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水控设计师兄论文
50000m3/d城市污水处理厂设计
摘要
伴随着经济发展、人口增加、城镇化进程的步伐加快，大量城市生活污水的排放严重污染了水体环境，为此，我们需要加大建设城市污水处理工程的力度。
现拟建一处理规模为50000m3/d的某城市污水处理厂，设计出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002一级B标准。
本设计采用周期循环曝气活性污泥法（CASS）工艺，经比选，此工艺具有投资省，处理效果好，运行管理方便等优点，适用于中小型污水处理厂使用。
本设计包含污水处理工艺流程的确定，工艺流程中各单体的计算，施工图纸的绘制等。
本污水处理厂的建设将有效改善受纳水体水质，促进环境与经济的的可持续发展。
关键字：
污水处理厂，CASS工艺，设计
50000m3/dMunicipalWastewaterTreatmentPlantDesign
Abstract
Witheconomicdevelopment,populationgrowth,urbanacceleratethepaceoftheprocess,thelargenumberofurbanwastewaterdischargeseriouslypollutedwaterenvironment.Forthat,weneedtostepupconstructionoftheintensityofurbanwastewatertreatmentworks.Nowproposedadealwiththescaleof50000m3/dofamunicipalwastewatertreatmentplants,waterqualitydesignimplementation,"municipalwastewatertreatmentplantemissionstandardsfor"GB18918-2002GradeBstandard.Thedesignusescyclicactivatedsludgesystem（CASS）processwerecomparedwiththeelection,thisprocesshaslessinvestment,goodeffect,andeasyoperationandmanagementforsmallandmediumsizedwastewatertreatmentplantsuse.Thisdesignincludesthedeterminationofwastewatertreatmentprocess,processinthemonomercalculations,constructiondrawingsandotherdrawing.Theconstructionofthewastewatertreatmentplantwillimprovethewaterqualityofreceivingwater,topromoteenvironmentalandeconomicsustainabledevelopment.
Keywords:
sewagetreatmentplant,CASStechnique,design
第一章前言
改革开放三十年来，我国的经济社会生活的各方面均取得了翻天覆地的变化,人民生活水平显著提高，城镇化步伐明显加快。
然而，伴随着经济的不断发展和人口的不断聚集出现，工业污水和大量城市人口生活污水的排放远远超出环境的承载能力，影响着水安全和水环境生态。
城市水污染问题已经成为了制约城市发展和人类生存的一大公共问题。
我国30年来的飞速发展，集中出现了发达国家百余年来工业城市化过程中分阶段出现的环境问题。
2005年全国COD排放量仅比2000年减少2.13%，未完成“十五”削减10%的控制目标，我国江河湖库和近海水域普遍受到污染，据原国家环境总局资料统计，在2005年对我国七大水系的411个地表水监测断面中，Ⅰ~Ⅲ类、Ⅳ~Ⅴ类和劣Ⅴ类水质的断面比例分别为41%、32%和27%；100个国控省界断面中，Ⅰ~Ⅲ类、Ⅳ~Ⅴ类和劣Ⅴ类水质的断面比例分别为36%、40%、24%。
考虑到未来十几年内人口将会继续增长，工业企业会继续建设，水环境污染的形势十分严峻。
为此，加大城市污水和地表径流污染处理工程的建设，提高城市污水的收集率、达标处理率、处理等级和再生利用水平，促进城市水系统的良性循环。
是当前解决当前以及今后城市水环境污染的一个重要途径。
经过四年的环境工程基础和专业知识的学习，毕业设计是大学最后也是最重要的一次综合实践设计环节。
进行毕业设计的过程之中，将使自己能够对过往学习的知识就行总结、综合、实践，熟练掌握资料和工具书的查阅、工程图纸的绘制，进一步接触实际的生产设计和应用。
培养细致、认真的工程师品质。
第二章：
污水处理工艺的选择
2.1基本资料
污水厂选址区域海拔标高在1125-1127m左右，平均地面标高为1126m。
厂区征地面积为东西长206m，南北长146m。
风向：
多年主导风向为东南风；
水文：
降水量多年平均为每年2370mm；蒸发量多年平均为每年1800mm；地下水水位，地面下6～7m。
年平均水温：
20℃
此次设计任务书上要求按照《GB18918－2002》一级B标准要求水质出水。
表2.1进水水质
CODcr
BOD5
SS
NH3N
TN
TP
350mg/L
120mg/L
250mg/L
35mg/L
25mg/L
5mg/L
表2.2出水水质
CODcr
BOD5
SS
NH3N
TN
TP
60mg/L
20mg/L
20mg/L
8mg/L
15mg/L
1mg/L
2.2水质分析
原水可生物处理性分析：
表2.3进水营养物比表
项目
比值
BOD5/CODcr
0．34
BOD5/TN
4.8
BOD5/TP
24
BOD5和CODcr是污水处理过程中常见的两个水质指标，一般情况下，BOD5/CODcr的比值越大，说明污水可生物处理性越好。
综合国内外的研究成果，一般认为BOD5/CODcr的比值＞0.45可生化性较好，BOD5/CODcr的比值＜0.3较难生化，BOD5/CODcr的比值＜0.25不易生化。
BOD5/TN（即C/N）是鉴别能否采用生物脱氮的重要指标，由于反硝化细菌是在分解有机物的过程当中进行消化脱氮的，在不投加外来碳源的条件下，污水中必须有足够的有机物，才能保证反硝化的顺利进行。
一般认为，C/N≥3，即可认为污水有足够的碳源供反硝化菌利用，才能进行有效脱氮。
BOD5/TP（即C/P）是鉴别能否采用生物除磷的重要指标，生物除磷是活性污泥中除磷菌在厌氧条件下分解细胞内的聚磷酸盐同时放出H3PO4和ATP，并利用ATP将废水中的脂肪酸等有机物摄入细胞，以PHB（聚-β-羟基丁酸）及糖原等有机颗粒的形式贮存于细胞内，同时随着聚磷酸盐的分解，释放磷；一旦进入好氧环境，除磷菌又可以利用聚-β-羟基丁酸氧化分解所释放的能量来超量摄取废水中的磷，并把所摄取的磷合成聚磷酸盐而贮存于细胞内，经沉淀分离，把富含磷的剩余污泥排除污泥，达到生物除磷的目的。
进水中的BOD5是作为营养物质供除磷菌活动的基质，BOD5/TP是衡量能否达到除磷的重要指标，一般认为该值要大于20，比值越大，生物除磷效果越好。
一、活性污泥法处理系统有效运行的基本条件是：
1、有大量起吸附和分解作用的微生物。
2、污水中含有足够的可溶解性易降解有机物，作为微生物生理活动所必需的营养物质。
3、混合液中含有足够的溶解氧。
4、活性污泥连续回流，同时，还要及时地排出剩余污泥，使曝气池中保持恒定的活性污泥浓度。
5、活性污泥在曝气池中呈悬浮状态，能够与污水充分接触。
6、没有对微生物有毒害作用物质进入。
环境因素对微生物生长的影响
1、营养物质
微生物为合成自生的细胞物质，必须不断地从其周围环境中摄取自身生存所必需的营养物质，主要的营养物质是碳、氮、磷等，微生物还需要硫、钠、钾、钙、镁、铁等元素作为营养，但需要量甚微。
对微生物来讲，碳、氮、磷营养有一定的比例，一般为BOD5：
N：
P=100：
5：
1。
生活污水中大多含有微生物能利用的碳源，氮和磷的含量也高，可以满足生物法处理时微生物的营养需求。
如果某种营养元素低于需求可以加淀粉浆料补充碳源，投加尿素、硫酸铵等补充氮源，投加磷酸钾、磷酸钠等补充磷源。
2、温度
温度是影响微生物正常生理活动的重要因素之一。
温度适宜，能够促进、强化微生物的生理活动，温度不适宜，能够减弱甚至破坏微生物的生理活动。
可能使微生物死亡。
一般好氧生物处理中的微生物多属于中温微生物，其生长繁殖的最适温度范围为20～37℃。
3、溶解氧
溶解氧是影响生物处理效果的重要因素。
在好氧生物处理中，如果溶解氧不足，其活性将受到影响，新陈代谢能力降低，同时对溶解氧要求较低的微生物将逐步成为优势种属，影响正常的生化反应过程，造成处理效果下降。
5、有毒物质（抑制物质）
有毒物质对微生物生理功能毒害作用的原因，效果都比较复杂，取决于较多的因素。
2.3处理程度计算
2.3.1CODcr的处理程度
（2.1）
式中E—CODcr的处理程度，（％）
Ci—未处理污水中CODcr的平均浓度，（mg/L）
Ce—允许排入水体的已处理污水中CODcr的平均浓度，（mg/L）
2.3.2溶解性BOD5的处理程度
（2.2）
式中E—BOD5的处理程度，（％）
Ci—未处理污水中BOD5的平均浓度，（mg/L）
Ce—允许排入水体的已处理污水中BOD5的平均浓度，（mg/L）
2.3.3SS的处理程度
（2.3）
式中E—SS的处理程度，（％）
Ci—未处理污水中SS的平均浓度，（mg/L）
Ce—允许排入水体的已处理污水中SS的平均浓度，（mg/L）
2.3.4TN的处理程度
（2.4）
式中E—TN的处理程度，（％）
Ci—未处理污水中TN的平均浓度，（mg/L）
Ce—允许排入水体的已处理污水中TN的平均浓度，（mg/L）
2.3.5NH3-N的处理程度
（2.5）
式中E—NH3-N的处理程度，（％）
Ci—未处理污水中NH3-N的平均浓度，（mg/L）
Ce—允许排入水体的已处理污水中NH3-N的平均浓度，（mg/L）
2.3.6TP的处理程度
（2.6）
式中E—TP的处理程度，（％）
Ci—未处理污水中TP的平均浓度，（mg/L）
Ce—允许排入水体的已处理污水中TP的平均浓度，（mg/L）
根据进水水质、原水可生物处理性分析、以及污水处理厂的设计流量，初步选择了一下几种处理工艺备选。
2.4氧化沟工艺
2.4.1处理原理
氧化沟工艺，得名于构筑物呈封闭的沟渠形，废水和活性污泥的混合液在环状曝气渠道中通过转刷不断循环流动并进行曝气，以废水中的有机物作为养分，利用活性污泥使废水无机化。
氧化沟通常以延时曝气的方式运行，水力停留时间为10~24h，污泥龄为20~30d。
通过设置进水与出水位置、污泥回流位置、曝气设备位置，可完成硝化和反硝化功能。
氧化沟工艺流程图如图2.1所示。
2.4.2工艺优点
1、高缓冲能力
废水在曝气设备的作用下快速均匀地与沟中混合液混合后，在封闭的沟渠中循环流动。
则氧化沟在短时间内呈现推流，长时间内呈现混合特征，两者结合可减少短流，使进水被数十、百倍的循环水所稀释，大大提高氧化沟系统的缓冲能力。
2、整体体积功率密度较低
由于混合液在沟内循环流动，这样可以防止悬浮固体的沉淀，同时充入混合液的溶解氧随着循环也加强了氧的传递。
氧化沟的曝气设备集中在几处，因此氧化沟能够在比其它系统低得多的整体体积功率密度下保持液体流动、固体悬浮和充氧。
据资料统计，相较于传统活性污泥法，氧化沟工艺能够节能降耗20%~30%。
集中的曝气设备也使氧化沟曝气区的功率密度大大高于传统活性污泥法，有利于加速液面跟新、提高混合液中泥水混合程度，充分切割絮凝的污泥。
3、流程简单
处理城市污水时可以不设初沉池
2.4.3工艺缺点
尽管氧化沟具有出水水质好、抗冲击负荷能力强、除磷脱氮效率高、污泥易稳定、能耗省、便于自动化控制等优点。
但是，在实际的运行过程中，仍存在一系列的问题。
1、污泥膨胀问题
当废水中的碳水化合物较多，N、P含量不平衡，pH值偏低，氧化沟中污泥负荷过高，溶解氧浓度不足，排泥不畅等易引发丝状菌性污泥膨胀；非丝状菌性污泥膨胀主要发生在废水水温较低而污泥负荷较高时。
微生物的负荷高，细菌吸取了大量营养物质，由于温度低，代谢速度较慢，积贮起大量高粘性的多糖类物质，使活性污泥的表面附着水大大增加，SVI值很高，形成污泥膨胀。
2、泡沫问题
由于进水中带有大量油脂，处理系统不能完全有效地将其除去，部分油脂富集于污泥中，经转刷充氧搅拌，产生大量泡沫；泥龄偏长，污泥老化，也易产生泡沫。
3、污泥上浮问题
当废水中含油量过大，整个系统泥质变轻，在操作过程中不能很好控制其在二沉池的停留时间，易造成缺氧，产生腐化污泥上浮；当曝气时间过长，在池中发生高度硝化作用，使硝酸盐浓度高，在二沉池易发生反硝化作用，产生氮气，使污泥上浮；另外，废水中含油量过大，污泥可能挟油上浮。
4、流速不均及污泥沉积问题
在氧化沟中，为了获得其独特的混合和处理效果，混合液必须以一定的流速在沟内循环流动。
一般认为，最低流速应为0.15m/s，不发生沉积的平均流速应达到0.3~0.5m/s。
氧化沟的曝气设备一般为曝气转刷和曝气转盘，转刷的浸没深度为250~300mm，转盘的浸没深度为480~530mm。
与氧化沟水深（3.0~3.6m）相比，转刷只占了水深的1/10~1/12，转盘也只占了1/6~1/7，因此造成氧化沟上部流速较大（约为0.8~1.2m，甚至更大），而底部流速很小（特别是在水深的2/3或3/4以下，混合液几乎没有流速），致使沟底大量积泥（有时积泥厚度达1.0m），大大减少了氧化沟的有效容积，降低了处理效果，影响了出水水质。
2.5A2/O工艺
2.5.1工艺原理：
A-A-O工艺，亦称A2/O工艺，是英文Anaerobic-Anoxic-Oxic第一个字母的简称，按实质意义来说，本工艺称为厌氧—缺氧—好氧法。
本法是在70年代，由美国的一些专家在厌氧—好氧（An-O）法脱氮工艺的基础上开发的，其宗旨是开发一项能够同步脱氮除磷的污水处理工艺。
A2/O工艺由厌氧段和好氧段组成，两段可以分别建也可以合建，合建时两段应该以隔板隔开。
厌氧池中必须严格控制厌氧条件，使其既无分子态氧，也无NO3-等化合态氧，厌氧段水力停留时间为1～2h。
好氧段结构型式与普通活性污泥法相同，且要保证溶解氧不低于2mg/L，水力停留时间2～4小时。
A2/O工艺流程图如图2.1所示。
2.5.2工艺优点：
1、在厌氧的好氧交替运行条件下，丝状菌得不到大量增殖，污泥不易膨胀。
2、脱氮效果难于进一步提高，内循环量一般以2Q为限，不宜太高，否则增加运行费用。
3、基建费用低，具有较好的脱氮、除磷功能。
4、具有改善污泥沉降性能，减少污泥排放量。
5、具有提高对难降解生物有机物去除效果，运转效果稳定。
6、技术先进成熟，运行稳妥可靠。
7、管理维护简单，运行费用低。
8、国内工程实例多，工艺成熟，易获得工程管理经验。
9、出水水质好，较易于深度处理，出水水质稳定，对外界条件变化有一定的适应性。
2.5.3工艺缺点：
1、处理构筑物较多，施工较难。
2、需增加内循环系统。
3、操作复杂，适合污水处理量较大的污水处理厂
2.6CASS工艺
2.6.1工艺原理：
CASS（cyclicactivatedsludgesystem）工艺是间歇式污泥法SBR的一种变革，是近年来国际公认的生活污水及工业废水处理的先进工艺。
1978年，Goronszy教授利用活性污泥底物积累再生理论，根据底物去除与污泥负荷的实验结果以及活性污泥活性组成和污泥呼吸速率之间的关系，将生物选择器与SBR工艺有机结合，成功地开发出CASS工艺。
CASS工艺是将序批式活性污泥法（SBR）的反直池沿长度方向分为两部分，前部为生物选择区也称预反应区，后部为主反应区+在主反应区后部安装了可升降的滗水装置，实现了连续进水间歇排水的周期循环运行，集曝气沉淀、排水于一体。
CASS工艺是一个好氧／缺氧／厌氧交替运行的过程，具有一定脱氮除磷效果，废水以推流方式运行，而各反应区则以完全混合的形式运行以实现同步硝化一反硝化和生物除磷。
完整的CASS工艺分为四个阶段，并以一定的时间顺序运行：
充水-曝气阶段、充水-沉淀阶段、滗水阶段、充水-闲置阶段。
对于一般城市污水，CASS工艺并_厂需要很高程度的预处理，只需设置粗格栅、细格栅和沉砂池，无需初沉池和二沉池，也不需要庞大的污泥回流系统（只在CASS反应器内部有约2O％的污泥回流）
CASS是一种具有脱氮除磷功能的循环间歇废水生物处理技术每个CASS反应器由3个区域组成，即生物选择区、缺氧区和主反应区。
生物选择区是设置在CASS前端的容积约为反应器总容积的10％．水力停留时间为0．5h-1h、通常在厌氧或兼氧条件下运行：
生物选择器是根据活性污泥反应动力学原理而设置的。
通过主反应区污泥的回流并与进水混合．不仅充分利用了活性污泥的快速吸附作用而加速对溶解性底物的去除并对难降解有机物也起到良好的水解作用，同时可使污泥中的磷在厌氧条件下得到有效的释放。
设置选择器，还有利于改善污泥的沉降性能，防止污泥膨胀问题的发生此外，选择器中还可发生比较显著的反硝化作用（回流污泥混合液中通常含2mg/L左右的硝态氮），其所去除的氮可占总去除率的20％左右。
选择器可定容运行，亦可变容运于亍。
多池系统中的进水配水池也可用作选择器。
CASS工艺生物选择器的设置对进水水质、水量、pH值和有毒有害物质起到了较好的缓冲作用，并能通过酶的快速转移迅速吸收并去除部分易降锵的溶锵性有机物，由此而产生的底物积累和再生过程，有利于选择出絮凝性细菌。
生物选择器的工艺过程遵循活性污泥的底物积累一再生理论，使活性污泥在生物选择器中经历一个高负荷的吸附阶段（底物积累），随后在主反应区经历一个较低负荷的底物降锵阶段，以完成整个底物去除过程。
预反应区体积仅占反应池总体积的1O％～15％，因此，该部分活性污泥在高BOD负荷条件下运行，一方面强化了生物吸附作用，另一方面促进了微生物的增殖。
一般，污泥膨胀是由于丝状菌的过量繁殖造成的。
丝状菌比菌胶团的比表面积大，有利于摄取低浓度底物。
在高底物浓度下菌胶团和丝状菌都以较大速率降锵基质与增殖，而丝状菌的比增殖速率比非丝状菌小，因此其增殖量也较小，从而相比之下，菌胶团的增殖量大，从而占有优势。
CASS工艺生物选择器就是利用底物作为推动力选择性地培养菌胶团细菌，使其成为曝气池中的优势菌。
所以，CASS工艺的预反应区不但可以连续进水，同时又发挥了生物选择器的作用，能有效抑制丝状菌的生长和繁殖，避免污泥的丝状膨胀，提高了系统的运行稳定性另外，在这个区内的难降锵大分子物质易发生水锵作用，这对提高有机物的去除率具有一定的作用。
缺氧区不仅具有辅助厌氧或兼氧条件下运行的生物选择区对进水水质、水量变化的缓冲作用，同时还具有促进磷的进一步释放和强化反硝化的作用。
主反应区即好氧区，是去除营养物质的主要场所，通常控制ORP在100mV～150mV，溶解氧DO在0m～2．5mg／L。
运行过程中，通常将主反应区的曝气强度加以控制使反应区内主体溶液处于好氧状态，完成降解有机物的过程，而活性污泥内部则基本处于缺氧状态，溶解氧向污泥絮体内的传递受到限制而硝态氮由污泥内向主体溶液的传递不受限制，从而使主反应区中同时发生有机污染物的降解以及同步硝化和反硝化作用。
在CASS池末端设潜水泵，污泥通过潜水泵不断从主曝气区抽送至预反应区
2.6.2工艺优点：
1、在反应器人口处设一生物选择器，并进行污泥回流，保证了活性污泥不断在选择器中经历高絮体复合阶段，从而有利于系统中絮凝性细菌的生长并提高污泥活性，使其快速地去除废水中溶解基质，进一步有效地抑制丝状菌的繁殖和增长。
CASS系统的运行不取决于水处理厂的进水情况，可以在任意进水率且反应器完全混合的情况下运行不发生污泥膨胀。
2、具有良好的污泥沉淀性能。
3、可变容积的运行提高了对水质、水量变化的适应性，操作运行的灵活性。
4、具有良好的脱氮除磷性能
5、工艺流程简单，土建投资低，无需设置初沉池、二沉池以及规模较大的回流污泥泵站。
2.7工艺确定
综上所述，此三种方法都能达到除磷脱氮的效果，且出水水质良好，但相对而言，CASS工艺一次性投资较少，占地面积较小，运行灵活，抗冲击能力强，可实现不同的处理目标，不易发生污泥膨，剩余污泥量小，性质稳定，查阅工程实例，适用于要求流量的污水处理厂运行。
A/A/O法除磷效果难于再行提高，污泥增长有一定的限度，不易提高，特别是当P/BOD值高时更是如此。
脱氮效果也难于进一步提高，运行费用高。
第三章设计计算
3.1城市污水水量的确定
处理规模：
50000m3/d
总变化系数：
（3.1）
式中Kz—总变化系数
Q—平均日平均时污水流量（L/s）
已知：
Q=50000m3/d=578L/s926（3.2）
1.27（3.3）
最大时流量（最大设计流量）：
101889m3/d=7751179L/s=0.771.179m3/s=4245.375m3/h（3.4）
平均日流量（m3/d）用以表示污水处理厂的公称规模。
主要表示处理总水量；计算污水处理厂的年抽升电耗和耗药量；产生并处理的污泥总量
设计最大流量（m3/d）污水处理厂进厂水管的设计。
当污水处理厂的进水用水泵抽升时，则用组合水泵的工作流量作为设计最大流量，但应与设计流量相吻合。
污水处理厂的各处理构筑物以及厂内连接各处理构筑物的灌渠，都应满足设计最大流量的要求
降雨时的设计流量（m3/d）包括旱天流量和截流流量N倍的初期雨水流量，用来校核初沉池以前的处理构筑物和设备
考虑到最大流量的持续时间较短，当曝气池的设计反应时间在6h以上时，可采用时平均流量当作曝气池的设计流量
当污水处理厂分期建设时，以相应的各期流量为设计流量
通常情况下，污水处理厂的使用规模指平均日流量，设计规模指最大流量。
对分流制系统要考虑雨水渗入，一般可达25~30%。
3.2粗格栅设计计算
3.2.1设计说明
功能：
格栅拦截雨水、生活污水、工业废水中较大的漂浮物以及杂质，起到净化水质、保护水泵的作用，也有利于后续处理和排放。
格栅由一组或多组平行的栅条组成，斜置于进站雨、污水流经的渠道或集水池的入口处，并设置格栅间，减少对周边环境的影响和污染。
格栅本身所受的水流阻力并不大，大概只有几厘米，阻力主要产生于筛除的污物堵塞栅条，一般当格栅的水力损失达到10~15cm时就应该进行清渣了。
根据格栅的清渣方式和结构形式的不同，可分为人工格栅和机械格栅两大类，机械格栅又可分为回转式、
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