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水及廢水處理廠設計

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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

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Presentation Transcript
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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

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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
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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
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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

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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
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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)
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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

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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
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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)
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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
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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
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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
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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)
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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
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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)
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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
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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
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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
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4-2 曝氣池設計
  • 曝氣池設計準則(標準活性污泥法)
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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
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曝氣池平面圖

(大發工業區污水處理廠)

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曝氣池剖面圖

(大發工業區污水處理廠)

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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)
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(a)厭氧型

(b)高F/M型

菌種選擇池

(M & E,2003)

(b)缺氧型

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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
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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
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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%
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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
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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
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(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)

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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
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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
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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
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2-side

effluent

launder

Scum skimmer

Tow-Bro

Scum guard

圓形二沉池構造(安平廠)

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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)

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Tow-Bro

吸泥管

(Source:Envirex)

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4-4 二沉池設計
  • 圓形二沉池設計方法
    • 依設計準則
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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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