完整版水污染课程设计.docx

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完整版水污染课程设计

中北大学

课程设计说明书

学生姓名：

学号：

学院：

化工与环境学院

专业：

环境工程

题目：

污水流量为65000m3/d的城市污水

生物滤池法处理工艺设计

指导教师：

晋日亚职称:

教授

2013年6月26日

中北大学

课程设计任务书

2012~2013学年第二学期

学院：

化工与环境学院

专业：

环境工程

学生姓名：

学号：

课程设计题目：

污水流量为65000m3/d的城市污水

生物滤池法处理工艺设计

起迄日期：

5月26日~6月26日

课程设计地点：

化工与环境学院环境工程系

********

系主任：

王海芳

下达任务书日期:

2013年5月26日

任务书

1．设计目的：

通过课程设计，进一步强化水污染控制工程课程的相关知识的学习，初步掌握污水处理中常见构筑物的设计方法、设计步骤。

学会用CAD软件绘制构筑物的基本设计图纸。

2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：

原始数据与基本参数：

设计污水流量：

65000m3/d；初次沉淀后BOD5：

220mg/L；处理后出水BOD5：

30mg/L。

其它参数查阅相关文献自定。

设计内容和要求：

①确定滤池形式，计算生物滤池的各部分尺寸；

②生物滤池构筑物的图纸详细设计。

3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书（论文）、图纸、实物样品等〕：

（1）课程设计说明书一份；

（2）说明书内容包括：

①生物滤池在水处理中的作用说明；

②根据给出参数对生物滤池各部分尺寸的详细计算过程；

③设计图纸（CAD绘图）规范，图纸包括整体图和局部图的设计，计算尺寸要在图中相应的位置标明；

④单位要正确，参考文献必须在说明书中相应的位置标注，语言流畅、规范。

（3）工作量：

4周

课程设计任务书

4．主要参考文献：

[1]晋日亚、胡双启．水污染控制技术与工程．北京：

兵器工业出版社，2005.

[2]高廷耀．水污染控制工程（下册）．北京：

高等教育出版社，1989.

[3]王宝贞．水污染控制工程．北京：

高等教育出版社，1990.

[4]孙彗修等．排水工程（上）．北京：

中国建筑工业出版社，2000.

[5]张希衡．废水治理工程．北京：

冶金工业出版社，1984.

[6]张自杰等．排水工程（下）．北京：

中国建筑工业出版社，2000.

[7]尹士君、李亚峰．水处理构筑物设计与计算．北京：

化学工业出版社，2004.

5．设计成果形式及要求：

设计说明书一份（含构筑物设计详图），设计说明书格式按中北大学课程设计的相关要求。

6．工作计划及进度：

2013年5月26日~6月1日：

领取课程设计任务书，明确课程设计的内容，查阅相关资料。

6月1日~6月23日：

设计计算、绘制相关图纸。

6月24日~6月26日：

打印装订设计说明书，答辩。

系主任审查意见：

签字：

年月日

污水流量为65000m3/d的城市污水

生物滤池法处理工艺设计

摘要：

针对流量为65000m3/d的城市污水，其初次沉淀后BOD5浓度为220mg/L，要求处理后出水BOD5浓度为30mg/L。

由于处理水量大且有机负荷高故采用高负荷生物滤池法，依靠滤料表面的生物膜对废水中有机物的吸附氧化作用，使废水得以净化的。

本论文将对生物滤池作简要介绍并按照设计手册计算各部分尺寸，参照国际标准ISO58151983，采用稀释与接种法测定水中BOD5浓度，确保处理后的出水BOD5浓度为30mg/L，根据城市污水处理厂污水污泥排放标准CJ3025—93，符合污水排放对有机物浓度的要求。

关键词：

城市污水净化；生物膜法；高负荷生物滤池；稀释与接种法

1前言

1893年在英国试行将污水在粗滤料上喷洒进行净化的试验，取得良好的效果。

1900年后，这种工艺得到公认，命名为生物过滤法，处理构筑物则称为生物滤池，开始用于污水处理实践，并迅速在欧洲一些国家得到应用[1]。

生物滤池是由碎石或塑料制品填料构成的生物处理构筑物。

污水与填料表面上生长的微生物膜间隙接触，使污水得到净化[2]。

早期的普通生物滤池水力负荷和有机负荷都很低，虽净化效果好，但占地面积大，易于堵塞。

后来开发出采用处理水回流，水力负荷和有机负荷都较高的高负荷生物滤池；以及污水、生物膜和空气三者充分接触，水流紊动剧烈，通风条件改善的塔式生物滤池。

近年来发展起来的生物接触氧化法已成为一种独立的生物膜法污水处理工艺。

就生物滤池的三种基本类型即普通生物滤池（低负荷生物滤池）、高负荷生物滤池、塔式生物滤池而言，各有不同的优缺点，因此针对不同的污水，生物滤池的选择也不同。

2生物滤池的简介及选型

2.1生物滤池的基本构造

生物滤池在平面上一般呈矩形或圆形，它的主要组成部分包括滤床、池壁、池底、布水设备和排水系统[3]。

（1）滤床

滤床由滤料组成，是微生物生长栖息的场所。

理想的滤料均具备下述性质：

①能为微生物的附着提供大量的表面积；②使污水以液膜状态流过生物膜；③有足够的空隙率，保证通风（保证氧的供给）和使脱落的生物膜能随水流出滤池；④不被微生物分解，也不抑制微生物的生长，有良好的生物化学稳定性；⑤有一定机械强度⑥价格低廉。

因而，滤床常采用拳状滤料，如碎石，卵石，炉渣，焦炭等，近年来，由于塑料滤料密度小，空隙率大也常采用。

（2）池壁

滤池的池壁是为了围挡滤料保护布水而建，一般用砖，毛石，混凝土或预制板砌块等筑成。

通常，池壁高于滤料表面层0.5～0.9m，以防风力干扰，保证布水均匀。

（3）池底

滤池的池底主要由支撑渗水结构、底部空间、排水系统、排水口、通风口等部分组成。

支撑渗水结构能够支撑滤料和渗水，是架在混凝土梁或砖垫上的穿孔混凝土板，有足够的渗水和通风面积，其面积应为滤池横截面积的15%～20%，而负荷高的滤池，通风面积应适当大些。

底部空间用于通风和布气，对于面积较大的滤池，应适当加高一些，以增大通风量，并使气流均匀地进入滤料层。

（4）布水设备

布水设备设在滤料层的上方，用以均匀喷洒废水在整个滤床表面上，此外还应具有适应水量的变化、不易堵塞和易于清通、不受风雪的影响等特征。

生物滤池的布水设备分为两类：

可动布水和固定布水系统。

现一般使用可动布水系统，使生物膜表面形成一层流动的水膜，这种布水装置，布水均匀，能保证生物膜得到连续的冲刷。

常用的可动式布水装置是旋转布水器。

（5）排水系统

排水系统包括池子底面及开设于其上的沟渠。

池子底面及排水沟都应有一定的坡度。

排水渠穿过池壁的地方，设有排水和通风孔洞，通风面积一般不小于过水断面。

通常，排水口设于池壁的一侧或数侧，但通风口必须均匀分布于池壁的两对边或四周。

2.2生物滤池的工作原理

污水通过布水设备均匀喷洒在整个滤床表面，经过一段时间，在滤料表面上形成一层充满微生物和细菌的粘膜，这层粘膜即为生物膜，由细菌（好氧、厌氧，兼性）、真菌、藻类、原生动物和后生动物等组成。

生物膜是高亲水性物质，当污水流过生物膜表面时，可在其表面上形成一层薄薄的附着水层，生物膜内的微生物可利用附着水层中的有机物进行生长繁殖，使生物膜不断增厚。

当厚度增加到一定程度时，在溶解氧不能通过的生物膜内层即形成厌氧层。

成熟的生物膜由好氧和厌氧两层组成。

好氧层的厚度一般为2mm左右。

在生物膜内、外，生物膜与水层之间进行着多种物质的传递过程。

水中的溶解氧和有机污染物由流动水层经附着水层进入生物膜，被微生物所利用，从而使污水得到净化。

微生物的代谢产物则通过附着水层进入流动水层，并随其带走，其中的气体生成物（如CO2，H2S，CH4等）则从水层散逸到空气中。

由于微生物的不断增殖，生物膜逐渐增厚，当达到一定厚度时，生物膜表面吸附的有机物在传递到滤料表面的微生物以前已被代谢掉，此时滤料表面的微生物因得不到营养进入内源呼吸阶段，同时厌氧层内微生物代谢所产生的气体不断溢出，也减弱了生物膜在滤料表面的固着力，处于这种状态的生物膜成为老化生物膜，易于脱落而随水流出，经一段时间后滤料表面又重新长出新的生物膜。

2.3生物滤池的作用

生物滤池处理废水的实质就是生物膜法处理有机废水，属二级处理常用的方法。

污水经过一级处理后，其中的漂浮物和大的悬浮物得到分离，但污水中还含有大量的有机物，当废水通过生物滤池时，流过生长在滤料表面的生物膜，利用生物氧化作用和各物质间的物质交换，从而降解废水中的有机污染物。

在对水质要求不高的情况下，生物滤池的出水可以直接利用。

2.4生物滤池选型

普通生物滤池一般适用于处理每日污水量不高于1000m3的小城镇污水或有机性工业废水。

它的BOD5去除率高达95%以上，且处理效果好运行稳定，易于管理，节约能源。

但是，其占地面积大，不适宜处理水量较大的污水，滤料易堵，卫生条件较差。

相比而言，高负荷生物滤池的有机负荷大，一般为普通生物滤池的6～8倍，因此池体较小，占地面积也少。

它的BOD5去除率稍低，一般为75%～90%。

高负荷生物滤池内的生物膜生长非常迅速，为防止滤料堵塞，必须采用较高的水力负荷，利用水力冲刷作用及时冲走过厚和老化的生物膜，促进生物膜更新，防止滤池堵塞。

塔式生物滤池的滤料层高达8～12m，污水自上而下滴流，通风条件好，氧气供给充足，促进了污水、空气和生物膜的充分接触，加快了污染物质的传质速度，大大提高了滤池的有机负荷；塔内的微生物存在明显的分层特点，可以承受较大的有机负荷和有毒物质的冲击。

但由于污水在塔内只停留短短的几分钟，BOD5去除率较低，一般仅为60%～85%。

塔式生物滤池除用于高浓度有机工业废水处理外，还可用于生活污水和城市污水的处理。

但不管是哪种废水，水量都不能太大，否则不宜采用此法处理。

污水处理具体要求是：

设计污水流量：

65000m3/d；初次沉淀后BOD5：

220mg/L；处理后出水BOD5：

30mg/L。

上述三种生物滤池具体详细参数见表2.1。

经过初步计算，污水处理过程中，要求BOD5去除率为86%，因此塔式生物滤池不符合要求；设计污水流量为65000m3/d>1000m3/d，因此如果采用普通生物滤池将会占用极大的面积，增加处理成本。

综合各方面要素，只有高负荷生物滤池能够满足处理要求。

所以针对这种类型的污水将采用高负荷生物滤池进行处理。

为了保证在提高有机负荷率的同时又能保证一定的出水水质，并防止滤池的堵塞，高负荷生物滤池的运行常采用回流式的运行方式。

利用出水回流至滤池前与进水混合，这样，既可提高水力负荷率，又可稀释进水的有机物浓度，可以保证出水水质。

表2.1三种生物滤池参数对比表

普通生物滤池

高负荷生物滤池

塔式生物滤池

水力负荷（m3/m2·d）

10～30（包括回流）

16～97（不包括回流）

BOD负荷（kg/m3·d）

0.15～0.3

0.8～1.2

高达4.8

深度（m）

1.8～3.0

0.9～2.4

8～12或更高

回流比

无

1：

1～1：

回流比较大

滤料

多用碎石等

多用塑料滤料

塑料滤料

比表面积（m2/m3）

43～65

82～115

孔隙率（%）

45～60

93～95

蝇

多

很少

生物膜脱落情况

间歇

连续

运行要求

简单

需要一定技术

投配时间的间歇

不超过5min

一般连续投配

连续投配

二次污泥

黑色、高度氧化

棕色、未充分氧化

处理出水

高度硝化

BOD5≤20mg/L

未充分硝化

BOD5≥30mg/L

未充分硝化

BOD5≥30mg/L

BOD5去除率（%）

85～95

75～90

65～85

悬浮物去除率（%）

70～80

65～75

45～65

3城市污水生物滤池法处理方案设计

3.1工程概况、构造及要求

3.1.1工程概况

设计污水流量：

65000m3/d；初次沉淀后BOD5：

220mg/L；处理后出水BOD5：

30mg/L。

根据当地环保部门要求，处理出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）二级标准。

设计进、出水水质见表3.1。

表3.1设计进出水的主要水质指标

项目

CODcr

BOD5

氨氮

（mg/L）

进水

500

220

250

6～9

出水

100

25（30）

6～9

3.1.2高负荷生物滤池的构造

高负荷生物滤池具有生物滤池的基本构造，表面多为圆形。

滤料的粒径较大，一般为40～100mm，以提高滤料的孔隙率。

滤料层较厚，一般为2～4m。

滤料粒径和相应的滤层厚度为：

工作层厚度1.8m，滤料粒径为40～70mm；承托层厚度0.2m，滤料粒径为70～100mm。

当滤料厚度超过2.0m时，一般采用人工通风措施。

布水装置多用旋转式布水器。

3.1.3高负荷生物滤池的设计要求

（1）高负荷生物滤池的个数不应少于2座，污水流量按日平均流量考虑。

（2）以塑料为滤料时，滤层厚度可达2～4m。

工作层滤料的粒径应为40～70mm，厚度在0.9～2.4m，承托层的粒径为70～100mm，厚度为0.2m；当滤层厚大于2m，一般应采用人工通风。

（3）正常气温下，处理城市废水时，表面水力负荷为10～30m3/（m2·d），有机负荷为0.8～1.2kgBOD5/（m3·d）。

（4）单级滤池的BOD5的去除率一般为75～85%；两级串联时，BOD5的去除率一般为90～95%。

（5）进水BOD5少于200mg/L，高于200mg/L，采取回流措施。

（6）出水的BOD5一般要超过30mg/L。

（7）池壁四周通风口的面积不应小于滤池表面积的2%。

（8）布水器的基本要求：

①旋转布水器的直径比生物滤池的内径小100～200mm；

②布水横管的数量一般为2～4根；

③布水横管直径一般在50～250mm；

④布水横管要高出填料层0.15～0.25m；

⑤布水横管上的布水小孔孔径为10～15mm；

⑥布水小孔间距在中心部分最大，向外逐渐缩小，一般由300mm缩小到75mm；

⑦当布水横管的直径为10～40mm时旋转布水器的水头损失为0.2～1.0m；

⑧实际水头损失比计算值增加0.5～1.0倍，一般压头为0.5～1.0m。

（9）渗水装置

①排水孔总面积应大于池表面积的20%，其空间高度应不小于0.3m；

②池底以1%～2%的坡度坡向集水沟，沟宽为0.15m，间距2.5～4m，并以0.5%～1%的坡度坡向总集水沟；

③总集水沟的坡度不小于0.5%，其过水断面积小于其全部断面积的50%,以利通风；

④沟内水流速度应大于0.7m/s，为保证通风，底部通风孔总面积不少于滤池表面积的1%。

3.2工艺流程

图3.1污水处理厂工艺流程图

在上世纪70年代美国大约70%的城市污水厂采用生物滤池，英国大部分城市污水处理厂使用生物滤池处理城市污水，因为它投资低，运行费用低。

传统的生物滤池工艺的流程为：

初沉池—高负荷生物滤池，它虽然工艺简单，但处理效率不高，特别是冬季运行处理效果不稳定。

厌氧水解—曝气—高负荷生物滤池工艺是针对以上工艺缺点所改革的一种新型生物膜法处理工艺如图3.1，它应用于城市污水处理中，具有如下特点：

（1）在城市污水处理中，多功能的水解池较功能专一的传统初沉池对各类有机物的去除率高；

（2）水解菌世代期短，对污染物的降解过程迅速，其将污水中固体、大分子、难于生物降解的有机物质转化为易于生物降解的小分子有机物质，使得在后续的好氧单元可以用较短的时间和较低的电耗完成净化过程，具有效率高能耗低的特点；

（3）构造简单，便于维护管理；

（4）设计中将二沉池沉淀的脱落生物膜回流到厌氧水解池，在污水处理的同时，厌氧水解池也具有对污泥的水解、浓缩和减量化作用，系统总剩余污泥由厌氧水解池排出。

设计中用厌氧水解池代替初沉池，也是考虑到与低能耗的高负荷生物滤池相配套，整体上是节能处理系统；

（5）中间曝气池主要目的是提高进入生物滤池的溶解氧，维持生物滤池的处理效率。

当气温适宜、进水有机物浓度较低时，中间曝气池不曝气。

它只在污水有机物浓度较高时和冬季低温状况下运行时曝气，以提高冬季和高负荷情况下运行的稳定性，提高氨氮去除率。

另外中间曝气池的设置使处理工艺运行管理更加灵活、可靠，例如,如果将来进水长期处于高浓度状态，或含难降解有机物较多时，或出水水质标准提高时，可在中间曝气池中增设生物填料，以提高整个字体的去除效率；

（6）高负荷生物滤池采用天然滤料（卵石、碎石、碎砖等），投资省，造价低，管理简便；

（7）高负荷生物滤池采用自然通风供氧，能耗低，运行费用低,废水处理成本低；

（8）厌氧水解—曝气—高负荷生物滤池对水质和水温变化适应能力强，在水温低至10℃时，仍可有很好的处理效果。

该工艺通过高负荷生物滤池出水的回流，结合厌氧水解和曝气工艺阶段，可实现对氨氮的高效处理，因而可接受较含较高浓度的氨氮废水。

该工艺处理效果稳定、出水水质好、基建投资省、运行费用低、污泥产量少、污泥性质稳定等特点；

（9）根据目前工程建设经验，厌氧水解—曝气—高负荷生物滤池处理工艺较传统活性污泥法，可节约基建投资20%～35%，减少占地20%～30%，总电耗可节30%～40%,处理成本可节约30%～40%；

（10）目前该工艺在我国黄河以北地区还很少使用。

3.3高负荷生物滤池设计计算

3.3.1设计参数

城市设计人口N=280000人，排水量标准qv1=220L/（人·d），BOD5排出量ρsi1=30g/（人·d），市内另有一工厂，其废水量qv2=3400m3/d，BOD5浓度ρsi2=1740g/m3，归入城市排水系统后，一同用高负荷生物滤池处理，填料层高度h=2m，处理后，出水BOD5浓度ρse要求不大于30mg/L，混合污水冬季平均温度为15℃，总变化系数KZ=1.60，当地年平均气温为8℃，稀释后进水BOD5浓度ρs0与要求的出水BOD5浓度成正比，设系数为a见表3.2，取滤池面积负荷q=2000gBOD5/（m2·d），布水横管管径为100mm，布水孔径取15mm，流量模数K见表3.3。

取四根横管。

表3.2高负荷生物滤池的a值

污水冬季平均

年平均

填料层高度h/m

温度/℃

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

8～10

＜3

2.5

3.3

4.4

5.7

7.5

10～14

3～6

3.3

4.4

5.7

7.5

9.6

＞14

＞6

4.4

5.7

7.5

9.6

12.0

表3.3流量模数表

D1/mm

100

125

150

175

200

250

K/L·s-1

11.5

86.5

134

209

300

560

3.3.2设计计算

（1）基本尺寸的计算：

①混合污水平均日流量qv：

（3.1）

②污水混合的BOD5浓度ρsi：

（3.2）

因ρsi=220mg/L＞200mg/L，所以必须用出水回流的方式稀释进水，使其浓度降至200mg/L；

③经回流稀释后污水应达到的BOD5浓度ρs0：

ρs0=aρse，因h=2m，查表3.2,a=4.4，所以，ρs0=4.4

30=132mg/L；

④回流稀释倍数（回流比）r：

（3.3）

⑤滤池所需总面积A：

（3.4）

⑥滤池滤料总体积V：

V=Ah=7979

2=15958m3（3.5）

⑦每个滤池面积A1：

设采用六个滤池，则A1=

⑧滤池直径D：

（3.6）

⑨校核水力负荷：

m3/（m2·d）＞10m3/（m2·d）（3.7）

满足要求，若

＜10m3/（m2·d），应采取措施，

加大回流量以提高水力负荷；

降低填料高度以减小堵塞的可能。

（2）旋转布水器的设计计算

①污水最大设计流量：

（3.8）

②每个滤池的最大设计流量：

（3.9）

③布水横管和布水孔径：

每个滤池设置一架布水器，每个布水器有四根布水横管，其管径D1=125mm,布水小孔直径d=15mm。

④旋转布水器直径D2：

D2=D－200=41000－200=40800mm=40.8m

⑤每根布水横管上的布水小孔数m：

（3.10）

⑥各布水小孔至布水器中心的距离ri：

（3.11）

第1个布水小孔距中心的距离为：

第100个布水小孔距中心的距离为：

第340个布水小孔距中心的距离为：

⑦布水器转速n：

（3.12）

⑧布水器所需水头（即布水器水头损失）H：

（3.13）

横管数为4，则

D2=40.8m=40800mm，查表3.3得：

K=86.5,m=340,d=15mm,D1=125mm，故：

3.3.3池壁的设计

池壁高于滤料表面0.9m，这部分的宽度为0.3m，用砖块筑成；在池壁上端周围加一周宽1.2m的走道板，并在走道板上加装护拦，用于滤池的维护和管理。

采用通风井进行滤池内的通风，通风口上方设调节通风量用的铝合金百叶窗，通气孔的尺寸为1500×1000mm，总高度2700mm在滤池周围均布4个通风井。

池壁上安装有尺寸为600×600mm的检修孔，在正常运转时用薄钢板封挡。

3.3.4其它部件及相对位置

滤池深度为3600mm，中心集水部分，在池底中心凹面处，距离多孔板下方1970mm，直径2500mm。

布水横管距离滤料表面的高度为150mm，滤料层的高度为2000mm。

出水管的直径为500mm，在与旋转布水器连接处采用双承90°弯头。

进水管的直径为500mm。

安装检修人孔的尺寸为900×1000，正常运转时内用玻璃钢斜板填充。

池底坡度i=0.01，多孔板由尺寸为240×240砖砌支座支撑，多孔板有足够的渗水和通风面积，面积为滤池横截面积的20%，其高度为700mm。

进水管和出水管与其相邻的通风井，在以滤池中心为顶点所夹的角度均为30o，而进水管与出水管同样以滤池中心为顶点所夹的角度均为150o，这两管的高程差为2100m。

4结论

4.1生物滤池的主要设计参数

①污水回流比：

r=0.86

②滤池的总体积为：

V=15958m3

③滤池总面积：

A=7979m2

④滤池直径：

D=41m

⑤生物滤池的个数：

6座

⑥布水器直径：

D2=40.8m

⑦每根布水器上的小孔的数目：

m=340

⑧第1个布水小孔距中心的距离为：

r1=1.11m

第100个布水小孔距中心的距离为：

r100=11.06m

第340个布水小孔距中心的距离为：

r340=20.40m

⑨布水器转速：

n=1.82r/min

⑩布水器所需水头：

H=2.1m

4.2污水处理效果分析

参照国际标准ISO58151983，采用稀释与接种法测定水中BOD5浓度。

通过YSI—58型溶氧测定仪（美国），对水中有机物和无机物在生物氧化作用下所消耗的溶解氧进行测试，操作简单，误差小，数据可

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