生物脱氮工艺设计(1)

沈 阳 化 工 大 学

题 目：院 系：专 业：班 级：学生姓名：指导教师：

《环境工程课程设计》

A1/O生物脱氮工艺设计 环境与安全工程学院

2012年 9 月 日

前言................................................................................................................................ 3 1综述............................................................................................................................. 3

1.1城市污水.......................................................................................................... 3 1.2污水处理的方法及意义.................................................................................. 3 2.设计依据和原则........................................................................................................ 4

2.1 设计依据......................................................................................................... 4 (1) 《污水综合排放标准》GB8978-1996........................................................... 4 (2) 有关法律、法规及设计规范......................................................................... 4 2.2设计原则.......................................................................................................... 4 3 工艺流程图及设计任务............................................................................................ 4

3.1 工艺流程图..................................................................................................... 4 3.2设计任务.......................................................................................................... 5

3.2.1 设计水量.............................................................................................. 5 3.2.2 设计水质.............................................................................................. 5

4设计计算..................................................................................................................... 6

4.1好氧区容积V1（动力学计算方法）............................................................. 6

4.1.1出水溶解性BOD.................................................................................... 6 4.1.2设计污泥龄........................................................................................... 6 4.1.3好氧区容积V1, m3............................................................................ 7 4.2缺氧区容积V2（动力学计算方法）............................................................. 7

4.2.1需还原的硝酸盐氮量........................................................................... 7 4.2.2反硝化速率qdn,T................................................................................ 8 4.2.3缺氧池容积........................................................................................... 8 4.3曝气池总容积V总，m3 ................................................................................... 8 4.4碱度校核.......................................................................................................... 8 4.5污泥回流比及混合液回流比.......................................................................... 9

4.5.1污泥回流比R........................................................................................ 9 4.5.2混合液回流比....................................................................................... 9 4.6剩余污泥量 生物污泥产量：.................................................................... 10

1

4.7反应池主要尺寸............................................................................................ 10

4.7.1好氧反应池（按推流式反应池设计）............................................. 10 4.7.2缺氧反应池尺寸................................................................................. 11 4.8反应池进、出水计算.................................................................................... 11

4.8.1进水管................................................................................................. 11 4.8.2回流污泥管道..................................................................................... 11 4.8.3进水竖井............................................................................................. 12 4.8.4出水堰及出水竖井............................................................................. 12 4.8.5出水管................................................................................................. 13 4.9曝气系统设计计算........................................................................................ 13

4.9.1设计需氧量AOR.................................................................................. 13 4.9.2标准需氧量......................................................................................... 14 4.9.3所需空气压力p（相对压力）.......................................................... 16 4.9.4曝气器数量计算（以单组反应池计算）......................................... 16 4.9.5供风管道计算..................................................................................... 17 4.10缺氧设备的选择.......................................................................................... 17 4.11污泥回流设备选择...................................................................................... 17 4.12混合液回流泵.............................................................................................. 18 参考文献...................................................................................................................... 19

2

前言

1综述 1.1城市污水

城市污水主要包括生活污水和工业污水，由城市排水管网汇集并输送到污水处理厂进行处理。 城市污水处理工艺一般根据城市污水的利用或排放去向并考虑水体的自然净化能力，确定污水的处理程度及相应的处理工艺。处理后的污水，无论用于工业、农业或是回灌补充地下水，都必须符合国家颁发的有关水质标准。 现代污水处理技术，按处理程度划分，可分为一级、二级和三级处理工艺。

1.2污水处理的方法及意义

污水一级处理应用物理方法，如筛滤、沉淀等去除污水中不溶解的悬浮固体和漂浮物质。污水二级处理主要是应用生物处理方法，即通过微生物的代谢作用进行物质转化的过程，将污水中的各种复杂的有机物氧化降解为简单的物质。生物处理对污水水质、水温、水中的溶氧量、pH值等有一定的要求。污水三级处理是在一、二级处理的基础上，应用混凝、过滤、离子交换、反渗透等物理、化学方法去除污水中难溶解的有机物、磷、氮等营养性物质。污水中的污染物组成非常复杂，常常需要以上几种方法组合，才能达到处理要求。 污水一级处理为预处理，二级处理为主体，处理后的污水一般能达到排放标准。三级处理为深度处理，出水水质较好，甚至能达到饮用水质标准，但处理费用高，除在一些极度缺水的国家和地区外，应用较少。目前我国许多城市正在筹建和扩建污水二级处理厂，以解决日益严重的水污染问题。

3

2.设计依据和原则 2.1 设计依据

(1) 《污水综合排放标准》GB8978-1996 (2) 有关法律、法规及设计规范

2.2设计原则

本工程设计方案报告的编制遵循以下原则：

（1）认真执行国家有关法规、标准及规定，根实际情况，采用切

实可行的治理方案，符合处理效果好、建设投资少、运行费用低、管理操作简便的要求。

（2）污水进行综合治理，化害为利，解决生产污水造成的污染， 力求充分发挥建设项目的环境效益、社会效益和经济效益。

（3）根据污水水质的特点，做到投资省、运行费用低，技术可靠、运行稳定、处理效果好。

3 工艺流程图及设计任务

3.1 工艺流程图

4

A/O系统又称前置硝化系统或循环脱氮系统。一般采用硝化混合液回流，将BOD去除与反硝化脱氮在同一池中完成。A/O生物脱氮系统具有以下特征：反硝化池在前，硝化池在后；反硝化反应以原废水中的有机物为碳源；硝化池内的含有大量硝酸盐的硝化液回流到反硝化池，进行反硝化脱氮反应；在反硝化反应过程中，产生的碱度可补偿硝化反应碱度的一半左右，对含氮浓度不高的废水可不必另行投加碱；硝化池在后，使反硝化残留的有机污染物得以进一步去除，无需建后曝气池。

3.2设计任务

3.2.1 设计水量

平均日污水量Q=30000m3/d，总变化系数K=1.2

3.2.2 设计水质

进水水质：

BOD5=180mg/L, TSS浓度X0180mg/L, VSS126mg/L f=0.7

TN35mg/L NH325mg/L 碱度SALK280mg/L

PH=7.0-7.5

5

最低水温12℃，最高水温26℃ 出水水质：

BOD530mg/L SS20mg/L TN12mg/L NH37mg/L

4设计计算

4.1好氧区容积V1（动力学计算方法）

V1YCQ(S0S)

XV(1Kdc)式中 V--------好氧区有效容积，m3; Q--------设计流量，m3/L;

S0-------进水BOD5浓度，mg/L;

S--------出水所含溶解性BOD5浓度，mg/L

Y--------污泥产率系数，kgVSS/kgBOD5,取Y=0.6; Kd-------内源代谢系数，取Kd=0.05; Ɵc-------固体停留时间，d;

Xv-------混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）,mg/L,Xv=fX; F---------混合液中VSS与SS之比，取f=0.7;

X---------混合液悬浮固体浓度（MLVSS),mg/L,X取4000mg/L. Xv=fX=0.7×4000=2800(mg/L)

4.1.1出水溶解性BOD

为使出水BOD降到30mg/L,出水溶解性BOD浓度S应为：

VSS S301.42TSS(1ekt)

TSS =30-1.42×0.7×20×（1-e-0.23×5）

=16.41(mg/L)

4.1.2设计污泥龄

首先确定消化速率μN （取设计pH=7.2)，计算公式

NO2 N0.47e0.098(T15)10.833(7.2pH) (0.05T1.158)N10ko2O26

式中 N-----NH3-N的浓度，mg/L; Ko2----氧的半速常数，mg/L;

O2-----反应池中溶解氧浓度，mg/L。

μN=0.47e0.098(12-15)×8/7+10(0.05×12-1.158)×2/1.3+2 =0.35×0.962×0.606=0.204(d-1)

硝化反应所需的最小污泥龄θmc

114.90(d)

0.204cmN选用安全系数K=3;

设计污泥龄ckcm=3×4.90=14.7(d)

4.1.3好氧区容积V1, m3

V10.630000(0.180.01641)14.78910.23(m3)

2.8(10.0514.7)好氧区水力停留时间t1V18910.230.297(d)7.1(h) Q300004.2缺氧区容积V2（动力学计算方法）

V2NT1000

qdn,TXV4.2.1需还原的硝酸盐氮量

微生物同化作用去除的总氮Nw::

NW0.124Y(S0S)0.6(18016.41)0.1247.02(mg/L)

1Kdc10.0514.7被氧化的NH-N=进水总氮量-出水氨氮量-用于合成的总氮量

=35-7-7.02=20.98（mg/L）

所需脱硝量=进水总氮量-出水总氮量-用于合成的总氮量

=35-12-7.02=15.98（mg/L）

7

需还原的硝酸盐氮量NT3000015.981479.4(kg/d) 10004.2.2反硝化速率qdn,T

qdn,Tqdn,20T20

式中 qdn,T----------20℃ 时的反硝化速率常数，取0.12kgNO3N/(kgMLVSS•d); Θ------------温度系数，取1.08。

qdn,T0.121.0812200.065(kgNO3N/kgMLVSS)

4.2.3缺氧池容积

479.410002634.1(m3)

0.0652800缺氧区水力停留时间

V2t2V22634.10.0878(d)2.1(h) Q300004.3曝气池总容积V总，m3

V总V1V28910.232634.111544.33(m3)

系统设计污泥龄=好氧池泥龄+缺氧池泥龄

2634.1 14.714.719.05(d)

8910.234.4碱度校核

每氧化1mgNH3N需要氧化7.14mg碱度；去除1mgBOD5产生0.1mg碱度；每

还原1mgNO3N产生3.57mg碱度。

剩余碱度SALKI进水碱度-硝化消耗碱度反硝化产生碱度去除BOD5产生碱度 2807.1420.983.5715.980.1(18016.4) =197.95(mg/L)100(mg/L)(以CaCO3计)

8

此值可维持pH≥7.2

4.5污泥回流比及混合液回流比

4.5.1污泥回流比R

设SVR150,回流污泥浓度计算公式为：

106r XRSVR式中，r为考虑污泥在沉淀池中停留时间、池深、污泥厚度等因素的系数，取1.2。

1061.28000(mg/L) XR150混合液悬浮固体浓度X(MLSS)4000(mg/L) 污泥回流比R



100%(一般取50%-100%)

4000100%

80004000XXRX100%

4.5.2混合液回流比

混合液回流比R内取决于所需要的脱氮率。脱氮率ηN可用下式粗略估算： ηN进水TN出水TN351265.71%

进水TN350.657192%200% 110.6579

4.6剩余污泥量 生物污泥产量：

PXYQ(S0S)

1Kdc600030000(0.180.0164)1508.22(kg/d)

10.0519.05对存在的惰性物质和沉淀池的固体流失量可采用下式计算：

PSQ(X1Xe)

式中 X1--------进水悬浮固体中惰性部分（进水TSS-进水VSS）的含量，kg/m3 PS--------非生物污泥量，kg/d;

PSQ(X1Xe)

=30000×（0.18-0.126-0.02）=1020(kg/d)

剩余污泥量△XPsPX1508.2210202528.22(kg/d) 去除每1kgBOD5产生的干污泥量

X2528.220.56(kgDs/kgBOD5)

Q(S0Se)(0.180.03)300004.7反应池主要尺寸

4.7.1好氧反应池（按推流式反应池设计）

总容积V18910.23m3，设反应池两组。

单组池容V1单V18910.234455.12(m3) 22V1单4455.121113.78(m2) h4.0S1单1113.7860(m) B36.2有效水深h=4.0m,单组有效面积S1单采用三廊道式，廊道宽b6.2m,反应池长度L11 0

校核：

b/h6.2/41.55(满足b/h1-2)L/b60/6.29.68(满足L/b5-10)

超高取1.0米，则反映池总高H=4.0+1.0=5.0(m)

4.7.2缺氧反应池尺寸

总容积V22634.1(m3) 设缺氧池2组，单组池容V2单2634.1 1317.05（m3）2V2单1317.05321.23(m2) 4.14.1有效水深h=4.1m,单组有效面积S2单S2单321.2317.（3m）长度与好氧池宽度相同，为L=18.6m,池宽= L18.64.8反应池进、出水计算

4.8.1进水管

两组反应池合建，进水与回流污泥进入进水竖井，经混合后经配水渠、进水浅孔

进入缺氧池。

30000单组反映池进水管设计流量Q1Q0.347(m3/s)

86400管道流速采用v0.8m/s.

Q0.347管道过水断面A0.434(m2)

v0.8管径d4A40.4340.74(m)

3.14取进水管管径DN700mm.

Q0.434校核管道流速v0.90(m/s)

A(0.7)224.8.2回流污泥管道

单组反映池回流污泥渠道设计流量QR

11

300000.347(m3/s) 86400渠道流速v=0.7m/s;

Q0.347则渠道断面积AR0.496(m2)

v0.7取渠道断面bh1.0m0.5m

0.3470.69(m/s) 校核流速v1.00.5渠道超高取0.3m; QRRQ1渠道总高为0.50.30.8(m)

4.8.3进水竖井

反应池进水孔尺寸： 进水孔过流量Q2(1R)孔口流速v=0.6m/s; 孔口过水断面积AQ0.3470.58(m2) v0.6QQ30000(11)0.347(m3/s) 2286400孔口尺寸取Ø1.2m×0.5m; 进水竖井平面尺寸2.0m×1.6m。

4.8.4出水堰及出水竖井

按矩形堰流量公式：

Q30.422gbH1.866bH3232QQQ3(1R)(11)Q0.347(m3)22式中 b----堰宽，b=6.0m; H----堰上水头高，m。 H3(

Q3230.3472)()0.10(m) 1.86b1.866.0出水孔过流量Q4Q30.347(m3/s) 孔口流速v=0.6m 孔口过水断面积AQ0.3470.58(m2) v0.6孔口尺寸取Ø1.2m×0.5m;

1 2

进水竖井平面尺寸2.0m×1.6m。

4.8.5出水管

单组反应池出水管设计流量 Q5Q30.347(m3/s) 管道流速v=0.8m/s;

Q0.347管道过水断面A50.434(m2)

v0.8管径d4A40.4340.743(m)

3.14取进水管管径DN700mm.

Q0.347校核管道流速v50.9(m/s)

0.7A()224.9曝气系统设计计算

4.9.1设计需氧量AOR

AOR碳化需氧量硝化需氧量-反硝化脱氮产氧量

=(去除BOD5需氧量-剩余污泥中BODu氧当量)

(NH3N硝化需氧量-剩余污泥中NH3H的氧当量)-反硝化脱氮产氧量 a.碳化需氧量D1 D1Q(S0S)-1.42PX

1e-kt式中 k----BOD的分解速率常数，d-1,取k0.23; t----BOD5的试验时间，取t5d. D130000(0.180.0164)-1.421508.22

1e-0.235 7182.12-2141.675040.45(kgO2/d)

1 3

b.硝化需氧量D2

D24.6Q(N0Ne)-4.612.4%PX

D24.630000(0.0350.007)4.612.4%1508.22

3864860.293003.71(kgO2/d) C.反硝化脱氮产生的氧量D3 D32.86NT

式中，NT为反硝化脱除的硝态氮量，取NT=479.4kg/d D32.86479.41371.08(kgO2/d) 故总需氧量AORD1D2D3

5040.453003.711371.086673.08(kgO2/d)278.05(kgO2/h) 最大需氧量与平均需氧量之比为1.4，则：

AORmax1.4AOR

1.46673.089342.31(kgO/d)389.26(kgO2/h) 去除每1kgBOD5的需氧量AOR

Q(S0Se)6673.081.48(kgO2/kgBOD5)

30000(0.18-0.03) 4.9.2标准需氧量

采用鼓风曝气，微孔曝气器辐射于池底，距池底0.2m,淹没深度3.8m,氧转移效率EA20%,将实际需氧量AOR换算成标准状态下的需氧量SOR. SORAOR•CS(20)(Csm(T)CL)1.024(T20)

T----设计污水温度，T=26℃；

CL----好氧反应池中溶解氧浓度，取2mg/L；

----污水传氧速率与清水传氧速率之比，取0.82；

1 4

----压力修正系数，取1；

----污水中饱和溶解氧与清水中饱和溶解氧之比，取0.95.

查表得水中溶解氧饱和度：

CS(20)9.17mg/L,CS(26)8.22mg/L

空气扩散器出口处绝对压力：

pbp9.8103H

式中，H----空气扩散器的安装深度，m； P----大气压力，p1.013105Pa。 pb1.0131059.81033.81.358105(Pa) 空气离开好氧反应池时氧的百分比Ot： Ot21(1EA)100%

7921(1EA)式中，EA为空气扩散装置的氧的转移效率，取EA20%.

Ot21(1EA)17.54% 7921(10.2)

好氧反应池中平均溶解氧饱和度：

PbOt Csm(26)CS(25)()

2.066105421.35810517.54)8.94(mg/L) 8.38(2.06610542标准需氧量为：

SOR6673.089.17 (2620)0.82(0.9818.942)1.024 9968.66(kg/d)415.36(kg/h) 相应最大时标准需氧量为：

SORmax1.4SOR1.49968.6613956.12(kg/d)581.51(kg/h)

好氧反应池平均供气量为：

GSSOR415.361001006922.67(m3/h) 0.3EA0.30.31 5

最大时供气量为：Gmax1.4Gs9691.74(m3/h)

4.9.3所需空气压力p（相对压力）

ph1h2h3h4h

式中，h4----曝气器阻力，微孔曝气h40.0040.005MPa,h4取0.004MPa； h----富余水头，h0.0030.005MPa,h取0.005MPa。 取h1h20.002MPa

p0.0020.0380.0040.0050.049(MPa)49(kPa)

4.9.4曝气器数量计算（以单组反应池计算）

a.按计算氧能力所需要曝气器数量。 h1SORmax qc式中 h1----按供氧能力所需曝气器个数，个；

qc----曝气器标准状态下，与好氧反应池工作条件接近时的供氧能力，

kgO2/(h•个)。

采用微孔曝气器，参照有关手册，工作水深4.3m,在供风量q=1-3m3/h•个时，曝气器氧利用率EA20%,在服务面积0.3-0.75㎡，充氧能力

qc0.14kgO2/(h•个)，则

581.512077(个) 0.14b.以微孔曝气器服务面积进行校核

h1fF62360.54(m2)0.75(m2) h120771 6

4.9.5供风管道计算

供风管道指风机出口至曝气器的管道。 a.干管。供风干管采用环状布置。

11流量QSGsmax9691.744845.87(m3/h)

22流速v=10m/s; 管径d4Q44845.870.414(m) v3.14103600取干管管径为DN400mm。

b.支管。单侧供气（向单侧廊道供气）支管（布气横管）；

1G1Qs单max9691.741615.29(m3/h)

326流速v=10m/s；

取支管管径为DN250㎜。 双侧供气（向两侧廊道供气）：

2G1QS双max9691.743230.58(m3/h)

323流速v=10m/s； 管径d4Q43230.580.338（m） v3.14103600取支管管径为DN400㎜。

4.10缺氧设备的选择

缺氧池分为三格串联，每格内设一台机械搅拌器。缺氧池内设3台潜水搅拌机，所需功率按5W/m3污水计算。

厌氧池有效容积V单17.318.64.11357.43 （m3）（W）混合全池污水所需功率N单1357.4356787.15

4.11污泥回流设备选择

污泥回流比R=100%；

污泥回流量QRRQ30000(m3/d)1250(m3/h) 设回流污泥泵房1座，内设3台潜污泵（2用1备）

1 7

11单泵流量QR单QR1250625(m3/h)

22水泵扬程根据竖向流程确定。

4.12混合液回流泵

混合液回流比R内200%；

混合液回流量QRR内Q23000060000(m3/d)2500(m3/h) 每池设混合液回流泵2台，单泵流量QR单混合液回流泵采用潜污泵。

1 8

2500625（m3/h） 4 参考文献

［1］杭世珺．城市污水处理工程设计的反思与建议[J]．给水排水，2004，30(10)：17-21．

［2］俞庭康，杨健．城镇污水处理最佳实用技术新进展[J]．环境污染治理技术与设备，2000，1(5) ：54-60．

［3］王涛．中国城市污水处理工艺现状调查和技术经济指标评价[J]．中国给水排水，2004，30(5)：1-4．

［4］周斌．华东地区城市污水处理厂运行成本分析[J]．中国给水排水，2001，17(8)：29-30．

［5］刘延岭，关柯．城市建设面临的环境问题与保护措施[J]．哈尔滨建筑大学学报，2000，33(6)：114-116．

［6］中国市政工程西北设计研究院．给水排水设计手册[M]，第11册，常用设备．北京：中国建筑工业出版社，2002： 222-292．

［7］唐受印，戴友芝等．水处理工程师手册[M]．北京：化学工业出版社，2000：451

1 9