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曝气生物滤池的计算

曝气生物滤池根据其在污水处理过程中去除有机物或营养物质的不同作用可分为DC曝气生物滤池、N曝气生物滤池、DN生物滤池、也即除碳滤池、硝化滤池、反硝化滤池。

一、侍处理污水必须具备的基本条件

虽然上述三种生物滤池的处理功能不同。但它们都属于生物处理范畴。所以对进入滤池的污水或废水水质首先必须具备以下基本要求。
1. pH值
环境条件对生物处理的影响是重要的,有时甚至是决定性的。其中pH值是重要的环境条件之一。适合于微生物生长繁殖的pH值范围如表。从表中可以看出,对于大多效细菌来说,虽然pH值的范围最广为4-10,但是由于异常的pH值会损害细胞表面的渗透功能和细胞内部的酶反应,因此适宜的pH值范围为6-8。在污水处理特别是在工业废水处理中,污水的pH值住往不能适应微生物的生长繁殖。此时,当在微生物培养和软化时考虑到pH值因素,并使pH值逐渐偏于某一侧,那么即使在较高的碱性和酸性条件下,也能够使整个经过驯化后的微生物群体具有一定的净化能力。运行实践表明,生物滤池对pH值的适应能力比较强,当污水的pH值在7-10时,微生物仍然有适应能力,对处理效果没有太多的影响。因此,生物滤池进水pH值可为6.5-9.5,否则应预先考虑pH值的调节措施。

适合微生物生长繁殖的pH值范围
pH值 适合生长繁殖的微生物和污泥性能 pH值 适合生长繁殖的微生物和污泥性能
2.0 大部分霉菌,污泥的沉降性能不佳 8-10 污泥呈黄褐色,但透明度恶化
3-5 霉菌及细菌,污泥呈白褐色 9-11 污泥呈粉红色,透明度不佳,微生物增殖减少
7 污泥呈黄褐色,沉降性与透明度都很好    

2.水温
在曝气生物滤池中,污水与滤料的接触停留时间比其他工艺如活性污泥法、氧化沟等要短,因此污水在处理过程中受气温的影响不大,主要起影响作用的是水温,水温对污水处理有一定影响。一般地,污水水温高,微生物活力强,新陈代谢旺盛,氧化与呼吸作用强,处理效果好,处理效率也高。但是事物要一分为二来看待,如果水温过高,会抑制通常的嗜中温的微生物生长;同样,污水水温过低,微生物的生命活动受到抑制,处理效果受到影响。运转实践表明,曝气生物滤池即使在冬季气温很低的情况下,如能使池内水温维持在10℃左右,则仍然具有较好的降解有机物的能力。这时,BOD去除率约比平均去除率降低10%-15%。一般来说,由于硝化、反硝化反应机理受进水水温影响较大,因此较低的进水水温将明显影响硝化、反硝化生化反应速度和效果,所以此时进水水温稍高些较有利,同时也要避免水温的剧烈波动,以给微生物一个相对稳定的温度条件。
3.硫化物及其他有害物质
污水中的大量硫化物对生物处理是有害的。一方面硫化物是还原剂,要消耗反应器水中的大量溶解氧;另一方面,硫化物在曝气充氧过程中易产生难闻的硫化氢气体;再有,硫化物对微生物代谢过程有抑制作用。为此,在进行污水处理或工业废水处理时,曝气生物滤池进水中的硫化物含量应控制在30mg/L以下。
关于其他抑制生物处理的有害物质容许浓度,可参考有关设计手册和专门标准。

二、DC曝气生物滤池的设计与计算

曝气生物滤池的设计与计算内容包括滤料体积、滤池总面积、滤池高度、布水布气系统、反冲洗系统以及污水与滤料的接触时间等。
1.滤池池体的设计与计算
滤池池体的设计与计算主要包括滤料体积的确定以及滤池各部分尺寸的确定。目前比较流行的计算方法包括有机负荷计算法、接触时间计算法、反应动力学模型计算法。
(1)BOD有机负荷计算法;曝气生物滤池的BOD容积负荷Nw是指每立方米滤料每天所能接受并降解BOD的量,以kgBOD/(m2滤料·d)表示。此值的选定取决于所处理污水的类组及对处理出水水质中BOD的要求。由于曝气生物滤池在找国的应用尚处于起步阶段,所借鉴的工程实际资料和数据不多,但根据国内已建成投产的城市二级污水处理和酿造废水处理运转实例,建议在设计时Nw的取值分别为2-4kgBOD/(m2滤料·d)和4-6kgBOD/(m3滤料·d)。在进行城市污水二级处理时,当要求出水BOD分别为30mg/L和10mg/L时,Nw的取值分别为4kgBOD/(m3滤料·d)和≤2kgBOD/(m3滤料·d)。但国外有的研究者建议在进行城市污水二级处理,当出水水质指标主要为BOD时,Nw的取值可高达5-6kgBOD/(m3滤料·d);而当曝气生物滤池除了对BOD降解外还对氨氮硝化有要求时,Nw的取值一般≤2kgBOD/(m3滤料·d);当进行三级处理时采用Nw取值为0.12-0.18kgBOD/(m3滤料·d)。当然,在进行DC曝气生物滤池设计时,除了选择合适的Nw值以外,其污水在滤料中的停留时间也是非常关键的因素,一般要求空塔停留时间大于45min。
①滤料体积的计算;在进行曝气生物滤池的计算时,首先需计算出滤池内滤料的体积,然后再计算池体其他部分尺寸。滤料的体积可根据BOD容积负荷率Nw按下式计算:W=Q△S/1000Nw
式中,W为滤料的总有效体积,m3;Q为进入滤池的日平均污水量,m3/d;△/S为进出滤池的BOD5的差值,mg/L;Nw为BOD5容积负荷率,kgBOD/(m3·d)。
②滤池面积的计算;曝气生物滤池总面积为:A=W/H
式中,A为曝气生物滤池的总面积,m2;H为滤料层高度,m。
一般滤池中滤料层高度H为2.5-4.5m,但这要根据工程实际情况确定。滤料层高度过高,则所需鼓风机的风压较高,能耗较大;高度过低,则所需鼓风机的风压较小,能耗也较低,但滤池总面积增大。
考虑到单座滤池面积过大将会增加反冲洗的供水、供气量,同时不利于布水、布气的均匀,所以在滤池总面积过大时必须分格。一般来说,单格滤池面积越小则布水布气越易布置均匀,反冲洗的供水、供气虽也越少,但单格滤池截面积过小则会使整个滤池的土建工程量增加,从而使土建工程投资增加。针对中等规棋的城市污水处理厂,建议单格滤池的截面积a一般应控制≤100m2。所以在采用n座(n≥2)曝气生物滤池并联时,则每座滤池的面积为:a=A/n
式中,A为曝气生物滤池的总面积,m2;a为单格滤池的截面积,m2;n为滤池数量,座。
③滤池高度的计算;曝气生物滤池的总高度应包括配水室、承托层、滤料层、清水区、超高等高度。即曝气生物滤池的总高度为:H0=H+h1+h2+h3+h4
式中,H0为曝气生物滤池的总高度,m;H为滤料层高度,m;h1为配水室高度,m;h2为承托层高度,m;h3为清水区高度,m;h4为超高,m。
④HRT的计算;污水流过滤层高度的空塔停留时间:t1=AH/Q*24
式中,t1为污水流过滤料层高度的空塔停留时间,h。
污水流过滤料层的实际停留时间:t=AH/Q*24*ε
式中,t为污水流过滤料层的实际停留时间,h;ε为滤料层的空隙率,对于圆形陶粒滤料一般ε=0.4-0.5。
在设计曝气生物滤料时,滤池的结构一般可采用圆形、正方形和矩形结构。对于圆形结构在同样的面积下,其周长比正方形少12%,但圆形结构的这一优点仅仅在采用单个池子时才成立。当建立两个或两个以上的滤池时,正方形或矩形可以采用共壁建设,可节省土建投资。对于公共璧的正方形或矩形滤池,池形的长宽比对造价也有影响,在滤池截面积一定的条件下,正方形的周长比矩形要小,所以正方形滤池所需的建筑量最少。
【例】一日处理20000m3/d的城市污水处理厂,采用DC曝气生物滤池进行对BOD的降解,进水BOD=153mg/L,要求出水BOD=20mg/L,计算DC曝气生物滤池的尺寸。
【解】采用BOD有机负荷计算法进行计算。
取BOD容积负荷率Nw=3kgBOD/(m3滤料·d),则所盆滤料体积为:
W=Q△S/1000Nw=20000*(153-20)/1000*3=886.7(m3)
取滤料层高度H=4m,则DC曝气生物滤池总面积为:A=W/H=886.7/4=221.7(m2)
滤池共分成4格,每格面积为:a=A/n=221.7/4=55.43(m2)
考虑到方形池最节省,所以单格滤池定为方形池,每格尺寸为7.45m*7.45m。
取配水室高度h1=1.2m,承托层高度h2=0.3m,清水区高度h3=1.0m,超高h4=0.5m,则滤池总高度为:
H0=H+h1+h2+h3+h4=4+1.2+0.3+1+0.5=7(m)
取空晾率ε=0.5,则污水流过滤料层的实际停留时间:t=AH/Q*24*ε=221.7*4/20000*24*0.5=0.532(h)
(2)接触时间计算法;所谓接触时间计算法,就是根据微生物反应动力学关系式和进出水的水质来先求定污水与滤料的接触时间,由此进一步计算出曝气生物滤池的总面积和滤料体积。
在曝气生物滤池的处理工艺中,与一般的微生物悬浮生长和附着生长系统一样,有机物BOD的去除率与其浓度成一级反应方程式,即:dS/dt=-ks
式中,S为滤池内任一时刻有机物BOD的浓度,mg/L;为接触反应时间,h;k为反应速度常数,1/h。
上式两侧积分并经整理可得:t=kln S0/Se
式中,S0为原污水的BOD浓度,mg/L;Se为处理出水的BOD浓度,mg/L;k为常数,与原污水的BOD浓度S0及滤料的充填率有关。
由式可以看出,与S0成正比而与Se成反比,即原水BOD浓度越高(S0值越大)。对处理出水的水质要求越高(Se值越小),所需的接触反应时间越长。
(3)按BOD去除速率计算;BOD去除的速率方法近似于一次方程。可以采用下述方程:
Se/S0=-kt
t=1440*(ε*V/Q)
Nv=S0Q*10^-3/V
式中,S0为滤池进水BOD的浓度,mg/L;Se为在滤池中tmin之后的BOD的浓度,mg/L;t为停留时间,min; k为BOD去除的速率常数,1/min,一般为(0.1-0.2)3,最小为0.071;V为滤料层的容积,m3;Q为进入滤池的日平均污水量,m3/d;ε为滤料层的孔隙率。一般为0.4-0.5;Nv为滤料层的容积负荷,kgBOD/(m3·d)。
(4)按COD反应动力学模型计其;根据李汝琪的研究认为,对于BAF的反应动力学模型,存在以下公式,即:
ln c/ci=-33A/QC0.88i*H
式中,ci为进水COD浓度,mg/L;c为出水COD浓度,mg/L;A为滤池截面积,m2;H为滤床高度,m;Q为污水流量,m3/d。
2.供气量的计算与供气系统的设计
在曝气生物滤池这样的生物膜法反应器中。生物膜耗费的溶解氧总量一般为1~3mg/L。为使滤料表面的好氧菌膜维持良好的生物相,通过滤料层后的剩余溶解氧应该保持在2-3mg/L(也有人建议在3-4mg/L),这样要求污水在进入滤料层前的溶解氧为4-6mg/L左右。
(1)微生物需氧量;微生物膜的需氧量(R)包括合成用氧量和内源呼吸用氧量两部分,即:
R=a'△BOD+b'P
式中,R为微生物膜的需氧量,kg/d;△BOD为滤池单位时间内去除的BOD量,kg/d,P为活性生物膜数量,kg/d;a',b'为系效。
从等当量的化学反应来看,每去除1kgBOD需要1kg氧气,但实际上需氧量是随着污泥负荷的变化而变化的。例如在普通的低负荷生物滤池中,由于污泥负荷低,泥龄长,氧化反应进行得比较彻底,去除1kgBOD的需氧量可大于1kg,系数a'通常为1.46左右;在曝气生物滤池中,由于污泥负荷高,生物膜更新快,泥龄短,氧化反应进行得不彻底。有一部分BOD物质未被氧化就排出系统,因此去除1kgBOD的需氧量往往低于1kg,系数a'通常小于1。根据埃肯费尔德(Eckenfelder)、巴思哈待(Barnhart )等试验测定,用于生物膜内源呼吸的需氧量为0.3mg/(m2·h)左右,按照滤料的比表面积和生物膜的干重(kg/m3)可推算出系数b'。在普通生物滤池中b'=0.18。
随着研究的深入,最近有人提出了曝气生物滤池的需氧量(OR)可用下式计算出:
OR=0.82*(△BOD/BOD)+0.32*(X0/BOD)
式中,OR为单位质量的BOD所需的氧量,无量纲(kg/kg);△BOD为滤池单位时间内去除的BOD量,kg;BOD为滤池单位时间内进入的BOD量,kg;X0为滤池单位时间内进入的悬浮物的量,kg。
(2)实际所需供氧量;滤池实际所需供氧量(Rs)取决于微生物需氧量(R或OR)和曝气装置氧的总转移系数Kla。当缺乏Kla测定资料时,建议按下式计算:Rs=RK/αβγ
式中,K为需氧量不均匀系数;α为氧的水质转移系数;β为饱和溶解氧修正系数;γ为不同温度时的充氧系数。在实际运转系统中水量与水质是变化的,这样也就形成了需氧量的不均匀性。水量与水质高负荷时的需氧量往往比平均负荷时高出很多。在确定供气系统时必须按最大需氧量考虑才能取得预期效果。K值按排水制度、工艺生产等实测确定。α、β视处理水水质而异。经试验测定,对于生活污水α值为0.8,β值为0.9-0.95。工亚废水如印染废水的α值只有0.35-0.5,β值为0.78。γ可由表查得。

不同温度及溶解氧是的充氧系数γ值
溶解氧/(mg/L) 温度/℃
5 10 15 20 25 32
0 1.04 1.03 0.97 1.0 1.04 1.02
1 0.96 0.94 0.88 0.89 0.92 0.88
2 0.88 0.85 0.78 0.78 0.79 0.75
3 0.8 0.76 0.67 0.67 0.67 0.62
4 0.72 0.68 0.56 0.56 0.54 0.48
5 0.63 0.58 0.46 0.46 0.42 0.35

根据实践经验,曝气生物滤池的微生物需氧量 (R)可视为标态下的需氧量(水温20℃,1atm),实际所需供氧量(Rs)应换算至最不利水温T时的供氧量较为合理:
当最不利水温T时,曝气生物滤池实际需氧量Rs为:Rs=RCsm(t)/α*1.024T-20[βpcs(T)-c1]
式中,a为氧的水质转移系数,对于生活污水α值为0.8;β为饱和溶解氧修正系数,对于生活污水β值为0.9-0.95;p为修正系数,对于生活污水p值为1;T为最不利水温,℃;csm(T)为水温T时曝气装置在水下深度处至池液面的平均溶解氧值,mg/L;cs(T)为水沮T时清水中的饱和溶解氧浓度,mg/L;c1为滤池出水中的剩余溶解氧浓度,mg/L。
csm(T)可按下式计算:csm(T)=cs(T)*(Qt/42+Pb/2.026*10^5)
式中,Qt为当滤池氧的利用率为Ea时,从滤池中逸出气体的含氧量,%;Pb为当滤池水面压力P时,曝气装置安装在比池液面下H深度时的绝对压力,Pa。
Qt可按下式计算:Qt=21*(1-Ea)/79+21*(1-Ea)
式中,Ea为滤池氧的利用率,%。
Pb可按下式计算:Pb=P+9.8*103*H
式中,P为滤池水面压力,Pa;H为曝气装置安装在滤池液面下的深度,m。
(3)供气量(G3);报据上式计算出的曝气生物滤池实际需氧量Rs后,还需换算成实际所需的空气量Gs。Gs与曝气装置和滤池的总体氧的利用率Ea有关,按下式计算:Gs=Rs/0.3Ea
报据式计算出的空气量即为曝气生物滤池供气系统所需的供气量。
在曝气生物滤池的运行过程中,曝气不仅提供微生物所需的溶解氧,还起到了对滤料层的紊动,促进微生物膜的脱落和更新,防止滤料堵塞,有利于污水中有机物和微生物代谢产物的扩散传递。对于上向流生物滤池来说,由于空气的携带作用,还使进水中的SS被带入滤床深处,对SS的截留起到了生物过滤作用。
(4)供气系统的设计;曝气生物滤池的曝气类型为鼓风曝气,鼓风曝气系统由鼓风机、空气扩散装置(曝气器)和一系列连通的管道组成。鼓风曝气是采用曝气器向水中引入气泡的方式,经过扩散装置使空气形成不同尺寸的气泡,气泡在扩散装置出口处形成,尺寸则取决于扩散装置的形式,气泡经过上升和随水循环流动,最后在液面处破裂。鼓风机将空气输送到安装在滤料层底部的扩散装置(曝气器),并从曝气器释放出来向液面移动,这一过程中产生氧向混合液中的转移。所以供气系统的设计应包括三部分。空气扩散装置的选定并对其进行布置,空气管道的布置与计算,鼓风机型号与数量的确定。
①空气扩散装置的选定和设计;在选定空气扩散装置时首先要考虑下列各项因素:a.空气扩散装置应具有较高的氧的利用率(Ea)和动力效率(Ep),具有较好的节能效果;b.不易堵塞,出现故障易排除,便于维护管理;c.构造简单,便于安装,工程造价及本身价格都较低;d.应考虑所处理污(废)水水质、地区条件和反应器内水深等。
对于曝气生物滤池来说,由于其特殊的池形结构而导致空气扩散装置常用穿孔管曝气或专用曝气器。而从已投产的工程来看,穿孔管极易造成布气不均,导致滤料易板结,所以现在绝大部分工程采用单孔膜空气扩散器等专用扩散装置。空气扩散装置必须根据计算出的总供气量和每个空气扩散装置的通气量、服务面积、安装位置处的平面形状等数据,经过计算确定空气扩散装置的数量,并对其进行布置;也可按照工程经验来布置,一般每平方米滤池截面应布置36-49个单孔膜空气扩散器。
②空气管道的计算与设计;空气管道系统是指从鼓风机的出口到空气扩散装置的空气管道,一般使用不锈钢管或焊接管道。小型废水处理站的空气管道系统一般为支状,而大、中型污水处理厂则宜连成环状,以保证安全供气。空气干管一般敷设在管廊中,接入曝气生物滤池的空气管道应高出池水面0.5m以上,以免产生回水现象。空气干管、支管内的空气流速为10-15m/s。通向空气扩散装置的竖管、小支管为4-5m/s。
空气管道和空气扩散装置的压力损失一般在14.7kPa以内,其中空气管道总损失控制在4.9kPa以内,空气扩散装置的阻力损失为4.9-2.5kPa,单孔膜空气曝气器的阻力损失小于2.5kPa。空气管道的计算应报据空气流量,、流速按有关设计手册确定管径,然后再核算压力损失,调整管径。
空气管道的压力损失(h)为空气管道的沿程损失(h1)与空气管道的局部阻力损失(h2)之和,此三者的单位为Pa。
h=h1+h2
在计算空气管道的沿程损失(h1)与空气管道的局部阻力损失(h2)时,气温可按30℃考虑,而空气压力则按下式估算:p=(1.5+H)*9.8
式中,p为空气压力,kPa;H为空气扩散装置距水面的深度,m。
鼓风曝气系统,压缩空气的绝对压力按下式计算:p=h1+h2+h3+h4+h5/h5
式中,h3为空气扩散装置安装深度,mm,计算时单位换算成Pa;h4为空气扩散装置的阻力。Pa;h5为所在地区大气压,Pa。
鼓风机所需压力为:H'=h1+h2+h3+h4+5000
式中,H'为鼓风机所需压力,Pa。
③鼓风机的选定与鼓风机房的设计;鼓风曝气系统用鼓风机供应压缩空气,常用的有罗茨鼓风机和离心式鼓风机两种。罗茨鼓风机的气量小但噪声大,一般用于中、小型的污水处理及工业废水处理较多。离心式鼓风机的特点是气量大、噪声小、效率高、空气量容易控制,只要调节出气管上的控制阀门即可,适用于大、中型的污水处理厂。现在一些大、中型的污水处理厂常采用带变频器的变速率离心式鼓风机,可根据出水混合液中溶解氧的浓度自动调整风机启动台数和转速,节省能耗。
在同一供气系统中,应尽量选用同一型号的鼓风机,以便于备品备件的采购;鼓风机的备用台数在工作鼓风机≤3台时,备用1台;在工作鼓风机≥4台时,备用2台。在安装时,每台鼓风机应单设基础,基础间距应在1.5m以上。鼓风机应设双电源,以保证安全供电,供电设备的容量应按全部机组同时启动时的负荷设计。
在进行鼓风机房的设计时,应采取防止噪声的措施,使其符合《工业企业厂界噪声标准》和《城市区域环境噪声标准》。
3.配水系统的设计
曝气生物滤池的配水系统一般采用小阻力配水系统,并根据反冲洗形式以采用滤头、格姗式、平板孔式较多。在实际工程中,小规模的污水处理站可选用格栅式、平板孔式配水系统;中等规模以上的污水处理厂宜采用专用滤头配水系统。
4.反冲洗系统的设计
在曝气生物滤池运行中,由于微生物的增殖,生物膜不断增厚。膜的厚度一般应控侧在300-400μm,此时生物膜新陈代谢能力强,出水水质好。当膜的厚度超过这一范围时,一方面氧的传递速率减小,导致膜内溶解氧过低,影响微生物的繁殖,生物膜活性变差,同时又抑制丝状菌的生长,结果使去除能力降低。出水水质变坏。另一方面膜的过厚使液-膜间传质速率减缓,膜内有机物浓度过低,造成微生物膜营养不足,使生物膜的附着力变差。此外,进水中的颗粒物质被截留在滤料深处的滤料间空隙中,同时脱落的老化微生物膜也被聚集在滤料深处的滤料空隙中,随着处理过程的持续运行,滤料的空隙率减小,这对曝气生物滤池的运行有一定的不利影响,所以需对滤池进行反冲洗,一方面使微生物膜更新,提高其活性,另一方面使截留在滤料间的物质反冲出滤池。但由于生物膜的生长易使滤料黏结,同时在布气不均时也易使滤料层板结,所以大中型工程中建议采用气水联合冲洗的方式。
曝气生物滤池与一般滤池的反冲洗方式大致相同,现阶段用于滤池反冲洗的工艺主要有单-水反冲洗和气-水联合反冲洗两种。气-水联合反冲洗按水、气的冲洗顺序分为先气洗、气-水联合洗、清水漂洗三阶段,这两种冲洗方式在曝气生物滤池上均有应用。
(1)单一水反冲洗;单一水反冲洗技术已使用多年,一般认为单一水反冲洗过程难以洗掉滤料颗粒面上的污泥层,日积月累,恶性循环,逐渐将滤层发展成"泥毯",最后导致整个滤层板结,使滤池丧失过滤功能。
(2)气-水联合反冲洗;据文献报道,水、气的速度梯度(G)越大,颗粒碰撞接触的机会越多。另根据流体力学,G值增大,紊流应力中的附加切应力也增加,故G值增加,既有利于提高剪切力,又能提高颗粒间的碰撞机会,从而提高冲洗效果。据文献报道,气-水联合反冲洗有效提高了G值。袁志宇等的研究表明,当气、水同时反冲洗时,根据气泡克服滤层阻力做功推算:采用气冲洗强度10L/(m2·s),水洗强度5L/(m2·s),在空气通过区气泡做功产生的速度梯度为475/s,水流产生的速度梯度为187/s,总的速度梯度G为662/s,而单一水洗时G值常在150-400/s,因此气-水联合反冲洗较单一水反冲洗效果好得多。
曝气生物滤池进水中的颗粒物质或胶体物质以及运行过程中脱落的生物膜被截留在滤料间的空隙中,在一定情况下,这些物质起到了生物截留作用。但随着处理过程的持续进行,填料的空隙率减小,一方面加大了滤池的水头损失,另一方面加大了对水流的剪切应力。在达到或接近滤池的设计流量时,当总的水头损失接近通过曝气生物滤池所允许的水头损失(常由工程经验获得)或出现截留物质穿透滤层时,曝气生物滤池应停止运行并进行反冲洗。
反冲洗是保证曝气生物滤池正常运行的关键,其目的是在较短的反冲洗时间内,使滤料得到适当的清洗,恢复其截污功能,但也不能对滤料进行过分冲剧,以免冲洗掉滤池正常运行必要的生物膜。反冲洗的质量对出水水质、运行周期、运行状况的影响很大。采用气-水联合反冲洗的顺序通常为:先单独用气反冲洗,再气-水联合反冲洗,最后用清水反冲洗。整个反冲洗过程由计算机程序控制,通过计算机自动开启或关闭进出水管和空气管道上的自动阀门。
曝气生物滤池的反冲洗周期应根据实际运行经验或在线仪表检测的数据由计算机自动进行。滤池通常运行24-48h反冲洗一次,滤池截面上的反冲洗水速为15-25m/h,或反冲水强度5-6L/(m2·s)。气速为50-70m/h,或反冲气强度12-18L/(m2·s)。冲洗后的排水中SS的浓度为600-1000mg/L。对于曝气生物滤池,控制好气-水反冲洗强度显得尤为重要,过低达不到反冲洗的目的。过高会使微生物膜过分冲刷而导致脱落,造成填料层内微生物量的减少,以致反冲后的一段时间内处理效率下降,并增加不必要的反冲洗耗水量、耗气量,从而增加运行费用。
曝气生物滤池的反冲洗周期要根据实际运行情况在工作中摸索,国外不同作用的曝气生物滤池反冲洗周期和耗水量见表。

不同作用的曝气生物滤池反冲洗周期和耗水量
污水处理厂 滤床运行时间/h 冲洗水量(相对值,Q冲洗/Q进水) 说明
A 24
48
16% 两段主生物处理生物滤床
第一段降解有机物,第二段硝化
B (16~24)+12 35-50% 一段主生物处理生物滤床
(降解有机物、硝化、反硝化)
C 24
24
30% 两段生物滤床,用于深度处理
第一段降解有机物,第二段硝化
D 20-42
34-72
45% 两段主生物处理生物滤床
第一段降解有机物,第二段硝化

国内李汝琪对BAF的反冲洗进行了研究,得出反冲洗周期的方程式为:
Y=(103.5q-14.9)e^-0.2La
式中,Y为反冲洗周期,h;q为水力负荷,m3/(m2·h);La为容积负荷,kgCOD/(m3·d)。
反冲洗周期的长短一方面依赖于陶粒滤料的粒径大小,即空隙率的大小,另一方面还依赖于进水中SS与BOD的浓度,并且也与滤床的有机负荷高低及污水水温有关。对于除碳生物滤池,由于其往往位于初沉池或水解池后面,进水中的有机物浓度较高,滤床的有机负荷也较高,所以其反应速率高,异养微生物增殖很快,相对老化的微生物膜脱落也快,再加上进水中的大量SS和胶体物质也较高,绝大部分截留在滤床中,所以需要频繁地冲洗。而对于硝化滤床,由于硝化菌的生长速率低,硝化菌的增殖慢,相对老化的微生物膜脱落也慢,且往往位于除碳生物滤池后面,截留的SS也少,所以反冲洗周期较长。另外,在进行后置反硝化的生物滤床内,外部碳源的加入可导致污泥产量的提高,运行周期也短,冲洗频率较高。
5.曝气生物滤床污泥产量的计算
在污水生物处理过程中,污泥产量表示去除单位质量的TBOD所产生的TSS量。污泥产量与进水TSS/TBOD比值有密切关系。进水TSS/TBOD比值越大,污泥产量也就越多。污泥产量可按下式计算:
Y=0.6△SBOD+0.8X0/△TBOD
式中,Y为污泥产量,kgTSS/kg△TBOD;△SBOD为滤池进出水中可溶性BOD浓度之差,mg/L;△TBOD为滤池进出水中总的BOD浓度之差,mg/L;X0为滤床进水中悬浮物浓度,mg/L。
从式中可以看出,在曝气生物滤床中,进水中被去除的悬浮物有一些不能被生物降解。有一种观点认为:在曝气生物滤池中,悬浮物停留的时间较短,它们被过滤后只是暂时停留在滤料层中,不像在活性污泥系统中与活性生物充分混合,而且一些被截留的悬浮物充满了滤料的小孔以及滤料之间的空隙,阻止了氧的传递和水的流动,也限制了悬浮物的降解。
曝气生物滤池的产泥量除了按照式计算外,也可以参照表进行估算。

曝气生物滤池的产泥量
BOD负荷/[kg/(m3·d)] 污泥产量/(kg/kg) BOD负荷/[kg/(m3·d)] 污泥产量/(kg/kg) BOD负荷/[kg/(m3·d)] 污泥产量/(kg/kg)
1.0 0.18 2.5 0.52 3.6 0.70
1.5 0.37 3 0.58 3.9 0.75
2 0.45        

从表中可以看出,由于曝气生物滤池中的污泥浓度可达10mg/L以上,因此其BOD负荷可比其他传统工艺高3-5倍。滤料上的微生物膜上除生长着真菌、丝状菌和菌胶团外,还有多种捕食细菌的原生动物和后生动物,形成了稳定的食物链,因而产泥量较少。
对于采用絮凝沉淀他+BAF的组合工艺,系统的总污泥量可参照如下经验公式得出:
Y=Q*△SS*85%*a/1000b
式中,Y为系统污泥产量,kg/d;Q为污水流量,m3/d;△SS为系统进出水的SS浓度差,mg/L;a为投加絮凝剂后泥量的投加系数;b为絮凝沉淀池的污泥量占系统污泥量的比值,一般为75%-80%。

三、N曝气生物滤池的设计与计算

对于城市生活污水或氨氮含量较高的工业废水来说,经DC曝气生物滤池对污水中90%以上的有机污染物进行降解后,虽然这种水的COD、BOD已符合国家有关排放标准,但由于其中的氨氮去除率只有20%-40%,因而出水中还残留着一定量的氨氮。
这些残留的氨氮与促进富营养化的临界浓度相比高一个数量级,所以如果把这些处理水直接排放到自然水域时,必将会促进富营养化。另外,当排放水域用来作为农田灌溉用水源时,氨氮含量很高就会引起水稻贪青徒长。所以为防止富背养化,除氮是很重要的。
N曝气生物滤池主要用来对DC曝气生物滤池出水中的氨氮进行硝化。硝化作用是指NH3先被氧化成NO2-,然后再进一步被氧化成NO3-的过程。在N曝气生物滤池中,起硝化作用的细菌都以膜的形式附着生长在滤料的表面上,由于滤池中滤料的比表面积很大,附着的微生物量也很大,所以硝化效率很高。由于N曝气生物滤池进水中的BOD浓度已很低,而氨氮浓度很高,因此该滤池中的主生物反应过程主要为氨氮硝化,有机物的降解反应很弱,所以滤料上生长的优势菌为硝化菌。主要包括硝化菌和亚硝化菌两类,两类细菌都是革兰阴性无芽抱杆菌,且是严格好氧的专性化能自养菌,两者的不同之处在于A硝化菌能利用氨作为能源。而硝化菌只能利用亚硝酸盐作为能源。另外,从细胞GC百分比数值来看,硝化菌比亚硝化菌高。可见这两类菌种有着明显的差异。
在处理流程上,由于N曝气生物滤池位于DC曝气生物滤池之后,起硝化作用的自养菌在其自己适宜的环境下生长。可将它们控制在最合适的条件下运行,使反应速率提高,反应器总体积减小。同时,由于对硝化菌有抑制作用的抑制物在DC曝气生物滤池中已被去除,大大增加了硝化滤池的运行可靠性。另外,由于N曝气生物滤池位于DC曝气生物滤池之后,可利用DC池出水中的溶解氧,使N滤池无需提高过高的供氧速率,总需氧量可减少。
1. N滤池池体的设计与计算
与DC曝气生物滤池类似,N曝气生物滤池池体的设计与计算也主要包括滤料体积的确定以及滤池各部分尺寸的确定。对于N曝气生物滤池,其计算方法一般有两种,即按滤料表面负荷计算法和容积负荷计算法。
(1)滤料表面负荷计算法;N曝气生物滤池的滤料表面负荷Qnh3-n是指每平方米滤料表面积每天所能接受并降解的NH3-N量,以gNH3-N/(m2·滤料.d)表示。此值的选定取决于所处理污水中NH3-N的浓度并与处理水的温度、供氧量和滤池的水力负荷有关。Gul-licks等提出了氨氮去除与进水NH3-N浓度和水力负荷之间关系的曲线(见图7-6,图7-7)。图中的数据在进行简单的修正后可用于设计。

Boller等根据他们的中试研究提出了对完全硝化的N生物滤池,滤料适宜的表面负荷为0.4gNH3-N/(m2·d)(出水NH3-N<2mg/L,T=10℃)。Barnes等建议,在一般滤料(如塑料滤料)中,当温度为10-20℃时,适宜负荷为0.5-1.0gNH3-N/(m2·d)。图7-8表示氮负荷对硝化作用效率的影响,该图从Jiumm等的中试资料得出。
在进行N雌气生物滤池的计算时,首先需计算出滤池内滤料的体积,然后再计算其他部分尺寸。滤料体积的确定可先计算出所需滤料的总面积,然后再除以单位体积滤料的表面积而得出滤料总体积。所需滤料的总表面积按下式计算:S=Q△cNH3-N/qNH3-N
式中,S为所需滤料的总表面积,m2;Q为进入滤池的日平均污水量,m3/d;△C NH3-N为进出滤池NH3-N浓度的差值,mg/L;qNH3-N为滤料的NH3-N表面负荷,gNH3-N/(m2·d)。
所需滤料的体积可按下式计算:W=S/S`
式中,W为滤料的总有效体积,m3;S`为单位体积滤料的表面积,m2/m3滤料。
所以,N曝气生物滤池的总截面积:A=W/H
式中。A为N曝气生物滤池的总截面积,m2;H为滤料层高度,m。
一般滤池中滤料层高度H为2.5-4.5m,但这要根据工程实际情况确定。高度过高则所需鼓风机的风压较高,能耗较大,高度过低则所需鼓风机的风压较小,能耗也较低,但滤池总面积增大。总的来说,在水力负荷一定时,增加滤料层高度将有利于硝化作用的进行。
同样。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,所以在滤池总面积过大时必须分格。在采用n座(n≥2)N曝气生物滤池并联时。每座滤池的面积为,a=A/n
式中,A为N曝气生物滤池的总截面积,m2;a为单格滤池的截面积,m2为滤池数量,座。
N曝气生物滤池的总高度与DC曝气生物滤池的计算方式一样。
【例】计算经DC曝气生物滤池处理后出水中,污水流量Q=20000m3/d;进水NH3-N浓度=24mg/L;出水NH3-N浓度=5mg/L;T=10℃;填料比表面积S'=1200m2/m3滤料时,采用N曝气生物滤池除氮所需滤料体积。
【解】设计取滤池中滤料的NH3-N表面负荷为QNH3-N=0.5gNH3-N/(m2·d),被硝化的NH3-N量为:
Q·△CNH3-N=20000*(24-5)=380000(gNH3-N/d)
报据式,滤池所需滤料的总表面积为:
S=Q△CNH3-N/qNH3-N=380000/0.5=760000(m2)
极据式,滤池所需滤料的总有效体积为:
W=S/S`=760000/1200=633.4(m3)
根据滤料体积并参照DC曝气生物滤池各部分尺寸的计算方法,可以计算出N曝气生物滤池的各部分尺寸。
(2)硝化容积负荷计算法;硝化容积负荷计算法是最常用也较简便的计算方法。N曝气生物滤池的硝化容积负荷q`NH3-N是指每立方米滤料每天所能接受并降解的NH3-N量,以kgNH3-N/(m3·滤料·d)表示。根据国内外大量工程的实际运行数据表明,对于淹没式硝化滤池,其硝化容积负荷一般在0.1-1.5kgNH3-N/(m3·滤料·d),考虑到硝化时的多种影响因素,在工程设计中一般选用设计参数范围为0.4-0.8吨NH3-N/(m3·滤料·d)。已知硝化容积负荷q`NH3-N后,滤池所需滤料体积可按下式计算:W=Q△CNH3-N/1000q`NH3-N
式中,w为所需滤料的体积,m3;Q为进入滤池的日平均污水量,m3/d;△CNH3-N为进出滤池NH3-N浓度的差值,mg/L;q`NH3-N为滤池的硝化容积负荷,kgNH3-N/(m3滤料·d)。
已知所需滤料的体积后,N曝气生物滤池的池体设计可参照DC曝气生物滤池的BOD有机负荷计算方法进行。
2.供气量的计算与供气系统的设计
(1)微生物需氧量;在硝化滤池中,微生物膜的需氧量(R)包括降解剩余有饥物的需氧量和进行闭化作用的需氧量两部分。在该级滤池中,需要降解的有机物量已很少,否则硝化作用就不会顺利进行,所以需氧量大部分是用来进行硝化作用的。
降解有机物和硝化的需氧量可估算如下:Rc=Q△Cbod*10^-3
Rn=4.57*Q△cNH3-N*10^-3
式中,Rc为降解BOD的需氧量,kg/d;Rn为NH3-N硝化的需氧量,kg/d;Q为进入滤池的日平均污水量,m3/d;△Cbod为进出滤池BOD浓度的差值,mg/L;△CNH3-N为进出滤池NH3-N浓度的差值,mg/L;4.57为硝化需氧量系数,kgO2/kgTKN。
所以在N曝气生物滤池中。微生物需氧量(R)为:R=Rn+Rc
(2)实际所需供氧量;N曝气生物滤池实际所需供氧量(Rs)可根据微生物需氧量(R)参照上式进行计算。
(3)供气量(Gs);计算出的N曝气生物滤池实际需氧量Rs后,还铭换算成实际所需的空气量Gs。Gs可根据上式计算。
(4)供气系统的设计;N曝气生物滤池的曝气类型也为鼓风曝气,其供气系统的设计与DC曝气生物滤池供气系统设计一样,在此不再复述。
3.硝化滤池碱需氧量的计算
在硝化过程中需要消耗一定量的碱度,如果污水中没有足够的碱度,硝化反应将导致pH值的下降,使反应速率减缓所以硝化反应要顺利进行就必须使污水中的碱度大于硝化所需的碱度。一般来说,在硝化反应中每硝化1gNH3-N需要消耗7.14g碱度,所以硝化过程中需要的碱度最可按下式计算:碱度=7.14*Q△CNH3-N*10^-3
式中,Q为进入滤池的日平均污水量,m3/d;△CNH3-N为进出滤池NH3-N浓度的差值,mg/L;7.14为硝化需碱量系数。kg碱度/kgNH3-N。
在实际工程应用中。对于典型的城市污水,进水中NH3-N浓度一般为20-40mg/L,TKN约50-60mg/L,碱度约300mg/L(以CaCO3计)左右。假定部分TKN用于细胞合成。部分转化为氨氮,则污水中的氨氮约为50mg/L左右(按大值估算),按硝化反应氨氮去除率为80%计,则硝化反应消耗的碱约为50*7.14*0.8=285.6mg/L。可见对于城市污水处理厂来说,当采用硝化脱氮工艺时不需要另外补充碱度,而当采用反硝化-硝化组合工艺脱氮时。由于反硝化过程中释放出一半的碱度,所以碱度将更加富裕。
对于含氨氮浓度较高的工业废水,通常需要补充碱度才能使硝化反应器内的pH值维持在7.2-8.0之间。计算公式如下:碱度=K*7.14*Q△CNH3-N*10^-3
式中,K为安全系数,一般为1.2-1.3。
4.配水系统与反冲洗系统的设计
N曝气生物滤池的配水系统与反冲洗系统的设计可参照DC曝气生物滤池进行,但其气水的反冲洗强度可略小些,以免过度冲刷增殖较慢、世代期长的硝化菌。

四、DN反硝化生物滤池的设计与计算

反硝化反应就是在厌氧条件下,一部分反硝化菌以NO3-或NO2-作氧源,对有机物进行反应,在这个过程中将物质中所含的氨氮转化为N2O或N2从污水中去除。在反硝化过程中必须要有脱氮菌,所谓脱氮菌就是那些具有把NO2- -N或NO3- -N还原成N2O或N2能力的细菌总称。在土壤微生物中约有50%具有还原硝酸能力的细菌。脱氮菌一般属异养型兼性厌氧细菌,在有氧存在的条件下,利用氧呼吸。而在厌氧条件下同时有硝酸或亚硝酸离子存在的条件下,则利用这些离子中的氧来进行呼吸,因此脱氮反应或反硝化反应也可叫作硝酸呼吸。
对于反硝化生物滤池,在污水处理厂内可使用前置反硝化生物滤池和后置反硝化生物滤池,对污水中产生的硝酸盐或亚硝酸盐进行反硝化。不管是前置还是后置反硝化,根据反硝化过程中的碳源不同,可分为内碳源和外加碳源反硝化滤池。
内碳源反硝化滤池是利用原水中的碳源。对于前置反硝化滤池,经好氧滤池处理后的出水必须回流至反硝化滤池,而在后置反硝化滤池系统中,原水需部分旁路至该滤池,这就给系统的管理带来了复杂因素,使如何控制旁路原水量成为了关键,原水量过多会导致出水有机物超标,原水量不够导致脱氮效果低下。这种系统的脱氮效率一般在70%-80%。
外加碳源反硝化滤池的处理流程与内碳源反硝化滤池流程一样,只是反硝化通入外加碳源而不是原生污水。它的脱氮效果较内碳源反硝化滤池要好得多,停留时间也较短,但存在的问题是外加碳源的投加量应随硝酸盐浓度的变化而变化,所以运行管理上要求较高。在外加碳源的后置反硝化滤池系统中,为了确保去除剩余的碳源,要设置后曝气池来降解。
对于前置反硝化生物滤池,由于位于反硝化生物滤池后的硝化过程需要强烈的曝气,致使来自硝化滤池出水中的溶解氧浓度较高,因此从硝化生物滤池回流至反硝化生物滤池的回流污水中的溶解氧浓度很高,含硝酸盐的回流水将大量的氧气带入前置反硝化缺氧生物滤池内,氧气将继续消耗进入反硝化生物滤池内的COD,前置反硝化生物滤池的运行经验显示:如果回流比是400%,回流水带入前置反硝化缺氧生物滤池内的氧气量为平均硝酸盐负荷的40%左右。进入反硝化缺氧生物滤池内的溶解氧一方面会导致反硝化缺氧区体积的减少,另一方面带入的氧气要消耗COD,致使反硝化化所需的C/N比减少,必要时需要外加碳元,但这样同时也增加了剩余污泥的产量。在国外,较多的工程应用是采用后置反硝化滤池,并采用外加碳源,如甲醇等。采用后置反硝化滤池一方面不需要硝化后的出水进行回流,同时采用外加碳源可使反硝化速率大大提高,这样就可使反硝化滤池的池容大大减小。
1.反硝化过程中所需炭源的计算
在反硝化滤池中的生物反硝化过程可用如下二式表示:
NO2- +3H→1/2N2+H2O+OH-
NO3- +5H→1/2N2+2H2O+OH-
由上述反应方程式可以看出,将1mg的NO2- -N或NO3- -N还原为N2,分别需要有机物1.71mg和2.86mg,同时还产生3.57mg碱(以CaCO3计)。如果进水中含有溶解氧(DO),它会使部分有机碳源用于好氧分解,此时完成反硝化所需的有机物总量(碳源)Cm
可按下式计算,即:Cm=2.86[NO3- -N]+1.71[NO2- -N]+[DO]
式中,Cm为反硝化所需的有机物量(碳源),mg/L;[NO3- -N]为污水中硝态氮浓度,mg/L;[NO2- -N]为污水中亚硝态氮浓度,mg/L;[DO]为污水中的溶解氧浓度,mg/L。
如果污水中的有机物足以用于反硝化反应,则不需另加有机物。如果不具备这种条件,需要另外投加有机物,一般投加甲醇。此时反硝化反应可写为:NO3- +5/6CH3OH→1/2N2+5/6CO2+7/6H2O+OH-
NO2- +1/2CH3OH→1/2N2+1/2CO2+1/2H2O+OH-
O2+2/3CH3OH→2/3CO2+4/3H2O
此时有机物的需要量为:
Cm=2.47[NO3- -N]+1.53[NO2- -N]+0.87[DO]
按式计算得到的有机物量比理论需要量大30%。
2.反硝化生物滤池所需滤料的计算
(1)用反硝化负荷进行计算;用反硝化负荷进行滤料体积计算公式如下:Vdn=Q*(N0-Ne)/1000qdn
式中,Vdn为所需反硝化滤料体积,m3;Q为进入滤池的日平均污水量,m3/d;N0为进水中研态氮浓度,mg/L;Ne为出水中硝态氮浓度,mg/L;qdn为滤料的反硝化负荷,kgNO3- -N/(m3滤料·d)。
在进行工程设计时,反硝化负荷qdn的取值应根据不同水质情况和水的温度通过经验得出,对于城市生活污水,在水温大于10℃时,qdn的取值范围一般为0.8~4.0kgNO3- -N/(m3滤料·d)。
(2)按经验公式计算;反硝化池的有效容积(滤料体积)也可按经验方法计算,一般先计算出硝化滤池的有效容积(滤料体积),再按反硝化滤池与硝化滤池的容积比计算,通常假定Vdn/Vn=1:3,由此可计算出反硝化池的有效容积(滤料体积)。
3.反硝化过程中产生的碱量计算
在反硝化过程中需要释放碱,报据反硝化反应方程式,将1mg的NO2- -N或NO3- -N还原为N2要产生3.57mg的碱(以CaCO3计),所以反硝化过程中产生的碱量可按下式计算:
碱量=3.57*Q△c*10^-3
式中,Q为进入滤池平均污水量,m3/d;△c为进出滤池的NO2- -N或NO3- -N浓度的差值,mg/L;3.57为反硝化产生的碱量系数,kgO2/kgNO2- -N或kgO2/kgNO2- -N。
4.反硝化所需停留时间的计算
大多效学者认为,在有机碳源充足时,反硝化速率和硝酸盐浓度呈零级动力学反应,即反硝化速率和硝酸盐浓度无关(一般认为NO3- -N浓度只要超过0.1mg/L,即对反硝化速率无影响),而只与反硝化细蔺数量有关,因此在碳源无限制时,反硝化滤池中NO3-的去除可表达为:[NO3-]0 - [NO3-]c=RdnXvt
式中,[NO3-]0为进水NO3- -N浓度,mg/L;[NO3-]c为出水NO3- -N浓度,mg/L;Rdv为反硝化速率,gNO3+- -N/(gVSS·d);Xv为挥发性污泥浓度,mg/L。
徐亚同分别测试了乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、甲醇和乙醇的反硝化速率,发现当NO3-不受限制时,反硝化速率和单一成分的碳源浓度呈零级动力学反应,即反硝化速率与单一碳源的浓度无关,但发现反硝化速率与碳源性质有关。挥发性脂肪酸碳源的反硝化速率高于醇类,小分子易生物降解有机物碳源的反硝化速率高于大分子难生物降解有机物。不同碳源的反硝化速率见表。

不同碳源的反硝化速率
碳源 反硝化速率/[gNO3- -N/(gVSS·d)] 温度/℃ 备注 碳源 反硝化速率/[gNO3- -N/(gVSS·d)] 温度/℃ 备注
甲醇 0.12-0.9 20 美国环保局 戊酸 0.487 25 徐亚同
污水 0.03-0.11 15-27 美国环保局 混合挥发性脂肪酸 0.754 25 徐亚同
内碳源 0.017-0.048 12-20 美国环保局 甲醇 0.289 25 徐亚同
乙酸 0.603 25 徐亚同 乙醇 0.349 25 徐亚同
丙酸 0.362 25 徐亚同 硝化污泥上清液 0.575 25 徐亚同
丁酸 0.519 25 徐亚同 内碳源 0.084 25 徐亚同

5.反硝化滤池各部分尺寸的确定
反峭化滤池的结构与硝化滤池几乎一样,只不过反硝化滤池不需设置曝气,也就不需要供气系统。在确定了反硝化滤池的滤料体积后,可以参考硝化滤池的设计进行反硝化滤池各部分尺寸的确定。

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