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污水处理课程设计

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2020年4月19日
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1 工程概况
1.1 设计原始资料
污水处理厂出水排入距厂150 m的某河中，某河的最高水位约为-1.60 m，最低水位约为-3.2 m，常年平均水位约为-2.00 m。污水处理厂的污水进水总管管径为DN800，进水泵房处沟底标高为绝对标高-4.3 m，坡度1.0 ‰，充满度h/D = 0.65。处理量为3万吨/天。
初沉污泥和二沉池剩余污泥经浓缩脱水后外运填埋处理。
1.2 设计要求
污水处理厂污水的水质以及预期处理后达标的数据如表所示：
表1.1 污水原水和处理后的数据
污水水质A组
COD（mg/L）
BOD（mg/L）
SS（mg/L）
PH
处理前水质
400
200
200
6~8
处理后水质
20
50
20
6~8
去除率
80%
75%
90%
—
处理后的标准符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918— ）中规定城市二级污水处理厂二级标准。
1.3 选定处理方案和确定处理工艺流程
根据《城市污水处理和污染防治技术政策》条文4.2.2中规定，日处理大于20万立方的污水处理厂一般能够采用常规活性污泥法工艺，10~20m3/d污水处理厂能够采用传统活性污泥法、氧化沟、SBR、AB法等工艺。
本次设计只需除去COD、BOD、SS不用考虑除氮和除磷工艺，而且BOD/COD=0.5可生化性较好，因此选择两种方案进行选择。
方案一：传统活性污泥法
普通活性污泥法是指系统中的主体构筑物曝气生物反应池的水流流态属推流式。工艺流程见图1.1。
方案二：AB法污水处理工艺
AB法污水处理工艺是指吸附—生物降解工艺，该工艺将曝气池分为高低负荷两段，各有独立的沉淀和污泥回流系统。高负荷段A段停留时间约20－40分钟，，去除BOD达50％以上。B段与常规活性污泥相似，负荷较低，泥龄较长。工艺流程见图1.2。

图1.1 传统活性污泥法工艺流程图

图1.2 AB法污水工艺流程图
1.4 方案的优缺点比较
传统活性污泥法
AB法污水处理工艺
优点：
处理较好，BOD去除率可达90%以上，适宜处理净化程度和稳定要求较高生物污水；对污水比较灵活，能够根据需要调节。
缺点：
曝气池首端有机物负荷高，耗氧速率高。
曝气池大，基建费用高。
供氧速率难于与其吻合，不平衡。
优点：
对有机底物去除效率高。
系统运行稳定。
有较好的脱氮除磷效果。
AB法工艺较传统的一段法工艺节省运行费用20%~25%。
缺点：
A段在运行中如果控制不好，很容易产生臭气
污泥产率高，A段产生的污泥量较大，这给污泥的最终稳定化处理带来了较大压力。
两种方案都可行，按最终选择AB法污水处理工艺。
2 污水工艺设计
2.1 设计流量计算
污水平均流量：

污水总变化系数：

污水最高日流量：

2.2 格栅
格栅是安装在污水渠道、泵房的进口处的顶端，用于截留较大悬浮物，主要作用是将污水中的大块污水拦截，以免后续处理单元的 水泵或构筑物造成损害。
设计参数：
1、 栅条间隙：机械清洗为16~25mm，人工清洗为25~40mm。
2、 格栅栅渣量：空隙为16~25mm时，栅渣量为0.10~0.05m3/103m3污水：空隙为25~40mm时，栅渣量为0.03~0.01m3/103m3污水。
3、 污水过栅流速0.6~10 m3/d，格栅前渠道流速0.4~0.9 m3/d。
4、 清渣方式：当栅渣量大于0.2 m3/d时，采用机械清渣格栅。机械清渣格栅倾角90°~60°。
5、 栅条宽度s=0.01m；栅条间隙b=50mm
6、 栅前水深h=0.8m；倾角α=60°。
7、 过栅流速v=0.8m/s。
2.2.1 格栅设计计算
1、格栅间隙数

2、格栅槽宽度

3、进水渐宽部分长度

式中 α—渐宽处角度，一般取10°~30°；
B1—进水明渠宽度，；
4、栅槽与出水渠道连接处的渐缩部分长度

5、过栅水头损失

式中 h1——过栅水头损失，m；
h0——计算水头损失，m；
k——系数，格栅受到污染堵塞后，水头损失增大的倍数，一般k=3；
ξ——阻力系数，与栅条断面形状有关，
当格栅为矩形断面时，β=2.42。

6、栅槽总高度

式中 h2—栅前渠道超高，m，一般取0.3m；
7、栅前槽高

8、栅槽总长度

9、每日栅渣量

式中 W1—每103m3污水的栅渣量，取0.1~0.01，粗格栅用小值，细格栅用大值，中格栅用中值。
格栅采用机械清渣方式。
10、格栅示意图

图2.1 格栅计算简图
2.3 提升泵站
2.3.1泵房的选择
选择集水池与机械间合建的半地下矩形自灌式泵房，这种泵房布置紧凑，占地少，机构省，操作方便。本设计设三台水泵，其中两天备用。
2.3.2设计计算
1、每台泵的流量

2、集水池容量
按规定集水池的容量不能小于一台泵6分钟进水的容积W

3、集水池面积

——有效水深，2m。

2.3.4扬程计算

式中 ——集水池最低工作水位与所需要水位的高差；
——出水管提升后的水面高程，0.182m；
——充满度，0.65；
——经过格栅的水头损失，0.25m。

参照设计手册的各构造物的水头损失，本设计污水构造物的水头损失为4.5m。沿程损失为0.54m。

选用550TU—L型污水水泵三台，每台Q=1350L/s，扬程10~45m。 
2.4 曝气沉砂池
普通平流沉砂池的主要缺点是沉砂中含有15%的有机物，使后续处理难度加大。采用曝气沉砂池能够克服这一点。
优点：经过调节曝气量，能够控制污水的旋流速度，使除砂效率稳定，受流量变化的影响较小；同时对污水起到预曝气作用。
设计参数
1、 旋流速度保持0.25~0.3m/s。
2、 水平流速v1=0.06~0.12m/s。
3、 最大流量时停留时间1~3min。
4、 有效水深h2=2~3m，宽深比一般采用1~2。
5、 1m3污水的曝气量为0.2m3空气。
2.4.1 设计计算
1、池子总有效容积

式中 t——停留时间，一般取1~3min。
2、水流过水断面面积

3、沉砂池宽度

宽深比为：
4、沉砂池长度

5、每小时需空气量

式中 d——1m3污水的曝气量，一般采用0.1~0.2m3/m3污水。
6、沉砂室所需容积

7、沉砂斗上口宽度

式中 h’——沉砂斗高度；
α——沉砂斗壁与水平的倾向，矩形沉砂池α=60°；
a1——沉砂斗底宽度，一般采用0.4～0.5m。
设计中取h’=1.4m，a1=0.5m。
8、沉砂斗有效容积

9、沉砂室高度

10、沉砂池总高度

式中 h1——沉砂池超高，一般采用0.3~0.5m。
10、出水和排砂装置
出水采用沉砂池末端薄壁出水堰跌落出水，出水堰可保证沉砂池内水位标高恒定。出水管采用DN800的钢管。
采用沉砂池底部管道排砂，排砂管DN200mm。
2.5 AB法
1、全系统分为预处理段、A段、B段等三段、预处理段只设格栅、沉砂池等简单设备，不设初次沉淀池。
2、A段有曝气吸附池和中间沉淀池组成，B段由曝气池和最终沉淀池组成。
3、A段和B段各自拥有独立的污泥回流系统，两段完全分开。
2.5.1 A段设计参数
对处理城市污水，A段的主要设计与运行参数建议值为：
1、BOD—污泥负荷（LS）2 ~6kgBOD/（kgMLSS·d），为普通活性污泥法的10~20倍；
2、污泥龄（θc）0.3~0.5d；
3、水力停留时间（t）30min；
4、吸附池内溶解氧（DO）浓度0.2~0.7mg/L。
5、A段曝气池内的混合液污泥浓度MLVSS一般采用 ~3000mg/L。。
6、A段曝气池内的污泥回流比RA一般采用40%~70%
2.5.2 B段设计参数
去除有机物是B段的主要净化功能。B段承受负荷为总负荷的30%~60%，与普通活性污泥法比，曝气池的容积可减少40%左右。
1、BOD—污泥负荷（LS）0.15 ~0.3kgBOD/（kgMLSS·d）；
2、污泥龄（θc）15~20d；
3、水力停留时间（t）2~3h；
4、吸附池内溶解氧（DO）浓度1~2mg/L。
5、A段曝气池内的混合液污泥浓度MLVSS一般采用 ~4000mg/L。
6、A段曝气池内的污泥回流比RB一般采用50%~100%。
2.5.3 A、B段去除率
A段的BOD去除率一般为50%~60%，本设计取60%，则A段出水BOD浓度

虽然本设计最终要求BOD=50mg/L,但根据一级标准排放要求，经过B段处理后出水BOD浓度应小于20mg/L

2.5.4 平面尺寸计算
1、A段曝气池容积

式中 SrA——A段去除的BOD浓度；
NSA——A段BOD污泥负荷率[kgBOD/（kgMLSS·d）]；
XVA——MLSS浓度（mg/L）。
2、 B段曝气池容积

式中 SrB——B段去除的BOD浓度；
Q——最大流量（m3/h）；
NSB——B段BOD污泥负荷率[kgBOD/（kgMLSS·d）]；
XVB——MLSS浓度（mg/L）。
3、 A段水力停留时间

介于0.5~0.75之间，符合要求。
4、 B段水力停留时间

介于2.0~6.0之间，符合要求。
5、 A段曝气池平面尺寸

式中 FA——A段曝气池的总面积（m2）；
HA——A段曝气池的有效水深（m）。
A段曝气池采用推流式，共两组，每组2廊道，廊道宽为5米

6、 B段曝气池平面尺寸

式中 FB——B段曝气池的总面积（m2）；
HB——B段曝气池的有效水深（m）。
B段曝气池采用推流式，共两组，每组4廊道，廊道宽为5米

设计取24m。
2.5.5 曝气池的进出水系统
1、A段曝气池的进水系统
沉砂池的出水经过DN800的管道进入A段曝气池进水渠道，渠道内的水流速度为0.96m/s。进水渠道内，水分成两段，流向两侧的进水廊道渠道的宽度为1.0m，渠道内有效水深1.0m，则渠道内的最大水速

式中 bA——进水渠道宽度；
hA——进水渠道有效水深。
曝气池采用潜孔进水，孔口面积

设每个孔为0.4X0.4m，则孔口数个。
2、A段曝气池的出水设计
A段曝气池的出水采用矩形薄壁堰，跌落出水，堰上水头

式中 H——堰上水头；
Q——A段每组反应池出水量（m3/s），指污水最大流量0.483m3/s与回流污泥量0.347X50% m3/s；
m——流量系数，0.4~0.5；
b——堰宽,一般等于池宽

设计中取0.2m。
两组A段曝气池出水，经过DN1000的出水管，送到A段沉淀池，出水管内的流速0.62 m/s。
3、B段曝气池的进水系统
沉砂池的出水经过DN800的管道进入B段曝气池进水渠道，渠道内的水流速度为0.96m/s。进水渠道内，水分成两段，流向两侧的进水廊道渠道的宽度为1.0m，渠道内有效水深1.0m，则渠道内的最大水速

式中 bA——进水渠道宽度；
hA——进水渠道有效水深。
曝气池采用潜孔进水，孔口面积

设每个孔为0.4X0.4m，则孔口数个。
4、B段曝气池的出水设计
B段曝气池的出水采用矩形薄壁堰，跌落出水，堰上水头

式中 H——堰上水头；
Q——B段每组反应池出水量（m3/s），指污水最大流量0.483m3/s与回流污泥量0.347X100% m3/s；
m——流量系数，0.4~0.5；
b——堰宽,一般等于池宽

两组B段曝气池出水，经过DN1000的出水管，送到A段沉淀池，出水管内的流速0.62 m/s。
2.5.6 剩余污泥量
1、A段剩余污泥量

式中 LrA——A段SS的去除浓度（kg/m3）；
SrA——A段BOD的去除浓度（kg/m3）；
a——A段污泥增长系数，一般用0.4~0.6。
A段曝气池对SS的去除率一般70% ~80%，设计中采用75%。设沉砂池对SS的去除率为20%，则A段去除SS浓度为：

设计中取污泥增长系数a=0.4

A段产生的湿泥量

式中 QA——湿泥产量（m3/h）；
PA——污泥含水率。设计中A段污泥的含水率为99%。
2、B段剩余污泥量

式中 LrB——B段SS的去除浓度（kg/m3）；
SrB——B段BOD的去除浓度（kg/m3）；
a1——B段污泥增长系数，一般用0.4~0.6。设计取0.5。

B段产生的湿泥量

式中 QB——湿泥产量（m3/h）；
PB——污泥含水率。设计中B段污泥的含水率为99.5%。
3、总剩余污泥量

每天产生的湿泥量Q为；

A段和B段曝气池产生的剩余量污泥经过排泥管送至污泥处理构筑物，剩余污泥经过汇总成DN200的总管排出，管内污泥平均流速为0.32m/s。
4、A段污泥龄

式中 θCA——A段污泥龄；
αA——A段污泥增长系数。取0.6

在0.4~0.7之间，满足要求。
5、B段污泥龄

式中 θCB——B段污泥龄；
αB——B段污泥增长系数。取0.5

在10~25之间，满足要求。
2.5.7 需氧量
1、A段最大需氧量

式中 QA——A段最大需氧量（kg/h）；
a——需氧量系数，一般0.4~0.6；
Q——最大流量（m3/h）；
SrA——A段去除BOD浓度（kgBOD/m3）。
2、B段最大需氧量

式中 QB——B段最大需氧量（kg/h）；
a——需氧量系数，B段一般1.23；
Q——最大流量（m3/h）；
SrB——B段去除BOD浓度（kgBOD/m3）。
B——硝化需氧量系数，取4.57；
Nr——B段去除NH3—N浓度，取0。
A、B段总需氧量O为：

2.6 中间沉淀池
本次设计采用圆形辐射式沉淀池，设两座。泥斗设在池中，池底向中新社倾斜，污泥一般见刮泥机或吸泥机排除。
设计参数
1、沉淀时间：1.0~2.0h；
2、表面水力负荷：1.5~4.5m3/m2*h；
3、每人每日污泥量：0.35~0.83L/（人*d）；
4、污泥含水率：95~97%。
5、池子直径与有效深度的比值6~12m，池径不宜大于50m。
6、缓冲高度，非机械排泥时为0.5m；机械排泥时，缓冲层上缘宜高于刮泥板0.3m。
7、坡向泥斗高度不小于0.05。
2.6.1 设计计算
1、每座沉淀池表面积和池径

式中 A1——沉淀池的表面积，m2；
D1——沉淀池的直径，m；
N——池数；
Q1——表面水力负荷，m3/m2*h。
2、沉淀池有效水深

3、沉淀池污泥区容积

式中 C0，C1——分别为进水沉淀池和最终出水的SS浓度kg/m3；
P0——污泥含水率，95~97%；
P——污泥密度，kg/m3,含水率95%以上时，取1000kg/m3；

4、污泥斗的容积

污泥斗高度：
坡底落差：
5、池底的容积

因此，总储存污泥体积：
6、沉淀池总高度

式中 h1——超高，0.3m；
h2——有效水深，3.0m；
h3——缓冲高度，取0.5m；
h4——坡底落差，0.5m；
h5——污泥斗高度，1.73m。

图2.2 中间沉淀池计算简图
2.7最终沉淀池
二次沉淀池的主要作用是泥水分离，使混合液澄清、污泥浓缩和回流活性污泥。因为最终沉淀池是在活性污泥法之后，因此设计参数跟初次沉淀池不同。
设计参数
1、沉淀时间：1.5~4.0h；
2、表面水力负荷：0.5~1.5m3/m2*h；
3、每人每日污泥量：0.35~0.83L/（人*d）；
4、污泥含水率：99.2~99.6%。
5、池子直径与有效深度的比值6~12m，池径不宜大于50m。
6、缓冲高度，非机械排泥时为0.5m；机械排泥时，缓冲层上缘宜高于刮泥板0.3m。
7、坡向泥斗高度不小于0.05。
2.7.1 设计计算
1、每座沉淀池表面积和池径

式中 A2——沉淀池的表面积，m2；
D2——沉淀池的直径，m；
q——池数；
q2——表面水力负荷，m3/m2*h。
2、沉淀池有效水深

3、沉淀池污泥区容积

式中 R——污泥回流比50~100%；
Xr——污泥回流浓度mg/L；
X——混合液污泥浓度mg/L；

其中 ；
式中 SVI——污泥体积指数，70~150，本设计取120；
r——修正系数，取1.2。
4、污泥斗的容积

坡底落差：
污泥斗高度：
因此，总储存污泥体积：
6、沉淀池总高度

式中 h1——超高，0.3m；
h2——有效水深，4.5m；
h3——缓冲高度，取0.6m；
h4——坡底落差，0.5m；
h5——污泥斗高度，1.37m。

图2.3 最终沉淀池计算简图
2.7消毒设备
城市污水经过二级处理后，水质已经改进，但细菌值会超标。根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918— 规定，深度处理的再生水必须进行消毒。
污水消毒的主要方法是向污水中投入消毒剂。当前污水消毒剂有液氯、臭氧、次氯酸钠、紫外线等。本设计采用次氯酸钠消毒。
设计参数
接触池的接触时间T不应该小于30min，沉降速度采用1~1.3mm/s。保证余氯不小于0.5mg/L。
1、加氯量

式中 a——加氯量
2、接触池时间要求计算消毒池有效容积V

3、消毒池的平面布置
消毒池分为3格；
有效水深为H=3米；
消毒池池长L=25m，每格宽为6m。
4、校核消毒池实际有效容积

3 污泥处理计算
3.1浓缩池
污泥中含有大量的水分。初次沉淀污泥含水率95%~97%，剩余活性污泥高达99%以上。因此污泥的体积大，对后续的处理造成困难。经过浓缩池减少污泥的体积，污泥浓缩池目的在于减容。本次设计采用重力浓缩。
重力浓缩是利用污泥中固体颗粒与水之间的相对密度差来实现污泥浓缩，一般含水率可由96%~98.5%降至93%~96%。。对于没有除磷要求的污水厂比较合适。
设计参数：
1、污泥固体负荷采用30kg/(m2d)~60kg/(m2d)；
2、浓缩时间不小于12h；
3、浓缩池的有效水深宜为4米。
4、污泥室容积和排泥时间，两次排泥的时间一般为8h。
5、采用栅条浓缩机是，其外缘线速度一般为1~2m/min，池底向泥斗的坡度不宜小于0.05。
3.1.1浓缩池计算
1、重力浓缩池面积计算

式中 A——浓缩池总面积，m2；
W——湿泥污泥量（m3/d）；
C——污泥固体浓度，g/L；
M——浓缩池污泥固体负荷，kg/(m2d)。

设计两组浓缩池，。
2、浓缩池直径

3、浓缩池工作高度

式中 ——浓缩池工作部分高度，m；
T——设计浓缩时间，h。

4、浓缩池总高度

式中 h1——浓缩池工作部分高度，0.3m；
h2——有效水深，4 m；
h3——缓冲高度，取0.6m；
h4——超高，0.3m；

5、浓缩后污泥量

式中 ——进泥含水率，%；
——进泥含水率，%。

3.2污泥消化池
从污水处理厂排出的污泥，含有大量的有机物，细菌，病原体等有机污染物，易污染，不利于运输和处理，而浓缩、脱水不能去除的污染物，因此在污泥处理前要进行稳定化处理。污泥的消化就是进一步的减少污泥中的污染物。
本次设计采用厌氧消化，厌氧消化食利用兼性菌和厌氧菌进行厌氧生化处理的工艺。污泥经过处理，能够降解当中的有机物。进一步减少水和固体，经过处理更容易脱水。
单级厌氧消化池污泥温度应保持33~35℃，为中温消化。
设计参数
1、设计温度：中温消化温度33~35℃，
2、消化时间：中温消化20~30d（投配率3.3%~5%），
3、有机负荷：对于重力浓缩后的污泥，相对应的厌氧消化池挥发性固体容积宜采用0.6~1.5kgVSS/(m3·d)。°
3.2.1消化池设计计算
1、消化池的容积

式中 W——湿泥污泥量（m3/d）；
——消化池座数；
——投配率，3.3%~5%。
设计中，投配率采用5%，设计4座消化池，污泥量由前面可知684 m3/d。

2、各部分尺寸
（1）消化池直径D采用20m。
（2）集气罩直径d1一般采用1~2m，设计用2m。
（3）池底圆锥直径d2一般采用0.5~5m，设计用2m。
（4）集气罩高度h1一般采用1~2m，设计用2m。
（5）消化池柱体高度h3应大于D/2=10m，用11m。
3、上椎体高度

式中 ——消化池直径（m）；
——集气罩直径（m）；
——消化池斜顶与水平的倾角，15°~30°

4、下椎体高度

式中 ——消化池直径（m）；
——池底直径（m）；
——消化池斜顶与水平的倾角，5°~15°

5、总高度

3.2.2消化池的有效容积
1、集气罩容积

2、弓形部分容积

3、圆柱体部分容积

4、下椎体的容积

5、消化池的实际有效容积

有效容积3640m3>3420m3，符合设计要求。

图2.4 消化池计算简图
3.3污泥脱水装置
污泥经过脱水处理可进一步减少体积，含水率能降到70%~80%，其体积为原来的1/10~1/5，有利于后期运输和处理。
本设计才有离心机脱水，运行成本比较低，投资成本也比较低，适合用在大、中型污水处理厂。
进泥量：
选三台离心脱水机进行工作，其中有一台是备用。脱水后的污泥，进行自然干化，之后运走处理。

4 高程布置计算
4.1高程布置原则 
1、保证处理水在常年绝大多数时间里能自流排放水体，同时考虑污水厂扩建时的预留储备水头。 
2、应考虑某一构筑物发生故障，其余构筑物须担负全部流量的情况，还应考虑管路的迂回，阻力增大的可能。因此，必须留有充分的余地。 
3、处理构筑物避免跌水等浪费水头的现象，充分利用地形高差，实现自流。
4、在仔细计算预留余量的前提下，全部水头损失及原污水提升泵站的全扬程都应力求缩小。
5、应考虑土方平衡，并考虑有利排水。
4.2污水污泥处理系统高程布置
污水污泥处理系统高程布置见附录图1。
4.3每个污水构筑物的高程和水头损失
表4.1 构筑物高程和水头损失
构筑物
构筑物底部高程（m）
水头损失（m）
格栅
-1.185
0.25
提升泵站
-4.5
4.5
曝气沉砂池
-1.82
0.25
A段曝气池
-2.5
0.5
中间沉淀池
-4.03
0.6
B段曝气池
-2.5
0.5
最终沉淀池
-5.1
0.6
消化池
-3.6
0.3

附 录

图1 污水处理厂平面图

图2 污水处理厂高程图

参 考 文 献
[1] 龙腾锐 何强 排水工程[M] ．北京：中国建筑工业出版社， ．
[2] 李圭白 张杰 水质工程学（下册）[M] ．北京：中国建筑工业出版社， ．
[3] 给水排水设计手册（5.城镇排水）[M] ．北京：中国建筑工业出版社， ．
[4] 王社平 高俊发 污水处理厂工业设计手册 [M] ．北京：中国建筑工业出版社， ．