1 前言

水是人类赖以生存的物质条件，现在地球的水资源匮乏和水污染问题显得尤为严重，因而对废水进行处理和回用显得尤为重要。针对不同污染物的特征，发展了各种不同的污水处理方法，其中利用微生物代谢来处理废水的生物处理方法得到了广泛的应用。根据微生物对氧环境的不同，可分为好氧生物处理和厌氧生物处理。好氧生物处理工艺历史悠久，自1914年第一座活性污泥法污水处理试验厂运行以来，已经80 多年了。生物膜法是好氧生物处理的一种，也称为附着生长工艺，使微生物附着在某些载体上，如砾石，煤渣或特殊设计的水泥，塑料，纤维制品上形成膜状物，而生化反应在膜上发生的生物处理工艺^[1]。它的主要构筑物有生物滤池，生物转盘，和生物接触氧化池等。本文将对生物滤池中的高负荷生物滤池进行详细介绍。

1.1 文献综述　

生物滤池是在间歇砂滤池和接触滤池的基础上发展起来的人工生物处理法。它是一种浸润型生物膜法，利用废水和空气经过固定接触介质即生物膜的表面，对污水或有机性废水进行好氧生物处理的方法^[1]。

1.2 生物滤池的工作原理

在生物滤池中，废水通过布水器均匀分布在滤池表面，滤池中装满了填料，废水沿着填料的空隙从上到下流动到池底。废水通过滤池时，填料截留了废水中的悬浮物，同时把废水中胶体和溶解性物质吸附在自己表面，其中的有机物使微生物很快繁殖起来，这些微生物又进一步吸附了废水中呈悬浮胶体和溶解态的物质，逐渐在滤材表面生成一层凝胶状生物膜（细菌类、原生动物、藻类、菌类等）。无聊成熟后，栖息在生物膜上的微生物即摄取污水中的有机污染物作为营养，对废水中的有机物产生吸附氧化作用。因而废水在通过生物滤池时能得到净化。

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，它的主要组成部件包括滤料床，池壁，池底，布水设备和排水系统^[3]。

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^[2]。

（1）滤料：滤料是生物膜赖以生存的载体，对生物滤池的工作影响较大。理想滤料的特性是：①能为微生物的附着提供大量的表面积；②是废水以液膜状态流过生物膜；③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；④适合于生物膜的形成和黏附，且即不被微生物分解，又不抑制微生物的生长，有较好的化学位稳定性；⑤有一定的机械强度，不易变形和破碎；⑥价格低。

滤料粒径越小，表面积越大，所能挂的生物膜就越多，但是，单位体积滤料所具有的表面积要增大，滤料比表面积将要减小。因此，恰当地选择粒径的大小是完全必要的。通常采用的滤料粒径如下：普通生物滤池为25～50;高负荷生物滤池为50～60。此外，在滤池底部集水孔板以上设垫料层高20～30cm，粒径为100～150。无论何种滤料，都应该进行筛分，不合格的不应超过5%，滤料表面应粗糙，以便于挂膜。

滤料粒径的选择应综合考虑有机负荷和水力负荷等因素，当有机物浓度高时，应采用较大的粒径。滤料应有足够的机械强度，能承受一定的压力，其密度应小，以减小支撑结构的荷载，滤料既应能抵抗污水，空气，微生物的侵蚀，又不应含影响微生物生命活动的杂质。

生物滤池常用拳状滤料，如碎石，卵石，炉渣，焦炭等，而且颗粒比较均匀，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，这些滤料的特点是比表面积大（达100～340²/³），空隙率高，为93%～95%，从而大大改善了生长膜及通风条件，使处理能力大大提高。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。塑料板和纸板等新型高效能滤料，形状有波纹状，蜂窝状，管状等数种。

（2）池壁：起围挡滤料保护布水的作用。通常用砖，毛石，混凝土或预制板砌块等筑成。池壁应高于滤料表面层0.5～0.9,以防风力干扰 ，保证布水均匀。

（3）池底：包括支撑渗水结构，底部空气，排水系统，排水口，通风口。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。

底部空气层的作用是通风布气。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，并是其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，其作用是在规定的表面负荷下，将废水均匀分布在整个滤池表面。只有布水均匀才能发挥全部滤料的净化作用。布水装置设在填料层的上方，用以均匀喷洒废水在整个滤床表面上。早期使用的布水装置是间歇喷淋式，每次喷淋的间隔时间为20～30min,让生物膜充分通风，固定式布水装置间断布水，所以布水不均匀，配水池也较高，故目前应用较少。后来发展为来连续喷淋，即常用的可动式布水装置（旋转布水器）。它由进水竖管，配水短管和可转动的布水横管所组成。竖管固定不动，通过轴承和外部配水端管相连。横管的一侧水平开设布水小孔，当废水以一定的速度从小孔喷出时，在未开孔的管壁上产生反向压力，迫使布水横管绕中心竖管反向转动。横管数目常取2～4根，多者可达8根。当池子很大时，为了满足布水的最大需要，也可在横管上在设分叉支管。布水小孔的直径约10～15。由于喷洒面积随着与水池中心距离的增大而增大，因而孔间距应随着与池中心距离的增大而减小，以满足布水量的要求。为了布水均匀，相邻两根横管上的小孔位置在水平方向上应错开。布水横管距滤池表面的高度为0.15～0.25，喷水旋转所需的水头为2.5～10kPa 。

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；特点是喷水孔易堵，低温时要采用防冻措施，仅适用于圆形池。                            图1.1 旋转式布水器

（5）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 生物滤池的类型及对比

按滤率的不同可以将生物滤池分为普通生物滤池，高负荷生物滤池，和塔式生物滤池。高负荷生物滤池是在解决改善普通生物滤池在净化功能和运行中存在问题的基础上开发的工艺。低负荷滤池存在的问题：占地面积较大，滤料层易于堵塞，有机负荷小，有效高度常受限制，在夏秋两季不可避免地要滋生蚊蝇，卫生条件较差。它大幅度提高了滤池得符合率，并通过限制进水值和运行上采取处理水回流措施，实现了高滤率^[2]。而塔式生物滤池净化效率更高，但投资也更大。它们的各项性能指标有很大的不同。

高负荷生物滤池在以下几方面与普通生物滤池不同：（1）增大了滤料的直径，一般采用40～100滤料；（2）大多采用连续工作的旋转式布水器；（3）生物膜经常剥落，更新，并连续地随废水排出池外 ；（4）出水中没有或很少有硝酸盐，常大于30;(5)二次沉淀池的污泥呈褐色，没有完全氧化，容易腐蚀。对比如下^[6]。

表1.1 三种生物滤池参数对比表

1.5 高负荷生物滤池的构造与特征

高负荷生物滤池是在解决与改善普通生物滤池在净化功能和运行中存在问题的基础上而开发的工艺。首先，它大幅度地提高了滤池的负荷率，容积负荷率比普通生物滤池高6～8倍，水力负荷高达10倍；通过限制进水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，降低进水高负荷滤池的值低于200，加大水力负荷，及时冲刷过厚和老化的生物膜，从而使生物膜迅速更新并经常保持较高的活性。只是去除率略有下降，一般在75%～90%范围。

高负荷生物滤池与普通生物滤池在构造上基本相同，主要由池体、滤料、布水装置和排水系统等四部分组成。池体在平面上多呈圆形。但所采用的滤料粒径和厚度都很大，水力负荷率较高，一般为10～30m生活污水/（m·滤料·d）,有机负荷率为800～1200g/( m·滤料·d),故池子体积小，占地面积省，但出水的一般要超过30，去除率一般为75%～90%，一般出水中极少有或没有硝酸盐。高负荷生物滤池大多采用旋转布水系统，滤料的直径一般为40～100，滤料层厚度一般为2～4。提高了有机负荷率后，微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。

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。一般当滤池进水大于200时，常采用回流。采用回流后，进入生物滤池的污泥量为：+r 

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。

1.6 高负荷生物滤池的运行方式

（1）处理水回流

高负荷生物滤池的运行中，多采用处理水回流，即利用出水回流至滤池前与进水混合。其优点是：①增大水力负荷，促进生物膜脱落，防止滤池堵塞；②稀释进水，降低有机负荷，调解和稳定进水，防止浓度冲击；③抑制臭味及滤池蝇的过度滋生；④增加水中的溶解氧，改善进水状况，提高营养成分，降低毒物浓度；⑤可向生物滤池连续接种，促进生物膜的生长。其缺点是：①缩短废水在滤池中的停留时间；②降低进水浓度，将减慢生化反应速率；③回流水中难降解的物质会产生积累。

（2）回流方式

                 图1.4 单级回流高负荷生物滤池

                 图1.5 多级回流高负荷生物滤池

                 图1.6 交替式两级串联生物滤池

1.7 生物滤池的特点

与其它生物处理方法相比，生物滤池具有以下特点：

一是对水质、水量的变化有较强的适应性，缓冲容量大，操作稳定性好，能经受有毒废水或有机负荷的冲击。

二是由于微生物固着于填料固体的表面，能够依靠填料中的有机质生长，无须另外投加营养剂因而微生物种类丰富，生物量大，处理效果好，不产生二次污染，异味处理效果非常好^[4]。

三是构造简单，操作容易，运行费用低，能耗低，在运行半年之后滤池的压力损失也只有500Pa左右。停工后再使用启动速度快。　　

1.8 影响生物滤池性能的主要因素

（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。 

（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。

（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：①增大水力负荷，促进生物膜脱落，防止滤池堵塞；②稀释进水，降低有机负荷，调解和稳定进水，防止浓度冲击；③抑制臭味及滤池蝇的过度滋生；④增加水中的溶解氧，改善进水状况，提高营养成分，降低毒物浓度；⑤可向生物滤池连续接种，促进生物膜的生长。其缺点是：①缩短废水在滤池中的停留时间；②降低进水浓度，将减慢生化反应速率；③回流水中难降解的物质会产生积累。

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：①进水有机物浓度较高（COD大于400）；②水量很小,无法维持水力负荷在最小经验值以上时；③废水中某种污染物在高浓度时,可能抑制微生物生长。

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。

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400～500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400，当入流浓度高于此值时，采用回流、稀释或机械通风等措施，来保证滤池供氧充足。

总之，采用生物滤池处理废水时，一定要做好滤池类型的选择和运行系统的选择。

2 生物滤池设计说明书

2.1 工程概况

设计污水流量：59000；初次沉淀后：234；处理后出水：25。

2.2 设计思路

处理对象是城市污水，因普通生物滤池的水力负荷和有机负荷均很低，占地面积大，水力的冲刷能力小，又容易引起滤床堵塞，且通风效果不佳。而高负荷生物滤池，在很大程度上克服了它的缺点，且本工程要求的出水为25，因而采用高负荷生物滤池。

因为该滤池进水大于200时，所以应采取回流措施。

采用旋转布水器；采用塑料滤料。

因流量为59000,比较大，考虑采用六座同样大小的圆形滤池，同时处理，更加合理。

2.3 主要设计参数

（1）高负荷生物滤池的个数不应少于2个，污水流量按日平均流量考虑。

（2）以塑料为滤料时，滤层厚度可达2～4。工作层滤料的粒径应为40～70，厚度在0.9～2.4m，承托层的粒径为70～100，厚度为0.2；当滤层厚大于2，一般应采用人工通风。

（3）正常气温下，处理城市废水时，表面水力负荷为10～30 m³/(m²·d)，有机负荷为0.8～1.2kg/(m³·d)。

（4）单级滤池的的去除率一般为75～85%；两级串联时，的去除率一般为90～95%。

（5）进水少于200，高于200，采取回流措施，回流比为1：1～1：4。

（6）出水的一般要超过30。

（7）池壁四周通风口的面积不应小于滤池表面积的2%。

（8）滤池数不应小于2座。

（9）布水器的基本要求：

①旋转布水器的直径比生物滤池的内径小100～200；

②布水横管的数量一般为2～4根；

③布水横管直径一般在50～250；

④布水横管要高出填料层0.15～0.25；

⑤布水横管上的布水小孔孔径为10～15；

⑥布水小孔间距在中心部分最大，向外逐渐缩小，一般由300缩小到75；

⑦当布水横管的直径为10～40时旋转布水器的水头损失为0.2～1.0；

⑧实际水头损失比计算值增加0.5～1.0倍，一般压头为0.5～1.0。

（10）渗水装置

①排水孔总面积应大于池表面积的20%，其空间高度应不小于0.3；

②池底以1%～2%的坡度坡向集水沟，沟宽为0.15，间距2.5～4，并以0.5%～1%的坡度坡向总集水沟；

③总集水沟的坡度不小于0.5%，其过水断面积小于其全部断面积的50%,以利通风；

④沟内水流速度应大于0.7m/s ，为保证通风，底部通风孔总面积不少于滤池表面积的1%。

2.4 设计计算书^[5]

2.4.1 原始数据与基本参数及其它参数

⑴ 原始数据与基本参数：设计人口=280000人；排污量=200L/(人. ); 按=30g/人计；另有一食品加工厂生产废水量=3000/; 按=1800/计。该市年平均气温：7^oC，混合水冬季平均水温：14^oC。

⑵ 其它参数：设填料层高度=2，处理后出水浓度要求不大于25，总变化系数K=1.30，稀释后进水浓度与要求的出水浓度成正比，设系数为见表2.2，取滤池面积负荷=2000，布水横管管径=125，水孔径取15。取四根横管。

2.4.2设计计算

⑴基本尺寸的计算

①混合污水平均日流量

=+ =+3000=59000

②污水混合的浓度

==234

 因=234＞200，所以必须用出水回流的方式稀释进水，使其浓度降至200。

③经回流稀释后污水应达到的浓度=a

按=2，混合污水冬季平均水温14^oC，年平均气温8^oC,查表2.2得a=4.4，所以，=4.425=110

④回流稀释倍数（回流比）

==

⑤滤池所需总面积=

当=2000时，==8112.5

⑥滤池滤料总体积

==8112.52=16225

⑦每个滤池面积₁

设采用六个滤池，则₁===1352

⑧滤池直径=41

⑨校核水力负荷

=＞10/(.)

∴满足要求。

⑵ 旋转布水器的设计计算

①污水最大设计流量

==887.7L/s

②每个滤池的最大设计流量

=

③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=125,布水小孔直径=15。

④旋转布水器直径 =-200=41000-200=40800=40.8

⑤每根布水横管上的布水小孔数目

=

⑥各布水小孔至布水器中心的距离r=

所以有第1个布水小孔距中心的距离为r=

        第100个布水小孔距中心的距离为r=

        第340个布水小孔距中心的距离为r=

⑦布水器转速

=

⑧布水器所需水头（即布水器水头损失）

=(

横管数为4，则=

=40.8=40800，查表2.1得：

=86.5, =340, =15,=125

1.8

2.4.3 池壁的设计

池壁高于滤料表面0.5，用砖块筑成；在池壁上端周围加一周宽1的人行甬道，并加装护拦，用于是常的维护和管理^[3]。

通风口面积

S=15%=15%= 198

池壁采用60个3.3的通风口，高1.1，长3。

2.4.4 其它部件

设池底空间的高度为1.5；

集水沟设计：长41，宽1，高0.3；

出水管的直径为150；

进水管的直径为150；

池底坡度i=0.01;

集水沟的坡度i=0.03。

表 2.1 流量模数K值

表 2.2 a值

3 结论

3.1高负荷生物滤池的计算结果

① 污水回流比

② 滤池的总体积为

③ 滤池总面积 A

④ 滤池直径  

⑤ 生物滤池的个数 座

⑥ 布水器直径:

⑦ 每根布水器上的小孔的数目

⑧ 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340个布水小孔距中心的距离为：

⑨ 布水器转速

⑩ 布水器所需水头 水头

3.2 个人设计心得体会

通过这次对高负荷生物滤池的设计，我对生物滤池有了更深入的了解，学到了很多在课堂上没有学到的东西，同时提高了动手能力。在设计过程中，通过对资料的查找和搜集，以及反复的看书和理解，让我对以前所学的知识有了更深的领悟；同时也培养了我综合分析和深入思考的能力，锻炼和提高了调查研究能力及文献检索能力。

与此同时，我也深刻地认识到了理论和实际的差距，以及自己自身能力的薄弱和知识储备的匮乏。所以，今后一定要在平时就多积累，多实践。不能只讲理论，而应该把理论真正落到实处。这样才能做到学有所用，而且能融会贯通。

在这次课程设计的过程中我遇到了很多困难，经过老师的耐心指导和同学的热心帮助终于圆满完成了设计任务。从中所学到的知识和能力对今后的学习和工作乃至生活都有很大的帮助，这次课程设计让我受益匪浅。

4 致谢

课程设计伊始，感觉没有任何头绪，不知道从何处下手。在向老师的请教和帮助以及同学们的互相讨论中，设计的过程才慢慢展开。从开始的资料准备、筛选、整理到着手设计、计算再到图纸的绘制，除了凝聚了自己的心血和努力之外，更与老师和同学的作用是分不开的。是他们，让我从面对一个陌生的课程设计过程不知所措到现在能够顺利的完成为期两周的复杂工作，在这里，我要衷心感谢晋日亚老师和其他同学，是他们在百忙之中抽出了宝贵的时间指导和帮助我完成这份课程设计。正是由于他们的指点和帮助，我少走了很多弯路，明确了设计思路，提高了设计效率，让我能够在规定的时间内按时高效的完成设计任务。

总之，我非常珍惜这次设计过程，从中我总结出几个让我受益匪浅的道理：严谨、踏实、高效、虚心求教和团队协作。最后，再次衷心地感谢热心帮助我的老师和同学们！

5 参考文献

[1] 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，2005:114-129.

[2] 北京环境保护科学院编.三废处理工程技术手册（废水册）[M].北京：化学工业出版社，2000：578.

[3]吴国琳编著．水污染的监测与控制[M]．北京：科学出版社，2004:358-359

[4] 纪轩废.水处理技术问答[M].北京：中国石化出版社，2005：228-232.

[5]尹士君、李亚峰编著．水处理构筑物设计与计算[M]．北京：化学工业出版社．2004：378

[6]赵庆良、刘雨等主编．废水处理与资源化新工艺[M]．北京：中国建筑工业出版社.2006：462