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污水处理厂初步的设计计算
1概述
1.1 设计的依据
本设计采用的主要规范及标准：
《城市污水处理厂污染物排放标准 （GB18918-2002） 》二级排放标准
《室外排水设计规范》（1997年版） （GBJ 14-87）
《给水排水工程概预算与经济评价手册》
2原水水量与水质和处理要求
2.1 原水水量与水质要求指标
Q=60000m3/d
BOD5=190mg/L COD=360mg/L SS=200mg/L
NH3-N=45mg/L TP=5mg/L
2.2处理要求
污水排放的要求执行《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002） 》二级排放标准：
BOD5≤30mg/L COD≤100mg/L SS≤30mg/L
NH3-N≤25（30）mg/L TP≤3mg/L
3污水处理工艺的选择
本污水处理厂水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002） 》二级排放标准，其污染物的最高允许排放浓度为：BOD5≤30mg/L；COD≤100mg/L；SS≤30mg/L；NH3-N≤25（30）mg/L；TP≤3mg/L。
城市污水中主要污染物质为易生物降解的有机污染物，因此常采用二级生物处理的方法来进行处理。
二级生物处理的方法很多，主要分两类：一类是活性污泥法，主要包括传统活性污泥法、吸附—再生活性污泥法、完全混合活性污泥法、延时活性污泥法（氧化沟）、AB工艺、A/O工艺、A2/O工艺、SBR工艺等。另一类是生物膜法，主要包括生物滤池、生物转盘、生物接触氧化法等工艺。任何工艺都有其各自的特点和使用条件。
活性污泥法是当前使用比较普遍并且有比较实际的参考数据。在该工艺中微生物在处理单元内以悬浮状态存在，因此与污水充分混合接触，不会产生阻塞，对进水有机物浓度的适应范围较大，一般认为BOD5在150—400 mg/L之间时，都具有良好的处理效果。但是传统活性污泥处理工艺在处理的多功能性、高效稳定性和经济合理性方面已经难以满足不断提高的要求,特别是进入90年代以来,随着水体富营养化的加剧,我国明确制定了严格的氨氮和硝酸盐氮的排放标准,从而各种具有除磷、脱氮功能的污水处理工艺:如 A/O工艺、A2/O工艺、SBR工艺、氧化沟等污水处理工艺得到了深入的研究、开发和广泛的应用,成为当今污水处理工艺的主流。
该地的污水中BOD5 在190 mg/L左右,要求出水BOD5低于30mg/L。在出水的水质中,不仅对COD、BOD5、SS去除率都有较高的要求,同时对氮和磷的要求也进一步提高.结合具体情况在众多的污水处理工艺中选择了具有良好脱氮除磷效果的两种工艺—CASS工
艺和Carrousuel氧化沟工艺进行方案技术经济比较。
4污水处理工艺方案比选
4.1 Carrousuel氧化沟工艺(方案一)
氧化沟时二十世纪50年代由荷兰的巴斯维尔开发，后在欧洲、北美迅速推广，80年代中期，我国部分地区也建造了氧化沟污水处理工程。近几年来，处理厂的规模也发展到日处理水量数万立方米的工业废水及城市污水的大、中型污水处理工程。
氧化沟之所以能在近些年来得到较快的发展，在于它管理简便、运行稳定、流程简单、耐冲击负荷、处理效果好等优点，特别是氧化沟具有特殊的水流混合特征，氧化沟中的曝气装置只设在某几段处，在靠近曝气器下游段水流搅动激烈，溶解氧浓度较高，但随着水流远离曝气区，水流搅动迅速变缓，溶解氧则不断减少，甚至出现缺氧区，这种水流变化的特征，可发生硝化、反硝化作用，以达到生物脱氮的目的，故氧化沟法处理NH3-N效果非常好，同时由于存在厌氧、好氧条件，对污水中的磷也有一定的去除率。
氧化沟根据构造和运行方式的不同，目前较多采用的型式有“Carrousel型氧化沟”、“Orbal型氧化沟”、“一体化氧化沟”和“交替式氧化沟”等，其中，由于交替式氧化沟要求自动化水平较高，而Orabal氧化沟因水深较浅，占地面积较大，本报告推选Carrousel氧化沟作为比选方案之一。
本设计采用的是Carrousel氧化沟工艺.其工艺的处理流程图如下图4-1所示:
`污水
中格栅
提升泵房
细格栅
曝气沉砂池
厌氧池
Carrousel氧化沟
二沉池
接触池
排水
浓缩池
贮泥池
脱水

图4-1 Carrousel氧化沟工艺流程图

4.1.1污水处理系统的设计与计算
4.1.1.1进水闸门井的设计
进水闸门井单独设定,为钢筋混凝土结构。设闸门井一座,闸门的有效面积为1.8m2,其具体尺寸为1.2×1.5 m,有效尺寸为1.2 m×1.5 m×4.5 m。设一台矩形闸门。当污水厂正常运行时开启,当后序构筑物事故检修时,关闭某一闸门或者全部关闭,使污水通过超越管流出污水处理厂。
4.1.1.2 中格栅的设计与计算
其计算简图如图4-2所示
(1)格栅间隙数:设栅前水深h=0.5m,过栅流速v=0.9m/s,栅条间隙宽度b=0.02m,格栅倾角60°，建议格栅数为2，一备一用。
==≈68个
(2)格栅宽度:设栅条宽度S=0.01m,
B=S(n-1)+bn=0.01×(68-1)+0.02×68=2.03≈2.00m
(3)进水渠道渐宽部分的长度：设进水渠道宽B1=1.60m,其渐宽部分的展开角20（进水渠道内的流速为0.82m/s）,
==≈0.56m
(4)栅槽与出水渠道连接处渐窄部分的长度：
===0.28m
(5)通过格栅的水头损失：设栅条断面为锐边矩形断面（=2.42，=3），
=
=
=0.103m
(6)栅后槽总高度：设栅前渠道超高=0.3m,
=0.5+0.103+0.3≈0.9m
(7)栅槽总长度：

==2.8m
(8)每日栅渣量：在格栅间隙为20mm的情况下，设栅渣量为每1000m3污水产0.07 m3，
=m3/d＞0.2 m3/d
宜采用机械清渣。

图4-2 格栅计算示意图

4.1.1.3细格栅的设计与计算
其计算简图如图4-2所示
(1)格栅间隙数：设栅前水深h=0.5m,过栅流速v=0.9m/s,栅条间隙宽度b=0.006m,格栅倾角=600，格栅数为2。
==≈109个

(2)格栅宽度：设栅条宽度S=0.01m,
B=S(n-1)+bn=0.01×(109-1)+0.006×109=1.73≈1.75m
(3)进水渠道渐宽部分的长度：设进水渠道宽B1=1.6m,其渐宽部分的展开角=20（进水渠道内的流速为0.82m/s）,
==≈0.22m
(4)栅槽与出水渠道连接处渐窄部分的长度：
===0.11m
(5)通过格栅的水头损失：设栅条断面为锐边矩形断面（=2.42，=3），
=
=
=0.51m
(6)栅后槽总高度：设栅前渠道超高=0.3m,
=0.5+0.3+0.51≈1.3m
(7)栅槽总长度：

==2.41m
(8)每日栅渣量：在格栅间隙为6mm的情况下，设栅渣量为每1000m3污水产0.07 m3，
=m3/d＞0.2 m3/d
宜采用机械清渣。

4.1.1.4 曝气沉砂池的设计与计算
本设计采用曝气沉砂池是考虑到为污水的后期处理做好准备。建议设两组沉砂池一备一用。其计算简图如图4-3所示。具体的计算过程如下：
(1)池子总有效容积：设t=2min,
V=t×60=0.652×2×60=78 m3
(2)水流断面积：
A===9.31m2
沉砂池设两格，有效水深为2.00m，单格的宽度为2.4m。
(3)池长：
L===8.38m，取L=8.5 m
(4)每格沉砂池沉砂斗容量：
=0.6×1.0×8.5=5.1 m3
(5)每格沉砂池实际沉砂量：设含砂量为20 m3/106 m3污水，每两天排一次，
=1.13〈5.1 m3
(6)每小时所需空气量：设曝气管浸水深度为2.5 m，查表得单位池长所需空气量为28 m3/(m·h),
q=28×8.5×(1+15%)×2=547.4 m3

式中(1+15%)为考虑到进口条件而增长的池长。

图4-3 曝气沉砂池计算示意图

4.1.1.5 厌氧池的设计与计算

4.1.1.5.1 设计参数
设计流量为60000 m3/d，设计为两座每座的设计流量为30000 m3/d。
水力停留时间：
h。
污泥浓度：
=3000mg/L
污泥回流液浓度：
=10000 mg/L
4.1.1.5.2 设计计算
(1)厌氧池的容积：
=30000×2/24=2500 m3
(2)厌氧池的尺寸：
水深取为=5,则厌氧池的面积：
=500 m2。
厌氧池直径：
==25 m。
考虑0.3的超高，故池总高为=5.3 m。
(3)污泥回流量的计算
回流比计算：
=0.42
污泥回流量：
=0.42×30000=12600 m3/d
4.1.1.6 Carrousel氧化沟的设计与计算

氧化沟，又被称为循环式曝气池，属于活性污泥法的一种。见图4-4氧化沟计算示意图。本次设计采用Carrousel型氧化沟，共两组。每组设计如下：

图4-4 Carrousel氧化沟计算示意图

4.1.1.6.1设计参数

设计流量Q=30000m3/d设计进水水质BOD5=190mg/L； COD=360mg/L；SS=200mg/L；NH3-N=45mg/L；污水水温25℃。
设计出水水质BOD5≤30mg/L；COD≤100mg/L；SS≤30mg/L；NH3-N≤25（30）mg/L； TP≤3mg/L。
污泥产率系数Y=0.55; 污泥浓度（MLSS）X=4000mg/L;挥发性污泥浓度（MLVSS）XV=2800mg/L; 污泥龄=30d; 内源代谢系数Kd=0.055.
4.1.1.6.2设计计算
(1)去除BOD
氧化沟出水溶解性BOD浓度S。为了保证沉淀池出水BOD浓度Se≤30mg/L,必须控制所含溶解性BOD浓度S2，因为沉淀池出水中的VSS也是构成BOD浓度的一个组成部分。
S=Se-S1
S1为沉淀池出水中的VSS所构成的BOD浓度。
S1=1.42(VSS/TSS)×TSS×(1-e)
=1.42×0.7×20×(1-e)
=13.59 (mg/L)
S=20-13.59=6.41(mg/L)
好氧区容积V1。好氧区容积计算采用动力学计算方法。
V1=
=
=10247m3

好氧区水力停留时间：t===8.20h
剩余污泥量X
X=
=2096（kg/d）
去除每1kgBOD5所产生的干污泥量==0.499（kgDS/kgBOD5）。
(2)脱氮
需氧化的氨氮量N1。氧化沟产生的剩余污泥中含氮率为12.4%，则用于生物合成的总氮量为：
N0==3.82(mg/L)
需要氧化的氨氮量N1=进水TKN-出水NH3-N-生物合成所需要的氨N。
N1=45-15-3.82=26.18(mg/L)
脱氮量NR=进水TKN-出水TN-生物合成所需要的氨N=45-20-3.82=21.18(mg/L)
脱氮所需要的容积V2
脱硝率qdn(t)= qdn(20)×1.08(T-20)=0.035×1.08(14-20)=0.022kg
脱氮所需要的容积:
V2===10315 m3
脱氮水力停留时间:
==8.25 h
氧化沟总体积V及停留时间t:

V=V1+V2=10247+10315= 20562m3
t=V/Q=16.45 h
校核污泥负荷=0.083
(3)氧化沟尺寸：取氧化沟有效水深为5m，超高为1m，氧化沟深6m。
氧化沟面积为A==20562/5=4112.4m2
单沟宽10m，中间隔墙宽0.25m。则弯道部分的面积为：
A1==965.63m2
直线段部分的面积:
A2= =4112.4-965.63=3146.77 m2
单沟直线段长度：
L===78.67m，取79m。
进水管和出水管：污泥回流比R=63.4%，进出水管的流量为：Q1==1.634×30000m3/d=0.568 m3/s，管道流速为1.0m/s。
则管道过水断面：
A===0.568m2
管径d==0.850m,取管径850mm。
校核管道流速：
v==0.94m
(4)需氧量
实际需氧量：
AOR=D1-D2-D3+D4-D5

去除BOD5需氧量：
D1==7754.03(kg/d) （其中=0.52，=0.12）
剩余污泥中BOD5需氧量：
D2==1131.64(kg/d)
剩余污泥中NH3-N耗氧量：
D3==454.57(kg/d) （0.124为污泥含氮率）

去除NH3-N的需氧量：
D4=4.6×（TKN-出水NH3-N）×Q/1000=3450(kg/d)
脱氮产氧量：
D5=2.86×脱氮量=1514.37(kg/d)

AOR= D1-D2-D3+D4-D5=8103.45(kg/d)

考虑安全系数1. 2，则AOR=8103.45×1.2=11344.83(kg/d)
去除每1kgBOD5需氧量=
=
=2.95（kgO2/kgBOD5）
标准状态下需氧量SOR
SOR=
（CS（20）20℃时氧的饱和度，取9.17mg/L；T=25℃；CS(T)25℃时氧的饱和度，取
8.38mg/L；C溶解氧浓度，取2 mg/L；α=0.85；β=0.95；ρ=0.909）
SOR==20764.89(kg/d)
去除每1kgBOD5需氧量==5.41（kgO2/kgBOD5）
曝气设备的选择：设两台倒伞形表面曝气机，参数如下：
叶轮直径：4000mm；叶轮转速：28R/min；浸没深度：1m；
电机功率：210KW；充氧量：≥2.1kgO2/(kW·h)。

4.1.1.7二沉池的设计与计算
其计算简图如图4-5所示
4.1.1.7.1设计参数
=652 L/s=2347.2 /h;
氧化沟中悬浮固体浓度 =4000 mg/L;
二沉池底流生物固体浓度 =10000 mg/L;
污泥回流比 R=63.4%。
4.1.1.7.2 设计计算
(1) 沉淀部分水面面积 根据生物处理段的特性，选取二沉池表面负荷q=0.9m
/(m2·h),设两座二次沉淀池 .
(m2)
(2)池子的直径
(m)，取=40m 。
(3)校核固体负荷

=141.18 [kg/(m·d)] (符合要求)
(4) 沉淀部分的有效水深 设沉淀时间为2.5h。
0.9×2.5=2.25 (m)
(5) 污泥区的容积

=1945.2 (m3)
(6)污泥区高度
污泥斗高度。设池底的径向坡度为0.05，污泥斗底部直径=1.6m，上部直径=4.0m，倾角为60°，则：
=60°=60°=2.1(m)
=13.72 (m3)
圆锥体高度
＝＝＝0.9(m)
=
==418.25(m3)
竖直段污泥部分的高度
===1.16(m)
污泥区的高度=2.1+0.9+1.16=4.16(m)
沉淀池的总高度 设超高=0.3m，缓冲层高度=0.5m。
则 ==0.3+2.25+0.5+4.16=7.21m
取=7.2 m

4.1.1.8接触池的设计与计算

采用隔板式接触反应池。其计算简图如图4-5所示。

图4-5 二沉池设计计算图

4.1.1.8.1设计参数
水力停留时间：t=30min
平均水深：=2.4m。
隔板间隔：b=1.5m。
池底坡度：3%
排泥管直径：DN=200mm。

4.1.1.8.2设计计算
接触池容积：
0.652×30×60=1174 m3
水流速度：
m/s
表面积：
m2
廊道总宽度：隔板数采用10个，则廊道总宽度为B=11×b=11×1.5=16.5m。
接触池长度：
=29.6m取30m。
水头损失，取0.4m。
4.2 CASS工艺（方案二）
4.2.1 CASS工艺的特点
1.此工艺建设费用低,与常规活性污泥法相比,省去了初次沉淀池、二次沉淀池及污泥回流设备,工艺流程简洁,建设费用可节省10%～25%,占地面积可减少20%～35%。
2.运转费用省。由于曝气是周期性的,重新开始曝气时,氧浓度梯度大,传递效率高,节能效果显著,运转费用可节省10%～25%。此外,本工程采用水下曝气机代替传统鼓风机曝气,消除了噪音污染。
　　3.有机物去除率高,出水水质好。
　　4.管理简单,运行可靠,能有效防止污泥膨胀。与传统的SBR工艺相比,CASS最大的特点在于增加了一个生物选择区,且连续进水(沉淀期、排水期仍连续进水),没有明显标志的反应阶段和闲置阶段。设置生物选择区的主要目的是使系统选择出良好的絮凝性生物。
5.污泥产量低,性质稳定。
4.2.2 CASS工艺的设计与计算
CASS工艺的设计原始资料与氧化沟的相同。并且本工艺的中格栅、污水提升泵房、细格栅以及曝气沉砂池的设计与第一方案的相同。第二方案的污泥处理系统的计算与第一方案的也相同在此就不再重复计算。本设计中的CASS反应池分两组每组分四格。每组的处理流量为25000m3/d。这里只对CASS工艺进行设计计算。计算如图5-7所示。其具体计算如下：
1.曝气时间设混合液污泥的浓度=2500mg/L,污泥负荷=0.1kgBOD5/kgMLSS,充水比=0.24，曝气时间为：
==3.7≈4（h）
2.沉淀时间 当污泥浓度小于3000 mg/L时，污泥界面沉降速度为：

式中，为污水温度。
设污水温度=10℃，污泥的界面沉降速度：
=7.4×104×10×2500-1.7=1.24(m/h)
设曝气池水深=5m，缓冲层高度为m，沉淀时间为：
==1.37≈1.5（h）
3.运行周期 设排水时间=0.5h，运行周期
=4+1.5+0.5=6（h）
每日周期数：
=4
4.曝气池容积 曝气池个数=4，每座曝气池容积：
==6510（m3 ）
5.复核出水溶解性BOD5 根据设计出水水质，出水溶解性BOD5应小于10.55mg/L。本设计中出水溶解性BOD5：
==5.6（mg/L）
计算结果满足设计要求。
6.计算剩余污泥量
活性污泥自身氧化系数：
==0.041
剩余生物污泥量：

其中
式中——出水溶解性BOD5；
——二沉池出水总BOD5，取=20mg/L；
——活性污泥自身氧化系数，为0.06；
——二沉池出水SS中VSS所占的比例，取0.75；
——二沉池出水SS，取20mg/L。
=20-7.1×0.06×0.75×20=13.6（mg/L）
带入数据得=2196-1334.55=861.45（kg/d）
剩余非生物污泥：
=

=30000×（1-0.7×0.75）×（195-20）/1000
=2078.13（kg/d）
剩余污泥总量：
=+=861.45+2078.13=2939.58（kg/d）
剩余污泥浓度：
==3290（mg/L）
7.复核污泥泥龄

=
=37.8(d)
计算结果表明，污泥泥龄可以满足氨氮完全硝化的需要。
8.复核滗水高度 曝气池有效水深m，滗水高度：
=1.2（m）
复核结果与设定值相同。
9.设计需氧量 考虑最不利情况，按夏季时高水温计算设计需氧量。根据《室外排水设计规范GBJ14-1987》（1997年版）第6.7.2条，设计需氧量AOR：
AOR=-
公式中，第二部分为氨氮硝化需氧量，、、为计算系数，
，，。
AOR=

=1.47×30000+4.6×-1.42×861.45
=5380.2+2974.5-1223.3
=7131.4（kg/d）=297.1(kg/h)

（a）平面图

(b)剖面图

图4-6 CASS曝气池布置示意图

10.标准需氧量
SOR=
（T=25℃；CS(T)25℃时氧的饱和度，取8.38mg/L；C 溶解氧浓度，取2 mg/L；α=0.85；β=0.95；ρ=0.9）
SOR==455.2(kg/h)
空气用量：
==7586.7（m3/h）=126.4（m3/min）
最大气水比=7586.7×24/25000=7.28。

11．曝气池的布置 CASS曝气池共两座，每座曝气池长72.4m,宽18m，水深5m，超高0.5m，有效体积为6516m3。其中预反应区长12m，占曝气池容积的16.6%。单座CASS曝气池布置如图所示。