(完整版)某污水厂反硝化滤池设计计算
第七章设计依据和指导思想
7.1设计依据
7.1.1《XX市桥东污水处理厂升级改造工程反硝化生物滤池和高效沉淀池主要机械设备供货（QD-M1-103包）招标文件》
7.1.2业主及招标机构投供的相关图纸资料及现场实际条件。
7.1.3我司采用同类工艺治理同类污水的工程经验及相关工艺设计资料。
7.2设计规范及标准
7.2.1《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB 18918－2002
7.2.2《室外排水设计规范》（GB50014-2006）
7.2.3《污水再生利用工程设计规范》（GB50335-2002）
7.2.4《建筑给水排水设计规范》（GB50015-2003）
7.2.5《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GB/T18920-2002）
7.2.6《工业企业设计卫生标准》（GBZ1-2002）
7.2.7《城市污水处理站污泥排放标准》(CJ3025-93 )
7.2.8《城市区域环境噪声标准》（GB3096-93）
7.2.9《工业企业厂界噪声标准》(GB12348-90)
7.2.10《采暖通风和空调设计规范》（GBJ19-87）
7.2.11《恶臭污染物排放标准》（GB14554-93）
7.2.12《低压配电设计规范》(GB50054-95)
7.2.13《通用用电设备配电设计规范》（GB50055-93）
7.2.14《供配电系统设计规范》（GB50052-95）
7.2.15《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》（GB50062-92）
7.2.16《民用建筑照明设计标准》（GJ133-90）
7.2.17《民用建筑节能设计标准》（JGJ26-95）
7.2.18《工业企业照明设计标准》（GB50034-92）
7.2.19《工业与民用电力装置的接地设计规范》（GBJ65-83）
7.2.20《工业自动化仪表工程施工及检验规范》（GBJ93086）
7.2.21《建筑设计防火规范》（GBJ16-87）(修改版)
7.2.22《建筑内部装修设计防火规范》（GB50222-95）
7.2.23《建筑结构设计标准》（BGJ9—89）；
7.2.24《给水排水工程结构设计规范》（GBJ69-84）
7.2.25《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)
7.2.26《凝土结构设计规范》(GB50010-2002)
7.2.27《建筑结构设计统一标准》(GBJ68-84)
7.2.28《地下工程防水技术规范》(GB50007-2002)
7.2.29《混凝土外加剂应用技术规范》(GB50119-2003)
7.2.30《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)
7.2.31《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)
7.2.32《工业建筑防腐蚀设计规范》(GB50046-95)
7.2.33《建筑物防雷设计规范》(GB50057-97)（2000年版）
7.2.34《建筑抗震设计规范》(GB50001-2001)
7.2.35《砌体结构设计规范》（GB5003-2001）
7.3 主要设计原则
7.3.1 根据招标文件要求，选用供货范围之一的工艺方案进行设计，该套技术工艺先进成熟，运行稳定定可靠。
7.3.2 采用质量优良的设备及产品，确保污水处理设施能够长期稳定运行。
7.3.3 在工艺设计细节上进行优化，在确保污水处理出水稳定达到规定的标准的前提下，处理设施投资省、占地少、能耗低、节省运行费用。
7.3.4在系统整体布局和操作环境等细节设计上，充分考滤工艺操作的管理方便，确保系统长期运行稳定、可靠、安全实用，并具有较好的生产环境和劳动条件。
7.3.5降低噪声、消除异味，改善污水处理站及周围环境。
7.3.6严格执行国家有关设计规范、标准，重视消防、安全工作。
7.3.7设备及电器原器件的选型充分考虑污水处理厂原有设备的统一性、互换性和协调性。
7.3.8建（构）筑物布置与站区及周边建筑物协调一致，总体布局合理美观。
7.4 设计范围
7.4.1XX市桥东污水处理厂升级改造工程反硝化生物滤池和高效沉淀池的工艺设计。
7.4.2 本方案设计边界范围为工艺流程框图中双点画线框以内的相关部分。详见本设计方案《工艺流程部分》。
7.4.3本系统内的全部设备选型及非标设备设计、工艺管道计。7.4.4本系统内的的电气、自动控制及仪表系统设计。
7.4.5本系统内的给排水及消防系统设计
7.4.6本系统内的技术经济分析及运行管理生产设计
第八章设计基础资料
8.1 地理位置
XX地处河北省中南部，位于北纬37°26'-38°46'，东经113°31'～115°29'之间，东与衡水接壤，南与邢台毗连，西与山西为邻，北与保定为界。辖区总面积15848平方公里。
8.2城市性质
XX市是河北省省会，1925年开始设市、旧称石门市，1948年初改称为XX市，它是我国建市较早，有一定工业基础的较大城市，经过几十年的发展，现已成为我国华北重要工业基地，并是全国的纺织、化工、医药、电子工业中心之一。同时又是河北省的政治、经济、文化、科学、教育中心。
8.2气象条件
XX地处暖温带、半湿润、半干旱季风型大陆性气候，四季分明。
年平均气温：12.9℃
极端最高气温：42.7℃
极端最低气温：-26.5℃
多年平均降水量：537.2mm
年内降水量的60～80%，集中在6～8月份，春冬季节干旱少
雨，年际变化悬殊。
主导风向：东南风 (夏季)
次主导风向：西北风 (冬春季)
风频率：10%
冬季平均风速 1.8米/秒
夏季平均风速 1.5米/秒
最大积雪厚度：19厘米
最大冻土厚度：53厘米
年平均雷曝日数为：31天
8.3本系统设计进水条件
(1)进水水量
本合同设计规模为日平均流量50万m3/day，总变化系数1.3，高峰设计流量28431m3/h。
(2)进水水质
进生物滤池构筑物水质指标：
8.4本系统设计出水要求
高效沉淀池处理后出水达到下表要求：
表8-2
8.5取样与监测
1.出水水质取样在高效沉淀池末端总出水管设置取样口。
2.取样频率至少为每2h一次，取24H混合样，以日均值计。
3.监测分析方法按《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB 18918－2002中要求的方法执行。
第九章本系统污水处理工艺流程
9.1工艺流程概述
本系统主体工艺包括两部分，即反硝化生物滤池和高效沉淀池两部分。反硝化生物滤池的主要作用是将废水中的硝态氮通过反硝化过程而转化为氮气，从而达到脱氮的目的，同时进一步去除废水中的BOD、COD等，从而提高出水水质。高效沉淀池的主要作用是通过加入除磷剂、絮凝剂等，去除废水中的总磷，同时进一步去除废水中的SS，确保出水水质达标。
为了保证上述功能的实现及系统长期稳定运行的需要，需对系统进行细化设计，确定如下系统工艺流程。
9.2系统设计工艺流程框图
系统设计工艺流程框图如下：
DN 生物滤池和高效沉淀池系统工艺流程
说明： 加药流向线
污泥流向线 污水流向线
反冲洗水流向线
线框内为本设计方案范围
9.3系统工艺流程详细说明：
9.3.1污水处理流程：
二沉池出水经中间提升泵站提升进入生物滤池总进水槽，由总进水槽分配至每格生物滤池进水管，每格生物滤池进水管将污水送至滤池底部，污水自下而上以一定的流速流经生物滤料，滤料上长满生物膜，污水与生物膜相接触，在生物膜微生物的作用下，污水得到净化。同时充满滤料的滤床可以有效的截留水中的悬浮物质，从而使污水能得到进一步澄清。
由于反硝化过程需要消耗碳源，当碳源不足时通过投加甲醇补充碳源，保证反硝化过程的正常运行。
反硝化生物滤池出水首先进入循环水池，内设有循环水泵，通过循环水泵的提升，将循环水池的的处理水泵入反硝化生物滤池进水总槽，与原水混合。通过处理水回流，一方面用于提高反硝化滤池的水力负荷，保证滤池适宜的滤速，另一方面出水回流可对原水中的SS、硝态氮等进行稀释，降低其在进水中的浓度，有利于保证滤池系统正常稳定运行，出水稳定达标。同时回流可以增滤池中的反硝化微生物，提高滤池的反硝化处理效果。
循环水池出水进入反冲洗水池，反冲洗水池设有反冲洗水泵，以备滤池反冲洗时使用。反冲洗水池溢流水自流进入高效沉池系统内的混合池，混合池分成两格，均设有高速混合搅拌机，分别投加三氯化铁除磷剂、PAM助凝剂，在混合搅拌机的作用下，使投加的絮凝剂、助凝剂与废水充分混合，然后自流进入反应池，与高效沉淀区的回流污泥在此混合，并通过反应池内的反应搅拌机的搅动，创造适宜的反应速度梯度，使细小悬浮物结大易于沉淀，为后续的沉淀分离创造条件。
反应池出水进入高效沉淀池，通进预沉浓缩区进行沉淀、浓缩，然后由下而上穿过斜管实现泥水分离。高效沉淀池上部设有集水槽，处理水通过集水槽收集流出系统。处理达标后污水流入滤布滤池等污
水处理厂的其他处理单元作进一步处理。
9.3.2反硝化滤池冲洗流程：
由于微生物的不断繁殖，生物膜逐渐增厚，超过一定厚度后，吸附的有机物，在传递到滤料表面的微生物之前已被代谢。此时，滤料表面的内层微生物因得不到有机营养而进入内源代谢，失去其粘附在滤料上的性能，脱落下来。这时滤池则需要进行冲洗。冲洗采用气水联合反应洗。
冲洗是在与正常过滤的相同方向进行的。实际上是顺向冲洗，反冲洗只是习惯的说法。
当需要冲洗时，由反冲洗水泵提升反冲洗水池的滤池处理水进行反冲，冲洗废水自流进入反冲洗废水池，由反冲洗废水排水泵排入污水处理站的预处理段（初沉池）作进一步处理。冲洗空气则通过启动自鼓风机来实现。
系统设计有智能控制系统，可通过时间、水头损失、处理出水水质等控制系统自动完成反冲洗，从而保证冲洗强度恰当和适宜，既要冲洗得有效、彻底，又要保护滤床及生物群不被破坏，从而在冲洗结束后，系统可以尽快的回复其工艺性能。冲洗可根据需要选用水冲洗、气冲洗、气水联合冲洗。冲洗周期大于12小时，每格滤池交替进行冲洗。滤池系统可根据需要采用正常强度的反冲洗和超强度的反冲洗。
9.3.3高效沉淀池污泥流程：
高效沉淀池内的污泥通过沉淀、在污泥浓缩机运转下浓缩，然后通过污泥循环泵泵入反应池，与混合池来水混合，为细小悬浮物反应结大创造晶核条件，并充分利用回流污泥的絮凝作用，提高反应效果，减少反应加药量。
沉淀系统经过一段进间运行后，产生的污泥越来越多，这时剩余污泥需要排出系统。此时，通过污泥排泥泵将污泥泵入污泥处理系统进行脱水处理。
9.4对工艺流程的优化
1、建议将二级生物处理前预处理出水分一股直接引至中间提升
泵站，与二沉池出水按一定比例混合，由于预处理出水中含有大量的有机物，可改善生物滤进水碳源缺少的状况，从而减少反硝化滤池碳源的投加量，可节约碳源投加方面的运行费用。
2、招标文件建议采用聚铝作为除磷剂及混凝剂，建议改为三氯化铁。三氯化铁除磷效果与聚铝相差不大，磷酸铁沉淀效果好。但三氯化铁的价格约比聚合氯化铝要低得多，从而可节约运行费用。
第十章反硝化生物滤池
10.1 反硝化生物滤池净化原理
反硝化生物滤池是利用附着在生物滤料上的含有大量反硝化细菌的生物膜在厌氧条件下将硝态氮（NO3-N）、亚硝态氮（NO2-N）转化为氮气的生物滤池，从而确保出水总氮达标。
其净化原理如下：
反硝化细菌以NO3-N或NO2-N作为电子受体，以有机碳为碳源，对NO3-N或NO2-N进行转化去除。在反硝化菌的代谢活动下，硝态氮有二个转化途径，即：同化反硝化（合成），最终产物为反硝化细菌菌体细胞物质（有机氮化合物），保持反硝化反应的持续进行。异化反硝化（分解），最终产物为气态氮，从而达到脱氮的目的，以异化反硝化为主。反硝化反应式如下：
2NH2 3 2HNO32
由于反硝化细菌在将硝态氮或亚硝态氮转化为氮气的过程中，需要消耗碳源，因此，可进一步去除废水中的有机碳，从而进一步降低废水中的COD、BOD浓度，从而做到COD、BOD等指标达标。但由于采用后置反硝化反滤池，经处理后的污水可能存在有机物不足的情况，这时，则需另外投加有机物补充碳源，本投标文件采用投加甲醇的方案解决有机碳不足的问题。此时有机物的需要量为：
C m=2.47[NO3-N]+1.53[NO3-N]+0.87[DO] 并按考滤30%的余量计算。
10.2 反硝化生物滤池工艺描述
10.2.1反硝化滤池总体布局及流程描述
本投标系统的反硝化生物滤池为三级串联后置反硝化生物滤池，滤池配置为两组28格，每组14格，单格平面尺寸为12680mm×9270mm。附设有反冲洗废水池和废水泵、鼓风机房及压缩空气系统等。
每组每格反硝化滤池的进水闸阀、排水阀、反冲洗水阀、反冲洗气阀、出水调节阀以及排气阀均采用气动阀门，供气由空压机供气，由电磁阀控制开闭。滤池设计为分流进水，定水位形式。每格滤池各设一个进水阀门。滤池水位由滤池出水堰控制，滤池采用向上流过滤，滤池出水接至总出水管排至高效沉淀池。
二级处理后的污水经中间提升泵站提升进入生物滤池总进水槽，由总进水槽分配至每格生物滤池进水管，每格生物滤池进水管将污水送至滤池底部，污水自下而上以一定的流速流经生物滤料，滤料上长满生物膜，污水与生物膜相接触，在生物膜微生物的作用下，消耗有机物碳源，分解污水中的硝态氮、亚硝态氮，从而使污水得到净化，达到脱碳、脱氮的目的。同时充满滤料的滤床可以有效的截留水中的悬浮物质，去除SS，从而使污水能得到进一步澄清。系统设有碳源投加系统，当碳源不足时，可通过投加少量的甲醇来弥补，确保脱氮所需碳源，保证脱氮效果。
由于微生物的不断繁殖，生物膜逐渐增厚，超过一定厚度后，吸附的有机物，在传递到滤料表面的微生物之前已被代谢。此时，滤料
表面的内层微生物因得不到有机营养而进入内源代谢，失去其粘附在滤料上的性能，脱落下来。这时滤池则需要进行冲洗。本反硝化生物滤池冲洗采用气水联合冲洗，冲洗水采用生物滤池出水，由反冲洗水泵进行冲洗，冲洗空气则采用罗茨鼓风机供气。冲洗水排至反冲洗废水池，回流继续处理。冲洗强度通过自动控制系统进行控制，确保冲洗得有效、彻底，又保证滤床及生物群不被破坏，从而在冲洗结束后，系统可以尽快的回复其工艺性能。每格滤池交替进行冲洗，反冲洗周期大于12小时。
系统自控设有冲洗有2种形式：正常强度的冲洗和超强度的冲洗，两种冲洗的冲洗时间、冲洗流量不同，超强度冲洗流量更大，时间更长，这此参数均可通过电脑进行调节。冲洗是在与正常过滤的相同方向进行的，使用已过滤的清水。反冲洗水泵提供反冲洗水，工艺鼓风机提供冲洗空气。
系统设有布水系统，确保反硝化滤池进水及冲洗水及冲洗空气配水配气均匀。布水系统整体混凝土滤板和调节滤头的布水系统，滤头及底模采用聚苯乙烯材质，材料耐腐蚀强。并且滤头具有保证气水共同冲洗时空气的均匀分配。滤头系统的设计，除了考虑空气冲洗时，整个滤板上的分配均匀外，还考虑风机了起动时空气进流涌动的脉冲。
系统设有循环水泵，当处理水量低时，可通过处理水循环来保证滤池的水负荷满足要求，从保证不同原水流量情况下滤池的正常运行。
10.2.2反硝化滤池自控系统描述
系统的控制总控制台以协调滤池控制台及反冲洗设备的工作状态。
反硝化滤池的控制系统采用“分散控制、集中管理”，各单格滤池旁设分控柜（就地柜）一个，控制滤池的过滤及其阀门，包括反冲洗时的相关阀门。整个滤池设公共柜一个，安装于滤池集中控制室，处理各分控柜的反冲洗申请，以及反冲洗设备的控制。各分控柜和公共柜通过工业控制网连接起来，实现数据的传输。并设上位机监控站一台，动态显示滤池工艺工作状况、设备运行状况、反冲洗参数设置等。
该系统可实现整个滤池工艺的无人职守、全自动化控制。该控制系统具备运行稳定、安全、可靠、能耗低、操作简单、明了、维护方便、快捷、适应性强等特点。
此系统是建立在PLC基础上，由滤池控制单元和公共控制单元组成。
滤池控制单元可实现下列功能：
自动控制无人操作的滤池的过滤和反冲洗
一旦出现故障，将生产损失限于故障单元
使操作员能人工或自动启动反冲洗
用计时器和/或水头损失的启动自动反冲洗
滤池控制单元向负责控制和故障排除工作的操作人员显示最多的数据，包括但不限于：
滤池水头损失
滤池状态：反冲洗、等候反冲洗、生产中、停止或故障
已经反冲洗的上一个滤池
自各个滤池上一次冲洗的过滤时间
阀门状态：开、关或故障
反冲洗废水泵状态：可用、开、关或故障
气洗鼓风机状态：可用、开、关或故障
当一个滤池需要时，公共控制单元负责在对下列各项进行检查后自动开始反冲洗：
压缩空气压力高
反冲洗泵和鼓风机为可用状态
无其它冲洗滤池
滤池上设有反映出各滤池的进水水质、液位、堵塞状况、反冲洗过程控制液位计等自动控制仪表。
具体详见自动控制5.2系统自动控控制系统技术性能描述
10.2.3反硝化滤池工艺设计计算
(1)反硝化滤池所需滤料计算
滤料体积按下式计算
V DN=Q（N0-N e）/1000q ND
式中：
V DN：所需反硝化滤料体积（m3）
Q:进入滤池的日平均污水量（m3/d）
N0：进水中硝态氮浓度(mg/l)
N e:出水中硝态氮浓度(mg/l)
q ND：滤料的反硝化负荷，kg NO3—N/m3滤料.d，城市污水一般取0.8-4.0
由招标文件给定的进水水质条件：
Q=500000×1.3=650000（m3/d）（注：1.3为小时变化系数。）N0=57 (mg/l)
N e= 15（TN）-5（NH4-N）=10(mg/l)
q ND=2.82（针对城市污水反硝化特性取值）
故反硝化滤料体积为：
V DN=Q（N0-N e）/1000q ND
=650000×(57-10)÷(1000×2.82)
=10833 m3取10860 m3
（2）反硝化滤池平面设计
滤池总面积按下式计算：
A= V DN/H
H：滤料层的高度：2.5-4.5m
根据招标文件提供土建条件，取滤料层高度为：H=3.0m
则滤池总面积
A= V DN/H
=10860 m3÷3.0m=3290.9m2
为保证滤池配水均匀，滤池按28格设计。则单格池的面积为
A单=3290.9m2÷28=117.5m2
取长边12.68m，则滤池短边：9.27
单池尺寸：12.68m×9.27m
（3）反硝化滤池高度设计
取：配水区高度：0.95m
承托层高度：0.3m
滤料层高度：3.3m
清水区高度：1.1m
超高：0.94m
滤池总高:
H总=0.95+0.3+3.0+1.1+0.94=6.29m
与招标文件提供的土建条件图相符
（4）滤池循环系统设计
回流比取日平均水量的60%，平均小时回流水量为：
500000m3/d÷24h/d×60%=12500m3/h
设计选用8台回流水泵，6用2备，每台回流水泵参数为：
流量Q=2083m3/h，扬程H=4m
（5）滤池水冲洗系统计算
滤池水冲洗系统分为四组，每组分别负责7格滤池的冲洗，每组冲洗系统每次只反冲一个滤池，依次轮流进行。
滤池水冲洗强度取：5.4L/(m2.s)[一般5-6 L/(m2.s)]
每格滤池需要的冲洗水量为：
5.4L/(m2.s)×121.2m2(单格滤池面积)×3.6=235
6.128 m2/h
根据现场高差条件、滤池水头损失、管道及局部阻力损件，确定水泵扬程为12m。
故每组冲洗系统选三台Q=1180m3/h TMH=12m的离心泵，两用1备。
四组共需反冲洗水泵12台（8用4备）
(6)气冲洗系统计算
考滤到气水联合反冲洗，而水冲洗分四组设计。故气冲洗系统按同时对四格滤池进行冲洗考滤。
气冲洗强度取：13.45L/(m2.s) [一般12-18 L/(m2.s)]
则需要的冲洗空气量为：
13.45 L/(m2.s)×121.2m2×4×3.6=23474 m3/h
选4台罗茨鼓风机同时工作，单台风量为：
23474 m3/h÷4=5868.5 m3/h,取5880 m3/h。
根据滤池水位、阻力损失、管道沿程及局部阻力损失，风压选900mbar。
气冲洗选用Q=5880 m2/h P=900mbar罗茨鼓风机6台，4用2备。
10.2.4反硝化滤池碳源投加计算
（1）进水碳源校核
由于反硝化需要消耗碳源，每将1mg的[NO3--N]转化为氮气，需要消耗2.86mg有机物（溶解性COD）。反硝化生物滤池进水COD浓度小于等于70mg/l,一般溶解性COD仅占65%。，故进水中的有机物最多仅够去除硝态氮的量为：
70×0.65÷2.86=15.9mg/l。考虑到进水浓度在70mg/l的下限及其他因素影响。这部份有机物于去除的硝态氮按13mg/l计算。
因此，要保证污水中所有硝态氮完全完全成反硝化，必须投加碳源。
（2）完全反硝化需甲醇投加量的计算
采用投加甲醇的方法来补充碳源。
由于进水中[NO3--N]为57mg/l（[NO2--N]）含量按0计），出水中剩余[NO3--N]按10mg/l,废水中溶解氧浓度按0.5mg/l。需投加甲醇的量按下式计算：
Cm=2.47[NO3-N]+1.53[NO2-N]+0.87[DO]
=2.47×(57-13-10)+1.53×0+0.87×0.5
=84.5 mg/l
考滤30%的余量，实际每天需投加的甲醇量为：
84.5×1.3=109.85mg/l
故甲醇用量按110mg/l投加计算。
由于满负荷按高效沉淀池处理出水为日处理废水50万m3,考虑到滤池反洗，沉淀池排泥等因素影响，考滤损失水量为5%，因此反硝化滤池实际处理水量为：
500000m3×(1+5%)=525000 m3
故系统每天需投加的甲醇总量为：
525000 m3×120 g/ m3÷1000=63000kg
按高效沉淀池处理出水500000m3/d考虑，
吨水甲醇投加量为：63000kg÷500000m3/d=0.126kg/m3
（3）减少碳源投加量的建议方案
建议直接将污水处理厂二级生物处理前的预处理出水引一部分至中间提升泵站的集水池，使其与二沉池出水按一定比例混合，由于这部分水中含有大量的有机物，可作为反硝化生物滤池的碳源，从而减少甲醇投加量，节约运行费用,但混入比例不能太大，否则，由于引入的该股废水中非溶解性COD将对出水的COD等指标产生影响。根据我司运行经验，混合比例控控制在15%-25%，甲醇投加量可减少30%左右。即吨水甲醇投加量可减为0.126kg/m3×（1-30%）=0.088
kg/m3。