四维生物脱氮反应器.doc

装订线安徽工业大学工商学院 毕业设计（论文）说明书摘要 由城市排水系统汇集的污水为城市污水，它是由居民的生活污水和位于城区内的工业企业排放的工业废水以及部分的降水所组成。生活污水是城市污水的主要组成部分之一，在一般条件下，城市污水都具有生活污水的特征。城市污水处理的目的是通过采用各种处理技术和设备去除水中的物理的、化学的和生物学的各种水污染物，使水质得到净化，达到国家或地方的水污染物排放标准，保护水资源环境和人体健康。并采用新型的生物脱氮工艺，在滤池内形成交替循环流动，使各个区域充分混合，产生良好的耗氧和厌氧的环境，满足硝化和反硝化该的需要。城市污水处理厂的处理水量为30000m/d。原污水中各项指标为：BOD浓度为200 mg/L ,COD浓度为250 -550mg/L ，SS浓度为2000 mg/L。本设计采用四维生物脱氮处理城市污水。关键词：生物脱氮；气提升；交替循环流；生物滤池；Abstract By the urban drainage system for the urban sewage collection of sewage，It is by the peoples life sewage and industrial wastewater are located within the urban industrial enterprises as well as the part of precipitation.Sewage is one of the main components of urban sewage，under the general conditions，urban wastewater has the characteristics of the sewage.The purpose of the urban sewage treatment by adopting various kinds of processing technology and equipment to remove the water of various physical, chemical and biological water pollutants and purified water quality，meet the national or local water pollutant emission standards and protect water environment and human health，and uses the new type of biological denitrification process.Within the filter form alternating circulation flow.Fully mixing of different areas to produce good aerobic and anaerobic environment, meet the needs of the nitrification and denitrification.The treatment of water of city sewage treatment plant is 30000m/d.The indicators of raw sewage is:BOD：200 mg/L、COD ：250-350mg/L、SS：2000 mg/L.This design uses four dimensional urban sewage biological denitrification treatment.Keywords:bio-nitrogen remova; airlift; alternant loop; filters目录第1章 绪论31.1课题研究背景31.2当前污水处理状况41.3生物脱氮51.3.1传统生物脱氮途径51.3.2 Orbal氧化沟工艺51.3.3亚硝化-厌氧氨氧化生物脱氮工艺61.3.4四维生物脱氮反应器71.3.4.2 反应器工作原理81.4 气提升111.4.1 气提升循环流化床111.4.2 三相气提升循环流化床12第2章 构筑物设计及设备选型122.1格栅122.1.1 设计说明122.1.2 设计参数122.1.3 设计计算132.2污水提升泵142.2.1设计说明142.2.2设计参数142.2.3设计计算142.3 平流沉砂池142.3.1设计说明142.3.2 设计参数152.3.3 设计计算（按最大流量计算）152.4四维生物脱氮反应器162.4.1设计说明162.4.2设计参数172.4.3设计计算172.5鼓风机房232.5.1设计说明232.6二次沉淀池232.6.1设计说明232.6.2二次沉淀池设计计算232.7紫外线消毒242.7.1设计参数242.7.2灯管数242.7.3消毒渠道设计242.8 集泥井252.8.1设计说明252.8.2设计计算252.9污泥浓缩池262.9.1设计说明262.9.2设计参数262.9.3设计计算262.10 污泥脱水间272.10.1 设计说明272.10.2 设计计算27第3章 污水处理厂总体布置283.1 构筑物及建筑物主要设计参数283.2 污水处理厂的平面布置283.2.1 平面布置的一般原则和要求283.2.2 具体平面布置293.3 污水处理厂高程布置293.3.1 高程布置原则293.3.2水头损失计算303.3.3人员配置和管理32第4章 工程技术经济分析334.1 土建费用及主要设备材料费用334.1.2 主要设备清单344.1.3 直接投资费用344.2 运行费用计算344.2.1 电费344.2.2 工资福利开支354.2.4 生产用水水费开支354.2.5 运费354.2.6 维护维修费354.2.7 管理费用354.2.8 运行成本核算354.2.9 估算35结语36致 谢37参考文献38第1章 绪论1.1课题研究背景 为使污水达到排水某一水体或再次使用的水质要求，并对其进行净化的过程即为污水处理。污水处理被广泛应用于建筑、农业，交通、能源、石化、环保、城市景观、医疗、餐饮等各个领域，也越来越多地走进寻常百姓的日常生活。近年我国的污水处理行业虽然取得了较大发展，但仍然存在污水处理厂设计标准低、设备和工艺技术落后等问题，导致工厂出现“高耗能，低效率”的现象。污水处理工艺与其他工艺过程相似，需要在一定的温度、压力、流量、液位等工艺条件下进行。其可变因素较多，水量、浓度、温度、气量、微生物状态、机械运行和系统控制情况等，都会影响污水处理效率以及功能，因此尽快建立自动化程度较高的污水处理厂并高效运作已经成为当下刻不容缓的任务。目前我国大城市污水处理后排放的不到10%,未经处理的污水严重影响了水环境,制约了现代化进程的告诉发展。这种状况已经引起了各级政府的高度关注,开始逐步推行各级政府的污水处理项目。从污染源排出的污（废）水，因含污染物总量或浓度较高，达不到排放标准要求或不适应环境容量要求，从而降低水环境质量和功能目标时，必需经过人工强化处理的场所，这个场所就是污水处理厂。一旦污水处理厂处理的污水不达标就对其进行排放，不仅会影响下游城市居民的用水，对其身体造成危害，而且也会污染环境。处理污水最多的是处理污水中的氮元素。1.2当前污水处理状况生活污水由于排放量高，排放范围广泛，对其进行收集处理，一直是国内外污水处理领域的重要难题。近年来随着中国经济水平的不断提高，水污染大户由工业废水让位于生活污水。目前，国内外对生活污水的处理，生化处理是一个比较普遍的方法，生化处理主要包括活性污泥法和生物膜法，由于此类技术往往需要强力的曝气供氧，脱氮过程需要进行多级处理，还需外投碳源或进行回流，占地面积较大，运行费用高，维护管理复杂。因此，国内外专家对于如何高效经济的处理生活污水进行了较广泛的研究，开发了许多联合处理工艺，污水处理工艺的操作、运行、监测和监控等技术更多地向节能、经济、高效和实用方向发展，目前国内污水处理工艺和水平与与国外基本相当，但还存在一定差距1,2。 目前国外生活污水的处理主要采用生物膜法加生态处理的技术，其中占地小，处理效率高，得到普遍应用。生活污水先经过预处理，然后进入生化处理系统，最后通过生态处理系统进行深度处理，出水效果较好。 近年来，我国全面实施污染综合削减政策，国家对生活污水处理厂出台了一系列相关法规，制定了相关的污染物排放提标政策，加大了环保治理的力度，使环境污染的状况有所改变。国家“十二五”环境保护规划强调加快城市污水处理与再生利用工程的建设3。到 2015 年，所有城市都要建设污水处理设施，城市污水处理率不低于 80，全国城市污水处理能力达到 1 亿吨/日以上。污水处理厂的建设要坚持集中和分散相结合，因地制宜，优化布局，大力推进技术进步和推广先进适用技术。不断提高城镇污水收集的能力和污水处理设施的运行效率，保证污水处理厂投入运行后的实际处理负荷，在一年内不低于设计能力的60，三年内不低于设计能力的 75。 国内污水处理厂大多仍以普通活性污泥法为主，处理出水水质能够达到排放标准的一般要求，但却普遍存在着占地面积大，基建费、运行费高，处理负荷低，管理较复杂，需要污泥处置，污泥处置不利的时候还会对环境造成二次污染4。对于我国这样一个资源不足、人口众多的发展中国家，从可持续发展的角度来看，并不适合中国国情。因此，开展经济有效地的污水处理新工艺、新设备的研究与开发，降低污水处理的投资和运行费用、节省用地，实现管理方便、出水水质好、高效、低能耗的目的，将对我国国民经济和社会发展及环境保护具有十分重要的意义。1.3生物脱氮 生物脱氮是在好氧环境中，硝化细菌将污水中有机胺转化成氨氮，经过好氧硝化细菌的硝化作用转化为硝态氮或亚硝态氮；在缺氧环境中，利用反硝化细菌将硝态氮或亚硝态氮转化成氮气，达到脱氮的目的。研究表明，NO3是反硝化过程中优先利用的电子受体5。Ahn 等6实验证实，NO2同样是反硝化过程中重要的电子受体，但会对缺氧摄磷产生抑制作用。1.3.1传统生物脱氮途径 污水中的氮一般以氨氮和有机氮的形式存在,通常只含有少量或不含亚硝酸盐和硝酸盐形态的氮。在生物处理过程中,有机氮被转化为氨氮和其他无机氮,却不能被有效地去除。污水生物脱氮的基本原理就在于,在有机氮转化为氨氮的基础上,通过硝化反应将氨氮转化为亚硝氮、硝态氮,再通过反硝化反应将硝态氮转化为氮气从水中逸出,从而达到去除氮的目的(图1-1)7其中有两个阶段，如下第一阶段(硝化反应):硝化反应是由一类自养好氧微生物完成的,它包括两个步骤:第一步称为亚硝化过程,是由亚硝化细菌(亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和硝化球菌属)将氨氮转化为亚硝酸氮,第二步称为硝化过程,由硝化细菌(硝酸杆菌属、螺菌属和球菌属)将亚硝酸氮进一步转化为硝酸氮。第二阶段(反硝化反应):反硝化反应是由一群异养微生物完成的,它是在溶解氧浓度极低的环境下,利用硝酸盐中的氧作为电子受体,有机物作为碳源及电子供体,最终将硝酸氮或亚硝酸氮还原成N2或N20。1.3.2 Orbal氧化沟工艺 Obral氧化沟属活性污泥法中的延时曝气法,沟体通常由三个同心椭圆形沟道组成(图1-2）所示为河南省济源市城市污水处理厂氧化沟现场图)。污水与回流污泥混合后,由外沟道进入;然后通过隔墙上的连通口再依次进人中沟和内沟,在各沟道内循环数十到数百次,最终出水至二沉池。各沟道内安装有数量不等的转碟曝气机,以进行充氧及推流搅拌作用。图1-2氧化沟现场实拍图 从Obral氧化沟三个沟道的溶解氧分布来看,外沟、中沟、内沟的溶解氧呈梯度分布,其中仅内沟道的溶解氧值要求较高,与普通氧化沟要求的2mg/L大致相同,外沟及中沟的溶解氧均低于普通氧化沟要求。由于氧的转移速率随混合液溶解氧浓度的降低而提高,故在Obral氧化沟的外沟及中沟中,氧的转移速率将高于普通氧化沟,这样充氧量可相应减少,这就决定了Obral氧化沟较普通氧化沟更为节能,一般约节省能耗巧15%一20%。因此,在设计Obral氧化沟时,应充分结合工艺特点,科学合理地计算充氧量。1.3.3亚硝化-厌氧氨氧化生物脱氮工艺 随着对亚硝化技术与厌氧氨氧化工艺的不断深入研究,亚硝化控制技术与厌氧氨氧化生物脱氮工艺理论己逐步成熟。国内外许多学者提出把亚硝化过程与厌氧氨氧化过程结合起来,通过控制底物浓度、溶解氧(Do)、HP值、温度、水力停留时间(HTR)及污泥停留时间(SRT)等参数,可以经亚硝化一厌氧氨氧化工艺实现高效生物脱氮。这一观点很快就得到了验证。荷兰Dokbvane污水厂采用的SHARON.ANAMMOX生物脱氮工艺就是一个成功的、具有代表性的亚硝化一厌氧氨氧化生物脱氮工艺典范。 厌氧氨氧化生物脱氮只需将氨氮部分氧化为亚硝酸氮和硝酸氮,在厌氧氨氧化混培菌的作用下,亚硝酸氮与剩余的氨氮直接反应实现简捷生物脱氮过程。 在传统生物脱氮工艺中,废水中的N经历了从其最低的-3价到最高的+5价,然后再逐渐回到0价的一个长而复杂的过程。前一过程即硝化过程,是由两类自养型硝化细菌完成的,分别被称为亚硝化细菌或氨氧化细菌和硝化细菌或亚硝酸盐氧化细菌(有学者认为,在自然界中还未发现有任何一种细菌可以直接将氨氮氧化为硝酸氮）;后一过程即反硝化过程,由另一类异养型反硝化细菌完成,在其将NO3+-N或NO2-一N还原的过程中消耗一定的有机物。 由于厌氧氨氧化混培菌是一类自养菌,所以在厌氧氨氧化反应过程中,无需外界提供电子供体,只需将部分氨氮氧化为亚硝酸氮或硝酸氮,然后在厌氧氨氧化混培菌的作用下实现生物脱氮过程,所以,其工艺组合简单。在传统生物脱氮工艺中,由于硝化和反硝化反应的进行是受到一定制约的,自养硝化菌、异养反硝化菌对周围环境条件及营养基质(有机物)的不向要求导致了生物脱氮反应器的不同组合,工艺流程形式多样,组合比较复杂。1.3.4四维生物脱氮反应器四维生物脱氮反应器是根据气升式交替循环流复合滤料滤池(专利号ZL 2006 10038692.4)为基础进行组合设计的一种新型的污水处理设备，通过将多个标准化的气提升交替循环流复合滤料滤池单元(以下简称反应单元)进行串联式排列，纵向上成为一个连续的具有折流特征的反应装置8。时间轴上的曝气变化控制使得整个反应器分区分段且在不同时间段表现出不同处理状态的水流和动力学特性。这种随时间推进分区分段的处理状态的改变的特征称为四维特性，又由于分区分段处理状态随时间的改变较适宜于生物脱氮过程，故将其命名为四维生物脱氮反应器。1.3.4.1反应器结构组成 如图1-3所示图1-3 四维生物脱氮反应器结构四维生物脱氮反应器由若干组反应单元串联而成，侧立面如图 1-3(a)所示，每个反应单元均为标准的气提升交替循环流滤池结构。每个反应单元通过导流板被分为两个区域，分别安装曝气装置，通过风机对两个区域进行交替供气，从而产生单元内的液体循环流动；立面图如图 1-3(b)所示，纵向上为折板流反应器的典型结构，即在装置内部沿推流方向将整个装置分隔成为若干隔室，每个隔室均为一个独立的反应单元，通过进水过程产生的首尾单元高程差来驱动反应器内的液体产生折流运动。 填料是生物处理中微生物附着的载体，直接影响到生物反应器的处理效果。四维生物脱氮反应器采用的是复合填料，即在不同装置区域填充不同类型的填料，可以为微生物提供全面、良好的载体环境。 本反应器所采用的复合填料由颗粒填料与组合纤维填料组成，颗粒填料为马鞍山华骐环保科技发展有限公司研发的生物陶粒滤料(图 1-4b)，该填料呈球形，直径约为13mm，以粘土、炼钢赤泥为主要原料制成，填料轻质多孔，强度较高，性质稳定，粗糙易挂膜，非常适用于微生物的附着生长9；悬挂式填料选用的是盘片直径约 150mm的组合纤维填料(图 1-4a)，填料将涤纶丝或醛化纤维均匀的压制在外圆环上，内圆环注塑成不规则的树枝状枝条，可以有效的切割气泡，提高溶解氧传质效率，组合纤维填料比表面积极大，附着生物量较高且生物膜老化后易洗脱，更新速度较快10。 （a） （b）图1-4复合填料1.3.4.2 反应器工作原理 四维生物脱氮反应器通过使用一定的曝气时序控制方式对反应器进行曝气控制，在运行过程中，各反应单元均进行间歇式交替曝气，通过调整曝气时间间隔来控制各单元的充氧时间，使反应器内部可以同时周期性有规律的出现好氧、缺氧状态，溶解氧环境的交替变化有效的控制了微生物的增殖和内源呼吸时间，延长了反应器内的生物膜更新周期，使系统在单位时间的产泥量进一步减少。 图1-5 四维生物脱氮反应器处理单元的四种工作模式 由于四维脱氮反应器中的反应单元处在周期性交替曝气状态，因此针对独立的反应单元，液体上升区处在完全混合状态，溶解氧含量高，好氧型微生物可以完成有机物的分解代谢和氨氮的硝化作用；液体下降区处在推流状态，随着区域内溶解氧的沿程消耗，填料上的生物膜则经历了好氧到缺氧的转变，缺氧环境的产生可以为反硝化作用提供一个良好的条件，有利于系统对氮的去除。四维生物脱氮反应器在运行过程中颗粒填料层会不断的截留吸附固体悬浮物，随着颗粒填料层空隙的逐渐缩小，填料层对循环流的阻力也逐渐增大。由于在短时间内，被填料层截留下来的固体悬浮物难以得到有效的去除，因此在填料层截留的固体悬浮物达到一定程度时，单元内的液体循环流被截止。这样就形成了反应单元的四种工作模式，如图1-5 所示。 当出现图 1-5 中所示的循环流截止时，反应单元内曝气的一侧成为一个典型的曝气生物滤池，未曝气区则表现出序批式反应器中搅拌混合状态完成后的静止状态。在实际使用中，四维生物脱氮反应器中出现循环流截止的状态非常罕见，仅在系统进水中含有大量颗粒状悬浮物的情况下才会出现，若对系统进水采取一定的预处理手段，则可避免这种情况的发生。 随着反应器的运行，单元内下降区颗粒填料层截留的颗粒悬浮物的持续积累会降低循环流的循环传质效果。在系统正常运行一段时间后，反应单元则会进入交替状态，即原本的液体上升区和下降区进行变换，此时循环流出现反向，曝气产生的推动力使原下降区的填料层产生松动，进而出现流化状态，循环流如上所述持续重复进行。 针对整个四维生物脱氮反应器，折流运行无需额外的动力来源，仅依靠进水产生的首尾单元液位高程差，即可产生折流。折流作用使污水在进入反应器后沿单元挡板上下起伏流动，依次经过各单元。在整个流动过程中，污水与各单元内的微生物载体充分混合接触，使得废水中的污染物被沿程降解。折流挡板的作用使每个反应单元都可以看成一个独立的污水处理装置，微生物种群与流经该单元的污水水质高度适应，使得污染物可以在不同的反应单元内被不同类型的微生物降解。折流运行也使污水在反应器内的流经总长度增加，提高了反应器的容积利用率和处理效果。 在曝气控制的时间轴上，通过任意时间点作控制逻辑图的垂线即可同步读取到该时刻反应器内所有的电磁阀工作状况；具体到每个反应单元，当 A 侧的电磁阀导通曝气时，存在顺时针（由进水向出水端看）的循环水流；当 B 侧的电磁阀导通曝气时，形成逆时针循环水流；当 AB 两侧的电磁阀均不导通曝气时，只有高程驱动的折流，没有循环水流。对于时间轴上某个特定时刻，整个反应器分段分区同时存在好氧区进行的硝化反应，也存在缺氧区进行的反硝化反应，随着时间轴的向前推进，好氧区和缺氧区的分布状态会不断发生变化。这种在反应器内分区分段随着时间推移表现出不同流态和处理状态特点的性质即称为四维特性。 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, 填料及生物膜的吸附阻留作用和沿水流方向形成的食物链分级捕食作用11以及生物膜内部微环境和厌氧段的反硝化作用。 BAF 水流流向主要分为下向流和上向流, 其中下向流以OTV 公司的BIOCARBONE 工艺为代表;上向流以OTV 公司的BIOSTYR 工艺为代表。BIOSTYR 和BIOCARBONE 工艺示意图见图1-6 。图1-6 BIOSTYR 和BIOCA RBONE 工艺 BAF 反应器为周期运行, 从开始过滤到反冲洗完毕为一个完整的周期。具体过程如下:在BIOCARBON工艺中, 经预处理的污水从滤池顶部进入, 在滤池底部进行曝气, 气水处于逆流。在反应器中, 有机物被微生物氧化分解, NH3 -N 被氧化成NO3 -N , 另外由于在生物膜的内部存在厌氧/兼氧环境, 在硝化的同时实现部分反硝化。在无脱N 要求的情况下, 从滤池底部的出水可直接排出系统, 一部分留做反冲洗之用, 如果有脱N 要求, 出水需进入下一级后置反硝化柱, 同时需外加碳源, 因为内环境反硝化不能使出水TN 达到排放要求。 随着过滤的进行, 由于填料表面新产生的生物量越来越多, 截留的SS 不断增加, 在开始阶段水头损失增加缓慢, 当固体物质积累达到一定程度, 堵塞滤层的上表面, 并且阻止气泡的释放, 将会导致水头损失很快达到极限, 此时应立即进入反冲洗再生, 以去除滤床内过量的生物膜及SS , 恢复处理能力。 反冲洗采用气水联合反冲, 反冲洗水为经处理后达标水, 反冲空气来自于底部单独的反冲气管。反冲时关闭进水和工艺空气, 水气交替单独反冲, 最后用水漂洗。滤层有轻微的膨胀, 在气水对填料的流体冲刷和填料间相互摩擦下, 老化的生物膜和被截留的SS 与填料分离, 冲洗下来的生物膜及SS 在漂洗中被冲出滤池, 反冲洗污泥回流至预处理部分。由于正常过滤和反冲时水流方向相反, 使填料层顶部的高浓度污泥不经过整个滤床, 而是以最快的速度离开滤池, 这对保证滤池的出水是有利的。 在BIOSTYR 工艺中, 经预处理的污水与经硝化的滤池出水按一定回流比混合后进入滤池底部。在滤层中进行曝气, 曝气系统将滤池分为好氧和缺氧两部分。在缺氧区, 一方面反硝化菌利用进水中的有机物作为碳源, 将滤池中的NO3 -N 转化为N2 , 实现反硝化。另一方面, 填料上的微生物利用进水中的溶解氧和反硝化产生的氧降解BOD , 同时, 一部分SS 被吸附截留在滤床内, 这样便减轻了好氧段的固体负荷。经过缺氧段处理的污水然后进入好氧段, 好氧段的微生物利用从气泡转移到水中的溶解氧进一步降解BOD , 硝化菌将NH3 -N 氧化为NO3 -N , 滤床继续截留在缺氧段没有被去除的SS 。流出滤层的水经上部滤头排出滤池, 出水按需求分为:(1)排出处理系统;(2)按回流比与原水混合进行反硝化;(3)用作反冲洗水。随着过滤的进行,滤层中新产生的生物膜和SS 积累不断增加, 水头损失与时间成线性正相关。当水头损失达到极限水头损失时, 应及时进入反冲洗以恢复滤池的处理能力。由于在BIOSTYR 工艺中没有形成表面堵塞层, 使得BIOSTYR 工艺比BIOCARBONE 工艺运行时间要长。 反冲时也为气水交替反冲, 反冲洗水即为贮存在滤池顶部的达标排放水, 反冲空气来自底部的反冲洗气管, 反冲水自上而下。其反冲过程基本类似于BIOCARBONE 工艺。 两者的反冲过程没有太多的理论依据, 但必须把握以下原则:既要恢复过滤能力, 又要保证填料表面仍附着有足够的生物体, 使滤池满足下一周期净化处理要求。从BIOCARBONE 到BIOSTYR 工艺的运用是一个逐步发展的过程, 该技术的关键是采用了一种特殊的填料(密度为0 .8 g/cm3 左右的有机填料)。相比而言, BIOS TYR 工艺有如下优点:(1)重力流反冲洗无需反冲泵, 节省了动力;(2)滤头布置在滤池顶部, 与处理水接触不易堵塞, 便于更换;(3)硝化/反硝化在同一池内完成。1.4 气提升气提升系统兼有提升、曝气、混合、擦洗等功能，在水处理中应用十分广泛，常用于废水提升和污泥回流，也是螺旋空气扩散装置12、气升式环流反应器13，14和连续流砂过滤器15，16等的核心技术。1.4.1 气提升循环流化床气提升循环流化床反应器（Airlift Loop Reactor，ALR）和曝气生物滤池（Biological Aerated Filter，BAF），都属于水处理的生物膜法工艺。与传统的活性污泥法相比，ALR 和BAF 工艺具有更高的生物浓度和有机负荷，耐冲击能力强，特别是包含有不同生物菌群结构，使得脱碳、硝化/反硝化能在同一个池子中发生，从而简化了工艺流程。BAF 工艺集生物处理和过滤两种功能于一体，在微污染水源给水、中水处理，生活污水和工业废水的处理及资源化中得到一定应用，但存在控制水力条件和处理反冲洗污泥的困难。ALR 工艺，虽然具有高容积效率、高负荷的特点，但由于载体易于沉积，挂膜难度大，开工和恢复循环操作困难，而影响到在大规模工程中的应用1718。气提升交替循环流复合滤池（Airlift Alternant Loop Complex Filter，ALCF）是一种全新结构的反应器，充分发挥了曝气生物滤池和气提升循环流化床工艺的优点，运用了复合滤料和交替循环，该反应器的主要特点有：（1）具有曝气生物滤池的生物处理和过滤功能，但不需反冲洗和沉淀池。（2）采用由颗粒滤料和悬挂式纤维滤料组成的复合滤料，过滤的颗粒滤料不会堵塞，悬挂式滤料采用加密布置，在水处理中形成优势互补，提高了容积负荷。（3）通过交替供气，循环流的方向交替变化，处理工况下自动更新，水力条件得到优化。（4）滤池内形成完全混合型的升流区和推流型的降流区，提供了不同的局部氧浓度，符合碳化、硝化、反硝化生物反应对环境的要求，同时进行碳和氮的去除。（5）开工和管理简便，工作状态稳定，而且低能耗，高效率。总的来说，气提升交替循环流复合滤池（ALCF）充分发挥了ALR 和BAF 的优点，并克服了各自的缺点，是一种操作简便，投资少，效率高的水处理新工艺，在建设投资、运行管理和处理效果方面具有较大优势。1.4.2 三相气提升循环流化床 使用三相气提升循环式流化床反应器处理污水的研究近年来有较大的进展19 。焦化废水是一种相当难处理的废水。受原料和工艺的影响其污染物浓度也不同,但均含具有较强毒性的酚、氰和高浓度的CO D。据统计20 ,工艺原水经过成倍稀释后,进入生化阶段的入水浓度中COD大多在800- 1400 mg /L之间。酚、氰浓度受工艺的影响很大,一般酚入水浓度约在200- 300 mg /L; 氰入水浓度约在20- 50 mg /L。对焦化废水的处理,我国目前大多仍使用活性污泥法, CO D的输入负荷大约为0. 7- 2 kg /d m3 ,去除率约为50% - 70% 。因此,如果上述两类处理可在负荷上比较的话,用活性污泥法处理时, COD的容积负荷大约只有气提升循环式流化床反应器的1 /10。气提升循环式流化床反应器处理污水的工艺,可归于生物膜法,在处理酚和氰时,生物膜法也不失为一种极为有效的处理工艺。本研究的目的在于考察活性污泥法和气提升循环式流化床反应器处理焦化废水时的运行情况和处理效果,摸索有关技术参数,并为这种新型反应器在处理焦化废水中的实际应用作准备。第2章 构筑物设计及设备选型2.1格栅2.1.1 设计说明一种截留废水中粗大污物的预处理设施。是由一组平行的金属栅条制成的金属框架，斜置在废水流经的渠道上，或泵站集水池的进口处，用以截阻大块的呈悬浮或漂浮状态的固体污染物，以免堵塞水泵和沉淀池的排泥管。2.1.2 设计参数（1）如水泵前格栅间隙不大于25mm，污水处理系统前可不再设置格栅；（2）机械格栅不宜少于两台，如为一台时，应设人工清除格栅备用；（3）过栅流速一般采用0.61.0m/s；（4）格栅倾角一般采用4575；（5）通过格栅的水头损失一般采用0.080.15m；（6）Q=30000/d=0.35/s； 得。2.1.3 设计计算（1） 格栅的间隙数（n） 设栅前水深h=0.4m，过栅流速v=0.9m/s （2） 栅条间隙e=20mm，格栅倾角=60间隙数（n）： 格条宽度S=0.01m栅槽宽度（B）： （2） 进水渠道渐宽部分长度（l1） 设进水渠宽B1=0.65m，其渐宽部分展开角度1=20(进水渠道内的流速为0.5m/s) （3） 栅槽与出水槽连接处的渐窄部分长度（l2） （4）通过格栅的水头损失（h1） 设栅条断面为锐边矩形断面 式中：形状系数，可由三废处理工程技术手册废水卷表2-1-2查得，对于锐边矩形断面取2.42k系数，格栅受污物堵塞时水头损失增大倍数，一般采用k=3（5）栅后槽总高度（H） 式中：H栅前总高度，m h栅前水深，m h2栅前渠道超高，m，一般用0.3m （6）栅槽总长度（L） （7）每日栅渣量（W）在格栅间隙20mm的情况下，设栅渣量为每1000m3污水产0.07m3 采用机械清渣2.2污水提升泵2.2.1设计说明 污水提升泵房用以提高污水的水位，保证污水能在整个污水处理流程过程中达到重力自流，以便自流进入各后续处理单元。污水处理系统简单，对于新建污水处理厂，工艺管线可以充分优，故污水只考虑一次提升。污水经提升后进入曝气生物滤池，然后自流进入各工艺池。2.2.2设计参数 设计取最大流量0.51m3/s,设计用2台水泵，一用一备，污水只考虑一次提升，提升后进入调节池。提升前水位-3m，提升后水位6m,进水管径DN300mm，充满度2.2.3设计计算（1）水泵总扬程估算A. 格栅最低工作水位所需水位差：B. 出水管线的水头损失：设出水管线中心埋深为0.9m,总出水管Q=510L/s，选管径为300mm的铸铁管，查表得v=0.8m/s,i=0.004,总管长为8m，局部损失占沿程的30，则总损失为：C. 泵站内管线水头损失假设为1m，考虑自由水头为1mD. 水头总扬程：，取6m2.3 平流沉砂池2.3.1设计说明平流式沉砂池是平面为长方形的沉砂池。沉砂池的主体部分，实际是一个加宽、加深了的明渠，由入流渠、沉砂区、出流渠、沉砂斗等部分组成，两端设有闸板以控制水流。在池底设置12个贮砂斗，下接排砂管。设计流速为0.15-0.3m/s，停留时间应大于30秒。沉砂含水率为60%，容重1.5t/m。采用机械刮砂，重力或水力提升器排砂。2.3.2 设计参数（1） 沉砂池个数或分格数不应少于2个，并应按并联系列设计；（2）砂斗容积应按不大于2d的沉沙量计算，斗壁与水平面倾角不应小于55；（3）沉砂池的超高不宜小于0.3m；（4）平流式沉砂池最大流速为0.3m/s，最小流速为0.15m/s；（5）最大流量时停留时间不少于30s，一般采用3060s；（6）有效水深应不大于1.2m，一般采用0.251m，每格宽度不宜小于0.6m；（7）进水水头应采取消能和整流措施；（8）池底坡度一般为0.010.02，当设置除砂设备时，可根据设备要求考虑池底形状。2.3.3 设计计算（按最大流量计算）（1）沉砂池水流部分的长度（L） L=vt=0.350=15m式中：L水流部分长度，m v最大流速，v=0.3m/s t最大设计流量时停留时间，t=50s（2）水流断面积（A） （3）池总宽度(B) 设n=2格，每格宽b=0.8mB=nb=20.8=1.6m （4）有效水深h2 （5）沉砂斗所需容积（V） 设T=2d式中：X城市污水沉沙量，一般采用30m3/106m3（污水）6）每个沉砂斗容积（V0） 设每个沉砂池有两个分格，每一分格有两个沉砂斗，共四个沉砂斗（7）沉砂斗各部分尺寸设斗底宽a1=0.6m，斗壁与水平面的倾角为60，斗高h3=0.7m沉砂斗上口宽 沉砂斗容积（8）沉砂室高度（h3） 采用重力排砂，池底坡度，坡向砂斗，则取，则 9）池总高度（H） 设超高h1=0.3mH=h1+h2+h3=0.3+1.06+1=2.36m （10）验算最小流速（vmin） 在最小流速时，只用一格工作(n1=1) 式中：wmin最小流量时沉砂池中的水流断面面积，m2 ； 满足最小流速设计要求。单池的进出水情况：表2-1项目COD(mg/L)BOD(mg/L)SS(mg/L)氨氮(mg/L)进水300200200040出水300200196040去除率%00502.4四维生物脱氮反应器2.4.1设计说明 四维生物脱氮反应器(4DBNR) 是将一系列气提升交替循环流复合滤池 (AALCF) 反应单元，沿纵向按折返流方式串联，形成的一体化装置。所谓“四维”是指通过时间域上的曝气变化控制三维水流，从而形成滤池内交替循环流动和局部区域的充分混合，并在水处理沿程产生好氧和缺氧环境，满足硝化和反硝化的需要。作为生物脱氮工艺，4DBNR不需要额外设置沉淀池和系统回流，也不以好氧和缺氧操作单元组合流程，因此其完整的一体化结构形式和低处理费用的优点十分明显。2.4.2设计参数1 进水水质COD 250-550mg/L，BOD 200mg/L，SS2000mg/L。能够同步去除有机物，满足城镇污水处理厂污染物排放标准（GB204252006）三级标准。2 交替循环流曝气方式，30分钟切换一次，颗粒滤料层按反应器水深而异，高度400700mm，进水段颗粒直径为69mm，其他段颗粒直径为35mm。3 曝气区域为全平面面积的1/31/2，气水比为1.54.5，氧利用率30%，曝气动力消耗25 w/。4 水力停留时间为24小时，容积负荷率以COD计35 kg/d；以氨氮计0.20.4 kg/d；总氮去除6080 %。2.4.3设计计算2.4.3.1 硝化反应池设计计算（1） 以COD容积负荷计算，取。则池子的滤料容积为： 单个池子的滤料容积为 （2）水力停留时间T（3） 一般来说，曝气生物滤池内的滤料层高度 H 滤料在 2.5-4.5 m 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， 本设计取滤料层高度 H 滤料 = 3m ，则曝气生物滤池的截面积S 截面 计算如下： A 截面 = V 滤料 / H 滤料：滤池结构可采正方形结构，尺寸为25m25m，单个截面积，每个池子尺寸为13m13m。 空塔水力负荷一般 为 1.5 - 3.5 m3 /(m2 h)之间，空塔水力负荷复核如下： 实际 q 水力 = Q / A截面 = 1250/ 150= 8.3 m3 /(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 - 1.5 m ，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 = 1.2 m ，并在配水室池壁考虑设置检修入孔；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 - 1.0 m 的清水区，本工程取清水区高度 H 清水 = 1.0m ；滤池的超高取 H 超高 = 0.5 m，承托层高 H 承托 = 0.3 m滤池总高H 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 4.15h。单池的进出水情况：表2-1项目COD(mg/L)BOD(mg/L)SS(mg/L)氨氮(mg/L)进水300200196040出水9080196016去除率%7060060池体的设计计算：该池中间有导流板，隔成两个小池，每个小池的尺寸4m2m（4）配水系统 一般滤池的配水系统有大阻力，中阻力和小阻力等三种形式， 四维生物脱氮反应器的配水系统一般采用小阻力形式。 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，四维生物脱氮反应器所选用的长柄滤头在结构形式上与给水滤头有差别，由于良种滤头所作 用的介质和选用的滤料不一样，所以其缝隙的尺寸和开缝方向也不一样，滤头结构也有差别。四维生物脱氮反应器所选用的长柄滤头为 EPT-1 型，滤水帽，滤水管为一体成型，每个滤头共有 滤缝20 条，每条滤缝 L B = （6mm 2mm）+ 0.05mm，滤缝总面积为 3.2 cm2/个。 每平方米布置 24 个滤头，开孔比 = 1.152%，流量系数 a = 0.8，滤池的水力负 荷 B = 0.8 L/(cm2 S),则滤池中水通过配水系统的水头损失为： h1 =( B /a)2 2 g 10-6 = 3.85 10-4 m 本工程设计中，滤池每平方米布置长柄滤头24 个，每个间距为180mm.设计中采用了生物滤池专用单孔膜曝气器，该曝气器 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。去除污水中BOD 的需氧量为式中：-每千克BOD完全降解所需的氧量，取=0.82 b-单位面积活性生物膜的需氧量取7.2 A-滤料的比表面积进水段滤料直径35mm陶瓷颗粒滤料（比表面积160），和变性聚乙烯塑料半软性填料，如表2-2所示表2-2变性聚乙烯塑料半软性填料规格材质比表面积（）孔隙率%重量适用的进水COD(mg/L)变性聚乙烯879397.1%1314150400（5）每天需提供的总氧量比表面积取90（）（6）氨氮硝化需氧量（7）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 （8）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为（9）当滤池水面压力 P = 1.013 105 Pa,曝气器安装在滤池水面下 H = 4.5 m 深度时，曝气器处 的绝对压力为： Pb = P + 9.8 H = 1.013 + 9.8= 1.454 Pa（10）则当水温为 25 时.清水中饱和溶解氧浓度为 Cs = 8.4 mg/L,则 25 时滤池内混合液溶解痒饱 和浓度的平均值 Csm(25) 为:当水温为25 时，四维生物脱氮实际需氧量 R 为 式中： a=0.8 =0.9 =1 C=3 mg/L （假定滤池出水溶解氧浓度）（11）四维生物脱氮总供气量为每个单孔膜滤池专用曝气器供气量为 0.2-0.3 m3/ （个h） ，取曝气器供气量为 0.25 m3/ （个h），四维生物脱氮则需曝气器数量为 个曝气器的布置间距为180mm 滤料层，承托层 四维生