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水及廢水處理廠設計

水及廢水處理廠設計. 4. 二級生物處理 4 -1 活性污泥法模式 4-2 曝氣池設計 4-3 曝氣系統設計 4-4 二沉池設計. 4 -1 活性污泥法模式. 活性污泥法基本控制方法 基本原則 活性污泥庫存量 (inventory) 控制 系統中維持一定量之微生物，以達預期處理效率 與活性污泥曝氣池設計有關 原則：污泥產生量等於廢棄污泥量 迴流污泥量控制 與污泥沉降性有關 原則：二沉池不累積污泥 曝氣用空氣量控制 曝氣池空氣需求量隨進流水質水量變動 原則：曝氣池維持一定溶氧量. 4 -1 活性污泥法模式. 活性污泥法基本控制方法

gaurav
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水及廢水處理廠設計

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  1. 水及廢水處理廠設計 4.二級生物處理 4-1活性污泥法模式 4-2 曝氣池設計 4-3 曝氣系統設計 4-4 二沉池設計

  2. 4-1活性污泥法模式 • 活性污泥法基本控制方法 • 基本原則 • 活性污泥庫存量(inventory)控制 • 系統中維持一定量之微生物，以達預期處理效率 • 與活性污泥曝氣池設計有關 • 原則：污泥產生量等於廢棄污泥量 • 迴流污泥量控制 • 與污泥沉降性有關 • 原則：二沉池不累積污泥 • 曝氣用空氣量控制 • 曝氣池空氣需求量隨進流水質水量變動 • 原則：曝氣池維持一定溶氧量

  3. 4-1活性污泥法模式 • 活性污泥法基本控制方法 • 廢棄污泥量控制方法 • 方法一：維持食微比(F/M ratio) • 廢棄污泥量隨進流水質變動 • 適合處理接受間歇性高負荷之工業廢水處理廠 • 方法二：維持曝氣槽MLSS濃度 • 廢棄污泥量隨微生物增殖速率變動 • 適合全自動控制之小型污水處理廠 • 方法三：維持平均細胞停留時間(MCRT) • 依每日水質水量及MLSS分析結果計算廢棄污泥量 • 適合一般都市污水處理廠或工業廢水處理廠，為現階段主流控制方法 → 本課程設計依據

  4. 設計水量水質 質量平衡 活性污泥法 模　式 曝氣池設計(容積、尺寸) 二沉池設計 (面積、尺寸) 曝氣系統設計 (空氣量) 散氣 鼓風機 溢流堰 空氣 管線 迴　流 污泥泵 活性污泥系統設計步驟

  5. 4-1活性污泥法模式 • 活性污泥法模式七項假設 • 曝氣槽完全混合 • 曝氣槽中各點固體物濃度(X)一致 • 註1：固體物濃度即生物細胞濃度，以VSS表示 • 曝氣槽中各點基質濃度(S)一致，且與出流水基質濃度相同 • 註2：基質為溶解性，以BOD或COD表示 • 進流基質濃度(S0)維持穩定無明顯變化 • 進流廢污水中不含活性污泥微生物

  6. 4-1活性污泥法模式 • 活性污泥法模式七項假設 • 二沉池中不發生生物反應 • 二沉池有合理的固液分離效率，且沒有污泥固體物累積 • 進流廢污水中所有生物可分解物質(基質)均為溶解態 • 全系統維持恆定狀態(steady-state)

  7. 1.42 VSS = BODU 0.68 BODU = BOD5 S(soluble) = Se – (1.42 x 0.68)Xe X, V Q - QW Se(S) Xe Q S0 X0 = 0 QR, XW QW, X (alternative waste) QW, XW 標準活性污泥法示意圖

  8. 4-1活性污泥法模式 • 活性污泥法模式推導 • 動力方程式 • 微生物增殖 • dX/dt = mX = [mmaxS/(KS+S)] X • 微生物衰減 • dX/dt = -kdX • 淨污泥增加量 = 微生物增殖量－微生物衰減量 • PX = mVX – kdVX • 引入平均細胞停留時間(MCRT) • qX = VX / DX = 1 / (m – kd) • 1/qX = m – kd • m = (1 + kd qX) / qX

  9. 4-1活性污泥法模式 • 活性污泥法模式推導 • 動力方程式 • 引入水質水量條件 • YQ(S0 – S) = mVX • VX = YQ(S0 – S)/m = YQ(S0 – S)qX / (1 + kd qX) • Yobs = Y / (1 + kd qX) • VX = YobsQ(S0 – S)qX • 引入水力停留時間 • VX/Q = Xq = Yobs(S0 – S)qX • q = Yobs(S0 – S)qX / X • 反算淨污泥增加量 • PX = YobsQ(S0 – S)

  10. 4-1活性污泥法模式 • 活性污泥法模式推導 • 模式總結 • 重要方程式 • VX/Q = Xq = Yobs(S0 – S)qX • PX = YobsQ(S0 – S) • Yobs = Y / (1 + kd qX) • 重要參數 • 計量與動力係數：Y、 kd • 停留時間：q、qX • 質量與濃度： S0、S、X、PX • 流量與體積：Q、V

  11. 4-1活性污泥法模式 • 活性污泥法模式推導 • 模式總結 • 方程式應用面向 • 對已知水質水量，可求取 • 水力停留時間 • 污泥停留時間 • MLVSS • 曝氣槽體積 • 對已知系統，可求取 • 處理水質 • 最大容許污水量 • 最大容許污染負荷

  12. 4-1活性污泥法模式 • 活性污泥法模式之設計應用 • Step-1 建立水質水量參數 • 進流有機物濃度S0：BOD或COD，mg/L • 進流SS濃度：假設為0 • 出流有機物濃度Se：BOD或COD，mg/L • BOD5< 30 mg/L；COD < 100 mg/L • 出流SS及VSS(Xe)：mg/L • SS < 30 mg/L • Xe = 0.65 SS • 出流溶解性有機物濃度S：BOD5或COD，mg/L • S = Se - (1.42 x 0.68) Xe (以BOD5為基準) • 廢污水流量Q：m3/d

  13. 4-1活性污泥法模式 • 活性污泥法模式之設計應用 • Step-2 建立活性污泥參數 • 暫以BOD5為基準 • 增殖係數Y：0.38～0.75 kg-MLVSS/kg-BOD5，典型值0.5 kg-MLVSS/kg-BOD5 • 污泥停留時間qX：5～15 days，典型值10 days • 衰減係數kd ：0.01～0.14 day-1，典型值0.06 day-1 • 曝氣池MLVSS濃度X：1,200～2,400 mg/L，典型值2,000 mg/L(相當於MLSS 2,500 mg/L，MLVSS/MLSS = 0.8) • 廢棄污泥濃度XW：6,000～10,000 mg/L，典型值8,000 mg/L(SS)

  14. 4-1活性污泥法模式 • 活性污泥法模式之設計應用 • Step-3 計算廢棄污泥量 • 計算顯性增殖係數Yobs • Yobs = Y / (1 + kdqX) • MLVSS增加量 • PX = Yobs Q (S0 - S) • MLSS增加量 • PXM = PX / 0.8 • 質量平衡 • PXM = (Q - QW) SS + QW XW • 解出QW

  15. 4-1活性污泥法模式 • 活性污泥法模式之設計應用 • Step-4 計算曝氣池容積 • V = PXqX / X • Step-5驗算曝氣池水力停留時間 • q = V/Q，典型值4～8 小時 • Step-6 驗算食微比(food-to-microorganism ratio) • F/M = QS / VX • 典型值0.2～0.4 day-1 • Step-7 設計曝氣池尺寸(見4-2節) • Step-8 計算曝氣用空氣量(見4-3節) • Step-9 設計二沉池(見4-4節)

  16. 4-1活性污泥法模式 • 硝化作用評估 • 是否發生硝化作用 • 自營菌比生長速率(m^'A) • m^'A = m^AC/(KOA + C) • m^A：自營菌最大比生長速率，典型值0.75 day-1 • C：曝氣池溶氧，mg/L • KOA：常數，典型值0.5 mg/L • 硝化所需最小MCRT(qmX) • qmX = 1/(m^'A - bA) • bA：自營菌衰減係數，典型值0.1 day-1 • fSA = qX / qmX • 確定發生硝化作用：fSA > 1.5

  17. 4-1活性污泥法模式 • 硝化作用評估 • 硝化作用影響 • 增加供氧量(參考4-3 曝氣系統設計) • 增加污泥量(自營菌增殖) • PXA = YA Q NOX / (1 + bAqX) • YA：自營菌增殖係數，典型值0.22 g-cell-VSS/g-N • NOX：進流TKN – 出流TKN – 異營菌細胞合成用氮 • 因自營菌(硝化菌)生長速率慢，增殖係數也較低，處理都市污水時對污泥量增加幅度有限 • 補充鹼度(alkalinity) • SALK = 7.07(SNH1 - SNH) • SALK：需補充鹼度，mg/L as CaCO3 • SNH1、SNH：進出流氨氮或TKN，mg/L as N

  18. 4-1活性污泥法模式 • 對活性污泥法模式七項假設之檢討 • 曝氣槽完全混合 • 只適用真正的完全混合曝氣槽 • 進流基質濃度維持穩定 • 大部情形下無法維持穩定 • 進流廢污水中不含活性污泥微生物 • 二沉池中不發生生物反應 • 二沉池有合理效率，沒有污泥固體物累積 • 進流廢污水中所有基質均為溶解態 • 溶解態狀基質依水質而異，且不一定為易分解 • 全系統維持恆定狀態

  19. 4-2 曝氣池設計 • 曝氣池設計準則(標準活性污泥法)

  20. 4-2 曝氣池設計 • 曝氣池尺寸 • 曝氣池水深 • 典型深度：4~6 m • 深槽曝氣：10 m • 超深層曝氣：30~100 m • 曝氣池外形 • 矩形 • 完全混合：長寬比1~5， • 柱塞流：長寬比>>5 • 其他 • 氧化渠、Counter-current aeration

  21. 曝氣池平面圖 (大發工業區污水處理廠)

  22. 曝氣池剖面圖 (大發工業區污水處理廠)

  23. 4-2 曝氣池設計 • 菌種選擇池 • 在曝氣池前端原廢水與迴流污泥入口，設置一厭氧或缺氧反應池，只攪拌而不曝氣，可用於控制絲狀菌生長 • 標準活性污泥法搭配菌種選擇池，因證實可有效控制污泥膨化(bulking)，已成為設計主流 • 菌種選擇池原理(M&E，pp.700-703) • 菌種選擇池設計準則(厭氧型)

  24. (a)厭氧型 (b)高F/M型 菌種選擇池 (M & E，2003) (b)缺氧型

  25. 4-3 曝氣系統設計 • 空氣量設計 • Step 1.計算理論需氧量 • 由去除BOD或COD推得之理論需氧量 • 需扣除BOD或COD用於細胞合成之部份 • 如有缺氧段，則其中去除之BOD或COD不計需氧量 • 由氨氮硝化作用推得之理論需氧量 • 無硝化作用時因細胞合成減少之TKN不計 • ThOR = Q(S0-Se) + 4.57 Q(SNH1-SNH) - 1.42 PX • ThOR：理論需氧量，kg/d • S0、Se：進出流BODU或COD • SNH1、SNH：進出流氨氮或TKN(有硝化作用時才計) • PX：每日合成(等於廢棄)之VSS

  26. 4-3 曝氣系統設計 • 空氣量設計 • Step 2.計算標準需氧量 • SOR = ThOR / [((C’swbFa – C)/Csw) (1.024)T-20a] • SOR：標準需氧量，kg/d • Csw：20oC清水之飽和溶氧量，9.08 mg/L • C’sw：ToC清水之飽和溶氧量(M & E，Appendix D) • C：曝氣池設計最小溶氧量，典型值2.0 mg/L • a：氧傳修正係數(污水KLa/清水KLa)，典型值0.8~0.9 • b：鹽度修正係數(污水飽和溶氧/清水飽和溶氧)，典型值0.9 • Fa：溶氧量高程修正係數 • Fa = 1 – (廠址高程，m)/9,450 • T：曝氣池平均溫度，oC

  27. 4-3 曝氣系統設計 • 空氣量設計 • Step 3.計算標準空氣量 • SAR = [SOR/r 0.232(g-O2/g-air)]/OTE • SAR：標準空氣量，kg/d • r：空氣密度，= PM/RT (20oC時1.204 kg/m3) • P：1大氣壓為101325 N/m2 • M：28.97 kg/kg-mole • R：8314 N-m/kg-mole-K • T：K(=273.15 + oC) • OTE：傳氧效率，與水深、單位面積風量有關，依散氣器或曝氣機廠商提供資料設計 • 細氣泡散氣器：20~30% • 粗氣泡散氣器：8~10%

  28. 4-3 曝氣系統設計 • 空氣量設計 • Step 4.計算設計空氣量 • AR = SAR x SF • 以平均日流量設計，SF = 1.5 • 以最大日流量設計，SF = 1.0

  29. 4-3 曝氣系統設計 • 空氣傳輸方式 • 散氣器(diffuser)及鼓風機(blower) • 粗氣泡散氣器(coarse bubble diffuser) • 細氣泡散氣器(fine bubble diffuser) • 陶瓷碟型(ceramic disc) • 薄膜碟型(membrane disc) • 薄膜管型(membrane tube) • 薄膜板型(membrane plate) • 表面式曝氣機(surface aerator) • 沉水式曝氣機(submersible aerator)，可同時搭配鼓風機 • 噴射式曝氣機(jet aerator)，可同時搭配鼓風機

  30. (a)粗氣泡散氣器 (b)陶瓷碟型細氣泡散氣器 (c)薄膜碟型細氣泡散氣器 (d)薄膜管型細氣泡散氣器 常用散氣器類型 (Source: Sanitaire, Nopol)

  31. 薄膜碟型細氣泡散氣器構造 (Source: Sanitaire)

  32. 散氣器於曝氣池中典型配置方式 (Source: Sanitaire)

  33. 4-3 曝氣系統設計 • 曝氣用空氣量控制方式 • 使用散氣器配合鼓風機時常用串級式控制(cascade control) • 取得現場溶氧監測值 • 與預設之目標溶氧量(例如2.0 mg/L)比較 • 依水質、水量計算應增減之空氣量 • DAR = f S0 Q DDO • DAR：應增加或減少之空氣量 • DDO：實測溶氧量與目標溶氧量之差值 • f：經驗係數，與污水特性、散氣器效率等有關 • 將應增減空氣量訊號傳遞給鼓風機控制系統

  34. 4-4 二沉池設計 • 二沉池(secondary clarifier)型式 • 圓形(circular) • 較矩形沉澱池有水力與集泥上的優勢 • 如無其他考量應儘量採用 • 矩形(rectangular) • 常用於地下化或廠區面積不足之污水處理廠 • 如沉澱池長度過長，應自二端刮泥，並於沉澱池中央集泥

  35. 4-4 二沉池設計 • 圓形二沉池構造 • 進水方式 • 中央進水：最常用 • 周邊進水：較少見 • 出水 • 單邊溢流堰 • 雙邊溢流堰：建議使用 • 集泥方式 • 刮泥犁耙 • 吸泥管(Tow-Bro)：建議使用 • 驅動方式 • 全橋中央驅動式：適用小型圓形沉澱池(直徑小於10公尺) • 半橋中央驅動式：適用大型圓形沉澱池(直徑大於10公尺) • 半橋周邊驅動式：不建議使用

  36. 2-side effluent launder Scum skimmer Tow-Bro Scum guard 圓形二沉池構造(安平廠)

  37. Bridge Outer well Inner well (inlet) Drive unit Floculating Zone Supports Scum box Tow-Bro 圓形二沉池構造(安平廠)

  38. Tow-Bro 吸泥管 (Source:Envirex)

  39. 4-4 二沉池設計 • 圓形二沉池設計方法 • 依設計準則

  40. 4-4 二沉池設計 • 圓形二沉池設計方法 • 依沉降通量法(M&E，pp.820-833) • 迴流污泥設計 • 設計最大迴流比：計畫污水量之100% • 操作迴流比：一般為當時進流污水量之30～50%，視MLSS濃度及污泥沉降性而定 • 控制方法 • 固定迴流比 • 固定污泥氈(sludge blanket)高度

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