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1、中北大学 课 程 设 计 说 明 书 水污染控制工程部分 学生姓名：李婷 学 号：学 院：化工与环境学院 专 业：环境工程 题 目：设计人口为 12000 人的生活污水处理厂 高负荷生物滤池设计 指导教师：杨晓汾 职称:副教授 2015 年 7 月 6 日中北大学 环境工程专业课程设计任务书 水污染控制工程部分 20142015 学年第 二 学期 学 院：化工与环境学院 专 业：环境工程 学 生 姓 名：李婷 学 号：课程设计题目：设计人口 12000 人的生活污水处理厂 高负荷生物滤池设计 起 迄 日 期：6 月 15 日 6 月 28 日 课程设计地点：04203 指 导 教 师：杨晓汾
2、学科部主任：王海芳 下达任务书日期:2015 年 6 月 13 日课 程 设 计 任 务 书 1设计目的：通过课程设计，进一步强化水污染控制工程课程的相关知识的学习，初步掌握污水处理中常见构筑物的设计方法、设计步骤。学会用 CAD软件绘制构筑物的基本设计图纸。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：原始数据与基本参数：设计人口：12000 人；排污量：180L/人.d；BOD5：30g/人.d；另有食品加工厂生产废水量：2000m3/d，BOD5按 1800g/m3计。该市年平均气温：7，混合水冬季平均水温：14。其它参数查阅相关文献自定。设计内容和要求：计算高负荷生物滤
3、池的各部分尺寸；高负荷生物滤池构筑物的图纸详细设计。3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：（1）课程设计说明书一份；（2）说明书内容包括：高负荷生物滤池在水处理中的作用说明；根据给出参数对高负荷生物滤池各部分尺寸的详细计算过程；设计图纸（CAD 绘图）规范，图纸包括整体图和局部图的设计，计算尺寸要在图中相应的位置标明；单位要正确，参考文献必须在说明书中相应的位置标注，语言流畅、规范。（3）工作量：二周 课 程 设 计 任 务 书 4主要参考文献：1 晋日亚、胡双启主编水污染控制技术与工程北京：兵器工业出版社，2005。2 高廷耀主编水污染控制工程(下册)
4、北京：高等教育出版社，1989 3 王宝贞主编水污染控制工程北京：高等教育出版社1990 4 孙彗修等主编排水工程（上）北京：中国建筑工业出版社2000 5 张希衡主编废水治理工程北京：冶金工业出版社，1984 6 张自杰等主编排水工程（下）北京：中国建筑工业出版社2000 7 尹士君、李亚峰编着水处理构筑物设计与计算北京：化学工业出版社2004 5设计成果形式及要求：设计说明书一份（含构筑物设计详图），设计说明书格式按中北大学课程设计的相关要求。6工作计划及进度：2015 年 6 月 14 日：领取课程设计任务书，明确课程设计的内容，查阅相关资料。6 月 15 日 6 月 28 日：设计计算
5、、绘制相关图纸。7 月 7 日：打印装订设计说明书，答辩。学科部审查意见：签字：年 月 日 目录 1 前言.0 1.1 生物滤池的工作原理.0 1.2 生物滤池的类型.0 1.3 生物滤池的基本构造.1 1.4 高负荷生物滤池.2 1.4.1 高负荷生物滤池的特征.2 1.4.2 高负荷生物滤池的构造.2 1.4.3 高负荷生物滤池的运行方式.3 2 高负荷生物滤池设计计算.3 2.2 设计计算.4 2.3.3 池壁的设计.5 2.3.4 其它部件及相对位置.5 3 结论.6 3.1 生物滤池的主要设计参数.6 3.2 污水处理效果分析.6 3.3 方案设计评价.7 4 总结.9 参考文献.9
6、 附图 141 前言 生物滤池已有百余年的发展史，它是以土壤自净原理为依据，由过滤田和灌溉田逐步发展而来的。过滤田和灌溉田是天然条件下的好氧生物处理设施。废水流入过滤田和灌溉田后，水中的有机物滞留在土壤表层，由好氧微生物氧化分解为无机物。这种作用只在土壤表层进行，占地面积大，而且受气候影响，只能在适当条件下采用。19 世纪末，进行了洒滴滤池试验。20 世纪初洒滴滤池法得到公认，出现了各种型式的生物滤池1。1.1 生物滤池的工作原理 污水长时间以滴状喷洒在块状滤料层的表面上，由于滤料间隙的空气不断地溶于水中，水层中保有比较充足的溶解氧，水层中的好氧微生物以废水中的有机物为营养源进行生长繁殖。微生
7、物的代谢作用使废水中部分有机物被氧化分解成简单无机物，同时释放出能量供微生物自身生长活动的需要。另一部分有机物则作为其生长繁殖所需要的构造物质，合成新的原生质。另外，废水通过滤池时，滤料截留了废水中的悬浮物质，并吸附了废水中的胶体物质，使大量繁殖的微生物有了栖息场所，从而在滤料表面逐渐生长起一层充满微生物及原生动物的“生物膜”2。由于生物膜的附着作用，在其表面有一层很薄的附着水层。附着水层由于生物净化作用，所含有机物质浓度很低。废水不断地从滤池上淋洒下来，进入池内沿膜面流动，和附着水层相接触时，由于浓度差的作用，有机物会从废水中转移到附着水层中去，进而被生物膜所吸附。同时，空气中的氧溶于废水中
8、，继而进入生物膜。在此条件下，微生物对有机物进行氧化分解和同化合成，产生的二氧化碳和其他代谢产物一部分溶入附着水层，一部分吸附到空气中去，如此往复循环，使废水中的有机物不断减少，从而得到净化。同时由于生物膜上的微生物的增殖，膜的厚度不断增加，当达到一定厚度时，生物膜层内由于得不到足够的氧和营养物质，由好氧分解转变为厌氧分解，微生物逐渐衰亡、老化，使生物膜从滤料表面脱落，随水流至沉淀池。生物滤池的滤料上再生成新的生物膜，如此不断更新。1.2 生物滤池的类型 生物滤池按负荷可分为低负荷生物滤池和高负荷生物滤池。低负荷生物滤池亦称普通生物滤池，早期的普通生物滤池水力负荷和有机负荷都很低，虽净化效果好
9、，但占地面积大，易于堵塞。后来开发出采用处理水回流，水力负荷和有机负荷都较高的高负荷生物滤池。高负荷生物滤池条件是将进水 BOD5浓度限制在200mg/L 以下，为此，采取处理水回流措施，加大水量，使滤料不断受到冲刷，生物膜连续脱落，不断更新。于是，占地大，易于堵塞的问题得到一定程度的解决3。1.3 生物滤池的基本构造 生物滤池在平面上一般呈方形，圆形或矩形，它的主要组成部分包括滤床、池壁、池底、布水设备和排水系统。生物滤池要求通风良好，布水均匀，单位体积滤料的表面积和空隙率都比较大，以利于生物膜、污水和空气之间的接触和通风。（1）滤床?滤床由滤料组成，滤料作为生物膜的载体，是微生物生长栖息的
10、场所。理想的滤料应具备的性质：能为微生物的附着提供大量的表面积；使污水以液膜状态流过生物膜；有足够的空隙率，保证通风（保证氧的供给）和使脱落的生物膜能随水流出滤池；不被微生物分解，也不抑制微生物的生长，有良好的生物化学稳定性；有一定机械强度；价格低廉。因此，滤床常用拳状滤料，如碎石、卵石、炉渣、焦炭等。近年来，采用的塑料滤料，主要由聚氯乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯，聚酰胺等加工成波纹板，蜂窝管，环状及空圆柱等复合滤料。塑料滤料由于其密度小，空隙率大，因而能提高滤床高度。塑料滤料几乎能满足滤料的全部要求，空气流通好，所以在布水均匀时可承受高负荷2。（2）池壁?滤池的池壁起围挡滤料保护布水的作用。一般用
11、砖、毛石、混凝土或预制板砌块等筑成。池壁应高于滤料表面层0.50.9m，以防风力干扰，保证布水均匀。?（3）池底?滤池的池底主要由支撑渗水结构、底部空间、排水系统、排水口、通风口等部分组成。支撑渗水结构起支撑滤料和渗水的作用。常用的支撑渗水结构是架在混凝土梁或砖垫上的穿孔混凝土板。支撑渗水结构除应将耐用外，还必须有足够的渗水通风面积，负荷高的滤池，开孔面积应适当大些。?底部间的作用是通气和布气。对于面积较大的滤池，底部空间应适当加高一些，以增大通风量，并使气流均匀地进入滤料层。（4）布水设备?布水设备设在滤料层的上方，用以均匀喷洒废水在整个滤床表面上，此外还应具有适应水量的变化、不易堵塞和易于
12、清通、不受风雪的影响等特征。生物滤池的布水设备分为两类：可动布水和固定布水系统。现一般使用可动布水系统，使生物膜表面形成一层流动的水膜，这种布水装置，布水均匀，能保证生物膜得到连续的冲刷。常用的可动式布水装置是旋转布水器。旋转布水器的优点是布水比较均匀，淋水周期短，水力冲刷作用强；缺点是喷水孔易堵，低温时要采用防冻措施，仅适用于圆形池2。（5）排水系统?排水系统包括池子底面及开设于其上的沟渠。池子底面及排水沟都应有一定的坡度。排水渠穿过池壁的地方，应设排水和通风孔洞，通风面积应不小于过水断面。排水口可设于池壁的一侧或数侧，但通风口必须均匀分布于池壁的两对边或四周。1.4 高负荷生物滤池 1.4
13、.1 高负荷生物滤池的特征 高负荷生物滤池是生物滤池的第二代工艺，它是在解决、改善普通生物滤池在净化功能和运行中存在的实际弊端的基础上而开创的。首先，它大幅度地提高了滤池的负荷率，BOD 容积负荷率比普通生物滤池高 68 倍，水力负荷率高达10 倍；通过限制进水 BOD 值和运行上采取处理水回流等技术措施实现高负荷滤池的高滤率。处理水回流一般可以：均化与稳定进水水质，使进入高负荷滤的BOD5值低于 200mg/L；加大水力负荷，及时冲刷过厚和老化的生物膜，抑制厌氧层的发育，从而使生物膜迅速更新并经常保持较高的活性；抑制臭味及滤池蝇的过度滋长。1.4.2 高负荷生物滤池的构造 高负荷生物滤池具有
14、生物滤池的基本构造，表面多为圆形。滤料的粒径较大，一般为 40100mm，空隙率较高。滤料层厚度一般为 24m，滤料粒径和相应的滤层厚度为：工作层厚度 1.8m，滤料粒径为 4070mm；承托层厚度 0.2m，滤料粒径为 70100mm。当滤料厚度超过 2.0m 时，一般采用人工通风措施。水力负荷率较高，一般为 1030m3生活污水/（m3 滤料 d）,有机负荷率为 8001200gBOD5/（m3 滤料 d),故池子体积小，占地面积省，但出水的 BOD5一般要超过 30mg/L，BOD5去除率一般为 75%90%，一般出水中极少有或没有硝酸盐。布水装置多用旋转式布水器。提高了有机负荷率后，微
15、生物的代谢速度加快。由于同时提高了水力负荷率，也使冲刷作用大大加强，因此不会造成滤池的堵塞，滤池中的生物膜不再像普通生物滤池那样，主要是由于生物膜老化及昆虫活动而呈周期性的脱落，而是主要由于污水的冲刷而表现为经常性的脱落。脱落的生物膜中，大多是新生物的细胞，没有得到彻底的氧化，因此，稳定性比普通生物滤池的生物膜差，污泥量大2。1.4.3 高负荷生物滤池的运行方式 为了保证在提高有机负荷率的同时又能保证一定的出水水质，并防止滤池的堵塞，高负荷生物滤池的运行场采用回流式的运行方式。利用出水回流至滤池前与进水混合，这样，既可提高水力负荷率，又可稀释进水的有机物浓度，可以保证出水水质。一般当滤池进水
16、BOD5大于 200mg/L 时，常采用回流3。?当污水处理程度要求高，一级高负荷生物滤池不能满足要求时，可以将两个高负荷生物滤池串联起来，称之为两级生物滤池。2 高负荷生物滤池设计计算 2.1 原始数据与基本参数及其它参数 设计人口：N=12000 人；排污量：qv1=180L/（人 d）；BOD5：si1=30g/（人 d）；另有食品加工厂生产废水量：qv2=2000m3/d，BOD5按si2=1800g/m3计。该市年平均气温：7，混合水冬季平均水温：14。表 2.1 流量模数表 布 水 横 管直径D1/mm 50 63 75 100 125 150 175 200 250 K/L s-
17、1 6 11.5 19 43 86.5 134 209 300 560 处理后，出水 BOD5浓度se要求不大于 30mg/L，填料层高度 h=2m，总变化系数 KZ=1.60，稀释后进水 BOD5浓度 s0与要求的出水 BOD5浓度成正比，设系数为 a 见表 2.2。表 2.2 高负荷生物滤池的 a 值 污水冬季平均 年平均 填料层高度 h/m 温度/温度/2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 810 3 2.5 3.3 4.4 5.7 7.5 1014 36 3.3 4.4 5.7 7.5 9.6 14 6 4.4 5.7 7.5 9.6 12.0 2.2 设计计算（1）基本尺寸的计算：
18、混合污水平均日流量vq：污水混合的 BOD5浓度si：因LmgLmgsi/200/952，所以必须用出水回流的方式稀释进水，使其浓度降至Lmg/200；经回流稀释后污水应达到的 BOD5浓度0s：sesa0，因mh0.2，查表 2.2，得4.4a,所以，回流稀释倍数（回流比）r：填料总体积V：设滤池的有机负荷为 800gBOD5/(m3d)（取不利条件），则 滤池所需总面积A：每个滤池面积1A：设采用四个滤池，则 滤池直径D：校核水力负荷：满足要求，若)/(1023dmmq，应采取措施，加大回流量以提高水力负荷；降低填料高度以减小堵塞的可能。(2)滤池高度计算 取滤池底座高为 1.5m，滤料衬
19、托层高度为 30cm，池壁高于滤料表面0.9m，填料层高度为 2m，则滤池总高度为：H=1.5+0.3+2+0.9=4.7m(3)旋转布水器的设计计算 污水最大设计流量：每个滤池的最大设计流量：布水横管和布水孔径：每个滤池设置一架布水器，每个布水器有四根布水横管，其管径mmD1251，布水小孔直径mmd15。每根布水横管的最大设计流量：旋转布水器直径2D：每根布水横管上的布水小孔数m：各布水小孔至布水器中心的距离ir：第 1 个布水小孔距中心的距离为：第 100 个布水小孔距中心的距离为：第 261 个布水小孔距中心的距离为：布水器转速n：布水器所需水头（即布水器水头损失）H：查表 2.1，得
20、5.86K，故 2.3.3 池壁的设计 池壁高于滤料表面 0.9m，这部分的宽度为 0.63m，用砖块筑成；在池壁上端周围加一周宽 2.1m 的走道板，并在走道板上加装护拦，用于滤池的维护和管理。采用通风井进行滤池内的通风，通风口上方设调节通风量用的铝合金百叶窗，通气孔的尺寸为 1500 1000mm，在滤池周围均布 4 个通风井4。池壁上安装有尺寸为600 600mm 的检修孔，在正常运转时用薄钢板封挡。2.3.4 其它部件及相对位置 设池底空间的高度为 1.5m；出水管的直径为 400mm；?进水管的直径为 400mm；布水横管距离滤料表面的高度为 380mm?；池底坡度 i=0.01;?
21、集水沟的坡度 i=0.03。3 结论 3.1 生物滤池的主要设计参数 污水回流比：r=8.04 滤池的总体积为：V=6205m3 滤池总面积：A=3102.5m2 滤池直径：D=31.5m 生物滤池的个数：4 座 布水器直径：D2=31.3m 每根布水器上的小孔的数目：m=261 第 1 个布水小孔距中心的距离为：r1=0.97m 第 100 个布水小孔距中心的距离为：r100=9.69m 第 340 个布水小孔距中心的距离为：r340=15.65m 布水器转速：n=0.82r/min 布水器所需水头：H=1.84m 3.2 污水处理效果分析 参照国家标准(GB7488-87)，采用稀释与接种
22、法测定水中 BOD5浓度。通过YSI58 型溶氧测定仪(美国)，对水中有机物和无机物在生物氧化作用下所消耗的溶解氧进行测试，操作简单，误差小，数据可信度较高。测定水中五日生化需氧量（BOD5）的稀释与接种的方法适用于地表水、工业废水和生活污水中五日生化需氧量（BOD5）的测定方法的检出限为 0.5 mg/L，方法的测定下限为 2 mg/L，非稀释法和非稀释接种法的测定上限为 6 mg/L，稀释与稀释接种法的测定上限为 6000 mg/L。生化需氧量是指在规定的条件下，微生物分解水中的某些可氧化的物质，特别是分解有机物的生物化学过程消耗的溶解氧。通常情况下是指水样充满完全密闭的溶解氧瓶中，在（2
23、0 1）的暗处培养 5d 4 h 或（2+5）d 4 h先在 04的暗处培养 2 d，接着在（20 1）的暗处培养 5 d，即培养（2+5）d，分别测定培养前后水样中溶解氧的质量浓度，由培养前后溶解氧的质量浓度之差，计算每升样品消耗的溶解氧量，以 BOD5形式表示。若样品中的有机物含量较多，BOD5的质量浓度大于 6 mg/L，样品需适当稀释后测定；对不含或含微生物少的工业废水，如酸性废水、碱性废水、高温废水、冷冻保存的废水或经过氯化处理等的废水，在测定 BOD5时应进行接种，以引进能分解废水中有机物的微生物。当废水中存在难以被一般生活污水中的微生物以正常的速度降解的有机物或含有剧毒物质时，应
24、将驯化后的微生物引入水样中进行接种。经测定高负荷生物滤池法处理后的出水 BOD5浓度为 30 mg/L，根据城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)，符合污水排放对有机物浓度的要求。3.3 方案设计评价 本设计严格依据国家污水处理构筑物规定的标准进行高负荷生物滤池各部分尺寸的计算，并且参照类似工程项目的运行实际情况进行设计，同时也综合了国内外在生物滤池方面多年的工程实践经验。因此，生物滤池在设计方面所得数据及方案是可靠的。影响生物滤池运行的主要因素有：（1）滤池高度 随着滤池的不同深度，生物膜量、微生物种类和去除有机物的速率均不相同，随着深度的增加有机物浓度由高到低，微生物种类
25、增多，生物膜量由多到少，有机物的去除率沿池深方向呈指数形式下降，生物滤池的处理效率，在某种条件下是随着滤床高度的增加而增加，达到一定值后，处理效率不再提高5。（2）负荷 负荷是影响生物滤池性能的主要参数。无论对生物滤池的设计还是运行管理，恰当的确定负荷条件是十分必要的。生物滤池的负荷有水力负荷和 BOD 两种。此外，在处理工业废水时，还应考虑毒物负荷5。（3）回流 在高负荷生物滤池的运行中，多用处理水回流，其优点是：增大水力负荷，促进生物膜脱落，防止滤池堵塞；稀释进水，降低有机负荷，调解和稳定进水，防止浓度冲击；抑制臭味及滤池蝇的过度滋生；增加水中的溶解氧，改善进水状况，提高营养成分，降低毒物
26、浓度；可向生物滤池连续接种，促进生物膜的生长。其缺点是：缩短废水在滤池中的停留时间；降低进水浓度，将减慢生化反应速率；回流水中难降解的物质会产生积累5。可见，回流对生物滤池性能的影响是多方面的，采用时应认真分析和试验研究，一般认为在下述三种情况下应考虑出水回流：进水有机物浓度较高（COD大于 400）；水量很小,无法维持水力负荷在最小经验值以上时；废水中某种污染物在高浓度时,可能抑制微生物生长5。因此，是否需要回流要根据所选的滤池来定，而滤池的选择要根据实际需要来定。（4）生物滤池的供氧与耗氧 向生物滤池供给充足的氧是保证生物膜正常工作的必要条件，也有利于排除代谢产物。生物滤池中微生物所需的氧
27、一般直接来自大气，靠自然通风供给。影响滤池自然通风的主要因素是滤池内外的气温差以及滤池的高度。温差愈大，滤池内的气流阻力愈小，通风量也愈大。滤池内的气温和水温一般比较接近，因废水温度比较稳定，故池内气温的气温变化幅度也不大。但滤池外气温一年四季甚至一天之内变化也会很大，故生物滤池的通风量随时都在变化，当池内温度大于池外温度时，池内气流由下向上流动，反之气流由上向下里流动5。供氧条件与有机负荷密切相关，当进水有机物浓度较低时，自然通风供氧是充足的，但当进水COD 大于 400500 mg/L 时，则出现供氧不足，生物膜好氧层厚度减小，故要限制生物滤池进水 COD 小于 400mg/L，当入流浓度
28、高于此值时，采用回流、稀释或机械通风等措施，来保证滤池供氧充足。总体而言，采用高负荷生物滤池工艺处理城镇污水，工艺可行，处理效果稳定，具有抗堵塞和承受较强冲击负荷的优异性能，出水水质好，投资省，运行费用低，污泥产量少，运行管理简单等特点，是一种适合我国中小城镇的经济实用的污水处理技术。4 总结 这次课程设计让我学到了很多。通过把课本上的知识用到实际生产实例中，让我对所学知识有了更深的理解，也明白了自己所学的知识是局限的，片面的。课本知识与生产实践还有相当大的差距，只有在学好理论知识的同时，同生产实践紧密结合，才算是真正掌握了知识。这次课程设计也提升了我检阅文献，查找资料的能力，对生产工程的设计有了初步认识。这次课程设计是在老师的指导和与同学们的相互讨论中完成的。在此，特别感谢老师和同学们提供的帮助，让我顺利地完成了课程设计，有了知识和认识上的双重提高。我会继续努力学习，理论联系实践，掌握更扎实的专业知识。参考文献 1 高廷耀.水污染控制工程(下册)M.北京:高等教育出版社,1989 2 晋日亚,胡双启.水污染控制技术与工程M.北京:兵器工业出版社,2005:112129 3 王宝贞.水污染控制工程M.北京:高等教育出版社,1990 4 张希衡.废水治理工程M.北京:冶金工业出版社,1984 5 尹士君,李亚峰水处理构筑物设计与计算M.北京:化学工业出版社,2004 附图