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曝气生物滤池( b a f ) 计算机辅助设计 c o m p u t e r a i d e d d e s i g no fb i o l o g i c a l a e r a t e df i l t e r ( b a f ) 学科专业：环境工程 研究生：刘亚利 指导教师：邢国平副教授 天津大学环境科学与工程学院 2 0 0 8 年5 月 摘要 随着曝气生物滤池研究的深入，其工艺形式推陈出新、功能不断扩大和完善， 现已广泛应用于废水处理、给水处理、微污染水源水处理以及中水回用等各个领 域。然而，同其他给排水设计一样，曝气生物滤池的设计计算也主要依靠设计人 员手工完成。因此，针对曝气生物滤池设计参数多、公式复杂、计算结果需要校 核、工作量较大等缺点，本课题融合环境工程、计算机科学等交叉学科的先进理 论技术，开发快速、高效、智能化的曝气生物滤池设计系统( b a f d s ) 软件， 以提高设计人员的工作效率，降低劳动强度。 在确定曝气生物滤池的计算方法和设计参数的前提下，基于w i n d o w sx p 系 统，以f o r t r a n 和v i s u a lb a s i c 6 0 的混合语言作为工具来进行软件开发。首先， 通过f o r t r a n 语言编写计算程序，达到了计算精度高、速度快的目的；接着以 数据共享的方式将f o r t r a n 的设计参数、数据和计算结果传递给v i s u a l b a s i c 6 0 ，再利用v i s u a lb a s i c 6 0 来完成人机交互界面设计。这样可以充分发挥 两种语言各自的优点。 遵循w i n d o w s 习惯所编写的可视化图形软件曝气生物滤池设计系统软 件( b a f d s ) ，以实用性为出发点，与实际工程设计紧密结合，为给水排水专业设 计人员提供了简便快捷的设计方法。b a f d s 不仅包括文件、视图、计算、帮助、 退出等基本模块，同时为了保证软件的安全性，还添加了包括增、删操作员、修 改密码等操作的密码功能模块。在功能方面，b a f d s 除了可以完成数据输入、 计算机自动计算、数据输出、打印外，还具有查看相关的设计规范和参数、发送 和网上查询等扩充功能，方便设计人员工作。 最后，以广东新会污水处理厂为例，对上述理论技术、方法和软件平台进行 了完整、系统地应用研究，结果表明：b a f d s 系统不仅方便、可靠，而且具有 广阔的应用前景。 关键词：曝气生物滤池( b a f ) 混合程序语言设计计算软件开发 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er e s e a r c ho fb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ( b a f ) t h o r o u g h ，m o r ea n d m o r ep r o c e s s e sh a v eb e e nc o n t i n u o u s l yi n n o v a t e d ，a n df u n c t i o n sh a v eb e e nc o n s t a n t l y e x p a n d e da n di m p r o v e d s of a r , b a fh a sb e e nw i d e l yu s e di nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ， w a t e rs u p p l yt r e a t m e n t ，m i c r o p o l l u t e dr a ww a t e r , a sw e l la sr e c l a i m e dw a t e rr e u s e a n do t h e rf i e l d s h o w e v e r ，t h es a m ea so t h e rw a t e rs u p p l ya n dd r a i n a g ed e s i g n s ，t h e d e s i g nc a l c u l a t i o no fb a fh a sb e e nc o n d u c t e dm a n u a l l y i nt h ev i e wo fd i s a d v a n t a g e s o fb a fs u c ha ss u p e r a b u n d a n td e s i g np a r a m e t e r s ，c o m p l i c a t e dc a l c u l a t i o nf o r m u l a s ， r e p e a t e dc h e c k i n g ，h e a v yw o r k l o a d ，t h ep r i m a r yo b j e c t i v eo ft h i ss u b j e c ti st od e v e l o p ar a p i d ，e f f i c i e n t ，i n t e l l i g e n tb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r d e s i g ns y s t e m ( b a f d s ) ， w h i c hi n t e g r a t e sa d v a n c e dt h e o r i e sa n dt e c h n o l o g yo fe n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n ga n d c o m p u t e rs c i e n c e ，s oa st oe n h a n c ee f f i c i e n c y , r e d u c el a b o ri n t e n s i t y o nt h ep r e m i s eo fb a fc a l c u l a t i o nm e t h o da n d d e s i g np a r a m e t e r sc o n f i r m e d ，t h e f o r t r a nl a n g u a g ea n dv i s u a lb a s i c 6 0h a v e b e e nm i x e dt ob es o f t w a r e d e v e l o p m e n tt o o l sb a s e do nt h ew i n d o w sx ps y s t e m a tf i r s tf o r t r a nl a n g u a g ei s u s e df o r c o m p i l e rt oa c h i e v eh i g ha c c u r a c ya n ds p e e d ，a n dt h e nt h ed e s i g np a r a m e t e r s ， d a t aa n dc a l c u l a t e dr e s u l t so ff o r t r a nc a nb et r a n s m i t t e dt ot h ev i s u a lb a s i c 6 0t o c o m p l e t em a r l m a c h i n ei n t e r f a c ed e s i g ni nt h ew a yo fd a t as h a r i n g c h a r a c t e r i s t i c s a n da d v a n t a g e so fe a c hl a n g u a g ec a nb ef u l l yu t i l i z e db yt h i sw a y c o m b i n e dw i t hp r a c t i c a le n g i n e e r i n gd e s i g n ，t h ev i s u a li z a t i o ns o f t w a r eb a f d s s u p p l i e sas i m p l ea n dr a p i dt o o lt od e s i g n e r s b a f d sn o to n l yi n c l u d e st h eb a s i c m o d u l e ss u c ha sf i l e ，v i e w , c a l c u l a t i o na n dh e l p ，b u ta l s oa d d sac o d em o d u l ew h i c hi s m a d eu po fi n c r e a s i n go rd e l e t i n go p e r a t o r s ，m o d i f y i n gp a s s w o r d st og u a r a n t e et h e s e c u r i t yo ft h es o f t w a r e b a f d sc a no f f e rc o m m o nf u n c t i o n sl i k ed a t ei n p u t ， a u t o m a t i cc a l c u l a t i o n ，d a t eo u t p u t ，p r i n ta n ds oo n i na d d i t i o n ，b a f d sa l s os u p p li e s s o m eu s e f u lf u n c t i o n ss u c ha sd e s i g nd a t a sa n ds t a n d a r d sc o n s u l t a n t ，s e n d i n ga n d r e c e i v i n g ，n e t w o r ki n q u i r y , w h i c hm a yg i v ed e s i g n e r sm o r ee n g i n e e r i n gi n f o r m a t i o n a b o u tb a f i nt h ee n d ，t h ea b o v et h e o r i e s ，m e t h o d sa n ds y s t e mh a v eb e e na p p l i e dt ot h e x i n h u is e w a g et r e a t m e n tp l a n tl o c a t e di ng u a n g z h o us y s t e m a t i c a l l ya n ds u c c e s s f u l l y t h ea p p l i e dr e s u l t si n d i c a t et h a tb a f d si sc o n v e n i e n ta n dr e l i a b l e ，w h i c hh a s e x t e n s i v ea p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ： b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r , m i x e dp r o g r a ml a n g u a g e ， d e s i g nc a l c u l a t i o n ，s o f t w a r ed e v e l o p m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：嘉1 亚暑j 签字日期： 励g 年多月母日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：碧j 五荆 导师签名： 乞e 。钥晋 签字日期：刃p 8 年占月牛日签字日期：v 。矿年月d 日 第一章绪论 第一章绪论弟一旱三：酉化 我国的淡水资源不仅匮乏而且在时间和空间上的分布极不均匀。近年来，随 着我国社会和经济的高速发展、城市化进程的加快、人口不断增加、工农业生产 规模日益扩大，大量生活污水和各种工业废水的肆意排放带来了严重的水环境恶 化，导致全球范围内的水资源短缺。每年因缺水和水污染而造成的经济损失超过 10 0 0 亿元。 我国要走可持续发展的道路，实现“环境效益”、“社会效益和“经济效 益，就不能将眼光放在开发地表水、抽吸地下水及远距离甚至是跨流域调水等 传统的模式上，必须寻找非传统水源。建造污水处理厂及发展中水回用技术是解 决我国城市水污染问题最重要和最有效的技术措施之一【l 3 】。 污水处理的方法多种多样，且各具特色。近年来，随着曝气生物滤池工艺的 不断推陈出新、功能进一步完善，已被广泛应用于大大小小的污水处理厂、小区 生活污水、生活杂排水以及食品加工废水、酿造和造纸等高浓度的废水处理1 4 5 】。 除此之外，曝气生物滤池在给水处理中微污染水的预处理和中水回用中也具有良 好的性制6 | 。目前世界上已有1 0 0 多座污水处理厂采用了这项技术。然而，和其 它的给排水设计一样，曝气生物滤池也存在着设计计算繁琐、重复计算的工作量 大、需要反复试算等缺点。 可见，根据相关的设计理论、设计规范、标准、经验参数等编写程序存入计 算机，通过输入一些必要的设计参数，计算机就可以自动完成计算、保存、绘图、 制表等功能，从而实现曝气生物滤池的计算机辅助设计。这不仅可以代替设计人 员完成大量“机械化”的工作而且对于提高工作效率，降低工作强度都是十分必 要的【7 1 。 1 1 曝气生物滤池的国内外研究现状 曝气生物滤池( b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ) 简称b a f ，是2 0 世纪初起源于欧 美的一种膜生物处理工艺，到7 0 年代末8 0 年代初首先在欧洲开始工程应用【8 】o 自从2 0 世纪8 0 年代以来，曝气生物滤池在污水处理领域得到了广泛的研究和应 用【9 l0 1 。经过8 0 年代中、后期的较大发展后，到9 0 年代初已基本成熟。2 0 世纪 9 0 年代以后，国内外对b a f 的研究方兴未艾，工艺形式不断推陈出新，功能不 第一章绪论 断扩大和完善。先后出现b i o c a r b o n e 、b i o f o r 、b i o s t y r 、b i o p u r 等形式 的曝气生物滤池是几种典型运行工艺，在世界范围内都有应用。 1 1 1 几种新型的曝气生物滤池 纵观b a f 短短几十年的发展历程，可以看出滤料是贯穿其间的核心。因此， 应用不同滤料产生了不同的b a f 种类 1 1 1 3 】。 ( 1 ) b i o c a r b o n e 法国o t v ( lo m n i u md ef r a i t e m e n t se td ev a l o r i s a t i o n ) 公司在2 0 世纪8 0 年 代开发的b i o c a r b o n e 滤池是世界上最早进行实验研究并工业化的b a f 。早期 的b i o c a r b o n e 工艺采用的是下向流，其结构形式见图1 1 。 图1 - 1b i o c a r b o n e 结构示意图 反冲洗出水 反冲洗进水 出水 它先后采用石英砂、煤渣、活性炭、膨胀页岩等比重大于1 的沉没型填料， 污水从滤池顶部进入，下向流流经滤料。曝气管位于滤料层中下部，气水处于逆 流，反应器上部起生物降解的作用，n h 3 - n 被氧化成n 0 3 - n ，另外由于生物膜的 内部存在厌氧一缺氧环境，因此在硝化的同时能实现部分反硝化。反应器的下部 主要起截留s s 及脱落的生物膜的作用。随着过滤的进行，滤料表面新生成的生物 量越来越多，截留的s s 随之增加，当固体物质积累到一定程度时，在滤层上部形 第一章绪论 成表面堵塞层，阻止气泡的释放，导致水头损失迅速增加，很快达到极限水头损 失，此时应立即进行反冲洗。一般在滤池的底部设置反冲洗气、水装置进行气水 联合反冲洗。 ( 2 ) b i o s t y r 由于b i o c a r b o n e 在实际运行中存在纳污量有限、负荷不够高、水头损失 增加过快、反冲洗周期短等缺点，o t v 公司对其原有的b i o c a r b o n e 工艺进 行改进，推出了改进的b i o s t y r 生物滤池。这种滤池采用比重小于l 的有机悬 浮填料，主要成分是聚苯乙烯，漂浮在水中。其结构形式见图1 2 。 1 2 卜配水廊道；2 一滤池进水和排泥管；3 一反冲洗循环闸门；4 一填料；5 一反冲洗气管； 6 一工艺空气管；7 一好氧区；8 一缺氧区；9 一挡板；1 0 一出水滤头； 1 1 一处理后水的储存和排出；1 2 一回流泵；1 3 - 进水管 图1 - 2b i o s t y r 结构示意图 污水从滤池底部进入，与空气同向向上流经滤料，滤料顶端安装有一定数量 滤头的滤板以防止滤料流失，滤板以上为反冲水储存区，靠重力流向下清洗滤料。 曝气管依然位于滤料层中下部，将滤料层分为好氧区和缺氧区，可设回流泵以进 行反硝化。由于其具有占地小、滤料易得、既可与现有污水厂有机结合，又可单 独用于去除s s 和有机物、硝化除氨、反硝化、脱氮等功能。所以，o t v 公司在 第一章绪论 近几年将其作为拳头产品在世界范围内大力推广。 ( 3 ) b l o f o r 2 0 世纪9 0 年代初，由法国的d e g r e m o n t 公司开发的另一种b a f b i o f o r ( b i o l o g i c a lf i l t r a t i o no x y g e n a t e dr e a c t o r ，生物过滤氧化反应器) 也在 世界上流行开来。它应用的滤料为比重大于1 的沉没式轻质陶粒b i o l i t e ( 膨胀硅 铝酸盐) ，结构形式见图1 3 。 反冲洗进水管 图1 3b i o f o r 结构示意图 反冲洗进气管 b i o f o r 运行时一般采用上向流。污水从底部进入气水混合室，经长柄滤头 配水后通过垫层进入滤料，在此进行b o d 、c o d 、氨氮、s s 的去除。反冲洗时 气、水同时进入气水混合室，经长柄滤头配水、气后进入滤料，反冲洗水回流入 初次沉淀池，与原污水合并处理。 自从1 9 9 4 年欧洲建成第一座生产性b i o f o r 污水处理厂以来，这种b a f 迅速 在各国得到广泛应用【1 4 j 。 ( 4 ) b i o p u r b i o p u r 滤池是由瑞士的v a t at e c hw a b a gw i n t e r t h u r ( 原苏尔寿环境技 术部) 在2 0 世纪8 0 年代研究开发的一种曝气生物滤池。该类型针对不同进出水 水质选择不同滤料，如规整波纹板、陶粒、石英砂等，并将装有不同滤料的滤池 相互组合以实现各种不同的功能【1 5 】。其结构形式见图1 4 。 第一章绪论 反 回流水 图1 4b i o p u r 结构示意图 水 ( 5 ) 其他类型 除了以上几种在城市污水处理中应用较多的b a f 类型之外，一种以选择性砂 砾为滤料的b a f d e e p b e d t m 砂滤池工艺在工业废水处理中也得到较广泛的应用 【1 6 】，它由好氧滤池c o l o x t m 和缺氧滤池d e n i t e 组成，最大的特点是以价廉易得的 砂砾代替了较贵的滤料。 1 1 2 曝气生物滤池的应用现状 曝气生物滤池以其高效、节能、占地面积小、运行管理方便等特点，成为近 年来水处理技术中的研究热点之一。随着近年来研究的不断深入，曝气生物滤池 与其它水处理技术的组合，不仅能够充分发挥各自的优势，而且还可以通过单元 过程的优化组合，逐次去除污水中的各种污染物，达到高效、彻底地净化污水的 目的【17 1 。 ( 1 ) 生活污水方面的应用 g i n c a l v e s 1 8 】等利用升流式厌氧污泥床( u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb e d ，简称 u a s b ) 和曝气生物滤池串联对生活污水进行二级处理，不但降低了整个系统的 污泥产量，使u a s b 的产气量有一定程度的提高，而且提高了系统的处理效能， 对s s 、b o d 5 、c o d 的平均去除率分别达到了9 4 、9 6 和9 1 ，出水的s s 、b o d 5 、 c o d 分别为10 m g l 、9 m g l 和3 8 m g l 。 王阳1 1 9 3 采用b a f 一化学沉淀一过滤组合工艺对城市污水处理厂二级出水进 行深度处理，结果表明：c o d c r 、n h 3 n 均具有较好的去除效果，处理后水中的 c o d c r 稳定在2 8 6 m g l 以下；平均n h 3 - n 水浓度为0 5 l m g lr 出水s s 在5 m g l 以下；出水t p d 于o 5 m g l ；出水总硬度( c a c 0 3 ) 小于1 0 0 m g l 。 第一章绪论 李华【2 0 】等采用上流式曝气生物滤池( u b a f ) 一连续微滤分离膜( c m f ) 组 合工艺，对生活污水进行处理后回用。u b a f c m f 工艺对c o d c r ，b o d 5 的去除 率超过9 5 ，对s s 和n h 3 - n 的去除率接近1 0 0 。系统运行结果表明：生活污水 经该组合工艺处理后，出水水质优良，符合生活杂用和市政杂用的要求。 ( 2 ) 工业废水方面的应用 z h us h u n n i l 2 l 】等采用u b f ( 厌氧复合床) - - b a f ( 曝气生物滤池工艺) 处理 焦化废水，以水力停留时间4 6 7 h ，考察该系统对焦化废水的处理效果。结果表 明：该工艺处理焦化废水是可行的，除了少量的残留污染物未完全去除外，出水 中c o d 、氨氮的去除率分别为8 1 5 和9 6 4 ，难降解的有机物也转化为中间产 物被去除。 尤隽i 2 2 】等采用b a f u f ( 超滤) - - r o ( 反渗透) 联合工艺对谢村水务公司 的棉印染废水的二级生化处理出水进行深度处理，研究结果表明：当进水c o d 、 色度、浊度、电导率分别为3 0 8 - 5 0 9 m g l 、1 2 8 2 2 0 倍、5 6 l5 8 n t u ，5 3 6 0 6 5 8 0 i - t s c m 时，相应的出水指标分别为1 0 - 2 0 m g l 、 2 倍、 0 5 n t u ，4 8 5 9 i - t s c m ， 其水质可满足印染生产工艺的要求。 大港发电厂采用曝气生物滤池一气浮池一重力滤池处理工艺对厂区废水进 行处理，废水悬浮物浓度平均由1 4 5 3 m g l 降到7 2 m g l ，去除率达9 5 4 ；c o d m 。 平均由3 4 7 m g l 降到1 8 3 5 m g l ，去除率达4 7 1 ，处理后的水质能达到电厂杂 用水的水质要求【2 3 】。 苏德林1 2 4 】等利用折流板厌氧反应器( a b r ) 一曝气生物滤池( b a f ) 工艺处 理江汉油田马2 5 污水处理站采油废水的中试研究。组合工艺对油、c o d 、b o d 5 和s s 的总去除率分别为9 6 1 - 9 6 9 ，5 8 2 7 5 1 ，8 0 0 0 o - 9 3 1 ， 8 0 7 8 7 1 。扫描电镜( s e m ) 观察结果显示：生物膜结构紧密，并且观察到 裂口虫，生物相非常丰富。a b r b a f 工艺能够很好地处理采油废水，出水水质 满足污水二级排放标准。 除此之外，曝气生物滤池在处理食糖工业废水、柑橘工业废水、养猪废水和 水产养殖废水时也都取得了较好的处理效果【2 5 2 8 1 。 ( 3 ) 微污染水源水的处理 日本的m k a s a k i l 2 9 】等人早在上个世纪8 0 年代末就开始研究曝气生物滤池对 微污染水的处理。中试试验结果表明：在完全混合且原水水质波动不大的情况下， n h 3 n 的去除率大约为8 0 ，在春、冬季极端低温的情况下，n h 3 n 的去除率也 保持在6 0 8 0 。 南京大学环境工程系利用生物强化曝气生物滤池处理高污染河水，在气水比 第一章绪论 为o 5 1 0 ，反冲洗周期为3 - 5 天，反冲洗强度气体水为5 - 8 l ( m 2 s ) ，反冲洗时 间为1 0 - 1 5 m i n ，温度为2 3 - 3 0 c ，p h 值为7 0 8 5 ，污泥负荷为0 2 0 6 k g c o d m 。( k g m l s s d ) ，过滤率为1 5 4 5 m 3 ( h m 2 ) 的条件下，不断运行的结果表 明：浊度、高锰酸盐指数( c o d m 。) 、氨氮和细菌的去除率分别高达8 9 3 ，8 7 3 ， 9 4 6 和9 6 7 ，出水能满足地面水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 的i 级 标准，可用于工业生产i j 。 清华大学环境工程系和蚌埠自来水公司合作，进行了国内第一座具有生产规 模的曝气生物滤池预处理的工程应用。处理对象为淮河水，生物陶粒滤池共4 座， 设计单池处理能力为2 5 0 0 m 3 d ，供水工程采用的工艺流程为： 原水- 生物陶粒滤池+ 澄清池+ 三层滤池+ 加氯消毒+ 出水 生物陶粒滤池设计参数：单池面积2 5 m 2 ，池高4 5 m ，陶粒滤料2 m ，陶粒 粒径2 - 5 m m ，配水和配气方式均为穿孔管，反冲洗周期为7 1 2 d ，挂膜时l 拌池 采用自然接种挂膜，2 拌、3 群、4 拌池采用接种挂膜，滤速为3 6 6 0 m h ，水温为 1 5 3 0 ，气水比为1 ：1 。 在进水o c ( 有机碳) 4 2 - 1 2 7 m g l 时，去除率为2 3 8 3 1 7 ；进水n h a - n 在0 1 - 4 0 m g l 时，若在生物滤池中曝气则其去除率达7 0 - 9 0 ，不曝气或曝气 不正常时在4 8 6 7 1 4 。当进水浊度18 1 2 0 n t u 时，生物与处理出水浊度为 1 4 - 1 0 1 n t u ，去除率为1 9 2 - 6 3 ，平均为3 7 9 ；当进水色度为3 5 1 2 0 c u 时， 出水为2 0 1 2 0 c u ，去除1 1 10 0 o - - - 4 1 6 ，平均可达到2 1 6 3 1 , 3 2 1 。 通过国内首次生产规模的饮用水生物陶粒滤池预处理试验，表明生物预处理 对改善饮用水水质，减少形成氯化消毒副产物，减少给水管网腐蚀均有一定作用。 ( 4 ) 中水回用 梁松雪【3 3 l 介绍了辽宁某住宅小区采用水解酸化曝气生物滤池( b a f ) 一过 滤工艺获得了满意的处理效果，完全能够达到回用水水质要求。 李秀芳 3 4 1 研究采用上向流曝气生物滤池一砂滤工艺对城市污水的二级出水 进行处理，达到了污水回用的标准。 同济大学的郭冀峰【3 5 】采用气浮一曝气生物滤池工艺处理某校学生浴室洗浴 废水，并将出水回用于校园景观水体。改良的曝气生物滤池在进水c o d c ，、b o d 5 、 n h 3 - n 、t n 、t p 、l a s 的质量浓度分别为：1 2 0 3 0 0 m g l 、6 0 9 0 m g l 、1 7 - 2 0 m g l 、 3 5 - 5 0 m g l 、2 2 - 4 5 m g l 、3 - 1 0 m g l 时，出水水质分别为：3 0 - 5 0 m g l 、5 - 6 m g l 、 3 - 5 m g l 、5 - 1 2 m g l 、0 2 - 0 3 m g l 、0 3 - 0 4 m g l ，能够达到城市污水再生利 用景观用水水质标准( g b t 1 8 9 2 1 2 0 0 2 ) 的要求。 第一章绪论 1 1 3 曝气生物滤池的计算方法综述 曝气生物滤池的设计与计算的内容主要包括：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。 曝气生物滤池的设计计算方法主要有以下四种方法，但是实际工程中一般使 用的是b o d 容积负荷法。 ( 1 ) b o d 容积负荷法( n w ) 3 6 , 3 7 】 b o d 容积负荷法是指每立方米填料每天所能接受并降解b o d 的量，以 k g b o d ( m 3 滤料d ) 表示。此值的选定主要取决于污水的类型及处理出水水质对 b o d 的要求。在我国，对于城市二级污水处理和酿造废水处理，n 。的取值一般 为2 0 - 4 0 k g b o d ( m 3 滤料d ) 和4 0 - 6 0k g b o d ( m 3 滤料d ) ；当处理出水除了降解 b o d 夕 - 还对氨氮硝化有要求时，则n w 一般取值2 0 k g b o d ( m 3 滤料d ) ；当进行 三级处理时，n w 一般取值为0 1 2 0 18 k g b o d ( m 3 滤料d ) 。设计时先确定滤料体 积，然后再计算其他部分尺寸。 ( 2 ) 接触时间计算法【3 8 】 所谓接触时间计算法是根据微生物反应动力学关系式和进出水的水质来先 确定污水和填料的接触时间，由此进一步计算出反应池的总面积和填料容积。一 般认为b o d 的去除效率与其浓度成一级反应关系即： i d s ：瑙 ( 1 1 ) 一= 一兄、 ll - li d t 、 。 式中 s 滤池内任一时刻有机物b o d 的浓度，m g l ； f 砖触反应时间，h ； 七反应速度常数，h 。 上式两边同时积分并整理就可以得到： c t = 七l n 导 ( 1 2 ) ) c 式中 氐原污水的b o d 浓度，m g l ； 处理后污水中的b o d 浓度，m g l 足常数，当接触氧化池内填料的充填率为p ( 标准充填率为7 5 ) 时k 值可由经验公式确定。如下： k = 0 3 3 x ( p 7 5 ) x s o 0 。4 6 ( 1 3 ) 第一章绪论 由式( 1 - 2 ) 可以看t b f 与s o 成j e l l 与成反比，即原水b o d 浓度越高， 对处理出水的水质要求越高，所需的接触时间越长。 ( 3 ) b o d 去除速率法【1 4 】 b o d 的去除速率方程近似于一阶方程，可以采用下述方程： 孚：一k t ( 1 - 4 ) 0 0 纠4 4 0 ( 占云) ( 1 - 5 ) v = 半 ( 1 6 ) 式中 & 进水b o d 浓度，m g l ； 疋滤池中t m i n 之后的b o d 浓度，m g l ； f 水力停留时间，m i n ； 尼b o d 去除的速率常数，l m i n ，一般为( 0 1 0 2 ) 3 ，最小0 0 7 ； 矿滤料层的容积，m 3 ： u v 滤料层的容积负荷，k g b o d ( m 3 滤料d ) ； 占滤料层的空隙率，一般为0 4 o 5 。 ( 4 ) b o d 反应动力学模型 曝气生物滤池除了填料被淹没在滤床内这一特征以外，与普通生物滤池有着 许多相似之处。根据示踪试验结果【3 9 】可知：两种滤池的流态在整体上都具有推流 式的特点。有关推流式生物滤池有机物降解过程动力学的研究结果表明【4 0 】：曝气 生物滤池的有机物降解动力学过程可视为一级反应。 篆= 等驴n ( 1 - 7 ) 一= 一、p ii 一，l d 矗d ”、 一般经验公式为： v = 芈 ( 1 _ 8 ) 式中氐- 进水b o d 浓度，m g l r s 出水b o d 浓度，m g l ； 么滤池截面积，m 2 ： 日滤床高度，m 。 设曝气生物滤池系统为推流式反应器，可以假定反应器内只存在着纵向的浓 第一章绪论 度梯度，即底物只在横向有混合现象，纵向完全不存在混合，由此可得如图1 - 5 所示的理想化简化模型。 图1 5 曝气生物滤池理想化模型 接触时间计算法是以微生物反应动力学关系式和进出水水质为前提的，而对 微生物反应动力学关系的研究还不深入；b o d 去除速率法要测量t m i n 之后的 b o d 浓度，不适于工程应用；b o d 反应动力学模型的计算需要积分想对比较复 杂繁琐。故我国在实际计算中采用的是b o d 容积负荷法。 1 2 计算机辅助设计在给排水中的应用 随着科学技术的高速发展，计算机已渗透到人类生产和生活的各个领域，成 为人们求解复杂问题、处理巨量信息最重要的工具。在给排水工程中，从科研、 教学、设计、运行管理到施工，都可以利用计算机来提高效率、保证质量、节约 人力。 目前，计算机在给排水中应用的国内外研究现状如下： ( 1 ) 在工程科学计算方面的应用 给排水工程计算量较大、设计参数多，校核调整复杂繁琐，其中以管网平差 最为典型，故同济大学利用计算机语言开发的管网平差软件是应用的典例；周桃 玉1 4 2 等人采用计算机科学计算语言f o r t r a n 7 7 ，基于w i n d o w s 9 7 9 8 2 0 0 0 操作系统， 结合o f f i c e 9 7 2 0 0 0 软件，完成了一种水处理试验中实验室常规配水的计算机可视 化界面方案辅选程序软件。 ( 2 ) 计算机模拟在给排水中的应用 计算机模拟是解决给排水中庞大的系统和过程定量分析问题不可缺少的手 第一章绪论 段。赵振【4 3 】等人对上海市某污水处理厂的生产运行数据进行计算机模拟，通过对 模型参数进行修正和调整，仅改变a s mi ( 活性污泥l 号模型) 数学模型中的4 个参数，就取得了较好的预测效果；张永坚】在分析建筑设备自动化系统仿真要 素的基础上，提出以a m f m g i s 为平台建立仿真系统的设想；蒋卫刚【4 5 1 等人根 据a s mi ，结合t a k a c s 的二次沉淀池模型，运用d e l p h i 编译软件，在w i n d o w s 平 台上自行开发了污水处理模拟系统；并通过上海市采用a o t 艺的污水厂进行模 拟，确定了模型参数并对模型进行了校正。 ( 3 ) 可编程控制器( p l c ) 在给排水中的应用 曝气生物滤池运行是否正常、运行成本的高低在很大程度上取决于自控系统 是否完善。侯立刚【4 6 】等人针对工业循环水的处理问题，开发了循环水自动加药计 算机监控系统，采用i p c 和p l c 组成上、下两级监控系统，取得了较好的经济效 益。g i o v a n n ig o d e n a 47 j 通过使用三个相互依赖的控制实体，开发了一个高水平、 精确的p r o c g r a p h 控制软件。 ( 4 ) 给排水工程的计算机辅助设计( c a d ) 大多数的给水、排水、建筑给排水工程设计部门都是利用a u t o c a d 来绘制工 程图纸。陈扬 4 8 1 等人对w c a d ( 水处理工程计算机辅助设计) 系统进行了大量 的研究和软件开发工作，研制了一个治理中、小型工厂污水的软件包，该软件包 模拟传统设计过程，能够完成常规工艺方法的计算和部分特殊方法的计算。按照 计算结果利用a u t oc a df o rw i n d o w s 可绘制工程图用于施工；易赛莉【4 9 j 等采用基 于x m l 的c a d 中性模型来储存和统一管理设计中产生的相关数据，可以有效地 实现项目数据在不同应用中的共享，以便和国际接轨。 总之，计算机在给水排水工程中的应用主要表现在【5 0 】：c a d ( c o m p u t e ra i d e d d e s i g n 计算机辅助设计) 、a m ( a u t o m a t e dm a p p i n g _ 自动成图) 、f m ( f a c i l i t i e sm a n a g e m e n 卜一设施管理) 、g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 地理信息系统) 。其中c a d 和a m 可用来做为企划设计和设施成图等图形生成环 境的工具；在没有图形显示能力时，f m 可以提供有效的工程设施的统计、管理 和分析；而g i s 能够在很大限度内支持a m f m 在诸如管网模拟、空间分析和事故 模拟等方面的应用。 1 3 研究目的和意义 污水处理是一项既侧重于环境效益又侧重社会效益的城市基础建设工程，近 年来污水处理厂的数量不断增多。 第一章绪论 鉴于曝气生物滤池的技术和工艺特征，以及我国的中小型排放源在技术和经 济上的要求，曝气生物滤池作为处理的核心部分，已广泛应用于水处理的各个领 域。其设计和运行的好坏直接关系到出水水质是否达标，影响到整个系统的处理 效果。因此，合理的设计计算对保证整个系统的处理效果，降低水厂的总体建设 费用是至关重要的。 正如其它水处理构筑物的工艺设计一样，曝气生物滤池的设计计算也常常会 遇见计算的结果不满足校核的要求，需要调整的变量较多，很难达到设计要求等 情况。需要通过调整变量进行反复的计算，这使得设计人员的工作量随之增大。 因此，通过计算机辅助设计来寻求一种快速、高效、智能化的设计具有很高的实 用价值和现实意义。 1 4 研究内容和方法 1 4 1 研究内容 尽管曝气生物滤池本身存在很多的优点，但是任何事物都不是绝对的，曝气 生物滤池在应用中也存在着一些问题。 ( 1 ) 曝气生物滤池的处理机理尚不完善，目前主要强调生物氧化与过滤截 留在处理过程中的作用，而忽略了生物絮凝方面的作用，因而需要对曝气生物滤 池的处理理论进行进一步的研究，以便更有效地指导实践。 ( 2 ) 曝气生物滤池应用于污水二级处理时，一般需要对进水进行预处理以 控制进水的s s ，延长运行周期；曝气生物滤池不能对磷进行生物处理，只能通 过化学的方法去除。 ( 3 ) 对曝气生物滤池底物去除动力学规律的研究还不深入，对曝气生物滤 池内的微生物的空间分布情况及微生物动力学特征的认识很不够清楚。 ( 4 ) 曝气生物滤池技术的关键在于选择高性能、低成本的滤料，而有关滤 料的选择标准和规范还未建立。 ( 5 ) 尽管目前曝气生物滤池在实际工程中的应用比较广泛，但有关曝气生 物滤池的设计计算还未规范化、设计参数的取值也各不相同，尤其是对曝气生物 滤池的优化设计的研究还很少。 ( 6 ) 对于多段曝气生物滤池，各阶段的计算公式基本类似，只是设计参数 的选择不同，这就给设计人员带来了很多不必要的重复运算，增加了工作量。 为了降低给水排水设计人员的工作强度，提高工作效率，实现快速、高效、 智能化的曝气生物滤池设计，本课题研究的主要内容为： 第一章绪论 ( 1 ) 弄清曝气生物滤池的原理、构造及各部分设计计算的过程，确定其设 计计算方法，以及各个设计参数的取值范围。 ( 2 ) 根据曝气生物滤池相关的设计理论、设计规范、标准、参数等，应用 f o r t r a n 语言将设计计算过程编写成计算机程序，通过输入设计参数和必要条 件，计算机即可自动完成计算、数据输出等工作，提高了工作效率、降低了劳动 强度。 ( 3 ) 通过数据文件共享方式将f o r t r a n 程序的数据和计算结果传递给 v i s u a lb a s i c 语言，然后再利用v i s u a lb a s i c 语言实现曝气生物滤池的可视化界面 设计。使得程序操作简洁明了，可以实现快速、高效、智能化的设计。 1 4 2 研究方法 针对本课题提出的研究内容，总结其研究方法如下： ( 1 ) 根据整体设计思想，理清设计思路，画出程序设计整体框图，作为整 个程序设计的依据和指导思想。 ( 2 ) 根据先部分后整体的思想，用f o r t r a n 语言将曝气生物滤池的池容、 反冲洗水量、反冲洗气量、曝气量及污泥产量，分别编写程序段，使每一部分成 为一个单独的设计模块。 ( 3 ) 将曝气生物滤池的设计计算分为除碳，脱氮和反硝化三部分，分别对 其进行编译，直至无错，得出正确的运行结果为止。 ( 4 ) 用v b 语言将上述的成果，进行可视化设计，以达到直观、使用方便、 实用的目的。 ( 5 ) 用工程实例对该软件进行验正，将得到的计算结果与实际工程进行对 比分析，从而验证了该软件的实用性和可靠性。 第二章b a f d s 系统开发的理论基础 第二章b a f d s 系统开发的理论基础 2 1b a f 的原理及特点 2 1 1 原理 曝气生物滤池( b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ，简称b a f ) 是一种新型的生物处理 技术。它既可以看成是普通生物滤池的一种变形形式，也可看成是生物接触氧化 法的一种特殊形式，即在生物反应器内装填高比表面积的颗粒填料，为微