6550-160A型号水泵一台，为安全计，增设一台备用。（2）根据计算，此设计中空气压缩机选用一台Z-0.036/7型空压机，为安全计，增设一台备用。此型号空压机排气量0.036m3/min，排气压力0.7MPa,转速850r/min[11]。3.5UASB反应器3.5.1设计说明设计中厌氧反应器采用UASB装置。UASB反应器的基本构造主要由污泥床、污泥悬浮区、沉淀区、三相分离器及进水系统等各功能部分组成。三相分离器要具有气、液、固三相分离的功能。三相分离器的设计主要包括沉淀区、回流缝、气液分离器的设计。3.5.2设计参数设计水量Q=1500m3·d-1=62.5m3·h-1；容积负荷（Nv）：5.5kgCOD·m-3·d-1；污泥产率：0.1kgMLSS·(kgCOD)-1；产气率：0.5m3·(kgCOD)-1，总沉淀水深应大于1.5m;沉淀器斜壁角度设为45°，使污泥不致积聚，尽快落入反应区内[13]；52\n唐山学院毕业设计进入沉淀区前，沉淀槽底逢隙的流速≤2m·s-1；出水水质如表3.2表3.2UASB反应器进出水水质指标水质指标CODBOD5SS进水水质(mg·L-1)54003325270去除率（%）868510出水水质(mg·L-1)756498.752433.5.3设计计算(1)反应器容积计算UASB有效容积：式中：Q——设计流量，m3·d-1；S0——进水COD含量，mg·L-1；Nv——容积负荷，kgCOD·m-3·d-1。分三座UASB反应器，每座反应器容积是V=V有效/3=490.91m3取UASB高为H=6m。每个UASB反应器的面积为A=V/H=490.91/6=81.7m2。取UASB反应器L×B=9m×9m。(2)三相分离器的设计1.沉淀区的设计沉淀区的高度H1=h1+h2=2.0+3.0=5m式中：52\n唐山学院毕业设计H1——沉淀区的总高度，m；h1——沉淀区直壁高度，m，一般取1.5~2.0m，设计中取2.0m；h2——沉淀区斜板高度，m；α——沉淀区底部斜板的安装角度，一般为45o~60o；B——与三相分离器单体相应的UASB宽度，m；b——相邻两个集气罩底部的水平距离（即回流缝宽度），m。2.回流缝的设计相邻两个集气罩底部回流缝中水流上升速度满足要求。其中回流缝面积Ah1=bL=3×9=27m2式中：Q——UASB反应器的进水流量，m3/h；N——UASB反应器中三相分离器的单体数；L——三相分离器的长度，m。满足污泥回流速度所需的回流缝面积（Ah2）式中：Xsi——经回流缝进入沉淀区的污泥质量浓度，mg/L;Xse——沉淀区出水中的污泥质量浓度，mg/L;v2——污泥的回流速度，m/h；ρs——污泥的密度，Kg/m3；所需的回流缝面积Ah=max(Ah1,Ah2)=27m2。3.气液分离器的设计52\n唐山学院毕业设计为获得有效的气液分离效果，UASB三相分离器回流缝宽度与气封的宽度必须有一定的重叠，其重叠的水平距离越大，则气液分离效果越好，也利于沉淀区的泥水分离及污泥回流。每侧重叠距离，即h=(b1-b)/2=(3.3-3.0)/2=0.15m一般h控制在10~20cm，因此满足要求。4.进水系统布水点的设计实际运行中，以每3~5m2以下设置一个进水点为佳,设计中每4m2设置一个进水点。每个UASB反应器布置进水点的个数为：N=A/4=81.7/4=20.4取22个（3）配水方式采用穿孔管布水器，配水支管出水口距池底200mm，位于所服务面积中心；出水管孔径为20mm（一般在15～25mm之间）。（4）排泥系统设计1.UASB反应器中污泥总量计算一般UASB污泥床主要由沉降性能良好的厌氧污泥组成，平均浓度为15gVSS/L,则两座UASB反应器中污泥总量：G=VGss=1472.73×15=22090.95KgSS/d2.产泥量计算厌氧生物处理污泥产量取：0.07kgMLSS/kgCOD①UASB反应器总产泥量∆X=RQC0E=0.07×1472.73×5.4×0.3=167KgVSS/d式中：△X————UASB反应器产泥量，kgVSS/d；r————厌氧生物处理污泥产量，kgVSS/kgCOD；C0————进水COD浓度kg/m3；E————去除率，本设计中取30%。②据VSS/SS=0.8，△X=167/0.8=208.75kgSS/d单池产泥△Xi=△X/2=208.75/2=104.38kgSS/d③污泥含水率为98%，当含水率＞95%，取，则污泥产量52\n唐山学院毕业设计Ws=∆X/ρS(1-P)=208.75/1000(1-98%)=10.437m3/h单池排泥量Wsi=10.437/2=5.219m3/h采用静压排泥装置，沿矩形池纵向多点排泥，排泥点设在污泥区中上部。污泥排放可采用定时排泥，日排泥设计为一次。3.6SBR池3.6.1参数选取（1）BOD污泥负荷率：一般采用0.1~0.4kgBOD5(kgMLSS·d)-1，设计中取Nv=0.25kgBOD(kgMLSS·d)-1（2）曝气池混合污泥浓度（MLSS浓度）：一般采用1500~5000mg/L，设计中取X=3000mg·L-1（3）反应池数：N=4，反应池水深H=4m，超高0.5m，即总高4.5m。（4）排出比：指每一周的排水量与反应池容积之比，一般采用1/4~1/2,设计中取1/m=1/3（5）活性污泥界面以上最小水深（安全高度）：ε=0.5m（6）设计水量水质设计水质如表3.3表3.3SBR反应器进出水水质指标水质指标CODBOD5SS进水水质(mg·L-1)756498.75243去除率（%）898830出水水质(mg·L-1)83.1659.85170.152\n唐山学院毕业设计3.6.2设计计算（1）反应池运行周期各工序时间计算①曝气时间：式中：Sa进水的BOD5的浓度；NsBOD5的负荷率，设计中取2；X曝气池混合污泥浓度（MLSS浓度）：一般采用1500~5000mg/L，设计中取X=3000mg·L-1②初期沉降速度Vmax=7.4×104×t×X-1.7水温10oC时Vmax=7.4×104×10×3000-1.7=0.908m·s-1水温20oC时Vmax=7.4×104×20×3000-1.7=1.816m·s-1因此，必要的沉降时间为：水温10oC时水温20oC时设计中取TS=2.0h③排出时间沉淀时间在0.87~1.7h之间变化，排出时间2.0h左右，与沉淀时间合计为3.0h。④进水时间TF=2.0h⑤一个周期所需要的时间为Tc≥TA+TS+TD+TF=0.665+2.0+2.0+2.052\n唐山学院毕业设计=6.665h每天周期次数n为n=24/6.665=3.6曝气池的个数故设四个曝气池根据以上结果，1个周期的工作过程：进水2h；曝气3h；沉淀1h；排出3h。（2）平面尺寸计算①每组曝气池容积②曝气池的总高度曝气池的水深为4m,超高取0.5m，则曝气池的总高度为H=4.0+0.5=4.5m③曝气池的平面尺寸式中：F——单组曝气池的面积（m2）H——曝气池的有效水深（m）设计中取L为10m，则B=取B=7.5m（3）需氧量计算①需氧量=0.5×1500×(498.75-59.85)/1000+0.15×337.84×243×30%/1000=329.18KgO2/d式中：Q2——混合液需氧量（KgO2/d）；——活性污泥微生物每代谢1KgBOD所需氧气Kg数，一般采取0.42~0.53之间；52\n唐山学院毕业设计Q——污水平均流量（m3/d）；Sr——被降解的BOD浓度（g/L）；——每1Kg活性污泥每天自身氧化所需要的氧气Kg数，一般采取0.188~0.11；XV——挥发性总悬浮固体浓度（g/L）。②采用鼓风曝气时，需将曝气池的需氧量折算为实际供气量R0=RCS(20)/{αβ*ρCs(T)-C×1.024T-20}=329.18×9.17/{0.82[0.95×1×8.63-2]×1.02430-20}=469.45kgO2/h=5.47m3O2/min式中：R——混合也需氧量（Kg/h）；α——修正系数，高负荷法取0.82；β——氧饱和温度的修正系数，高负荷法取0.95；P——处理厂的大气压，mmHg绝对大气压。（4）布气系统的计算反应池的平面面积为：10×7.5×4=300m2每个扩散器的服务面积取3.5m2，则需300/3.5=85.7个。取88个扩散器，每个池子需22个。（5）污泥产量计算取a=0.6，b=0.075，则污泥产量为：△X=aQSr－bVXv=0.6×1500×（498.75-59.85）/1000-0.075×337.848×4×（0.75×2500）/1000=204.97kgMLVSS·d-1式中：Sr——被降解的BOD浓度（g/L）；XV——挥发性总悬浮固体浓度（g/L）。X=204.97/0.8=256.21kgMLVSS·d-1干泥产量：256.21/1000(1－P)=256.21/1000(1－99%)=25.62m3·d-152\n唐山学院毕业设计3.6.3设备选型（1）鼓风机此设计中选用R系列标准型罗茨鼓风机，其高效节能，转子平衡精度高、震动小；齿轮精度高、噪声低、寿命长；输送气体不受油污染[15]。经计算实际需供气量为5.47m3/min，故由此选RC-80型罗茨鼓风机，转速2000r/min所需轴功率2.3kw，所配电动机功率3kw.（2）曝气机四个池子平均每池曝气量为117.36kg/h，由此，选择PE193泵型高强度表面曝气机，其电动机功率为55kw，清水充氧量为48~130kg/h。（3）滗水器本设计采用XB型旋转滗水器，它适用于各种大中型城市生活污水处理及各类工业水处理，根据计算选用XB-500型滗水器，其出水能力为500m3/h,堰口宽度为5m，滗水可调深度为2.0m[9].3.7污泥浓缩池3.7.1设计参数：（1）污泥固体负荷宜采用25Kg/(m2·d)~80Kg/(m2·d)；（2）浓缩停留时间：浓缩时间不宜小于12h，但也不要超过24h，以防止污泥厌氧腐化，设计中取14h；（3）实验中设两个浓缩池（4）有效水深：一般为4m，最低不小于3m；（5）构造：本设计中浓缩池采用重力浓缩池中的竖流式浓缩池，浓缩池采用水密性钢筋混凝土建造。设污泥排入管、排泥管、排上清液管、排泥管等管道，最小管径采用150mm，一般采用铸铁管。3.7.2设计计算采用重力式浓缩池，浓缩前的污泥含水率p1=99%，浓缩后的污泥含水率p2=97%.（1）设计泥量52\n唐山学院毕业设计啤酒废水处理过程产生的污泥来自以下几部分：SBR反应器：Q1=256.21m3·d-1；UASB反应器：Q2=10.437×24=250.488m3·d-1总污泥量为：Q=Q1+Q2=256.21+250.488=506.7m3·d-1（2）污泥浓度式中:C1——污泥浓缩前的固体浓度（kg/L）；C2——污泥浓缩后的固体浓度（kg/L）。（3）浓缩池面积A式中:A——浓缩池总面积，m2；Q——污泥量，m3/d；C——污泥固体浓度，kg/L；G——浓缩池污泥固体通量，kg/(m2·d)。（4）池的直径D每个池子的面积A=101.34/2=50.67m2取A实=51m2取D实为8.5式中:D——浓缩池直径，m；A实——单池面积，m2。（5）浓缩池高度h152\n唐山学院毕业设计式中：h1——浓缩池工作部分高度，m，一般宜为4m，最低不小于3m；T——设计浓缩时间，h，不宜小于12h，但也不要超过24h,设计中取14h；A、Q——符号意义同上。（6）池子圆锥部分高度h4（7）池子圆锥部分体积V1V1=1/3h4(1/4πD2+1/4πd2+1/4πDd)=1/3×4.225×(1/4×3.14×8.52+1/4×3.14×0.52+1/4×3.14×8.5×0.5)=75.73m3（8）池子高度HH=h1+h2+h3=5.21+0.3+0.5=6.02mH——浓缩池总高度，m；h1——浓缩池工作部分高度，m；h2——浓缩池超高，m；h3——浓缩池缓冲层高度，m，一般为0.3~0.5m。(9)浓缩后污泥体积V2V2=[Q（1-p1）]/（1-p2）=[506.7×（1-99%）]/（1-97%）=168.9m3/d式中：V2——浓缩后污泥体积，m3；p1——进泥含水率，%，设计中取99%；p2——浓缩后污泥含水率，%，设计中取97%；Q——污泥量，m3/d[8]。52\n唐山学院毕业设计3.8污泥脱水间3.8.1设计参数压滤时间取T=4h设计污泥量Q=168.9m3·d-1浓缩后污泥含水率为97%压滤后污泥含水率为75%3.8.2设计计算(1)污泥体积式中Q——脱水后污泥量，m3·d-1；Q0——脱水前污泥量，m3·d-1；P1——脱水前含水率，%；P2——脱水后含水率，%；M——脱水后干污泥重量，kg·d-1。3.8.3污泥脱水设备选型此设计选用带式压榨过滤机，其优点是脱水效率高，处理能力大，连续过滤，性能稳定，操作简单，体积小，重量轻，节约能源，占地面积小。根据计算，选择DYQ-1000A型带式压榨过滤机，其电动机型号JZTY31-4，功率2.2kw,控制器型号JDIA-40，处理能力50~500kg/h·m2,泥饼含水率65~75%[9]。污泥脱水后形成泥饼用小车运走，分离液返回处理系统前端进行处理。3.9清水池3.9.1参数选择参数选择：清水池超高为0.5；3.9.1平面尺寸计算①清水池的有效容积V=kQ=0.1×1500=150m352\n唐山学院毕业设计设计中取k=10%②清水池的平面尺寸取清水池的宽度B为6m则清水池长度L为:清水池超高h1取为0.5m，清水池总高H:H=h1+h=5.0+0.5=5.5m4平面及高程布置4.1平面布置平面布置原则如下[10]：（1）处理构筑物的布置应紧凑，节约用地并便于管理。（2）处理构筑物应尽可能地按流程顺序布置，以避免管线迂回，同时应充分利用地形，以减少土方量。（3）经常有人工作的建筑物如办公，化验等用房应布置在夏季主风向的上风一方，在北方地区，并应考虑朝阳。（4）在布置总图时，应考虑安排充分的绿化地带，为污水处理厂的工作人员提供一个优美舒适的环境。（5）总图布置应考虑远近结合，有条件时，可按远景规划水量布置，将处理构筑物分为若干系列，分期建设。（6）构筑物之间的距离应考虑敷设管渠的布置，运转管理的需要和施工的要求，一般采用5到10米。（7）污泥处理构筑物应尽可能布置成单独的组合，以策安全，并方便管理。（8）变电站的位置应设在耗电量大的构筑物附近，高压线应避免厂内架空敷设。（9）污水厂内管线种类很多，应综合考虑布置，以免发生矛盾，污水和污泥管道应尽可能考虑重力自流。（10）如有条件，污水厂内的压力管线和电缆可合并敷设在一条管廊或管沟内，以利于维护和检修。52\n唐山学院毕业设计（11）污水厂内应设超越管，以便在发生事故时，使污水能超越一部分或全部构筑物，进入下一级构筑物。（12）构筑物布置应注意风向和朝向将排放异味、有害气体的构建筑物布置在居住与办公场所的下风向；为保证良好的自然通风条件，构筑物布置应考虑主导风向。平面布置图见A3图第1页4.2高程布置4.2.1高程布置原则如下：　（1）选择一条距离最长，水头损失最大的流程进行水力计算，并适当留有余地以保证在任何情况下，处理系统都能够运行正常。（2）计算水头损失时，应以近期最大流量作为构筑物和管渠的设计流量；计算涉及远期流量的管渠和设备时，应以远期最大流量为设计流量，并酌加扩建时的备用水头。（3）避免处理构筑物之间跌水等浪费水头的现象，充分利用地形高差，实现自流。在计算并留有余量的前提下，力求缩小全程水头损失及提升泵站的流程，以降低运行费用；需要排放的处理水，常年大多数时间里能够自流排放水体。注意排放水位不可选取每年最高水位，因为其出现时间较短，易造成常年水头浪费，因此选取经常出现的最高水位为排放水位。（4）设置终点泵站的污水处理厂，水力计算常以接纳处理后污水水体的最高水位作为起点，逆污水处理流程向上倒退计算，以使处理后污水在洪水季节也能自流排出，而水泵需要的扬程则较小，运行费用也较低。（5）在作高程布置时还应注意污水流程与污泥流程的配合，尽量减少需抽升的污泥量。在决定污泥干化场，污泥浓缩池等构筑物的高程时，应注意它们的污泥水能自动排入污水入流干管或其它构筑物的可能。4.2.2水头损失计算根据废水量Q=1500m3/d=17.36L/s，所以选择管径为100mm的硬聚氯乙烯管作干管，查得水力手册得：v=2.10m/s，1000i=36.08；UASB进出水支管废水量量Q=17.36/3=5.79L/s,所以选择管径为50mm的硬聚氯乙烯，得水力手册得：v=2.20m/s，1000i=78.91。SBR进出水支管废水量是Q=17.36/4=4.34L/s,所以选择管径为50mm的硬聚氯乙烯管，查得水力手册得：v=1.67m/s，1000i=48.34[15]。52\n唐山学院毕业设计（1）格栅水头损失通过格栅的水头损失一般为0.08~0.15m,此处选择H1=0.15m。（2）格栅到调节池水头损失在此设计中，调节池的水头损失取h2=0.3m。故H2=0.3m（3）调节池到气浮池在此段，设计管道长度10m。所以此干管水头损失h1为：h1=iL（1+0.3）/1000=36.08×10×（1+0.3）/1000=0.4690m在此设计中构筑物气浮池的水头损失h2=0.3m。H3=h1+h2=0.4609+0.3=0.7609m（4）气浮池到UASB在这段干管管长L=10m,支管废水水量Q=17.63/3=5.79L/s,管长L=2.0m。所以进水管的水头损失h1为：h1=h沿1+h局1式中：H沿1干管管道的沿程损失，m;h沿1=i进1Lh局1干管管道的局部损失，m取局部损失为沿程损失的0.3倍，所以：h1=iL（1+0.3）=36.08×10.0×（1+0.3）/1000=0.4690m支水管的水头损失h2为：h2=h沿2+h局2式中：h沿2——支管管道的沿程损失，m；h沿2=i进2L；h局2——支管管道的局部损失，m取局部损失为沿程损失的0.3倍，所以：h2=iL（1+0.3）52\n唐山学院毕业设计=78.91×2.0×（1+0.3）/1000=0.2052m构筑物UASB的水头损失取为h3=0.3m所以总水头损失为：H4=h1+h2+h3=0.4690+0.3+0.2052=0.9742m（5）UASB-SBR在这段，干管管长L=8.0m。UASB出水支管管长L=2.0m。SBR池进水支管管长L=2.0m。所以进水干管的水头损失h1为：h1=h沿+h局=iL（1+0.3）=36.08×8×（1+0.3）/1000=0.3752m支水管的水头损失h2为：h2=h沿2+h局2=IUL（1+0.3）+iSL（1+0.3）=78.91×2.0×（1+0.3）/1000+48.34×2.0×（1+0.3）/1000=0.3309m构筑物SBR的水头损失取为h3=0.3m所以总水头损失为：H5=h1+h2+h3=0.3572+0.3+0.3309=0.9881m（5）SBR池-清水池在这段干管管长L=5.0m；SBR池支管废水量量Q=17.36/4=4.34L/s,管长L=2.0m所以进水管的水头损失h1为：h1=h沿+h局=iL（1+0.3）/1000=36.08×5×（1+0.3）/1000=0.2345m52\n唐山学院毕业设计支水管的水头损失h2为：h2=h沿2+h局2=iSL（1+0.3）/1000=48.34×2×（1+0.3）/1000=0.1257m构筑物SBR池的水头损失取为h3=0.5m所以总水头损失为：H6=h1+h2+h3=0.2345+0.1257+0.5=0.8602m（6）清水池-出厂管在这段干管管长L=20.0m；所以进水管的水头损失h1为：h1=h沿+h局=iL（1+0.3）/1000=36.08×20×（1+0.3）/1000=0.9381m构筑物清水池的水头损失取为h2=0.3m所以总水头损失为：H7=h1+h2=0.9381+0.3=1.2381m（7）UASB到污泥浓缩池水头损失UASB产泥量为250.488m3/d，即2.899L/s，查水力手册，选DN=40mm的硬聚氯乙烯管，v=1.74,1000i=69.77。在设计中设UASB到污泥浓缩池的距离为15m,则水头损失HUASB-泥为：H泥1=iL=15×69.77×(1+0.3)/1000=1.36m浓缩池本身水头损失为0.2m故HUASB-泥=1.36+0.2=1.56m(8)SBR到污泥浓缩池水头损失SBR产泥量为256.21m3/d,即2.96L/s，查水力手册，选DN=40mm的硬聚氯乙烯管，v=1.81,1000i=74.10。在本次设计中取SBR到污泥浓缩池的距离为10m，则水头损失HSBR-泥为：H泥2=iL52\n唐山学院毕业设计=10×74.10×(1+0.3)/1000=0.9633m污泥浓缩池本身的水头损失为0.2m,故HSBR-泥=0.9633+0.2=1.1633m4.3高程计算(1)取出厂水管高度为H8=1.7m则提升泵之前总水头损失为H1+H2=0.15+0.3=0.45m提升泵之后的总水头损失为H3+H4+H5+H6+H7=0.7609+0.9742+0.9881+0.8602+1.2381=4.8215出水管的水位：1.7m清水池的水位：2.9381SBR池的水位：3.7983mUASB反应器的水位：4.7864m气浮池池的水位：5.7606m调节池的水位：-1.2m栅前水位：-0.75m(2)污泥浓缩池高程计算：UASB到污泥浓缩池水头损失为1.56m，按计算浓缩池高度为4.7864-1.56=3.2264m;SBR到污泥浓缩池水头损失为1.1633m，按计算浓缩池高度为3.7983-1.1633=2.635m，故污泥浓缩池水位为2.635m。高程图见A3图第二页。5部分设备的选择5.1泵的选择5.1.1选泵原则以最大流量为基准选泵。选泵时，水泵的型号不宜过多，最好选用同一型号，在必须大小泵搭配时，其型号也不宜超过两种，对于不同功能的泵站，选泵时考虑的侧重点不同，一般归纳如下：52\n唐山学院毕业设计（1）大小兼顾，调配灵活在用水量和所需的水压变化较大的情况下，选用性能不同的水泵的台数越多，越能适应用水量变化的要求，浪费的能量越少。（2）型号整齐，互为备用从泵站运行管理与维修检修的角度来看如果水泵型号太多则不便于管理。一般希望能选择同型号的水泵并联工作，这样无论是电机，电器设备的配套与储存，管道配件的安装与制作均会带来很大不便。（3）合理的用尽各水泵的高效段单级双吸式离心泵是给水工程中常用的一种离心泵。它门的经济工作范围一般在0.85Q~1.15Q之间。选泵时应充分利用各水泵地高效段近远期相结合的观点在选泵过程中应给予相当的重视。5.1.2计算选泵（1）污水泵的选择用两台泵（一台备用），水泵的流量为Q=62.5m3/h；水头总扬程为H=6.9606m选用100QW-70-7-3型泵，其流量Q为70m3/h，扬程H为7m，电机功率3kW，配用两台电机（一台备用），型号为Y112M-4，N=4KW，满足要求[14]。（2）经重力浓缩池的污泥属于高粘度污泥，高粘度污泥用泵的特点是要求提吸能力高，污泥不能流入泵内，一般选用单螺杆泵。经浓缩池后污泥的流量为Q=168.9m3/d=7.04m3/h,所以选用两台单螺杆泵（一台备用），其型号为EH600，流量Q=7.5m3/h,转速244r/min,压力0.2Mpa,功率为0.82KW,配用两台电机（一台备用）,型号为YCJ71,N=2.2KW，满足要求。5.2风机的选择采用多孔管鼓风曝气供氧:调节池需气量：Qt=125m3/h；气浮池所需气量：Qs=0.165m3/hSBR池所需气量：式中:52\n唐山学院毕业设计EA——空气扩散器的氧转移率，设计中取12%总的供气量：Q=Qt+Qs+Gs=125+0.165+9116.67=9241.86m3/h3池合用2台鼓风机。此外，另设备用鼓风机1台。1台的空气曝气量为:G=Q/2=9241.86/2=4620·93·h-1=77.02m3/min机型选取：采用型号为RF-245的标准型罗茨鼓风机，其进口流Qs=83m3·min-1，轴功率为183KW，所配电机功率为200KW[14]。5.3脱水机的选择此设计选用带式压榨过滤机，其优点是脱水效率高，处理能力大，连续过滤，性能稳定，操作简单，体积小，重量轻，节约能源，占地面积小。根据计算，选择DYQ-1000A型带式压榨过滤机，其电动机型号JZTY31-4，功率2.2kw,控制器型号JDIA-40，处理能力50~500kg/h.m2,泥饼含水率65~75%[14]。52\n唐山学院毕业设计6结论此次设计采用“UASB+SBR”工艺去除有机物，将UASB和SBR两种处理单元进行组合，所形成的处理工艺突出了各自处理单元的优点，使处理流程简洁，节省了运行费用，而把UASB作为整个废水达标排放的一个预处理单元，在降低废水浓度的同时，可回收所产沼气作为能源利用。同时，由于大幅度减少了进入好氧处理阶段的有机物量，因此降低了好氧处理阶段的曝气能耗和剩余污泥产量，从而使整个废水处理过程的费用大幅度减少。采用该工艺既降低处理成本，又能产生经济效益。并且UASB池正常运行后，每天产生大量的沼气，将其回收作为热风炉的燃料，可供饲料烘干使用。UASB去除COD达7500kg/d，以沼气产率为0.5m3/kgCOD计算，UASB产气量为3500m3/d(甲烷含量为55%～65%)。沼气的热值约为22680kJ/m3，煤的热值为21000kJ/t计算，则1m3沼气的热值相当于1kg原煤，这样可节煤约4t/d左右，年收益约为39.6万元。所以本设计采用“UASB+SBR”的方法，使啤酒废水的处理出水水质达到在废水处理后满足污水排放Ⅰ级要求，设计出水水质:COD为83.16mg/L，BOD为59.85mg/L，SS浓度为170.1mg/L，PH为6~9。52\n唐山学院毕业设计谢辞本次设计是在高秀媛老师的悉心指导下完成的，她在设计过程中给了我很大的帮助，帮助我解决了许多实际问题，在此首先对高老师致以诚挚的谢意。在还没有开始做设计时，高老师就亲自带领我们去图书馆借文献资料，在做设计的过程中我们遇到了许多难题，高老师也都一一给予解释并耐心指导，使我能够顺利的完成本次设计。设计结束后，高老师又在百忙之中为我们修改毕业设计，帮我们找出设计中的缺点和不足，精益求精。高老师渊博的知识、严谨的科研态度、敏锐的学术思想、豁达的人格魅力深深地影响着我，让我在枯燥的学习期间感受到来自于指导老师的关怀。在将来的人生及事业道路上我会永远铭记高老师的教诲，有幸受教于高老师使我一生受益。在此特向高老师表示衷心的感谢和崇高的敬意！可以说本次设计是老师和我们共同完成的，老师经验丰富，给我们很多指导，使我们在设计过程中少走了许多弯路。设计的过程就是一个知识不断积累、综合运用的过程。高老师的讲解更加激励我们要不断的学习。在设计中，我们不仅学到了很多课本中学习不到的知识，而且提高了自己的动手能力，得到了巨大的收获。今后，我将继续努力，争取把在这次设计中学到的知识运用到工作和学习当中，努力发扬吃苦耐劳的精神，争取获得更大进步。由于时间仓促自己水平也有限，设计中难免会存在很多不足之处，恳请各位老师批评指正。最后，对各位老师的耐心指导再次表示感谢！并祝各位老师在今后的工作里工作愉快!阖家欢乐!52\n唐山学院毕业设计参考文献[1]《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）[2]《污水综合排放标准》（GB8978-1996）[3]北京水环境技术与设备研究中心、北京市环境保护科学研究院、国家城市环境污染控制工程技术研究中心.三废处理工程技术手册（废水卷）.北京：化学工业出版社，2000，[4]汪大翚、徐新华、赵伟荣化工环境工程概论.第三版北京:化学工业出版社,2010[5]张自杰主编.排水工程（下册）.北京:中国建筑工业出版社,2000[6]赵庆良，刘雨废.水处理与资源化新工艺.北京:中国建筑工业出版社,2006[7]高廷耀，顾国维.水污染控制工程.北京;高等教育出版社,1999[8]韩洪军，杜茂安.水处理工程设计计算.北京;中国建筑工业出版社,2006[9]中国市政工程西北设计研究院.给水排水设计手册第11册常用设备第二版.北京：中国建筑工业出版社，2002[10]中国市政工程西北设计研究院.给水排水设计手册第6册工业排水第二版.北京：中国建筑工业出版社，2002[11]中国市政工程西北设计研究院.给水排水设计手册材料设备续册3.北京：中国建筑工业出版社，2002[12]蒋白懿，李亚峰.给水排水管道设计计算与安装.北京：化学工业出版社，2005[13]严道岸，实用环境工程手册水工艺与工程.北京：化学工业出版社，2002[14]上海市政工程设计研究院.给水排水设计手册第9册专用机械第二版.北京：中国建筑工业出版社，2000[15]中国市政工程西南设计研究院.给水排水设计手册第1册常用资料第二版.北京：中国建筑工业出版社[16]HulshoffPolLW.UASBandbreweryeffluent.WaterSci.&Tech.1993,26(9):291-30452\n唐山学院毕业设计附录附表1构筑物序号工程名称数量(个)主要参数1格栅1栅条间隙0.01m2事故池115m×10m×5.5m2调节池112.5m×12.5m×5.3m3气浮池12.8m×1.8m×2.5m4UASB池39m×9m×6m5SBR池410m×7.5m×4.5m6清水池15.5m×5m×6m7污泥浓缩池2φ=8.5m8污泥脱水机房15.5m×5.5m×5.0m9鼓风机房15.4m×5.5m×5.0m52\n唐山学院毕业设计附表2主要设备设备名称型号详细规格数量(台)备注1污水泵（污水）100QW-70-7-3Q=70m3/h，H=7m，N=3KW2一用一备2电动机Y112M-4N=4KW2一用一备3空压机Z-0.036/7排气量0.036m3/min,转速850r/min2一用一备4表面曝气机PE193清水充氧量48~130kg/h,电动机功率55kw2一用一备5滗水器XB-500出水能力500m3/h,2L=5m,H=2m1_5罗茨风机RF-245Qs=83m3·min-1，La=183KW，Po=200KW。3两用一备6电动机Y630-8N=400KW2一用一备7单螺杆泵EH375Q=5.0m3/hN=0.7KWn=288r/min2一用一备8电动机YJC71N=1.5KW2一用一备9带式压滤机DYQ-1000A滤网有效宽1000mm滤速4m/min2一用一备10电动机JZTY31-4N=2.2KW2一用一备52\n唐山学院毕业设计外文文献Electricitygenerationandbrewerywastewatertreatmentfromsequentialanode-cathodemicrobialfuelcellAbstractAsequentialanode-cathodedouble-chambermicrobialfuelcell(MFC),inwhichtheeffluentofanodechamberwasusedasacontinuousfeedforanaeratedcathodechamber,wasconstructedinthisexperimenttoinvestigatetheperformanceofbrewerywastewatertreatmentinconjugationwithelectricitygeneration.Carbonfiberwasusedasanodeandplaincarbonfeltwithbiofilmascathode.Whenhydraulicretentiontime(HRT)was14.7h,arelativelyhighchemicaloxygendemand(COD)removalefficiencyof91.7%–95.7%wasachievedunderlong-termstableoperation.TheMFCdisplayedanopencircuitvoltageof0.434Vandamaximumpowerdensityof830mW/m3atanexternalresistanceof300Ω.ToestimatetheelectrochemicalperformanceoftheMFC,electrochemicalmeasurementswerecarriedoutandshowedthatpolarizationresistanceofanodewasthemajorlimitingfactorintheMFC.SinceahighCODremovalefficiencywasachieved,weconcludethatthesequentialanode-cathodeMFCconstructedwithbio-cathodeinthisexperimentcouldprovideanewapproachforbrewerywastewatertreatment. 1INTRODUCTIONThebreweryindustrydischargeslargevolumesofhighlypollutingeffluentsthroughouttheyear(Braekenetal.,2004;Parawiraetal.,2005).Traditionaltreatments,suchasaerobicsequencingbatchreactorandup-flowanaerobicsludgeblanketreactor,requireahighenergyinputandarethuscostly.Newapproachesforwastewatertreatmentwhichnotonlyreducecostbutalsoproduceusefulside-productshaverecentlyreceivedincreasingattention.Themicrobialfuelcell(MFC)technologyoffersavaluablealternativetoenergygenerationaswellaswastewatertreatment.MFCisadevicetotreatwastewaterandproduceelectricityatthesametime(Bennetto,1984;HabermannandPommer,1991).Avarietyofreadilydegradablecompoundssuchasglucoseandacetate,andvarioustypesofwastewatersuchasdomestic,starchingandpaperrecyclingplantwastewater,haveoperatedsuccessfullyas52\n唐山学院毕业设计substrateinMFC(Melhuishetal.,2006;Freguiaetal.,2007;KargiandEker,2007;LiuandLi,2007;MinandAngelidaki,2008;Venkata-Mohanetal.,2008).Mostcouldachieveaconsiderablechemicaloxygendemand(COD)removalefficiencyaccompaniedwithelectricitygeneration.Amongthesestudies,landfillleachatewastreatedusingMFCatahydraulicretentiontime(HRT)of18.7h,andbiologicaloxygendemand(BOD)decreasedfrom630to269mg/Lwithalowpowerdensityof1.35mW/m2(Greenmanetal.,2009).Acomparableresultof80%inCODremovalefficiencywasobtainedbyLiuetal.(2004)usingdomesticwastewater,accompaniedwithamaximumelectricalpowerof26mW/m2.Currently,abioticcathodesarethemostcommonlyusedcathodesinMFCs,whichcompletethecircuitaselectronacceptors,butdonotperformdirectwastewatertreatment.Sinceconcentrationsoforganicmattersafteranaerobictreatmentinanodechamberarerelativelyhigh,deepaerobictreatmentisexpectedtodegradewastewaterfurthertoachievethewastewaterdischargestandard.ItisnoticeablethatMFCisacombinedsystemwithanaerobicandaerobiccharacteristics.Itcanberegardednotonlyasananaerobictreatmentprocessinanodechamber,butalsoacompleteunitwithanaerobictreatmentprocessinthecathodechamber.Consequently,acombinationofanaerobic-aerobicprocesscanbeconstructedusingadouble-chamberedMFC,inwhicheffluentofanodechambercouldbeuseddirectlyastheinfluentofthecathodechambersoastobetreatedfurtherunderaerobicconditiontoimprovewastewatertreatmentefficiency.Freguiaetal.(2008)haveconstructedasequentialanode-cathodeMFCtotreatartificialwastewater,andreportedthatthisconfigurationcouldimprovecathodicoxygenreductionandeffluentqualityofMFCs.Inthisexperiment,brewerywastewatertreatmentusingsequentialanode-cathodeMFC,inwhichtheeffluentofanodechamberwasusedasacontinuousfeedforanaeratedcathodechamber,wasstudied.DegradationoforganicmatteroftheMFCwasinvestigatedunderlong-termstableoperation.PeakperformanceoftheMFCwasmonitoredbypolarizationcurves.Electrochemicalmeasurements,includingTafelplotsandelectrochemicalimpedancespectroscopy(EIS),werecarriedouttoanalyzethecharacteristicsonpolarizationbehavioroftheelectrodesanddischargeresistancesoftheMFC.2.MATERIALSANDMETHODS52\n唐山学院毕业设计2.1.MicrobialfuelcellconstructionMFCwasconstructedbytwoplexiglasrectangularchambers(6cm×5cm×6cm,eachwithaliquidworkingvolumeof0.1L)separatedbyaprotonexchangemembrane(PEM)(Nafion117,DupontCo.,USA),whichwaspretreatedaccordingtotheprocedurereportedbyYoshitakeetal.(1996)toincreasetheporosityandstoredindeionizedwaterpriortouse.Anodewasmadeofthreeparallelgroupsofcarbonfibers,whichwerewoundontwographiterods(Φ8mm,5cmlong)toform3-sheetstructures(4cm×3cm);plaincarbonfelt(6cm×6cm,3mmthick)(QijieCarbonMaterialCo.,Shanghai,China)withbiofilmwasusedascathode.Anaeratorwasinsertedinthebottomofcathodechambertosupplyairwithanaquariumpumpandprovidemixing.Bothanodeandcathodechamberswereconstructedwithawaterinletandoutletoneachside,whilesixelectrodetipjacks(formingadoubleline)withadiameterof9mmweresetuponthetop.Connectionsbetweentwoelectrodesweremadewithcopperwiresthrougharheostat(0.1–9999Ω).2.2.CultureandoperationAnaerobicallymixedsludgefromHarbinbrewery(Heilongjiang,China)wasusedasinoculumintheanodechamberoftheMFCforelectricitygeneration;aerobicsludgewascollectedfromasequencingbatchreactor(SBR)(usedtotreatglucoseartificialwastewater)inourlab.Then20mlofthisaerobicsludgewasinjectedintothecathodechamberasinoculum.Rawbrewerywastewaterwasusedassubstrateofanode.TheMFCwasoperatedincontinuousflowatroomtemperature[(24±4)°C].Rawbrewerywastewaterwasfedbyaperistalticpump(LongerBT100-1J,China)totheanodechamber,ofwhichtheup-flowratewas13.6ml/h,correspondingtoanHRTof7.35h.Effluentofanodewasconnectedbyabeaker,andthenitwaspumpedintothecathodechamberwiththesameflowrate,whichkeptanHRTof7.35h.ThustheoverallHRTofthissystemwas14.7h.2.3.AnalyticalmethodsCODmeasurementswereconductedusingstandardmethods,theclosedrefluxmethod(Wei,2002).Voltage(U)yieldedfromMFCforlongtimeoperationwasrecordedautomaticallybyacomputeratanintervalof3minandconvertedtopower52\n唐山学院毕业设计density,accordingtoP(W/m3)=1000U×j×A/0.1orP(W/m2)=U×j,wherejiscurrentdensity(A/m2),whichiscalculatedbyj=U/(R×A)basedonexternalresistanceR(Ω)andprojectedsurfaceareaofcathodeoranodeA(m2),1000isbasedontheunitchange,and0.1denotesthevolumeofanolyte(L).AdigitalvoltmeterwasusedagainstasaturatedAg/AgClreferenceelectrodetomeasureelectrodepotentials.Polarizationcurveswereobtainedbyplottingpotentialandpowerdensityagainstcurrentdensityatvariableresistancepoints(9000to10Ω)duringstabilizedMFCoperationeveryonehouraftereachresistanceloadwaschanged.ToestimatetheelectrochemicalperformanceoftheMFC,electrochemicalmeasurements,includingTafelplotsandEIS,wereperformedwithapotentiostat(CHI604B,ChenghuaInstruments,Shanghai,China).Tafelplotswerescannedatarateof0.1mV/s,whileEISwasmeasuredatafrequencyrangeof0.01–105Hzwithamplitudeof0.005V,whichisshowninNyquistplots(BarsoukovandMacdonald,2005).3.RESULTSANDDISCUSSION3.1.BioelectricityproductionduringstartupperiodoftheMFCBeforeanodeinoculation,thecathodewaspretreatedinaerobicsludgeforbiofilmgrowthforonemonth(datanotshown).Thereafterrawbrewerywastewaterwaspumpedcontinuouslyintoanode,ofwhichtheeffluentwasusedassubstrateofcathode.Cellvoltagewasrecordedbyacomputer,whileelectrodepotentialswererecordedevery12hbyadigitalvoltmeteragainstasaturatedAg/AgClreferenceelectrode.Followingsequentialconnectionofanodeandcathode,anincreaseinperformanceoftheMFCoccurred(Fig.(Fig.2).2).Afteratransitorylagperiod,anodepotentialdecreasedsharplyfrom−155to−300mVbetweenDays3and4,whilecellvoltageincreasedfrom21to68mV.Sincetheanodematerialhasbeenusedinpreviousexperimenttotreatbrewerywastewaterusingasingle-chamberedMFC(Wenetal.,2009)for5months,itsuggeststhattheactivityofanaerobicbiofilmattheanodemaintainedwellandrecoveredfast.After13dofstartup,theMFCperformedarelativelystablevoltageofabout60mVatanexternalresistanceof100Ω,accompaniedwithapowerdensityof0.36W/m3.3.2.WastewatertreatmentoftheMFCduringlong-termstableoperation52\n唐山学院毕业设计Afteraperiodofstablecontinuousoperation,thewastewatertreatmentperformanceofthesequentialanode-cathodeMFCwithdirectairspargingwasmonitoredat100Ωforaweek.Bothanodeandcathodechamberswerecontinuouslymonitoredforsubstrate(asCOD)removaltoevaluatethepotentialoftheMFCtoactasananaerobic-aerobicwastewatertreatmentunit(Table(Table2).2).Datashowedthat,asinfluentCODfluctuatedbetween1249and1359mg/Lcorrespondingtoorganicloadingrates(OLRs)of4.08–4.43kgCOD/(m3·d),overallremovalefficienciesof91.7%–95.7%[3.87–4.24kgCOD/(m3·d)forsubstratedegradationrates,SDRs]wereachieved,whilecontributionsofanodechamberwere45.6%–49.4%[1.86–2.12kgCOD/(m3·d)forSDRs],whichaccountforaboutahalfproportion.Wangetal.(2008)investigatedtheperformanceofanair-cathodeMFCtreatingbrewerywastewateratanHRTof60h,andfoundaCODremovalof79%wasobtainedwhenbrewerywastewaterconcentrationwas1333mgCOD/L.Comparedwiththat,sequentialanode-cathodeMFCinthisexperimentcangreatlyimprovetheeffluentqualityatamuchlowerHRT.Thesequentialsysteminthisstudyshoweditspotentialforsubstrateremovalinbothanodeandcathode,indicatingthatsequentialanode-cathodeMFChasawellcapacityinbrewerywastewatertreatment.3.3.ElectricityproductiondeterminedbypolarizationcurvesThefeasibilityofpowergenerationinconjugationwiththewastewatertreatmentwasdocumentedbymeasuringvoltageandpoweroutput.Peakperformancewasdeterminedbypolarizationcurvesobtainedatdifferentresistances(10–9000Ω)wheninfluentCODofanodewas1249mg/L.Withanopencircuitvoltageof0.434V,amaximumpowerdensityof830mW/m3(23.1mW/m2vs.cathodicarea,7.5mW/m2vs.anodicarea)wasachievedatanexternalresistanceof300Ωinthisexperiment.Datashowedthatthepoweroutputofthesequentialanode-cathodeMFCinthisexperimentwasquitelow,mostlikelyduetoamuchhigherinternalresistance(300Ω,theexternalresistanceatthemaximumpoweroutput),whichisaccordancewiththeresultofIeropoulosetal.(2008).Furthermore,itwassaidthatexcessiveCODenteringthecathodecouldeventuallyrestrictoxygensupplytothecathodicbiofilmandhencepreventelectricitygeneration,whichwascausedbythegrowthofaerobicheterotrophs.SincetheinfluentCODofcathodeinthisstudywas650–710mg/L,whichcanbeconsideredrelativelyhigh,theinferiorelectrochemicalperformanceoftheMFCmaybeduetotheexcessiveCODenteringthecathode.Inaddition,thelowcathodicopencircuit52\n唐山学院毕业设计potentialof−0.034VinthisexperimentalsoindicatedasignofincipientCODcarry-over.Therefore,theperformanceofthissequentialanode-cathodeMFCcanbefurtherimprovedbyoptimization.3.4.Electrochemicalevaluation3.4.1.PolarizationbehavioroftheelectrodesSincethepowerproducedfromtheMFCwaslow,electrochemicalmeasurementsincludingpolarizationbehavioroftheelectrodes(Tafelplots)andEISwerecarriedouttoestimatetheelectrochemicalperformanceofindividualelectrodeandthecell.Electrodepotentialsweregeneratedduringthecontinuousoperationusingapotentiostatvs.astandardAg/AgClreferenceelectrode.TheMFCwasfirstrunatopencircuitfor10htoachieveasteadyopencircuitvoltageandsubsequentlytheMFCvoltagewaschangedwiththepotentiostatatthescanrateof0.1mV/s.Afteraninitiallagperiodofoverpotential,theTafellinesbecamelinear.BasedontheTafelequation,theX-axisinterceptisthelogarithmoftheexchangecurrentdensities(lnj0),andthustheexchangecurrentdensities(j0)of0.1283and0.5499A/m2werecalculatedforanodeandcathode,respectively.Sincej0representsthe‘rateofexchange’betweenthereactantandproductstatesatequilibrium,ahighervalueofj0meansafasterreactionrate,followingaloweractivationenergybarrierofforwardreaction.Datashowedthatj0ofcathodeismorethanfour-foldoftheoneofanode,concludingthatreactionatcathodewasmuchfasterthanthatatanodeinthesequentialanode-cathodeMFC.3.4.2.DischargeresistanceanalyzedbyelectrochemicalimpedancespectroscopyEISmeasurementwascarriedouttocomparethecharacteristicsofdischargeresistancesoftheanode,cathodeandcellunderrawwastewater.Theoverallresistancewascomposedofpolarizationresistanceoftheelectrode(includingactivationanddiffusionresistances)andohmicresistance(RΩ),whichcontainstheohmiccontributionsoftheelectrodes,theanolyteandcatholyte,andthemembrane(Aswinetal.,2008).Thepictureshowsthatthedischargeresistanceofcathodeislowerthanthatofanode,whichisaccordancewiththeresultofTafelplots. 4.CONCLUSION52\n唐山学院毕业设计Performanceofsequentialanode-cathodeMFCfromrawbrewerywastewaterwasinvestigatedinthisexperiment.WithanHRTof14.7h,asteadyCODremovalefficiencyof91.7%–95.7%[3.87–4.24kgCOD/(m3·d)forSDR]wasachievedatanexternalresistanceof100Ω.Peakperformanceofelectricitygenerationwasdeterminedbypolarizationcurves,andanopencircuitvoltageof0.434Vandamaximumpowerdensityof830mW/m3(23.1mW/m2vs.cathodicarea,7.5mW/m2vs.anodicarea)wereobtainedatanexternalresistanceof300Ω.Moreover,electrochemicalmeasurementswerecarriedouttoevaluatetheperformanceofindividualelectrodeandcell.ResultsofTafelplotsandEISshowedthatpolarizationresistanceofanodewasthemajorlimitedfactorintheMFC.Sincebio-cathodewasusedintheMFC,withoutanynoble-metalcatalysts,thecostofthewholesystemcanbereduced.WithahighCODremovalefficiency,itisconcludedthatthesequentialanode-cathodeMFCconstructedwithbio-cathodeinthisexperimentcouldprovideanewapproachforbrewerywastewatertreatment.52\n唐山学院毕业设计外文翻译用连续性阴极阳极微生物燃料进行电池发电和啤酒厂废水处理摘要一种阳极室的污水被用于曝气阴极室进行连续进料的连续阳极阴极双室微生物燃料电池（MFC）在啤酒厂废水处理中被建造用来进行共轭发电。在电池中碳纤维被用作阳极，纯碳作为阴极生物膜。当水力停留时间（HRT）为14.7h时，COD浓度较高的废水在相对运行较稳定的情况下可获得91.7%~95.7%的去除率。MFC在外接电阻为300Ω时可显示0.434V的循环开路电压和830mW/m3的最大功率密度，估计MFC的电化学性能，进行电化学测量表明，阳极极化电阻是MFC的主要限制因素。由于高COD去除率达到了，我们得出这样的结论：连续阳极阴极MFC在这个实验中生物阴极的构造可以提供啤酒废水处理的新方法。1.简介啤酒厂工业每年都产生很大体积的高浓度废水，（Braeken等人，2004年，。Parawira等，2005）。传统的处理工艺例如续批式活性污泥法（SBR）和上流式厌氧污泥床反应器（UASB）都需要高能量输入因此耗费较大。最近，废水处理的新方法不仅降低了成本，而且产生了有用的副产品，因此越来越受到大家的重视。微生物燃料电池（MFC）为能源发电以及废水处理提供了一种有价值的选择。MFC是一种既能处理废水同时又能生产电力的设备（Bennetto，1984年;赫伯曼和波默，1991）,各种易于降解的化合物，如葡萄糖和醋酸，还有各种类型废水例如生活污水、制浆废水及造纸厂废水都成为MFC成功运转的模板。（Melhuish等人，2006年Freguia等人，2007年已成功运作;2007年，kargi和艾克刘，李，2007;敏和Angelidaki2008;Venkata-Mohan等，2008）。最能收获的是值得考虑的COD去除率和发电。在这些研究中，当水力停留时间（HRT）为18.7h时，用MFC来处理垃圾渗滤液只在1.35mW/m2的低功率下就能使生物需氧量（BOD）从630mg/L降到290mg/L（林格曼等人，2009年）。刘等通过比较得出了80%的COD去除率（2004年），在生活污水的利用上则得到了一个26mW/m2的最大电力。目前，非生物阴极是生物燃料电池中最常用的电极，它作为电子受体是完全开路的，但是不直接用来进行废水处理。由于在阳极室的厌氧处理后有机物质的浓度相对较高，因此预计进行深度好氧处理，以进一步降低废水浓度以达到废水排放标准。值得注意的是，MFC是一个同时具有厌氧和好氧特征的综合系统。它不仅可以被看作可在阳极室进行厌氧处理过程，也可以在阴极室进行好氧处理过程的一个完整的单元。因此，厌氧-好氧工艺互相结合，可以使用双腔MFC，在阳极室的污水可直接用于作为阴极室进水，从而在有氧条件下，进一步提高污水处理效率。freguia等人（2008年）制造连续阳极阴极MFC来处理人工废水，并报告说，这种配52\n唐山学院毕业设计置可以提高阴极的还原性能及燃料电池处理的出水水质。在这个实验中，对使用连续MFC阳极阴极处理啤酒废水进行了研究，阳极室对污水进行曝气同时阴极室进行连续进料。人们研究了MFC在长期稳定运行的情况下对有机物的降解，对MFC的极化曲线的峰值性能进行了监测，电化学测量，包括Tafel图和电化学阻抗谱（EIS），都被用来进行分析MFC的极化电极和放电电阻的行为特征。2.材料和方法2.1微生物燃料电池的制作MFC是由两块有机玻璃构建成的（6厘米×5厘米×6厘米，每0.1升液体量）由质子交换膜（PEM）（美国杜邦公司的Nafion117，）分开，这是理根据Yoshitake等报告的程序进行预处理，（1996年），以达到在使用前就增加孔隙度和去离子水储存能力。阳极是由碳纤维，其中两个石墨棒（Φ8毫米，长5厘米）的伤口，形成3表结构（4厘米×3厘米）的三个平行组;纯碳毡（6厘米×6厘米，3毫米厚），生物膜（棋界碳素材料有限公司，上海，中国）作为阴极。在阴极室底部加一个水族馆泵提供空气通过曝气机来使废水混合均匀。阳极室和阴极室两侧都分别建有进水口和出水口，而且顶端设有6个直径为9mm的电极插孔，两电极之间通过变阻器和铜线连接。2.2文化与经营从哈尔滨啤酒（中国黑龙江）获得的厌氧混合污泥接种于MFC用来发电的的阳极室，在我们的实验中，好氧污泥是从续批式反应器（SBR）中收集来的，然后20ml好氧污泥作为接种被注入阴极室。原料啤酒废水被用来作为阳极基板。MFC的连续流在室温（24±4℃）下运行。原料啤酒废水通过蠕动泵被送进阳极室，其上流速度为13.6ml/h，相当于7.35h的水力停留时间。阳极污水以烧杯连接，然后以相同的流量被抽入阴极室，阴极室的水力停留时间保持在7.35h。因此，这个系统的总的水力停留时间为14.7h.2.3分析方法COD的测量进行了使用标准的方法，封闭回流法（魏，2002）。MFC长时间运行的电压由计算机每3min自动记录一次，并根据P=1000U×J×A/0.1或P（w/m2）=U×J转换为功率密度，其中j为电流密度（A/m2），这是由J=U/（R×A）得来的，由外部电阻R（Ω）和阴极或阳极得面积A（M2预计表面积）决定的，1000为单位变化，0.1表示阳极液（L）的体积。数字电压表是相比较于饱和的Ag/AgCl参比电极用来测量电极电位的。通过计划，在MFC稳定运行一小时后，每个电阻负载的改变可带来功率密度对电流密度的改变（9000至10Ω），以此获得极化曲线。为了估计MFC的电化学性能，电化学方法，包括Tafel图和EIS都通过电位测52\n唐山学院毕业设计量（CHI604B，成化仪器，上海，中国）被运用。Tafel图是以0.1mV/s的速度进行扫描，而EIS的测量是在0.01-105Hz的频率范围与0.005的幅度内进行，这是Nyquist图所示（Barsoukov和麦克唐纳，2005年）。3结果和讨论3.1MFC启动期间生物电的产生阴极阳极接种前的预处理阶段，好氧污泥的生物膜的培养时间为一个月，此后原料啤酒废水不断被抽至阳极，其中污水作为阴极基板使用。电池的电压是由计算机记录，而电极电位通过数字电压表对饱和的Ag/AgCl参比电极每12小时记录一次。通过连续阴极阳极的连接，MFC的性能发生提高。经过一个短暂的滞后期后的3到4天，阳极电位从-155到-300mv发生急剧下降，而电池电压则从21mv增加至68mv。由于负极材料已于5个月前用单腔MFC处理啤酒废水的实验中应用，它表明，厌氧生物膜在阳极能保持良好的活性且恢复快。在启动后13d，MFC在100Ω的电阻下保持了一个相对稳定的60mv的电压，此时的功率密度为0.36w/m33.2长期稳定运行的MCF废水处理方法经过一段时间的稳定运行，对连续阳极阴极MFC法在100Ω的条件下处理废水的性能进行为期一周的监测。作为MFC的好氧厌氧处理装置，阴极室和阳极室都进行了BOD去除率的监测。数据表明，当进水COD为1249到1359mg/L时，相应的有机负荷率（OLRs）为4.08-4.43公斤COD/（立方米·d）时，可获得91.7％-95.7％的总去除率[3.87-4.24公斤的COD/（立方米·d），而阳极室的贡献为45.6％-49.4％[1.86-2.12公斤COD/（立方米·天）]，约占一半的比例。王等人（2008）研究空气阴极MFC对啤酒废水的处理性能时发现，停留时间为60h时，当啤酒废水中COD浓度为1333mg/L时COD去除率可达79%。与此相比，连续阳极阴极MFC在这个实验中可以用低得多的停留时间大大提高出水水质。连续系统的这项研究表明了阳极和阴极基质去除的潜力，表明连续阳极阴极的MFC在啤酒废水处理上能力很强。3.3电力生产取决于极化曲线废水处理共轭发电的可能性通过测量电压和输出功率记录，极化曲线的峰值由阳极进水COD浓度为1249mg/L在不同的电阻（10-9000Ω）测定得到的。当开路电压为0.434V，最大输出功率密度为830mW/m3时（23.1mW/m2与阴极面积与阳极面积，7.5mW/m2）在这个实验中取得300Ω的外部电阻。数据显示，在这个实验中，连续阳极阴极MFC的输出功率是相当低的，按照ieropoulos等人的结论，这可能是因为内部电阻太高（300Ω，最大输出功率的外部电阻）。此外，有人说过高浓度的COD进入阴极最终可能限制阴极生物膜供氧，从而防止发电，这是由有氧异增长所致。由于在这项研究中阴极进水COD浓度为650-710毫克/升，这也算是比较高的，因此，MFC较差的的电化学性能，可能是过度的COD进入阴极导致的。此外，在本实验52\n唐山学院毕业设计中较低的阴极开路电位-0.034V也表明初始COD的标志。因此，这个顺序阳极阴极MFC的性能可以进一步改善优化。3.4电化学评价3.4.1电极极化行为由于从MFC所产生的功率低，电化学测量法，包括电极极化行为（Tafel图）和EIS进行了个别的电极和电池的电化学性能的监测。标准的Ag/AgCl参比电极电位的操作过程中生成的电极电位在实验中连续使用。MFC在运行10h后的首次开路，实现了稳定的开路电压和随后的MFC电压的电位改变扫描速度为0.1mV/s。电位的初始滞后期后，塔菲尔线成为直线。Tafel方程的基础上，X轴截距是交换电流密度（LNJ0）的对数，因此汇率0.1283和电流密度（J0）0.5499A/m2分别由阳极和阴极计算来的。由于J0代表的反应和产品在平衡状态之间的“汇率”，价值较高的J0意味着更快的反应率，激活正向反应的能垒较低。数据显示，一个阴极的J0超过一个阳极的4倍，得出的结论，在顺序MFC阳极阴极燃料电池中阴极反应速度远远超过阳极。3.4.2放电电阻的电化学阻抗谱分析人们根据EIS的测量进把原废水的阳极，阴极和细胞的放电电阻的特点进行了比较。整体电阻由电极极化电阻（包括激活和扩散电阻）和欧姆电阻（Ω）组成，欧姆电阻包含欧姆电极，阳极液和阴极，膜（Aswin等捐款，2008年）。根据Tafel图得出阴极放电电阻是低于阳极。4.结论在这个实验中考察了连续阳极阴极MFC对原料啤酒废水的处理。当停留时间为14.7小时时，外部电阻为100Ω时，MFC运行稳定，COD去除效率为91.7％-95.7％[3.87-4.24公斤的COD/（立方米·d）]。极化曲线取决于发电的峰值性能的测定，当外部电阻为300Ω时可获得0.434V的开路电压和了830mW/m3的最大输出功率密度（23.1mW/m2与阴极面积与阳极面积，7.5mW/m2）。此外，电化学方法用来进行评估个别电极和电池的性能。Tafel图和EIS结果表明，阳极极化电阻是在MFC的主要限制因素。由于MFC中使用生物阴极，没有任何的贵金属催化剂，因此整个系统的成本可以降低。实验表明，利用生物阴极的连续阳极阴极MFC具有较高的COD去除效率，为啤酒厂废水的处理提供了新的方法。52