水污染控制工程课程设计

中北大学

课 程 设 计 说 明 书

学生姓名：   郭凯旋       学 号：  0804014209 

学    院：          化工与环境学院                             

专    业：             环境工程                              

题    目：流量为8000 m³/h的城市污水A²/O法

脱氮除磷工艺设计

       

指导教师：   晋日亚    职称:   副教授   

 

20##年5月27日

 中北大学

课程设计任务书

  2010~2011  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：   郭凯旋    学 号： 0804014209       

课程设计题目：流量为8000 m³/h的城市污水A²/O法

脱氮除磷工艺设计

起  迄  日  期：   5 月 16 日～5 月 27 日

课程设计地点：   环境工程系                

指  导  教  师：   晋日亚           

系   主   任：   王海芳                   

下达任务书日期: 20##年5月16日

课 程 设 计 任 务 书

课 程 设 计 任 务 书

目录

1 绪论... 1

1.1 概述... 1

1.2 生物脱氮除磷机理... 1

1.2.1 脱氮机理... 1

1.2.2 除磷机理... 2

1.3 A²/O法脱氮除磷工艺流程... 2

1.4 A²/O法脱氮除磷工艺的影响因素... 3

1.5 A²/O法脱氮除磷工艺特点及应用现状... 4

1.5.1 工艺特点... 4

1.5.2 应用... 4

2 总体设计（污泥负荷法）... 5

2.1 已知条件... 5

2.2 主要公式及工艺参数... 5

2.2.1 主要公式... 5

2.2.2 设计工艺参数（见表2-1）... 7

2.3 设计计算... 8

2.3.1 判断是否可采用A²/O法... 8

2.3.2 有关设计参数... 8

2.3.3 校核氮磷负荷... 9

2.3.4 剩余污泥量... 9

2.3.5 反应池主要尺寸... 9

2.3.6 反应池进出水系统计算... 9

2.3.7 曝气系统设计计算... 11

2.3.8 厌氧池设备选择（以单组反应器计算）... 13

2.3.9 缺氧池设备选择（以单组反应器计算）... 13

2.3.10 污泥回流设备... 14

2.3.11 内循环混合液回流设备... 14

2.3.12 二沉池（以单组反应池计算）... 15

3 参考文献... 17

4 结束语... 18

1 绪论

1.1 概述

    在城市污水处理厂,传统活性污泥工艺能有效去除污水中的BOD₅和SS,但不能有效地去除污水中的氮和磷。如果含氮、磷较多的污水排放到湖泊或海湾等相对封闭的水体,则会产生富营养化导致水体水质恶化或湖泊退化,影响其使用功能。20世纪70年代以来，人们在厌氧∕好氧除磷系统和缺氧/好氧脱氮系统原理的基础上又提出了A²/O污水处理系统，即将两个系统组合起来，使污水经过厌氧（Anaerobic）、缺氧（Anoxic）及好氧（Oxic）三个生物处理过程（简称A²/O），达到同时去除BOD₅、氮、磷的目的^[1]。

1.2 生物脱氮除磷机理

1.2.1脱氮机理

生物脱氮是在微生物的作用下，将有机氮和氨态氮转化为N₂和N_xO气体的过程，其中包括氨化反应、硝化反应和反硝化反应^[2]。

⑴ 氨化反应

在氨化菌的作用下，有机氮化合物分解、转化为氨态氮，以氨基酸为例，反应式为：

RCHNH₂COON+O₂RCOOH+CO₂+NH₃

⑵ 硝化反应

硝化反应是将氨、氮转化为硝酸盐氮的过程，是由一群自养型好氧微生物完成的，它包括两个基本反应步骤：第一阶段是由亚硝酸菌将氨氮转化为亚硝酸盐，称为亚硝化反应；第二阶段则由硝酸菌将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐，称为硝化反应。硝化菌在硝化NH₄^＋时，分氧化和合成两个过程。

氧化反应式：NH₄^＋+2O₂NO₃^¯+2H^＋+H₂O

合成反应式：7NH₄^＋+10CO₂5NO₃^－+ 12H^＋+H₂O+2C₅H₇NO₂

⑶ 反硝化反应

反硝化反应是由一群缺氧异养性微生物完成的生物化学过程。它的主要作用是在缺氧(无分子氧)的条件下，将硝化过程中产生的亚硝酸盐和硝酸盐还原成气态氮(N₂)或N₂O、NO。反硝化过程同样由氧化和合成两个过程来实现。以甲醇为例，反硝化过程的化学反应如下：

氧化反应式：6NO₃^¯+5CH₃OH 5CO₂+3N₂+7H₂O+6OH^¯

合成反应式：NO₃^¯+CH₃OH+H^＋ C₅H₇NO₂+N₂+CO₂+H₂O

1.2.2除磷机理

磷通常是以磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷的形式存在于废水中的。生物除磷是利用除磷菌一类的细菌，过量且超出其生理需要的从外部摄取磷，并将其以聚合形态贮藏于体内，形成高磷污泥，排出系统，达到从废水中除磷的效果。

在没有溶解氧和硝态氮存在的厌氧条件下，污水中有机物在厌氧发酵菌的作用下转化为乙酸苷（VFAs）,而聚磷菌则将体内聚积的聚磷分解，所产生的能量除供聚磷菌生存外，还供聚磷菌吸收乙酸苷转化为聚β羟基丁酸（PHB）,而存于体内。聚磷分解时形成的无机磷则释放回污水中，此即厌氧放磷，这是在厌氧区进行的。在好氧区聚磷菌的活力得到恢复，并以聚磷的形式存储超出生长需要的磷量，此即好氧吸磷。在水处理过程中，活性污泥不断增加，必须排除剩余污泥，这些污泥中含有吸收磷过量的聚磷菌，即从污水中去除的含磷物质，这就是厌氧、好氧交替的生物处理系统除磷的本质^[2]。

1.3 A²/O法脱氮除磷工艺流程

     根据生物脱氮除磷机理，污水A²/O法脱氮除磷工艺是一个包括硝化和反硝化、厌氧放磷和好氧吸磷的工艺流程，一般由厌氧池、缺氧池和好氧池组成，如图1所示。

污水首先进入厌氧区，与同步进入的从二沉池回流的含磷污泥混合。厌氧池的主要功能是释放磷，使污水中磷的浓度升高。兼性厌氧发酵菌将污水中可生物降解的有机物（BOD）转化为乙酸苷类低分子发酵中间产物。而聚磷菌可将其体内存储的聚磷酸盐分解，所释放的能量可供好氧的聚磷菌在厌氧的环境下维持生存。另一部分能量可供聚磷菌主动吸收环境中的乙酸苷并以PHB（聚β羟基丁酸）的形式在其体内储存起来。随后污水进入缺氧区，反硝化菌就利用好氧区回流混合液带来的硝酸盐，以及污水中可生物降解有机物作为碳源进行反硝化，达到同时降低BOD₅与脱氮的目的，此时磷的变化较小。接着污水进入曝气的好氧区，聚磷菌在吸收、利用污水中残留的可生物降解有机物的同时，主要是通过分解体内存储的PHB释放能量来维持其生长繁殖。同时过量的摄取周围环境中的溶解磷，并以聚磷的形式在体内存储起来，使出水中溶解磷浓度达到最低。而有机物经厌氧区、缺氧区分别被聚磷菌和反硝化菌利用后，到达好氧区时浓度已经相当低，这有利于自养型硝化菌的生长繁殖。并通过硝化作用将氨氮转化为硝酸盐，排放的剩余污泥中，由于含有大量的能超量存储聚磷的聚磷菌，污泥含磷量可达到6﹪（干重）以上^[2]。

1.4 A²/O法脱氮除磷工艺的影响因素

⑴ 溶解性有机底物浓度  由于厌氧段中聚磷菌只能利用可快速生物降解的有机物，若此类物质浓度较低，聚磷菌则无法正常进行磷的释放和吸收。研究表明，厌氧段进水TP/BOD₅应小于0.06。在缺氧段，若有机物浓度较低，则反硝化脱氮速率将因碳源不足而受到抑制，一般来说，污水中COD/TN大于8时，氮的总去除率可达80﹪^[3]。

⑵ 污泥龄  A²/O法工艺的污泥龄受两方面影响，其一是硝化菌世代时间的影响，一般为25天左右；其二是除磷主要通过剩余污泥排出系统，要求工艺的污泥龄不宜过长。权衡两方面，一般A²/O污泥龄为15～20d。

⑶ 溶解氧  溶解氧应满足三方面的要求，即好氧段氨氮完全氧化为硝态氮所需、满足进水中有机底物的氧化所需及好氧段聚磷菌吸磷所需。为防止DO过高而随污泥回流和混合液回流带至厌氧段和缺氧段，造成厌氧不完全而影响聚磷菌的释磷和缺氧段反硝化。一般好氧段DO在1.5～2.0 mg/L，厌氧段DO浓度小于0.2 mg/L，缺氧段DO浓度小于0.5 mg/L。

⑷ 有机底物污泥负荷N_S  好氧池N_S应不超过0.18 kgBOD₅/(kgMLSS·d),否则异养菌数量超过硝化菌而抑制硝化过程；而厌氧池N_S应大于0.10 kgBOD₅/(kgMLSS·d),否则聚磷菌底物不足，除磷效果下降。

⑸ 污泥回流比  污泥回流比r一般为25﹪～100﹪，如果r太高，污泥将DO和硝态氮带入厌氧池太多，影响其厌氧状态，会抑制厌氧释磷过程；如果r太低，则维持不了正常的反应器内污泥浓度，影响生化反应速率和处理效率。

⑹ 混合液回流比  虽然提高混合液回流比R可以提高反硝化效果，但R过大，则大量曝气池的DO将被带入反硝化区，反而破坏了反硝化条件，且动力费用大。一般要求在100﹪～600﹪。

⑺ 水温  硝化菌生长的最适温度为30～35℃,为避免硝化速率和有机底物好氧降解速率明显下降，水温不宜低于10℃；反硝化脱氮最适温度为20～38℃，为避免硝酸盐还原菌的生长速率下降，水温不宜低于15℃。温度对聚磷菌影响不大

⑻ 碱度  硝化和反硝化过程分别消耗和产生碱度，影响pH值的变化。硝化过程的最适pH值是7.8～8.4，当pH＜6或pH＞9时，硝化反应将停止；反硝化过程最适pH值为6.5～7.5。

⑼ 水力停留时间  由于厌氧段、缺氧段内主要为异养菌群，对污染底物降解速率较快，而好氧段内为除碳异养菌和自养硝化菌，其中自养硝化菌代谢速率较慢，则好氧段停留时间较厌氧段和缺氧段要长，三个段的停留时间比为：厌氧段︰缺氧段︰好氧段等于1︰1︰（3～4）。

1.5 A²/O法脱氮除磷工艺特点及应用现状

1.5.1工艺特点

A²/O工艺的优点是厌氧、缺氧、好氧交替进行，可达到同时去除有机物、脱氮、除磷的目的。而且，这种运行状况，丝状菌不易生长繁殖，基本不存在污泥膨胀问题。此外工艺流程简单，污水停留时间少于其他同类工艺，且不需外加碳源，运行费用低^[2]。

A²/O工艺的缺点是除磷效果因受到污泥、回流污泥中夹带的溶解氧和硝态氮的限制，不可能十分理想^[2]。

1.5.2应用

    在我国，由于水资源短缺及水污染问题日趋严重，尤其是众多内陆湖泊的富营养化已到了造成严重危害的程度，因此，污水的脱氮除磷工艺及实际应用也显得尤为重要。A²/O法脱氮除磷工艺是目前我国城市污水处理厂中应用最广泛的同步脱氮除磷工艺^[4]。但是，由于硝化、反硝化、释磷和吸磷多个生化反应过程对反应条件的不同要求，使得传统的A²/O工艺在实际应用中达到一级排放标准存在一定的难度和局限。

2 总体设计（污泥负荷法）

2.1 已知条件

⑴设计污水流量：；

⑵设计进水水质：COD：300 mg/L，BOD₅：200mg/L，SS：170mg/L，TN：20mg/L，TP：6 mg/L，水温：10～25℃；

⑶设计出水水质：BOD₅：25mg/L，SS：30mg/L，TN＜5mg/L,TP≤1 mg/L。

2.2 主要公式及工艺参数

2.2.1主要公式

⑴ 污泥浓度                                       (2-1)

式中，X为混合液污泥浓度，mg/L；X_r为回流污泥浓度，mg/L；r为污泥回流比，﹪。

⑵ 混合液回流比                              (2-2)

式中，R为混合液回流比，﹪；η_TN为总氮去除率。

⑶ 反应池总容积                                      (2-3)

式中，V为反应池总容积，m³;Q为设计流量，m³/d;S₀为进水BOD₅浓度，mg/L；N为BOD₅污泥负荷，kgBOD₅/(kgMLSS·d)。

⑷ 水力停留时间                                       (2-4)

式中，t为水力停留时间，h。

⑸ 剩余污泥量                                    (2-5)

                                                                 (2-6)

                                                    （2-7）

式中，为剩余污泥量，kg/d；P_X为剩余活性污泥量，kg/d；P_S为反应池悬浮物去除量，kg/d；Y为污泥增值系数，一般为0.4～0.8；S₀、Se为进、出水BOD₅ 浓度，kg/m³；k_d为污泥自身氧化率，一般为0.05；X_V为挥发性悬浮固体浓度（MLVSS），kg/m³；SS₀、SS_e为进、出水悬浮物浓度，kg/m³。

⑹ 矩形堰流量                                     (2-8)

式中，Q为矩形堰流量，m³/s；b为堰宽，m；H为堰上水头，m。

⑺ 系统需氧量                                  (2-9)

                                 （2-10）

                                               （2-11）

                                                 (2-12)

式中，O为A²/O系统需氧量，kgO₂/d;O₁为BOD₅氧化需氧量，kgO₂/d ；O₂ 为硝化需氧量，kgO₂/d；O₃为污泥内源呼吸需氧量，kgO₂/d；a为氧化每kg BOD₅需氧kg数，kgO₂/ kgBOD₅，一般取值为0.42～0.53；ε为单位脱氮所需BOD₅量，kgBOD₅/kgNO_x-N,一般为2.0；N₀为缺氧池NO_x-N负荷量，kg/d；N_e为缺氧池NO_x-N流出量，kg/d；b^，为氨氮去除需氧系数，取4.57；N_r为硝化的氮量，kg/m³；b^，，为污泥自身氧化需氧率，kgO₂/(kgMLSS·d)，一般为0.19～0.11;V₃为好氧池体积，m³。

⑻ 标准需氧量                  (2-13)

式中，SOR为标准条件下转移至曝气池混合液中的总氧量，kgO₂/d；C_S(20)为清水20℃下氧的饱和浓度，mg/L；C_S(T)为清水T℃下氧的饱和浓度，mg/L；C_L为混合液的实际氧的浓度，mg/L；T为混合液的实际水温，℃；α为修正系数，一般取值为0.8～1.0；β为氧饱和温度修正系数，一般取值为0.9～0.97；ρ为气压调整系数，ρ＝ 所在地区实际大气压／（1.013×10⁵）。

⑼ 供气量                                    (2-14)

式中，G_S为供气量，m³/h；E_A为氧的转移效率，﹪。

⑽ 曝气器数量                                     (2-15)

式中，h为按供氧能力所需曝气器个数；q_c为曝气器标准状态下与好氧反应池接近时的供氧能力，kgO₂/(h·个)。

2.2.2设计工艺参数（见表2-1）

表2-1  A²/O脱氮除磷工艺主要设计参数

2.3 设计计算

2.3.1判断是否可采用A²/O法

COD/TN＝300/20＝15＞8

TP/BOD₅＝6/200＝0.03＜0.06

符合要求。

2.3.2有关设计参数

⑴ BOD₅污泥负荷 N＝0.13 kgBOD₅/(kgMLSS·d)

⑵ 回流污泥浓度 X_r＝6600 mg/L

⑶ 污泥回流比 r＝100﹪

⑷ 混合液悬浮固体浓度 mg/L

⑸ TN去除率

⑹ 混合液回流比

⑺ 反应池容积

⑻ 反应池总水力停留时间

⑼ 各段水力停留时间比和容积比 厌氧︰缺氧︰好氧＝1︰1︰3

⑽ 厌氧池水力停留时间 t_厌＝11.19/5＝2..24h

池容 V_厌＝116363.64/5＝23272.6 m³

⑾ 缺氧池水力停留时间 t_缺＝11.19/5＝2.24h

池容 V_缺＝116363.64/5＝23272.6 m³

⑿ 好氧池水力停留时间 t_好＝11.19×3/5＝6.17h

池容 V_好＝116363.64×3/5＝69817.9 m³

2.3.3校核氮磷负荷

好氧段总氮负荷kgTN/(kgMLSS·d)

厌氧段总磷负荷kgTN/(kgMLSS·d)

符合要求。

2.3.4剩余污泥量

    取污泥增殖系数Y＝0.6，MLVSS/MLSS＝0.7，则：

kg/d

   kg/d

kg/d

2.3.5反应池主要尺寸

设反应池4组，单组池容 V_单＝V/4＝116363.64/4＝29090.91 m³

有效水深 h＝6.0m

单组有效面积 S_单＝V_单/h＝29090.91/6.0＝4848.5 m²

采用5廊道推流式反应池，廊道宽 b＝10m

单组反应池长度 L＝S_单/b＝4848.5/(5×10)＝97m

宽深比校核 b/h＝10/6＝1.7（满足b/h＝1～2）

长宽比校核 L/b＝97/10＝9.7（满足L/b＝5～10）

取超高为1.0m，则反应池总高 H＝6.0+1＝7m

2.3.6反应池进出水系统计算

⑴ 进水管

单组反应池进水管设计流量

管道流速

管道过水断面面积

管径

取进水管管径1000mm

⑵ 回流污泥管

单组反应池回流污泥管设计流量

管道流速

取回流污泥管管径1000mm

⑶ 进水井

进水孔过流量

孔口流速

孔口过水断面面积

孔口尺寸取2m×1.2m

进水井平面尺寸取4.0m×4.0m

⑷ 出水堰及出水井

按矩形堰流量公式计算

堰上水头

出水孔过流量

孔口流速

孔口过水断面面积

孔口尺寸取3.0m×2.0m

出水井平面尺寸取4.0m×4.0m

⑸ 出水管

单组反应池出水管设计流量

管道流速

管道过水断面面积

管径

取出水管管径1400mm

校核管道流速

2.3.7曝气系统设计计算

⑴ 设计需氧量

⑵ 标准需氧量

采用鼓风曝气，微孔曝气器。曝气器敷设于池底，距池底0.2m，淹没深度5.8m。取氧转移效率E_A＝20﹪,计算温度T＝25℃,C_S(20) ＝9.17 mg/L，C_S(25) ＝8.38 mg/L，C_L ＝2.0 mg/L，α＝0.82，β＝0.95，ρ＝100kPa。

最大时标准需氧量

好氧反应池平均时供气量

最大时供气量

⑶ 所需空气压力（相对压力）

式中，h_1＋h₂为供风管道沿程与局部阻力之和，取0.2m；h₃为曝气器淹没水头；h₄为曝气器阻力，取0.4m；为富余水头，取0.5m。

⑷ 曝气器数量计算（以单组反应池计算）

⑸ 供风管道计算（以单组反应器计算）

若单侧供气（向单侧廊道供气）

流量

流速

管径

取支管管径为500mm

若双侧供气（向两侧廊道供气）

流量

流速

管径

取支管管径为700mm

2.3.8厌氧池设备选择（以单组反应器计算）

厌氧池设导流墙，将厌氧池分成3格，每格内设潜水搅拌机1台，所需功率按5W/m³池容计算。

厌氧池有效容积 V_厌＝97×10×6＝5820m³

混合全池污水所需功率 P＝5×5820＝29100W

2.3.9缺氧池设备选择（以单组反应器计算）

缺氧池设导流墙，将缺氧池分成3格，每格内设潜水搅拌机1台，所需功率按5W/m³池容计算。

缺氧池有效容积 V_缺＝97×10×6＝5820m³

混合全池污水所需功率 P＝5×5820＝29100W

2.3.10污泥回流设备

污泥回流量 Q_r＝rQ＝8000m³/h

设回流污泥泵房1座，内设3台潜污泵（2用1备）。

单泵流量 Q_r单＝Q/2＝4000 m³/h

水泵扬程根据竖向流程确定。

2.3.11内循环混合液回流设备

⑴ 混合液回流泵

混合液回流量 Q_R＝RQ＝24000m³/h＝6.67 m³/s

设混合液回流泵房2座，每座泵房内设3台潜污泵（2用1备）。

单泵流量 Q_r单＝Q/4＝6000 m³/h

⑵ 混合液回流管

回流混合液由出水井重力流至混合液回流泵房，经潜污泵提升后送至缺氧段首段。

混合液回流管设计流量 Q₆＝Q_R/2＝3.34 m³/s

泵房进水管设计流速 v＝1.5m/s

管道过水断面面积

管径

取泵房进水管管径1700mm

⑶ 泵房压力出水总管

设计流量 Q₇＝Q₆＝3.34 m³/s

流速 v＝1.5m/s

管道过水断面面积

管径

取泵房压力出水管管径1700mm

2.3.12二沉池（以单组反应池计算）

采用平流式沉淀池。

⑴ 沉淀区尺寸的计算

表面负荷q取1m³/(m²·h)，污水沉淀时间t取2.5h，水平流速v取4.5mm/s

沉淀池的总面积

沉淀区的有效水深

沉淀区有效容积

沉淀池长度

长深比核算 ，合格

沉淀池的总宽度

沉淀池个数

长宽比核算 ，合格

⑵ 污泥区计算

污泥量

⑶ 沉淀池总高度

⑷ 污泥斗的容积 (无梯形部分坡度池)

，

⑸ 沉淀池的总长度

设流入口至挡板距离为0.5m，流出口至挡板距离为0.3m。

3 参考文献

[1] 周正立，张悦等.《污水生物处理应用技术及工程实例》[M].北京：化学工业出版社，2006：48.

[2] 晋日亚，胡双启主编.《水污染控制技术与工程》[M].北京：兵器工业出版社，2005：158—166.

[3] 王郁.《水污染控制工程》[M].北京：化学工业出版社，2007：348—350.

[4] 王晓莲，彭永臻等. 《A²/O法污水生物脱氮除磷处理技术与应用》[M].北京：科学出版社，2009：305—314.

[5] 潘涛，田刚等.《废水处理工程技术手册》[M].北京：化学工业出版社，2010：336—337.

4 结束语

通过水污染控制工程课程设计，我进一步掌握了水污染处理的相关知识，了解了水污染工程设计的基本步骤与方法，加深了对课本知识的理解，能更加熟练地运用CAD绘图软件，增强了动手能力。在为完成课程设计查资料、同学讨论、老师指导以及自己的独立思考的过程中，我体会到了学习的乐趣，掌握了更多的学习方法，加深了对设计的目的、方法、步骤的理解，锻炼了实际操作知识的能力，积累设计经验，为以后真正投入实际工作奠定了扎实的理论基础，这些都使我受益终身。同时作为一名环境工程的学生，我更加热爱我的专业及我未来的事业，保护环境任重而道远，希望自己以后也能为祖国的环境事业贡献自己的一份力量。最后，十分感谢亲爱的老师和同学们在这次课程设计中给我的帮助。