活性污泥工艺系统电子教案

1、水处理工程技术教案项目四城镇污水处理技术任务2城镇污水的活性污泥法处理学时6学时知识点5活性污泥法工艺系统学时1学时教学内容活性污泥法工艺系统设计，包括曝气池设计、曝气系统设计、污泥回流设备设计以及二沉池的设计。教学重点活性污泥法工艺系统设计教学难点活性污泥法工艺系统设计参考资料给水排水设计手册 第一册 建筑工业出版社流体力学泵与风机 电力工业出版社室外排水设计规范 中国计划出版社环保设计基础 中国矿业出版社网易土木 1）曝气池设计在进行曝气池容积计算时，应在一定范围内合理地确定污泥负荷（Ns）和污泥浓度（X）值，此外，还应同时考虑处理效率、污泥容积指数（SVI）和污泥龄等参数。设计参数的来源

2、主要有两个途径，一是经验数据，另一个是通过试验获得。以生活污水为主体的城市污水，主要设计参数已比较成熟，可以直接取用于设计，但是对于工业废水，则应通过试验和现场实测以确定其各项设计参数。在工程实践中，由于受试验条件的限制，一般也可根据经验选取。（1）曝气池容积的设计计算曝气池容积，常用的是有机负荷计算法，负荷有两种表示方法，即污泥负荷和容积负荷。一般采用污泥负荷，根据污泥负荷的定义：Ns = QSa/ XV，可以求得曝气池的容积 （m3） （4.2.16）式中 V 曝气池容积，m3；Q 污水流量，m3/d；Sa 原污水中BOD5浓度，mg/L或kg/ m3；X 混合液悬浮固体（MLSS）浓度，

3、mg/L或kg/ m3；Ns 污泥负荷，kgBOD5/（kgMLSSd）。由上式可见，正确、合理和适度地确定污泥负荷值（Ns）和混合液污泥浓度（X）是正确确定曝气池容积的关键。（2）污泥负荷的确定污泥负荷一般根据经验确定，对于城市污水多取值为0.30.5 kgBOD5/（kgMLSSd），亦可参考表4.2.6所列数值。但为稳妥计，需加以校核，校核公式如下： （4.2.17）式中 Se 处理水中BOD5浓度，mg/L或kg/ m3； f 曝气池混合液挥发性悬浮固体与混合液悬浮固体比值，即MLVSS/MLSS，对于城市污水一般在0.750.85之间； 原污水BOD5去除率，即（Sa Se ）/ S

4、a；K2 系数，对于城市污水一般在0.01680.0281之间。（3）混合液污泥浓度的确定混合液中的污泥来自二次沉淀池的回流污泥，而回流污泥的浓度（Xr）与污泥沉淀性能及其在二次沉淀池中浓缩的时间有关。一般回流污泥的浓度可近似地按下式计算： （mg/L） （4.2.18）式中r 为二次沉淀池中污泥综合系数，一般取值1.2左右。混合液污泥浓度（X）和污泥回流比（R）以及回流污泥的浓度（Xr）之间的关系为： （4.2.19）将公式代入式，可得出估算混合液污泥浓度的公式： （4.2.20）表4.2.6所列举的不同运行方式活性污泥处理系统，常采用的混合液污泥浓度（X）数值，亦可作为设计参考。2）需氧量

5、和供气量的计算（1）需氧量活性污泥法处理系统的需氧量一般可由下列公式求得： （4.2.21）污水的、值可以从表4.2.5中选取。（2）供气量影响氧转移的因素a.氧的饱和浓度（Cs）氧转移效率与氧的饱和浓度成正比，不同温度下饱和溶解氧的浓度也不同。见表4.2.6。表4.2.6 氧在蒸馏水中的溶解度（即饱和度）水温（）12345678910溶解度（mg/L）14.2313.8413.4813.1312.8012.4812.1711.8711.5911.33水温（）11121314151617181920溶解度（mg/L）11.0810.8310.6010.3710.159.959.749.549.

6、359.17水温（）21222324252627282930溶解度（mg/L）8.998.838.638.538.388.228.077.927.777.63b.水温在相同的气压下，温度对氧总转移系数（KLa）和Cs也有影响。温度升高，有利于氧分子的转移，KLa值随着上升，而Cs值则下降。温度对KLa值的影响，一般可通过下式校正： KLa(T) = KLa(20)（T-20） （4.2.22）式中 KLa(20)20时的KLa； KLa(T) T时的KLa； 温度修正系数，其值介于1.0161.047，一般取1.024。c.污水性质污水中含有的各种杂质对氧的转移产生一定的影响，将适用于清水的K

7、La用于污水时，需要用系数进行修正。 污水的KLa = 清水的KLa （4.2.23）修正系数值可通过试验确定。一般值为0.80.85。污水中的盐类也影响氧在水中的饱和度（Cs），污水Cs值用清水Cs值乘以值来修正，值一般介于0.90.97之间。大气压影响氧气的分压，因此影响氧的传递，进而影响Cs。气压增高，Cs值升高。对于大气压不是1.013105Pa的地区，Cs值应乘以压力修正系数， = 所在地区的实际气压/（1.013105Pa）。对于鼓风曝气池，空气压力还与池水深度有关。安装在池底的空气扩散装置出口处的氧分压最大，Cs值也最大。但随着气泡的上升，气压逐渐降低，在水面时，气压为1.013

8、105Pa（即1大气压），气泡上升过程中一部分氧已转移到液体中。鼓风曝气池内的Cs值应是扩散装置出口和混合液表面两处溶解氧饱和浓度的平均值，按下式计算： （4.2.24）式中 Csb 鼓风曝气池内混合液溶解氧饱和浓度的平均值，mg/L； Cs 在1.013105Pa条件下氧的饱和浓度，mg/L； pb 空气扩散装置出口处的绝对压力，Pa，pb = p + 9.8103 H； p 标准大气压，p =1.013105Pa； H 空气扩散装置的安装深度，m； Ot 曝气池逸出气体中的含氧百分率，无量纲，； EA 空气扩散装置的氧转移效率，一般为612。另外，氧的转移还和气泡的大小、液体的紊动程度、气

9、泡与液体的接触时间有关。空气扩散装置的性能决定气泡直径的大小。气泡越小，接触面积越大，将提高KLa值，有利于氧的转移；但另一方面不利于紊动，从而不利于氧的转移。气泡与液体的接触时间越长，越利于氧的转移。氧从气泡中转移到液体中，逐渐使气泡周围液膜的含氧量饱和，因而，氧的转移效率又取决于液膜的更新速度。紊流和气泡的形成、上升、破裂，都有助于气泡液膜的更新和氧的转移。从上述分析可见，氧的转移效率取决于气相中氧分压梯度、液相中氧的浓度梯度、气液之间的接触面积和接触时间、水温、污水的性质和水流的紊动程度等因素。供气量的计算在标准条件下，转移到曝气池混合液的总氧量（R0）为： R0 = KLa(20) C

10、s(20)V （4.2.25a） 生产厂家提供空气扩散装置的氧转移参数是在标准状态下测定的，所谓标准状态是指：水温20，大气压为1.013105Pa，测定用水是脱氧清水。因此，必须根据实际条件对厂商提供的氧转移速度等数值加以修正。在式（4.2.25a）中引入各项修正系数，可得在实际条件下，转移到曝气池混合液的总氧量（R）： R = KLa(20)Csb（T）C1.024（T-20）V （4.2.25b）式中 C 混合液中含有的溶解氧浓度，mg/L。联立式（4.2.25a）和式（4.2.25b）可得： （4.2.25c）R可以根据公式求定。因此，R0值可以由式（4.2.25c）求出。在一般情况下

11、，R/ R0 = 1.331.61，即在实际工程中所需的空气量比标准条件下多3361。氧转移效率（氧利用效率）为： （4.2.26）式中 S 供氧量，kg/h。 S = Gs0.211.43 = 0.3 Gs （4.2.27）Gs供气量，m3/h；0.21氧在空气中所占百分数对于； 1.43氧的容重，kg/ m3。对鼓风曝气，各种空气扩散装置在标准状态下，EA是厂商提供的，因此，供气量可以通过下式计算，即： （4.2.28）式中，R0值可以由式(c)确定。对机械曝气，各种叶轮的充氧量与叶轮直径和叶轮线速度的关系，也是厂商通过实际测定确定并提供的。如泵型叶轮的充氧量可按下列经验公式计算： Qos

12、 = 0.379Kv2.8D1.88 （4.2.29）式中 Qos标准条件下（水温20，大气压为1.013105Pa）清水的充氧量，kg/h； v 叶轮周边线速度，m/s； D 叶轮公称直径，m； K 池型结构对充氧量的修正系数，一般圆形池为1；正方形池为0.64；长方形池为0.9。2）曝气系统设计（1）空气扩散装置空气扩散装置的类型较多，目前应用较多的是微孔曝气器。该类型曝气器氧利用率高，阻力损失小，混合效果好，不易堵塞，并且联接部位具有可靠、有效的密封性能。微孔曝气器直径为215260mm，服务面积为0.30.8m2/个。根据曝气池池底面积和曝气器的服务面积，可以计算出所需曝气器的数量。

13、n = A/A0 （4.2.30）式中 n 曝气器数量，个； A 曝气池池底面积，m2；A0 曝气器服务面积，m2/个。图4.2.33 曝气器管网布置示意微孔曝气器的曝气量为1.55.0m3/(个h)，根据此数值可以计算出曝气池的工作气量。曝气池的工作气量应与按需氧量计算出的供气量相匹配，否则应进行调整。微孔曝气器一般安装于曝气池池底，膜片距池底约200250mm。（2）曝气器管网设计曝气器的一般采用回环式管网布置（见图4.2.33），可使每个曝气器的进气压力相等，达到沿池面均匀曝气的效果。根据供气量和选取的流速计算空气管道的直径和阻力损失。空气干管流速一般取1015m/s，支管流速取5m/s

14、。曝气池外采用焊接钢管，池内采用ABS管连接。（3）鼓风机的选择根据所需的供气量和空气管道的阻力损失选择鼓风机。鼓风机的升压（H）微孔曝气器的膜片距曝气池液面的距离（H0）+ 阻力损失（hf）。在缺少数据的情况下，也可按H H0 + 1(m)估算。中、小型污水处理厂（站）一般选用罗茨鼓风机，大、中污水处理厂还可选用离心鼓风机。在同一供气系统中，应尽量选择同一型号的鼓风机。当工作鼓风机3台时，备用1台；工作鼓风机4台时，备用2台。鼓风机选好后，再按鼓风机的实际流量校核管网系统的流速和阻力，并进行适当调整。3）污泥回流设备的设计回流污泥量是关系到污水处理效果的重要设计参数，应根据不同的水质、水量和

15、运行方式确定适宜的回流比（参见表4.2.6）。首先确定回流污泥浓度，可按下式计算： Xr = 106/SVIr （4.2.31）式中，r为综合系数，一般取为1.2。污泥回流比的计算公式如下： （4.2.32）回流比的大小取决于混合液污泥浓度和回流污泥浓度，而回流污泥浓度又与SVI有关。在曝气池的实际运行中，由于SVI值在一定范围内变化，并且需要根据进水负荷的变化调整混合液污泥浓度，因此，在进行污泥回流设备的设计时，应按最大回流比设计，并使其具有在较小回流比时工作的可能性，以便使回流污泥量可以在一定幅度内变化。活性污泥的回流设备有提升设备和输泥管渠等，常用的污泥提升设备是污泥泵和空气提升器。污泥

16、泵的型式主要有螺旋泵和轴流泵，其运行效率较高，可用于各种规模的污水处理工程。选择污泥泵时，应首先考虑的因素是不破坏污泥的特性，且运行稳定可靠等。空气提升器结构简单、管理方便，并可在提升过程中对污泥进行充氧，但效率较低，因此，常用于中、小型鼓风曝气系统。4）二沉池设计二次沉淀池的作用是泥水分离，使混合液澄清，污泥浓缩，并且将分离的活性污泥回流到曝气池，由于水质、水量的变化，还要暂时贮存污泥。其工作性能对活性污泥处理系统的出水水质和回流污泥浓度有着直接的影响。初沉池的设计原则一般也适用于二次沉淀池，但由于进入二次沉淀池的活性污泥混合液浓度高，具有絮凝性，属于成层沉淀，并且密度小，沉速较慢，因此，设

17、计二次沉淀池时，最大允许水平流速（平流式、辐流式）或上升流速（竖流式）都应低于初沉池。由于二次沉淀池起着污泥浓缩的作用，所以需要适当地增大污泥区容积。二次沉淀池设计的主要内容包括：池型的选择；沉淀池的面积；有效水深的计算；污泥区容积计算；污泥排放量计算等。（1）二次沉淀池池型的选择带有刮吸泥设施的辐流式沉淀池，比较适合大、中型污水处理厂；小型污水处理厂则多采用竖流式沉淀池或多斗式平流式沉淀池。（2）二次沉淀池面积和有效水深计算二次沉淀池面积和有效水深的计算公式如下： （4.2.33） （4.2.34）式中 Q 污水最大时流量，m3/d；q 表面负荷，m3/m2h；u 活性污泥成层沉淀时的沉速，

18、mm/s； t 水力停留时间，h，一般为1.52.5h。上面公式中的u值变化范围一般在0.20.5 mm/s之间。相应q值为0.721.8 m3/（m2h），该值的大小与污水水质和混合液污泥浓度有关。当污水中的无机物含量高时，可采用较高的u值；而当污水中的溶解性有机物含量较多时，则u值宜低。混合液污泥浓度对u值影响较大。表4.2.7所列举的是u值与混合液污泥浓度之间的关系，可供设计时参考。表4.2.7 混合液污泥浓度与u值之间的关系MLSS(mg/L)u(mm/s)MLSS(mg/L)u(mm/s)20000.450000.2230000.3560000.1840000.2870000.14二

19、次沉淀池面积以最大时流量作为设计流量，而不计回流污泥量。但中心管的计算，则应包括回流污泥量在内。（3）污泥斗容积的计算污泥斗的作用是贮存和浓缩沉淀污泥，由于活性污泥因缺氧而失去活性和腐败，所以污泥斗容积不宜过大。对于分建式二次沉淀池，一般污泥斗的贮泥时间为2h，故可采用下列公式计算污泥斗容积。 （4.2.35）式中 Q 污水流量，m3/h； X 混合液污泥浓度，mg/L； Xr 回流污泥浓度，mg/L； R 污泥回流比；Vs 污泥斗容积，m3。（4）污泥排放量的计算二次沉淀池中的污泥部分作为剩余污泥排放，其污泥排放量应等于污泥增长量（X）可用下式确定去除单位BOD所产生的VSS量： （4.2.

20、36） X = YobsQ(S0Se) （4.2.37）式中，Yobs为表观产率系数，kgMLVSS/kgBOD，用来估算每天的污泥量。Y 、Kd 值的确定是很重要的，以通过试验求得为宜。也可按经验参数进行计算。污泥排放量也可以根据公式X = aQSrbVX计算。（5）活性污泥法工程案例例4.2.1 某城市的污水日排放量为40000m3，时变化系数为1.3，BOD5为350mg/L，拟采用活性污泥法进行处理，要求处理后的出水BOD5为20mg/L，试计算该活性污泥法处理系统的设计参数。解: （1）污水处理程度及运行方式污水处理程度 污水的BOD5为350mg/L，经初次沉淀池处理后，其BOD5

21、按降低25计，则进入曝气池的污水BOD5浓度（Sa）为：Sa = 350（125）= 260 mg/L=（Sa Se ）/ Sa =(26020)/260 = 92.3%活性污泥法的运行方式根据提供的条件，考虑曝气池运行方式的灵活性和多样性，以传统活性污泥法系统作为基础，又可按阶段曝气法和生物吸附再生法运行的可能性。（2）曝气池的计算与各部位尺寸确定污泥负荷的确定拟定采用的污泥负荷为0.3 kgBOD5/（kgMLSSd），但为稳妥计，需加以校核，校核公式如下：K2值取0.0185 f = MLVSS/MLSS = 0.75代入各值 kgBOD5/（kgMLSSd）计算结果确证，Ns值取0.3

22、是适宜的。确定混合液污泥浓度(X)根据Ns值，SVI值在80150之间，取SVI = 120（满足要求）。另取r = 1.2，R = 50%，曝气池的混合液污泥浓度为： mg/L3300mg/L确定曝气池容积曝气池的容积为：m3确定曝气池各部尺寸曝气池面积：设两座曝气池（n = 2），池深(H)取4.2m，则每座曝气池面积为m2图4.2.34 曝气池平面图（单位：m）曝气池宽度：设池宽（B）为6m，B/H = 6/4.2 = 1.43，在12之间，符合要求。曝气池长度：曝气池长度L = F1/B = 1095/6 = 182.5m，L /B = 30.4（大于10），符合要求。曝气池的平面形式：设曝气池为三廊道式，则每廊道长L1 = 182.5/3 = 60.8 61m。具体尺寸示之于图4.2.3