水污染控制工程生物膜法BAF设计计算例题

水污染控制工程生物膜法BAF设计计算例题第1页/共30页设计计算举例

〖例〗广东新会污水处理厂工程，日处理市政污水Q=40000m3/d，采用：预处理→水解酸化→C/N曝气生物滤池→N曝气生物滤池→消毒排放工艺流程，两级滤池进出水水质要求分别见表1和表2。试进行BAF池的计算。表1C/N池水质表表2N池水质表项目COD(mg/L)BOD(mg/L)SS(mg/L)氨氮(mg/L)进水水质200127.58030出水水质6031.882424去除率70%75%70%20%项目COD(mg/L)BOD(mg/L)SS(mg/L)氨氮(mg/L)进水水质6031.882424出水水质3012.75129.6去除率50%60%50%60%第2页/共30页1．C/N曝气生物滤池的计算

C/N曝气生物滤池将水解（酸化）池出水中的碳化有机物进行好氧生物降解，并将TKN转化为氨氮并进行氨氮的部分硝化。包括缓冲配水室、曝气系统、承托层和滤料层、出水系统、反冲洗系统等的计算。

（1）C/N曝气生物滤池池体的设计在本工程中，处理对象为城市生活污水，曝气生物滤池的作用包括对污水中有机物的去除和对污水中的营养物质如氨氮的去除。C/N曝气生物滤池主要用于去除污水中的有机污染物并进行部分硝化脱氮，其池体的设计计算分按有机负荷法计算与按有机物降解动力学公式计算两种方法,由于按有机负荷法计算方法比较成熟，所以本工程滤池池体按有机负荷法计算。按有机负荷法计算的设计参数主要是BOD有机负荷、COD有机负荷和水力负荷。设计时应根据BOD有机负荷进行计算，并用COD有机负荷和水力负荷进行校核。第3页/共30页

在曝气生物滤池的计算中，BOD有机负荷是单位容积的滤料上的微生物在单位时间内所能处理的有机物数量。BOD有机负荷的确定与被处理水的可生化性以及被处理水中的污染物质有关，也与处理出水的水质要求有关。对于可生化性较好的工业废水，因一般不考虑脱氮问题，曝气生物滤池的作用主要用于去除有机物，所以曝气生物滤池的BOD有机负荷一般在3～6kgBOD/m3滤料·d，COD有机负荷一般在6～10kgCOD/m3滤料·d，空塔水力负荷一般在3～5m3/(m2·h)。而对于城市生活污水，考虑到硝化脱氮对有机负荷的要求，其BOD有机负荷一般控制在1～3kgBOD/m3滤料·d范围内，当BOD有机负荷超过3kgBOD/m3滤料·d时，其同步硝化作用受到抑制，当BOD有机负荷超过4kgBOD/m3滤料·d时，其同步硝化作用受到明显抑制，所以对需要进行除碳和同步硝化的C/N曝气生物滤池进行计算时，其BOD有机负荷的选取一般小于3kgBOD/m3滤料·d，而其COD有机负荷一般控制在6kgCOD/m3滤料·d以下，空塔水力负荷一般为1.5～3.5m3/(m2·h)之间。第4页/共30页

在本工程中，经水解（酸化）池每天进入C/N滤池的污水量Q=40000m3/d，在C/N曝气生物滤池中，每天所要求去除的BOD5的重量为：

ΔWBOD=（Q·ΔCBOD）/1000式中：ΔWBOD—在曝气生物滤池中每天需去除的BOD重量，单位kg/d；

Q—每天进入曝气生物滤池的废水量，单位m3/d；

ΔCBOD—进出曝气生物滤池的BOD浓度差，单位mg/l；代入数据后，则：ΔWBOD=（Q·ΔCBOD）÷1000=〔40000×（127.5-31.88）〕÷1000=3824.（kg/d）取BOD有机负荷qBOD=1.8kgBOD/m3滤料·d，则所需滤料体积计算如下：V滤料=ΔWBOD÷qBOD=3824.8÷1.8=2124.9(m3)采用COD有机负荷进行校核：当滤料体积为2124.9m3时，每天经C/N曝气生物滤池去除的COD的重量为：ΔWCOD=（Q·ΔCCOD）/1000式中：ΔWCOD—在曝气生物滤池中每天需去除的COD重量，单位kg/d；

Q—每天进入曝气生物滤池的废水量，单位m3/d；

ΔCCOD—进出曝气生物滤池的COD浓度差，单位mg/l；第5页/共30页

代入数据后，则：ΔWCOD=（Q·ΔCCOD）÷1000=〔40000×（200-60）〕÷1000=5600（kg/d）实际上，C/N曝气生物滤池内的COD有机负荷为：

qCOD=ΔWCOD÷V滤料=5600÷2124.9=2.64kgCOD/m3滤料·d所以，C/N曝气生物滤池内的实际COD有机负荷小于6kgBOD/m3滤料·d，满足要求。一般来说，曝气生物滤池内的滤料层高度H滤料在2.5～4.5m之间。在水力负荷一定的条件下，滤料层高则污水与微生物的接触时间长，出水效果好，但相对所需鼓风机的压头也较高，能耗相对也大；滤料层低则污水与微生物的接触时间短，出水效果相对差些，但所需鼓风机的压头也低些，能耗相对也小些。根据国内外已建成运行的曝气生物滤池实际情况，本工程取滤料层高度H滤料=3.7m，则曝气生物滤池的截面积S截面计算如下：S截面=V滤料÷H滤料=2124.9÷3.7=574.3m2

考虑到单座滤池面积过大将会增加反冲洗时的供水、供气量，同时不利于布水、布气的均匀，所以本设计中将C/N曝气生物滤池分为8格，则每格截面积为574.3÷8=71.8m2。第6页/共30页

本设计每格截面按正方形布置，则每格尺寸应为8.47x8.47m，实际取8.5x8.5m。当滤池总截面积为574.3m2时，空塔水力负荷复核如下：

实际q水力=Q÷S截面=40000÷574.3÷24=2.9m3/m2·h,满足要求。为考虑进入滤池的废水均匀流过滤料层，在滤料承托层下部设计有缓冲配水室，其高度H配水一般为1.2～1.5m，考虑到滤头和配水室内布水、布气管的安装方便，以及便于配水室的清洗，本工程取H配水=1.5m，并在配水室池壁考虑设置检修人孔；另外，考虑到滤池反冲洗时滤料的膨胀，在滤料层上部保证有0.8～1.0m的清水区，本工程取清水区高度H配水=1.0m；滤池的超高取H超高=0.5m,承托层高H承托=0.3m，则滤池的总高为：

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

污水在曝气生物滤池滤料层高度中的空塔停留时间t=3.7÷2.9=1.28hr，而根据运行经验，滤池在装满滤料后废水在滤料层中的实际停留时间约为空塔停留时间的1/2左右，即0.64hr。第7页/共30页（2）曝气生物滤池配水系统曝气生物滤池的配水系统一般采用小阻力形式。对于小型工业废水处理用曝气生物滤池一般采用小阻力配水形式中的格栅式、平板孔式，而对于城市污水处理厂则采用小阻力配水形式中的滤头配水形式，考虑到曝气生物滤池采用气水联合反冲洗，所以滤头采用长柄滤头，长柄滤头在正常运行时起均匀布水作用，在反冲洗时起布水、布气作用。曝气生物滤池所选用的长柄滤头为滤水帽、滤水管一体成型，每个滤头共有滤缝20条，每条滤缝L×B=8mm×2mm±0.05mm，滤缝总面积为3.2cm2/个。每平方米布置36个滤头，开孔比β=1.152%，流量系数α=0.8，每格滤池的水力负荷μB=0.8l/m2·s则每格滤池中水通过配水系统的水头损失为：

h1=〔(μB/αβ)2÷2g〕×10-6=3.85×10-4m

在本工程设计中，每格滤池每平方米布置长柄滤头36个，每个间距为150mm。第8页/共30页第9页/共30页第10页/共30页第11页/共30页（3）布气系统在曝气生物滤池设计中，布气系统包括在滤池正常工作时的曝气系统和滤池反冲洗时的布气系统。①曝气系统曝气生物滤池的曝气系统早期采用的主要是穿孔管曝气，但由于穿孔管曝气氧的利用率低，同时在滤池中较易堵塞。本工程设计中采用了生物滤池专用单孔膜空气扩散器，该扩散器是针对曝气生物滤池的特点专门研制的，具有空气扩散效果好、氧的利用率高、在滤料中不易堵塞的特点。

C/N曝气生物滤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两部分。

C/N曝气生物滤池去除污水中单位重量BOD的需氧量为：

△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，则C/N曝气生物滤池每天去除BOD需提供的总氧量为：

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

在C/N曝气生物滤池中TKN将转化成氨氮，使得污水中实际的氨氮浓度升高。根据试验结果，在C/N曝气生物滤池处理生活污水时，滤池污水中的实际氨氮量约为45mg/l，出水要求氨氮量为24mg/l，则氨氮部分硝化每天的需氧量为：RN=Q×4.57N0=40000×4.57×(45-24)=3838.8kg

则去除污水中BOD的需氧量和氨氮部分硝化的需氧量（标态）合计为：ΣR=R0+RN=3121.04+3838.8=6959.84kg当滤池氧的利用率为EA=30%时，从滤池中逸出气体中含氧量的百分率Qt为：

21×（1-EA）21×（1-0.3）Qt===15.7%79+21×（1-EA）79+21×（1-0.3）当滤池水面压力P=1.013×105Pa，曝气器安装在滤池水面下H=4.85m深度时，曝气器处的绝对压力为：Pb=P+9.8×103×H=1.013×105+9.8×103×4.85=1.488×105Pa第13页/共30页

则当水温为25℃时，清水中的饱和溶解氧浓度为Cs=8.4mg/l，则25℃时滤池内混合液溶解氧饱和浓度的平均值Csm(25)为：

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

当水温为25℃时,C/N曝气生物滤池实际需氧量R为：

R0Csm(25)R=α×1.024T-20〔βρCs(25)-Cl〕

对于城市生活污水，α=0.8，β=0.9，ρ=1，而且假定滤池出水溶解氧浓度为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页/共30页C/N曝气生物滤池总供气量为：

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

每个单孔膜滤池专用曝气器供气量为0.2～0.3m3/个·h，取曝气器供气量为0.25m3/个·h，则C/N曝气生物滤池需曝气器数量为n=ΣGs×60÷0.25=121.83×60÷0.25=29240个，为安装方便，实际选用曝气器28322个，曝气器的布置间距为125mm。②反冲洗布气系统

C/N曝气生物滤池的反冲洗采用气水联合反冲洗，反冲洗过程通过EPT-1型长柄滤头完成，其反冲洗布气系统可参照《给水排水设计手册》给水快滤池的设计。第15页/共30页（4）滤料层、承托层本次设计的曝气生物滤池中选用了球形陶粒作为滤料。在设计中，由于进入C/N曝气生物滤池的污水为水解酸化池出水，其中含有一定量的悬浮物，C/N曝气生物滤池的作用除去除污水中的有机物和部分氨氮硝化外，还需对悬浮物进行截留，所以选用了直径∮4mm～∮6mm的球形陶粒滤料，按一定的级配填装。由于陶粒粒径较小，为防止滤头堵塞而不能直接填装在承托滤板上，所以在陶粒层下部宜设置有承托层。承托层选用鹅卵石，并按一定的级配布置，总高度为0.30m，其级配见表9：

表9卵石承托层级配自上而下卵石直径卵石层高度4—8mm100mm8—16mm100mm16—32mm100mm第16页/共30页（5）滤池出水系统

C/N曝气生物滤池出水系统采用单侧出水，并在出水口设计为60。斜坡和设置栅形稳流板，以降低出水口处的水流流速，在反冲洗时有可能被带至出水口处的陶粒与稳流板碰撞，导致流速降低而在该处沉降，并沿斜坡下滑回滤池中。由于采用单侧出水,所以正常运行时的出水槽与反冲洗排水槽在同一侧，其结构示意图见图20：第17页/共30页2．N曝气生物滤池（硝化滤池）

N曝气生物滤池主要用于对污水中的氨氮进行硝化脱氮。虽然N曝气生物滤池与C/N曝气生物滤池的处理功能不同，但N曝气生物滤池的结构与C/N曝气生物滤池的结构完全相同，也包括缓冲配水室、曝气系统、承托层和滤料层、出水系统、反冲洗系统等，所以其计算主要包括上述各部分的计算。（1）N曝气生物滤池池体的设计由于按硝化负荷法计算方法比较成熟，所以N曝气生物滤池池体的设计一般按硝化负荷法计算。按硝化负荷法计算的设计参数主要是硝化负荷。根据国内外N曝气生物滤池的实际运行情况来看，硝化负荷一般在0.3～0.8kgNH3-N/m3滤料·d，本工程根据试验结果取硝化负荷为0.4kgNH3-N/m3滤料·d作为设计参数。第18页/共30页

在本工程中，进入N曝气生物滤池的污水量为Q=40000m3/d，在N曝气生物滤池进水中的氨氮为24mg/l，出水中的氨氮为9.6mg/l计，每天所要求去除的氨氮重量为：

ΔW氨氮=（Q·ΔC氨氮）/1000式中：ΔW氨氮—在N曝气生物滤池中每天需去除的氨氮重量，单位kg/d；

Q—每天进入曝气生物滤池的废水量，单位m3/d；

ΔC氨氮—进出N曝气生物滤池的氨氮浓度差，单位mg/l；代入数据后，则：ΔW氨氮=（Q·ΔC氨氮）÷1000=〔40000×（24-9.6）〕÷1000=576（kg/d）取氨氮负荷q氨氮=0.4kgNH3-N/m3滤料·d，则所需滤料体积计算如下：V滤料=ΔW氨氮÷q氨氮=576÷0.4=1440(m3)取滤料层高度H滤料=3.0m，则N曝气生物滤池的截面积S截面计算如下：S截面=V滤料÷H滤料=1440÷3=480m2

本设计中将N曝气生物滤池分为8格，则每格截面积为480÷8=60m2，每格截面按正方形布置，则每格尺寸应为7.75x7.75m。第19页/共30页

当滤池总截面积为480m2时，水力负荷复核如下：

实际q水力=Q÷S截面=40000÷480÷24=3.47m3/m2·h,满足要求。为考虑进入滤池的废水均匀流过滤料层，在滤料承托层下部也设计有缓冲配水室，由于C/N曝气生物滤池出水水质较稳定，所以其高度H配水可小些，一般为1.0～1.2m，考虑到滤头和配水室内布水、布气管的安装方便，以及便于配水室的清洗，本工程取H配水=1.2m，并在配水室池壁考虑设置检修人孔；另外，考虑到滤池反冲洗时滤料的膨胀，在滤料层上部保证有0.8～1.0m的清水区，本工程取清水区高度H配水=1.0m；滤池的超高取H超高=0.5m,承托层高H承托=0.3m，则滤池的总高为：

H=H滤料+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曝气生物滤池滤料层高度中的停留时间t=3.0÷3.47=0.865hr，第20页/共30页（2）N曝气生物滤池配水系统

N曝气生物滤池配水系统的作用与C/N曝气生物滤池相同，也采用长柄滤头配水，每平方米布置36个滤头，开孔比β=1.152%，流量系数α=0.8，每格滤池的水力负荷μB=0.964l/m2·s，则每格滤池中水通过配水系统的水头损失为：

h1=〔(μB/αβ)2÷2g〕×10-6=5.58×10-4m

在N曝气生物滤池中，每格滤池每平方米布置长柄滤头36个，每个间距为150mm，其布置示意图及滤头形式可参见C/N曝气生物滤池的设计。（3）布气系统在N曝气生物滤池设计中，布气系统包括在滤池正常工作时的曝气系统和滤池反冲洗时的布气系统两部分。①曝气系统

N曝气生物滤池的供氧量包括氨氮硝化的需氧量和去除污水中剩余BOD的需氧量两部分。

N曝气生物滤池进水中氨氮浓度为24mg/l，出水氨氮浓度为9.6mg/l，氨氮硝化每天的需氧量为：RN=Q×4.57N0=40000×4.57×(24-9.6)=2632.32kg第21页/共30页N曝气生物滤池去除污水中单位重量BOD的需氧量为：△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，则N曝气生物滤池每天去除BOD需提供的总氧量为：R0=Q×△SBOD×△R0=〔40000×（31.88-12.75）÷1000〕×0.733=560.89kg

则去除污水中BOD的需氧量和氨氮部分硝化的需氧量（标态）合计为：ΣR=R0+RN=2632.32+560.89=3193.21kg当滤池氧的利用率为EA=30%时，从滤池中逸出气体中含氧量的百分率Qt为：

21×（1-EA）21×（1-0.3）Qt===15.7%79+21×（1-EA）79+21×（1-0.3）当滤池水面压力P=1.013×105Pa，曝气器安装在滤池水面下H=4.1m深度时，曝气器处的绝对压力为：Pb=P+9.8×103×H=1.013×105+9.8×103×4.1=1.415×105Pa第22页/共30页

则当水温为25℃时，清水中的饱和溶解氧浓度为Cs=8.4mg/l，则25℃时滤池内混合液溶解氧饱和浓度的平均值Csm(25)为：

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

当水温为25℃时,C/N曝气生物滤池实际需氧量R为：

R0Csm(25)R=α×1.024T-20〔βρCs(25)-Cl〕

对于城市生活污水，α=0.8，β=0.9，ρ=1，而且假定滤池出水溶解氧浓度为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页/共30页

N曝气生物滤池总供气量为：

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

曝气器按每平方米36个布置，曝气器的布置间距为150mm，则N曝气生物滤池需曝气器数量为n=480×36=17280个，实际每个曝气器供气量为0.241m3/个·h。②反冲洗布气系统N曝气生物滤池的反冲洗采用气水联合反冲洗，反冲洗过程通过HQ-1型长柄滤头完成，其反冲洗布气系统可参照《给水排水设计手册》给水快滤池的设计。（4）滤料层、承托层

N曝气生物滤池滤料层、承托层的设计可参照C/N曝气生物滤池进行。（5）滤池出水系统N曝气生物滤池出水系统的设计可参照C/N曝气生物滤池进行。建成后的曝气生物滤池全貌见图21，运行时的曝气效果见图11-10。第24页/共30页第25页/共30页第26页/共30页7.清水池清水池主要用于储存一定量的处理后达标水，以提供各滤池进行反冲洗的水源，每次反冲洗用水量为180m3。清水池共1座，为钢筋混凝土结构，与生物滤池合建，长×宽×高=7.75m×6m×6m，有效容积200m3。8．反冲洗排水缓冲池反冲洗排水缓冲池主要用于储存滤池反冲洗的排水，并经管道均匀排入提升泵房集水池。反冲洗一般