水污染控制工程生物膜法BAF設計計算例題

水污染控制工程生物膜法BAF設計計算例題第1頁/共30頁設計計算舉例

〖例〗廣東新會污水處理廠工程，日處理市政污水Q=40000m3/d，采用：預處理→水解酸化→C/N曝氣生物濾池→N曝氣生物濾池→消毒排放工藝流程，兩級濾池進出水水質要求分別見表1和表2。試進行BAF池的計算。表1C/N池水質表表2N池水質表項目COD(mg/L)BOD(mg/L)SS(mg/L)氨氮(mg/L)進水水質200127.58030出水水質6031.882424去除率70%75%70%20%項目COD(mg/L)BOD(mg/L)SS(mg/L)氨氮(mg/L)進水水質6031.882424出水水質3012.75129.6去除率50%60%50%60%第2頁/共30頁1．C/N曝氣生物濾池的計算

C/N曝氣生物濾池將水解（酸化）池出水中的碳化有機物進行好氧生物降解，并將TKN轉化為氨氮并進行氨氮的部分硝化。包括緩沖配水室、曝氣系統(tǒng)、承托層和濾料層、出水系統(tǒng)、反沖洗系統(tǒng)等的計算。

（1）C/N曝氣生物濾池池體的設計在本工程中，處理對象為城市生活污水，曝氣生物濾池的作用包括對污水中有機物的去除和對污水中的營養(yǎng)物質如氨氮的去除。C/N曝氣生物濾池主要用于去除污水中的有機污染物并進行部分硝化脫氮，其池體的設計計算分按有機負荷法計算與按有機物降解動力學公式計算兩種方法,由于按有機負荷法計算方法比較成熟，所以本工程濾池池體按有機負荷法計算。按有機負荷法計算的設計參數主要是BOD有機負荷、COD有機負荷和水力負荷。設計時應根據BOD有機負荷進行計算，并用COD有機負荷和水力負荷進行校核。第3頁/共30頁

在曝氣生物濾池的計算中，BOD有機負荷是單位容積的濾料上的微生物在單位時間內所能處理的有機物數量。BOD有機負荷的確定與被處理水的可生化性以及被處理水中的污染物質有關，也與處理出水的水質要求有關。對于可生化性較好的工業(yè)廢水，因一般不考慮脫氮問題，曝氣生物濾池的作用主要用于去除有機物，所以曝氣生物濾池的BOD有機負荷一般在3～6kgBOD/m3濾料·d，COD有機負荷一般在6～10kgCOD/m3濾料·d，空塔水力負荷一般在3～5m3/(m2·h)。而對于城市生活污水，考慮到硝化脫氮對有機負荷的要求，其BOD有機負荷一般控制在1～3kgBOD/m3濾料·d范圍內，當BOD有機負荷超過3kgBOD/m3濾料·d時，其同步硝化作用受到抑制，當BOD有機負荷超過4kgBOD/m3濾料·d時，其同步硝化作用受到明顯抑制，所以對需要進行除碳和同步硝化的C/N曝氣生物濾池進行計算時，其BOD有機負荷的選取一般小于3kgBOD/m3濾料·d，而其COD有機負荷一般控制在6kgCOD/m3濾料·d以下，空塔水力負荷一般為1.5～3.5m3/(m2·h)之間。第4頁/共30頁

在本工程中，經水解（酸化）池每天進入C/N濾池的污水量Q=40000m3/d，在C/N曝氣生物濾池中，每天所要求去除的BOD5的重量為：

ΔWBOD=（Q·ΔCBOD）/1000式中：ΔWBOD—在曝氣生物濾池中每天需去除的BOD重量，單位kg/d；

Q—每天進入曝氣生物濾池的廢水量，單位m3/d；

ΔCBOD—進出曝氣生物濾池的BOD濃度差，單位mg/l；代入數據后，則：ΔWBOD=（Q·ΔCBOD）÷1000=〔40000×（127.5-31.88）〕÷1000=3824.（kg/d）取BOD有機負荷qBOD=1.8kgBOD/m3濾料·d，則所需濾料體積計算如下：V濾料=ΔWBOD÷qBOD=3824.8÷1.8=2124.9(m3)采用COD有機負荷進行校核：當濾料體積為2124.9m3時，每天經C/N曝氣生物濾池去除的COD的重量為：ΔWCOD=（Q·ΔCCOD）/1000式中：ΔWCOD—在曝氣生物濾池中每天需去除的COD重量，單位kg/d；

Q—每天進入曝氣生物濾池的廢水量，單位m3/d；

ΔCCOD—進出曝氣生物濾池的COD濃度差，單位mg/l；第5頁/共30頁

代入數據后，則：ΔWCOD=（Q·ΔCCOD）÷1000=〔40000×（200-60）〕÷1000=5600（kg/d）實際上，C/N曝氣生物濾池內的COD有機負荷為：

qCOD=ΔWCOD÷V濾料=5600÷2124.9=2.64kgCOD/m3濾料·d所以，C/N曝氣生物濾池內的實際COD有機負荷小于6kgBOD/m3濾料·d，滿足要求。一般來說，曝氣生物濾池內的濾料層高度H濾料在2.5～4.5m之間。在水力負荷一定的條件下，濾料層高則污水與微生物的接觸時間長，出水效果好，但相對所需鼓風機的壓頭也較高，能耗相對也大；濾料層低則污水與微生物的接觸時間短，出水效果相對差些，但所需鼓風機的壓頭也低些，能耗相對也小些。根據國內外已建成運行的曝氣生物濾池實際情況，本工程取濾料層高度H濾料=3.7m，則曝氣生物濾池的截面積S截面計算如下：S截面=V濾料÷H濾料=2124.9÷3.7=574.3m2

考慮到單座濾池面積過大將會增加反沖洗時的供水、供氣量，同時不利于布水、布氣的均勻，所以本設計中將C/N曝氣生物濾池分為8格，則每格截面積為574.3÷8=71.8m2。第6頁/共30頁

本設計每格截面按正方形布置，則每格尺寸應為8.47x8.47m，實際取8.5x8.5m。當濾池總截面積為574.3m2時，空塔水力負荷復核如下：

實際q水力=Q÷S截面=40000÷574.3÷24=2.9m3/m2·h,滿足要求。為考慮進入濾池的廢水均勻流過濾料層，在濾料承托層下部設計有緩沖配水室，其高度H配水一般為1.2～1.5m，考慮到濾頭和配水室內布水、布氣管的安裝方便，以及便于配水室的清洗，本工程取H配水=1.5m，并在配水室池壁考慮設置檢修人孔；另外，考慮到濾池反沖洗時濾料的膨脹，在濾料層上部保證有0.8～1.0m的清水區(qū)，本工程取清水區(qū)高度H配水=1.0m；濾池的超高取H超高=0.5m,承托層高H承托=0.3m，則濾池的總高為：

H=H濾料+H配水+H清水+H超高+H承托=3.7+1.5+1+0.5+0.3=7m

污水在曝氣生物濾池濾料層高度中的空塔停留時間t=3.7÷2.9=1.28hr，而根據運行經驗，濾池在裝滿濾料后廢水在濾料層中的實際停留時間約為空塔停留時間的1/2左右，即0.64hr。第7頁/共30頁（2）曝氣生物濾池配水系統(tǒng)曝氣生物濾池的配水系統(tǒng)一般采用小阻力形式。對于小型工業(yè)廢水處理用曝氣生物濾池一般采用小阻力配水形式中的格柵式、平板孔式，而對于城市污水處理廠則采用小阻力配水形式中的濾頭配水形式，考慮到曝氣生物濾池采用氣水聯合反沖洗，所以濾頭采用長柄濾頭，長柄濾頭在正常運行時起均勻布水作用，在反沖洗時起布水、布氣作用。曝氣生物濾池所選用的長柄濾頭為濾水帽、濾水管一體成型，每個濾頭共有濾縫20條，每條濾縫L×B=8mm×2mm±0.05mm，濾縫總面積為3.2cm2/個。每平方米布置36個濾頭，開孔比β=1.152%，流量系數α=0.8，每格濾池的水力負荷μB=0.8l/m2·s則每格濾池中水通過配水系統(tǒng)的水頭損失為：

h1=〔(μB/αβ)2÷2g〕×10-6=3.85×10-4m

在本工程設計中，每格濾池每平方米布置長柄濾頭36個，每個間距為150mm。第8頁/共30頁第9頁/共30頁第10頁/共30頁第11頁/共30頁（3）布氣系統(tǒng)在曝氣生物濾池設計中，布氣系統(tǒng)包括在濾池正常工作時的曝氣系統(tǒng)和濾池反沖洗時的布氣系統(tǒng)。①曝氣系統(tǒng)曝氣生物濾池的曝氣系統(tǒng)早期采用的主要是穿孔管曝氣，但由于穿孔管曝氣氧的利用率低，同時在濾池中較易堵塞。本工程設計中采用了生物濾池專用單孔膜空氣擴散器，該擴散器是針對曝氣生物濾池的特點專門研制的，具有空氣擴散效果好、氧的利用率高、在濾料中不易堵塞的特點。

C/N曝氣生物濾池的供氧量包括去除污水中BOD的需氧量和氨氮部分硝化的需氧量兩部分。

C/N曝氣生物濾池去除污水中單位重量BOD的需氧量為：

△R0=0.82×△SBOD/TBOD+0.32×S0/TBOD=0.82×〔（127.5-31.88）÷127.5〕+0.32×(80÷127.5)=0.816kg

即去除1kgBOD需要提供0.816kgO2，則C/N曝氣生物濾池每天去除BOD需提供的總氧量為：

R0=Q×△SBOD×△R0=〔40000×（127.5-31.88）÷1000〕×0.816=3121.04kg第12頁/共30頁

在C/N曝氣生物濾池中TKN將轉化成氨氮，使得污水中實際的氨氮濃度升高。根據試驗結果，在C/N曝氣生物濾池處理生活污水時，濾池污水中的實際氨氮量約為45mg/l，出水要求氨氮量為24mg/l，則氨氮部分硝化每天的需氧量為：RN=Q×4.57N0=40000×4.57×(45-24)=3838.8kg

則去除污水中BOD的需氧量和氨氮部分硝化的需氧量（標態(tài)）合計為：ΣR=R0+RN=3121.04+3838.8=6959.84kg當濾池氧的利用率為EA=30%時，從濾池中逸出氣體中含氧量的百分率Qt為：

21×（1-EA）21×（1-0.3）Qt===15.7%79+21×（1-EA）79+21×（1-0.3）當濾池水面壓力P=1.013×105Pa，曝氣器安裝在濾池水面下H=4.85m深度時，曝氣器處的絕對壓力為：Pb=P+9.8×103×H=1.013×105+9.8×103×4.85=1.488×105Pa第13頁/共30頁

則當水溫為25℃時，清水中的飽和溶解氧濃度為Cs=8.4mg/l，則25℃時濾池內混合液溶解氧飽和濃度的平均值Csm(25)為：

QtPb15.71.488Csm(25)=Cs×（+）=8.4×（+）=9.31(mg/l)422.026×105422.026

當水溫為25℃時,C/N曝氣生物濾池實際需氧量R為：

R0Csm(25)R=α×1.024T-20〔βρCs(25)-Cl〕

對于城市生活污水，α=0.8，β=0.9，ρ=1，而且假定濾池出水溶解氧濃度為3mg/l，代入公式后：

ΣRCsm(25)6959.84×9.31R===15788.53(kg/d)α×1.024T-20〔βρCs(25)-Cl〕0.8×1.02425-20(0.9×1×8.4-3)第14頁/共30頁C/N曝氣生物濾池總供氣量為：

R15788.53ΣGs=×100=×100=175428.07m3/d=7309.5m3/h=121.83m3/min0.3EA0.3×30

每個單孔膜濾池專用曝氣器供氣量為0.2～0.3m3/個·h，取曝氣器供氣量為0.25m3/個·h，則C/N曝氣生物濾池需曝氣器數量為n=ΣGs×60÷0.25=121.83×60÷0.25=29240個，為安裝方便，實際選用曝氣器28322個，曝氣器的布置間距為125mm。②反沖洗布氣系統(tǒng)

C/N曝氣生物濾池的反沖洗采用氣水聯合反沖洗，反沖洗過程通過EPT-1型長柄濾頭完成，其反沖洗布氣系統(tǒng)可參照《給水排水設計手冊》給水快濾池的設計。第15頁/共30頁（4）濾料層、承托層本次設計的曝氣生物濾池中選用了球形陶粒作為濾料。在設計中，由于進入C/N曝氣生物濾池的污水為水解酸化池出水，其中含有一定量的懸浮物，C/N曝氣生物濾池的作用除去除污水中的有機物和部分氨氮硝化外，還需對懸浮物進行截留，所以選用了直徑∮4mm～∮6mm的球形陶粒濾料，按一定的級配填裝。由于陶粒粒徑較小，為防止濾頭堵塞而不能直接填裝在承托濾板上，所以在陶粒層下部宜設置有承托層。承托層選用鵝卵石，并按一定的級配布置，總高度為0.30m，其級配見表9：

表9卵石承托層級配自上而下卵石直徑卵石層高度4—8mm100mm8—16mm100mm16—32mm100mm第16頁/共30頁（5）濾池出水系統(tǒng)

C/N曝氣生物濾池出水系統(tǒng)采用單側出水，并在出水口設計為60。斜坡和設置柵形穩(wěn)流板，以降低出水口處的水流流速，在反沖洗時有可能被帶至出水口處的陶粒與穩(wěn)流板碰撞，導致流速降低而在該處沉降，并沿斜坡下滑回濾池中。由于采用單側出水,所以正常運行時的出水槽與反沖洗排水槽在同一側，其結構示意圖見圖20：第17頁/共30頁2．N曝氣生物濾池（硝化濾池）

N曝氣生物濾池主要用于對污水中的氨氮進行硝化脫氮。雖然N曝氣生物濾池與C/N曝氣生物濾池的處理功能不同，但N曝氣生物濾池的結構與C/N曝氣生物濾池的結構完全相同，也包括緩沖配水室、曝氣系統(tǒng)、承托層和濾料層、出水系統(tǒng)、反沖洗系統(tǒng)等，所以其計算主要包括上述各部分的計算。（1）N曝氣生物濾池池體的設計由于按硝化負荷法計算方法比較成熟，所以N曝氣生物濾池池體的設計一般按硝化負荷法計算。按硝化負荷法計算的設計參數主要是硝化負荷。根據國內外N曝氣生物濾池的實際運行情況來看，硝化負荷一般在0.3～0.8kgNH3-N/m3濾料·d，本工程根據試驗結果取硝化負荷為0.4kgNH3-N/m3濾料·d作為設計參數。第18頁/共30頁

在本工程中，進入N曝氣生物濾池的污水量為Q=40000m3/d，在N曝氣生物濾池進水中的氨氮為24mg/l，出水中的氨氮為9.6mg/l計，每天所要求去除的氨氮重量為：

ΔW氨氮=（Q·ΔC氨氮）/1000式中：ΔW氨氮—在N曝氣生物濾池中每天需去除的氨氮重量，單位kg/d；

Q—每天進入曝氣生物濾池的廢水量，單位m3/d；

ΔC氨氮—進出N曝氣生物濾池的氨氮濃度差，單位mg/l；代入數據后，則：ΔW氨氮=（Q·ΔC氨氮）÷1000=〔40000×（24-9.6）〕÷1000=576（kg/d）取氨氮負荷q氨氮=0.4kgNH3-N/m3濾料·d，則所需濾料體積計算如下：V濾料=ΔW氨氮÷q氨氮=576÷0.4=1440(m3)取濾料層高度H濾料=3.0m，則N曝氣生物濾池的截面積S截面計算如下：S截面=V濾料÷H濾料=1440÷3=480m2

本設計中將N曝氣生物濾池分為8格，則每格截面積為480÷8=60m2，每格截面按正方形布置，則每格尺寸應為7.75x7.75m。第19頁/共30頁

當濾池總截面積為480m2時，水力負荷復核如下：

實際q水力=Q÷S截面=40000÷480÷24=3.47m3/m2·h,滿足要求。為考慮進入濾池的廢水均勻流過濾料層，在濾料承托層下部也設計有緩沖配水室，由于C/N曝氣生物濾池出水水質較穩(wěn)定，所以其高度H配水可小些，一般為1.0～1.2m，考慮到濾頭和配水室內布水、布氣管的安裝方便，以及便于配水室的清洗，本工程取H配水=1.2m，并在配水室池壁考慮設置檢修人孔；另外，考慮到濾池反沖洗時濾料的膨脹，在濾料層上部保證有0.8～1.0m的清水區(qū)，本工程取清水區(qū)高度H配水=1.0m；濾池的超高取H超高=0.5m,承托層高H承托=0.3m，則濾池的總高為：

H=H濾料+H配水+H清水+H超高+H承托=3.0+1.2+1+0.5+0.3=6m

污水在N曝氣生物濾池濾料層高度中的停留時間t=3.0÷3.47=0.865hr，第20頁/共30頁（2）N曝氣生物濾池配水系統(tǒng)

N曝氣生物濾池配水系統(tǒng)的作用與C/N曝氣生物濾池相同，也采用長柄濾頭配水，每平方米布置36個濾頭，開孔比β=1.152%，流量系數α=0.8，每格濾池的水力負荷μB=0.964l/m2·s，則每格濾池中水通過配水系統(tǒng)的水頭損失為：

h1=〔(μB/αβ)2÷2g〕×10-6=5.58×10-4m

在N曝氣生物濾池中，每格濾池每平方米布置長柄濾頭36個，每個間距為150mm，其布置示意圖及濾頭形式可參見C/N曝氣生物濾池的設計。（3）布氣系統(tǒng)在N曝氣生物濾池設計中，布氣系統(tǒng)包括在濾池正常工作時的曝氣系統(tǒng)和濾池反沖洗時的布氣系統(tǒng)兩部分。①曝氣系統(tǒng)

N曝氣生物濾池的供氧量包括氨氮硝化的需氧量和去除污水中剩余BOD的需氧量兩部分。

N曝氣生物濾池進水中氨氮濃度為24mg/l，出水氨氮濃度為9.6mg/l，氨氮硝化每天的需氧量為：RN=Q×4.57N0=40000×4.57×(24-9.6)=2632.32kg第21頁/共30頁N曝氣生物濾池去除污水中單位重量BOD的需氧量為：△R0=0.82×△SBOD/TBOD+0.32×S0/TBOD=0.82×〔（31.88-12.75）÷31.88〕+0.32×(24÷31.88)=0.733kg

即去除1kgBOD需要提供0.733kgO2，則N曝氣生物濾池每天去除BOD需提供的總氧量為：R0=Q×△SBOD×△R0=〔40000×（31.88-12.75）÷1000〕×0.733=560.89kg

則去除污水中BOD的需氧量和氨氮部分硝化的需氧量（標態(tài)）合計為：ΣR=R0+RN=2632.32+560.89=3193.21kg當濾池氧的利用率為EA=30%時，從濾池中逸出氣體中含氧量的百分率Qt為：

21×（1-EA）21×（1-0.3）Qt===15.7%79+21×（1-EA）79+21×（1-0.3）當濾池水面壓力P=1.013×105Pa，曝氣器安裝在濾池水面下H=4.1m深度時，曝氣器處的絕對壓力為：Pb=P+9.8×103×H=1.013×105+9.8×103×4.1=1.415×105Pa第22頁/共30頁

則當水溫為25℃時，清水中的飽和溶解氧濃度為Cs=8.4mg/l，則25℃時濾池內混合液溶解氧飽和濃度的平均值Csm(25)為：

QtPb15.71.415Csm(25)=Cs×（+）=8.4×（+）=9.01(mg/l)422.026×105422.026

當水溫為25℃時,C/N曝氣生物濾池實際需氧量R為：

R0Csm(25)R=α×1.024T-20〔βρCs(25)-Cl〕

對于城市生活污水，α=0.8，β=0.9，ρ=1，而且假定濾池出水溶解氧濃度為4mg/l，代入公式后：ΣRCsm(25)3193.21×9.01R===8979.66(kg/d)α×1.024T-20〔βρCs(25)-Cl〕0.8×1.02425-20(0.9×1×8.4-4)第23頁/共30頁

N曝氣生物濾池總供氣量為：

R8979.66ΣGs=×100=×100=99773.97m3/d=4157.25m3/h=69.29m3/min0.3EA0.3×30

曝氣器按每平方米36個布置，曝氣器的布置間距為150mm，則N曝氣生物濾池需曝氣器數量為n=480×36=17280個，實際每個曝氣器供氣量為0.241m3/個·h。②反沖洗布氣系統(tǒng)N曝氣生物濾池的反沖洗采用氣水聯合反沖洗，反沖洗過程通過HQ-1型長柄濾頭完成，其反沖洗布氣系統(tǒng)可參照《給水排水設計手冊》給水快濾池的設計。（4）濾料層、承托層

N曝氣生物濾池濾料層、承托層的設計可參照C/N曝氣生物濾池進行。（5）濾池出水系統(tǒng)N曝氣生物濾池出水系統(tǒng)的設計可參照C/N曝氣生物濾池進行。建成后的曝氣生物濾池全貌見圖21，運行時的曝氣效果見圖11-10。第24頁/共30頁第25頁/共30頁第26頁/共30頁7.清水池清水池主要用于儲存一定量的處理后達標水，以提供各濾池進行反沖洗的水源，每次反沖洗用水量為180m3。清水池共1座，為鋼筋混凝土結構，與生物濾池合建，長×寬×高=7.75m×6m×6m，有效容積200m3。8．反沖洗排水緩沖池反沖洗排水緩沖池主要用于儲存濾池反沖洗的排水，并經管道均勻排入提升泵房集水池。反沖洗一般