课题基于S7300PLC的BAF污水处理监控系统.docx
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课题基于S7300PLC的BAF污水处理监控系统
基于S7300PLC的BAF污水处理监控系统
资源环境学院环境工程专业
（指导教师：
）
摘要：
泗阳县由于经济的高速发展以及城镇环境治理设施建设的相对滞后，环境污染已经成为制约当地发展的一个重要因素。
根据当地的实际情况，本研究为该县设计了6×104m3/d污水处理工程。
经各方案对比，本设计采用了曝气生物滤池为主体的污水处理流程，使处理水水质能够达到排放标准。
关键词：
泗阳县污水处理厂曝气生物滤池
TheDesignofTechnologicalProcesswithBAFMethodforSiyangCountySewage
EnvironmentalEngineeringDepartment,CollegeofResourcesandEnvironmentJiangJingSupervisor:
XianJun-Ren
Abstract：
Duetotherapideconomicdevelopmentaswellasthelagoftheenvironmentaldisposalfacilitiesconstructioninthetowns,theenvironmentalpollutionhadbecomeoneofthemainobstaclesofthedevelopmentinSiyangCounty.Therefore,SiyangCounty’swastewaterdisposingprojectshouldbeconstructedatonce.Accordingtothelocalsituation,theresearchdesignedadisposingprojectofsix-ditchtypesoxidizeditch（6×104m3/d）.Aftercomparison,thedesignadoptedtheBAFasthemaindisposingprocessandmadethewaterqualitydischargedstandard.
Keywords:
SiyangCounty；sewagedisposalfactory；BAF
泗阳是旅游观光胜地，吸引了大批游客来旅游观光。
近年来随着经济的发展，生活污水和工业污水的大量排放使得大运河水质不断恶化，曾被环境保护专家亮出黄牌，环境的污染将会制约泗阳的经济发展。
建设泗阳县污水处理厂，可以改善和保护城区及周边地区的环境状况，避免对旅游景区的污染，创造良好的投资环境，提高居民的生活质量，保证更好的农业灌溉用水安全，促进经济的可持续发展，并为泗阳县水污染治理工作的全面完成及保护大运河流域的水环境质量起到十分重要和积极的作用。
该项目的建设将会产生巨大的社会效益、环境效益和经济效益。
1工程概况
《泗阳县城乡总体规划》修编的规划时段综合考虑《江苏省城镇体系规划》和《泗阳县国民经济和社会发展“十一·五”计划纲要（草案）》的时段安排状况，拟将规划期分为：
近期规划（2011年）、中期规划（2016年）和远期规划（2021年）。
预测国民生产总值在2007～2011年间平均增长9%，2012～2016年间平均增长12%，2017～2021年间平均增长10%，到各规划期末分别达到71亿元、125亿元、201亿元，并逐渐加大第三产业的比例。
泗阳县2000年总人口为22.65万，其中非农业人口16.13万人，城市化水平达71.2%。
基础资料显示，1997年至2007年10年间，人口年平均增长率为6.02‰。
根据《泗阳县国民经济和社会发展“十一·五”计划》，泗阳县在2007年、2011年、2016年和2021年总人口分别为24.05万、24.78万、25.53万和26.31万。
地下管网采用雨污分流制，雨水就近排入江河，污水集中处理。
各区污水管网采用截流式，以大运河为界，南、北两岸各设置一条截流干管，截流各区排放的污水，送至下游污水处理厂；该工程收水面积为5.3km2，服务人口为25万，工程建设规模为6×104m3/d，项目总投资6000万元。
污水处理厂位于县城下游、大运河畔，厂区占地40.37hm2。
2设计依据
《中华人民共和国环境保护法》
《中华人民共和国水污染防治法》
《中华人民共和国污水综合排放标准》（GB8978-1996）
《地表水环境质量标准》（GHZB1-1999）
《城镇污水处理厂附属建筑和设备设计标准》（CJJ31-89）
3工艺分析
3.1污水水量
泗阳县污水处理厂设计规模为6×104m3/d，总变化系数KZ=1.3。
3.2进水水质及特性分析
设计进水水质直接关系到工艺参数的确定，影响工程的投资及污水处理厂运行。
本工程的水质是根据泗阳县建委委托地区监测站对污水水质监测的结果，同时结合泗阳县工业企业的污水基本达标排放状况，并参照南京、徐州等国内同类城市的实际水质而确定的。
表1进水水质表
进水指标
CODGr
BOD5
SS
NH3-N
TP
pH
浓度（mg/L）
300
150
150
25～35
3
6～9
根据泗阳县污水进水水质及排放标准，污水处理厂主要去除的污染物为BOD5、CODGr、SS、NH3-N及TP。
污水的BOD5/CODGr=0.5表明，其生物降解性能良好，采用物理和生物方法能有效去除CODGr、BOD5、SS等污染物质。
污水的BOD5/NH3-N=4.3～6.0≥3、BOD5/TP=50≥10也表明，采用生物硝化、脱氮将取得良好的效果。
针对本工程对BOD5、CODGr、SS、NH3-N及TP去除程度的要求，采用生物处理为主，辅以化学除磷的物化-生化综合处理工艺，将取得良好的净化效果，可使净化出水达标排放。
3.3排放标准
根据规划，污水处理厂出水排入大运河，大运河为泗阳及下游城市的饮用水水源，属Ⅲ水域，应执行《污水综合排放标准》（GB8978-1996）一级标准。
表2出水水质指标
指标
CODGr
BOD5
SS
NH3-N
TP
pH
排放标准（mg/L）
≤60
≤20
≤20
≤15
≤0.5
6～9
3.4工艺比较
表3几种污水处理工艺的比较
类别
项目
普通曝气
SBR
氧化沟
BAF工艺
技术
广泛应用
国内外广泛应用、经验多
国内某些城市应用
国外工程应用较多
国内已有多处采用，推广前景看好
规模适应性
各种规模
各种规模
各种规模
各种规模
对污水水质的适应性
一般
一般
一般
好
对低温条件的适应性
受低温影响大
受低温影响大
受低温影响大
低温运行稳定
出水水质
可满足一级排放标准
可满足一级排放标准
可满足一级排放标准
优于一级排放标准
提高出水水质
需进行深度处理
需进行深度处理
需进行深度处理
现有系统即可实现
剩余污泥量
一般，相对稳定
一般，相对稳定
一般，相对稳定
稍大，欠稳定
运行管理
较复杂
复杂
较简单
简单
较长期停运后，恢复运行的难易程度
较难
较难
较难
容易
对自控要求
高
很高
一般
高
微生物培养驯化难度
难
难
难
容易
产生污泥膨胀的可能性
易发生
易发生
易发生
不发生
分期建设难易
难
难
难
容易
管理人员
多
多
多
少
经济
基建投资
最大
较大
大
较小
运行费用
较高
较高
一般
较低
动力消耗
较大
较大
较大
较小
占地面积
最大
较大
较大
最小
施
工
施工难易程度
一般
一般
一般
一般
建设进度
一般
一般
较快
快
环
境
噪音
较大
较大
一般
小
臭味
较大
较大
一般
小
泗阳县污水处理厂设计时，对包括处理工艺、设备、投资、占地、电耗、处理成本等在内的内容进行了方案比较，结合泗阳县污水特点和建厂条件，最终确订了设计方案。
采用了以BAF曝气生物滤池为主体的生物处理工艺。
对污泥经机械脱水后外运垃圾场填埋或用作有机肥料。
污水达到国家排放标准后再排入大运河水体。
4工艺流程及主要构筑物设计
4.1工艺介绍
曝气生物滤池（BiologicalAeratedFilter，BAF）是“固定生长体系”的生物处理工艺，是在生物接触氧化工艺的基础上，引入给水净化过滤机制而形成的一种新型的污水好氧生物处理工艺。
BAF技术是生物膜法的一种。
该技术最早由法国CGF（CompaguineGenereledesBanx）公司所属的OTV（L’omniumdeFraitementsetvalorization）公司开发。
图1为BAF的结构示意图。
图1BAF结构示意图
由于BAF具有良好的性能，其应用范围不断扩大，在经历了80年代中、后期的较大发展，90年代以后，BAF的发展很快，派生出多种工艺型式，其中，具有代表性的主要是“Biostyr”和“Biofor”型BAF。
在污水的二级或三级处理中，BAF具有有机负荷高、占地面积小、投资小、处理效率高、出水水质好等优点，已经在生活污水、工业废水、污水深度处理、给水预处理等方面获得广泛的应用[1]。
4.2BAF工艺原理与特点
BAF工艺类型和操作方式有多种，各具特点，但其基本原理是一致的。
曝气生物滤池处理污水的原理是反应器内填料上所附生物膜中微生物氧化分解作用，填料及生物膜的阻留作用和沿着水流方向形成的食物链分级捕食作用以及生物膜内部微环境和缺氧段的反硝化作用。
BAF工艺最初是为在污水的二、三级处理中实现硝化、反硝化开发的，设计思想来自A/O法。
在具体工艺形式中，该工艺抓住了BAF的技术关键—填料，并由此带来了一系列的工艺特点。
曝气生物滤池充分借鉴了污水处理接触氧化法和给水快滤池的设计思路，集曝气、高速过滤、悬浮物截留、定期反冲洗等特点于一体。
其工艺原理为在滤池中装填一定量粒径较小的粒状滤料，滤料表面上生长着好氧生物膜。
当污水流经滤层时，利用滤料上高浓度生物膜的生物氧化能力对污水中的污染物进行快速降解，此为生物降解过程；同时，当污水流经滤层时，利用滤层的截留及生物膜的生物絮凝综合作用，使污水中的悬浮物有效截留，保证滤池出水的SS达标，此为截留作用；BAF曝气生物滤池通过生物氧化降解过程及截留作用实现对污染物的去除。
曝气生物滤池的BOD5容积负荷可达到5～6kgBOD5/（m3.d）[2]，几乎是常规二级生物处理的5~10倍，滤池内高比表面积和粗糙多孔的粒状填料，其比表面上可以积聚较高的微生物量，微生物量可达10~15g/L，加之滤池后不需设置二沉池和污泥回流泵房，处理流程简化，大大节省了占地面积和土建费用。
BAF的生物膜较薄，一般为10μm左右，普通生物滤池的生物膜厚一般为0.5～2mm，因此活性很高；好活性的生物膜可吸附、截留一些难降解物质[3]。
滤池利用粒状滤料对气泡的切割及滤料对气泡的阻挡作用，使得气泡在滤层中进一步被细碎，强化气、液传质效应，增加滤层内的微生物与空气的接触面和时间，导致滤层池体总体充氧效率大为提高，氧的利用率达25%以上。
因此，处理效果稳定，出水水质好，对水力负荷及有机负荷都具有较强的抗冲击能力。
滤池滤料易挂膜，启动快，在滤池关闭期间通过间歇曝气可使滤料表面的生物膜以孢子的形式存活，一旦通过曝气，其活性在很短的时间内便可恢复正常[4]。
4.3工艺流程
泗阳市污水处理厂的一级处理采用沉砂池、初沉池的预处理系统，二级处理采用由Biofor
C和Biofor
N组成的二级过滤系统，具体工艺流程见图2。
图2泗阳县污水处理厂工艺流程
污水经厂外污水截流干管进入污水处理厂；再经污水提升泵将污水提升至粗、细格栅槽；经加药后，按重力流入沉砂池、初沉池沉淀；再进入一、二级BAF池进行生物处理后，进入接触池消毒排至大运河水体。
第一级滤池（Biofor
C池）生物膜以异养菌为主，主要是对有机污染物BOD、COD的降解，对于向上流曝气生物滤池，由于有机污染物基本上在滤料层的中下部得以大量降解，所以在滤料层中上部会发生一定程度的硝化作用，即部分NH4+-N的氧化；第二级滤池（Biofor
N池）生物膜以自养型的硝化细菌为主，进行剩余BOD、COD的降解及NH4+-N的完全氧化。
本工艺污泥含水率相对较低（约97%～98%），剩余混和污泥采用污泥贮存和机械脱水处理。
根据混合污泥的特性，污泥脱水采用卧螺式离心脱水机，其占地面积小，固体回收率高，管理方便。
污泥脱水后，运往垃圾处理场集中处理或经灭菌处理后用作有机肥料。
4.4主要处理构筑物设计
4.4.1粗格栅
粗格栅采用2台回转式除污机并列安装的方式，正常状态并联运行；故障时，1台检修，1台短时超负荷运行。
用于去除污水中较大的悬浮物、确保污水泵正常稳定地运行。
粗格栅槽由进水室、格栅渠道组成，在粗格栅槽进水室设置应急溢流管，当设备故障或其他非常原因，使进水室的污水超过最高设定水位时，污水通过应急溢流管。
（1）栅条间隙数n
n=Qmax
/（Nbhv）=0.9×
/（2×0.02×0.5×0.8）=56（条）
Qmax—最大设计流量，m3/s；
—格栅安装角度，°；
b—栅条间隙，m；
h—栅前水深，m；
v—过栅流速，m/s；
N—粗格栅台数。
（2）单个栅槽宽度B
B=s（n-1）+bn=0.01×（56-1）+0.02×56=1.671（m）
s—栅条间宽度，m。
（3）进水渠渐变部分长度l1
l1=（B-B1）/（2
）=（1.67-1）/（2
）=0.72（m）
B1—进水渠宽度，m；
—渐宽部分展开角，°。
（4）栅槽与出水渠道连接处的渐窄部分长度l2
l2=l1/2=0.72/2=0.36（m）
（5）过栅水头损失h1设栅条为矩形断面，取k=3。
h1=kξ（v2/2g）
=3×2.42×（0.01/0.02）4/3×[0.82/（2×9.81）]×
=0.091（m）
（6）栅前槽高H1
H1=h+h2=0.5+0.3=0.8（m）
h2—栅前渠道超高，m。
（7）栅后槽总高度H
H=h+h1+h2=0.5+0.091+0.3=0.9（m）
（8）栅槽总长度L
L=l1+l2+1.0+0.5+（H1/
）=0.72+0.36+1.0+0.5+（0.8/
）=2.79（m）
（9）每日清渣量W
W=QW1/1000=6×104×0.07/1000=4.2（m3/d）
W1—栅渣截留量，m3/103m3污水。
图3粗格栅设计图
4.4.2提升泵站
进水泵房设计流量Qmax=0.9m3/s；站内共设5台污水提升泵，4用1备，每台泵分别向细格栅送水，避免交连切换，以节省电动控制阀门。
水泵规格：
扬程H=16m；流量Q=700m3/h；轴功率N=55KW。
集水池与粗格栅槽合建，根据集水池水位对提升泵进行自动启停或切换控制，并按工作时间自动轮换水泵工作，可现场手动及中央控制室集中控制。
4.4.3细格栅
细格栅采用3台循环式齿耙细格栅并列安装的方式，正常状态并联运行；故障时，1台检修，1台短时超负荷运行。
用于拦截污水中较细小的漂浮物及杂物，保护后续处理单元的正常运行。
细格栅槽由配水槽和细格栅渠组成，经提升的污水在配水区消能并均匀进入细格栅，出水从细格栅渠进入沉砂池。
细格栅按设定的时间自动周期性运行，运行周期人为可调格栅与皮带输送机的启停联锁。
细栅渣由皮带输送机运离生产线，再用小车人工清运。
（1）栅条间隙数n
n=Qmax
/（Nbhv）=0.9×
/（3×0.006×0.5×0.8）=116（条）
Qmax—最大设计流量，m3/s；
—格栅安装角度，°；
b—栅条间隙，m；
h—栅前水深，m；
v—过栅流速，m/s；
N—细格栅台数。
（2）单个栅槽宽度B
B=s（n-1）+bn=0.01×（116-1）+0.006×116=1.85（m）
s—栅条间宽度，m。
（3）进水渠渐变部分长度l1
l1=（B-B1）/（2
）=（1.85-1.1）/（2
）=0.80（m）
B1—进水渠宽度，m；
—渐宽部分展开角，°。
（4）栅槽与出水渠道连接处的渐窄部分长度l2
l2=l1/2=0.80/2=0.40（m）
（5）过栅水头损失h1设栅条为方形断面，取k=3。
h1=kξ（v2/2g）
=3×[（0.006+0.01）/（0.64×0.006）-1]2×[0.82/（2×9.81）]×
=0.048（m）
（6）栅前槽高H1
H1=h+h2=0.5+0.3=0.8（m）
h2—栅前渠道超高，m。
（7）栅后槽总高度H
H=h+h1+h2=0.5+0.048+0.3=0.848（m）
（8）栅槽总长度L
L=l1+l2+1.0+0.5+（H1/
）=0.8+0.4+1.0+0.5+（0.8/
）=3.16（m）
（9）每日清渣量W
W=QW1/1000=6×104×0.06/1000=3.6（m3/d）
W1—栅渣量，m3/103m3污水。
图4细格栅设计图
4.4.4加药间
加药间共有溶药池2个，投配池4个，采用4套加药计量泵向沉砂池内投加混凝剂及FeCl3，并设有2台搅拌机。
目前，国内外对生物除磷研究较为深入的是活性污泥法，其除磷机理也被广大研究者所接受。
生物除磷机理可简述为:
贮磷菌在厌氧区利用低分子的发酵终产物基质促使磷的释放。
在好氧区，已实现磷有效释放的贮磷菌吸收超过释放的磷，吸收的磷量也大大超过其生长所需的磷量。
同时，合成新的贮磷菌。
在二沉池将超量吸收磷的部分贮磷菌随剩余污泥排放，实现磷从系统中的去除。
从中可以看出磷的厌氧释放是好氧磷吸收和除磷的前提条件。
由于在BAF中没有污泥回流，故活性污泥法的除磷机理不能解释BAF中的除磷现象。
而在BAF底部对磷的去除主要是由于填料以及生物膜对磷的吸附、阻留作用，在好氧区主要是由于生物膜对磷的同化作用，因此，要保持BAF的除磷功能必须进行正常的反冲洗，将吸附、阻留的磷冲出系统，同时将老化的生物膜冲到系统外，促进生物膜的更新。
因此，在原水TP浓度较高的情况下要使出水达标排放必须配合以必要的物化手段，先将污水中TP的浓度降低到一定程度，然后再进入BAF，由BAF对TP实现二次去除。
原水中总磷的总含量为4mg/L，TP浓度较高，单独依靠BAF去除TP效果不理想，但出水磷含量要达到《污水综合排放标准》（GB8978-1996）的一级标准指标（TP≤0.5mg/L）有一定难度，为确保达到排放标准，本工艺在沉砂池前采用了化学除磷，即投加FeCl3，投剂量根据污水水质和除磷程度，估计投加浓度为20～40mg/l。
4.4.5平流式沉砂池
平流式沉砂池因结构简单，除砂设备国产化率高，设计成熟稳定，管理方便，已成为我国现有的城市污水处理厂的主要池型，在今后城市污水处理厂的建设中仍会占有一席之地[5]。
本工艺中采用平流式沉砂池。
（1）池长L
L=vt=0.3×30=9（m）
v—水平流速，m/s；
t—停留时间，s。
（2）过水断面面积A
A=Qmax/v=0.9/0.3=3（m2）
（3）池总宽度B
B=nb=2×1.1=2.2（m）
n—分格数；b—格宽。
（4）有效水深h2
h2=A/B=3/2.2=1.364（m）
（5）沉砂斗所需容积V
V=QtgX=6×104×0.5×30/106=0.9（m3）
tg—清除沉砂的间隔时间，d；
X—污水沉砂量，m3/106m3污水。
（6）每个沉砂斗所需容积V1每个分格内有2个沉砂斗。
V1=V/2n=0.9/4=0.225（m3）
（7）沉砂斗的上口长a
a=2h3′/
+a1=2×0.35/
+0.5=0.99（m）
h3′—沉砂斗高，m；
—斗壁倾角，°；
a1—沉砂斗底宽，m。
（8）贮砂斗的容积V0
V0=1/6h3′（S+
+S1）=1/[6×0.35（0.992+
+0.52）]
=0.246（m3）≥0.225（m3），故贮砂斗容积够用，符合要求。
S、S1—贮砂斗上、下口面积，m2。
（9）沉砂室高度h3采用重力排砂，池体坡度为0.06。
h3=h3′+0.06l2=0.35+0.06×3.41=0.555（m）
l2=（L-2a-0.2）/2=（9-2×0.99-0.2）/2=3.41（m）
（10）沉砂池总高度H
H=h1+h2+h3=0.3+1.364+0.555=2.219（m）
h1—沉砂池超高，m。
图5平流式沉砂池设计图
4.4.6幅流式沉淀池
（1）每座沉淀池的表面积F
F=Qmax/（nq′）=0.9×3600/（6×2.0）=270（m2）
n—沉淀池个数；
q′—表面水力负荷，m3/m2.h；
（2）沉淀池直径D
D=
=
=18.5（m）
（3）沉淀部分有效水深h2
h2=q′t=2×1.2=2.4（m）
t—沉淀时间，h。
（4）污泥部分所需容积V
V=100Q（C0-C1）T/[γ（100-P0）]
=100×6×104×（150-93）×10-3×2/[1000×（100-0.97）]
=5.7（m3）
C0、C1—进、出水悬浮物的浓度，kg/m3；
T—两次清除污泥的时间间隔，d；
γ—污泥容重，kg/m3；
P0—污泥含水率，%。
（5）污泥斗容积V1
V1=
h5（r12+r1r2+r22）/3
=3.14×1.341×（2.252+2.25×1.5+1.52）/3
=14.54（m3）
h5—污泥斗高度，m；
r1、r2—污泥斗上、下口半径，m。
（6）污泥斗以上圆锥体部分污泥容积V2
V2=
h4（r12+r1R+R2）/3
=3.14×0.421×（2.252+2.25×9.25+9.252）/3
=48.99（m3）
h4—圆锥体高度，m；
R—沉淀池半径，m。
（7）沉淀池总高H
H=h1+h2+h3+h4+h5=0.3+2.4+0.4+0.421+1.341=4.862（m）
h1—沉淀池超高，m；
h3—缓冲层高度，m。
（8）校核径深比D/h2=18.5/2.4=7.7，在6～8范围内，满足设计要求。
（9）集水槽堰负荷校核
q0=Qmax/（2n
D）=0.9/（2×6×3.14×18.5）=1.3[L/（m.s）]≤2.9[L/（m.s）]，满足设计要求。
图6幅流式沉淀池设计图
4.4.7曝气生物滤池工艺设计
曝气生物滤池就是在反应池中填装填料，通过强制供氧在填料上形成大量的微生物。
因此，从生物膜固定和污水流动来看，曝气生物滤池技术相似于生物滤池法；而从污水充满曝气池和采用人工曝气方式来看，它又相似于活性污泥法。
在过滤介质上长满生物膜，有机物在生物膜上得到降解，从而达到去除污染物的目的，是该工艺的核心部分。
曝气生物滤池主要由生物反应过滤区、曝气装置、反冲洗装置等3部分组成。
其工作原理、计算方法、设计参数（有机负荷、过滤滤速、水力停留时间、滤料性能、生物氧化需氧量、气水反冲强度等）、
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