5万m3d城市污水主要构筑物工艺设计.docx

第一章：环境工程学课程设计任务书
（水污染控制单元构筑物工艺设计）

课程名称
环境工程学课程设计
课程编号

课程英文名称
Course Design of Environmental Engineering
课程类型
必修
所属学科
环境科学与工程
学时和学分
2周 / 2
适用专业
环境科学
大纲执笔人
方继敏
修订时间
2010年5月
先修要求
环境工程学等
1.1 课程设计基本目的
本课程设计环节是环境科学专业的主要实践环节之一。本实践环节的主要任务是熟悉环境工程学原理及水污染控制技术的基本原理和应用。通过本环节的实践，使学生掌握水处理工程单元构筑物设计的理念和方法；使学生能从整体的角度和系统的观点出发，了解环境工程水处理单元构筑物设计的过程和特点，增强其设计能力，掌握水处理设计的基本原则、方法和步骤；并通过对某一典型流程的设计计算、绘图，使学生初步具备水处理工程的设计能力，增强学生的工程观念，加深对课本知识的理解和掌握。
1.2 学习收获
1 掌握环境工程水处理单元构筑物设计的基本原则、方法和步骤；
2 了解水处理的设计规范及常用资料的查阅；
3 掌握典型水处理工艺流程的设计计算过程；
4 掌握水处理机械设备的选型及管渠系统的设计。
5 掌握对处理单元的构筑物的图纸的绘制。
1.3 内容提要与要求：
1.3.1 水处理单元构筑物工艺流程的设计计算
按照任务书的要求，完成工艺流程的选择，牢固掌握各部分处理单元的设计过程。
1.3.2 机械设备的选型
了解设备选型的方法和依据。
1.3.3 绘图
绘制某一单元构筑物的工艺图纸。
1.3.4 完成设计说明书的编写
1.4 设计基础资料：
题 目: 5万m3/d城市污水主要构筑物工艺设计
初始条件：
1.4.1、设计总水量：
污水类别为城市污水，设计水量为5万m3/d；
1.4.2 水质情况
（1）、BOD5为170mg/L；
（2）、TN为20mg/L；
（3）、TP为2.5mg/L。
1.4.3 出水情况
出水标准按照国家标准（GB18918-2002）中的一级B的标准:
（1）、BOD5最大为20mg/L；
（2）、TN最大为20mg/L；
（3）、TP最大为1.0 mg/L。

第二章：设计说明书
该城市污水处理厂主要是用于处理区内生活污水。
由于各个企业都具有不定量不定时排放废水，并且水质变化很大，污水厂所处理的废水水量波动都较大，根据这一特征，可见对污水必须进行较好的预处理，活性污泥法的处理效果较好，所以污水厂的主要工艺流程设计为：
缓冲池
格栅
沉砂池
氧化沟
沉淀池
混凝絮凝池
气浮池
污泥缓存池
污泥浓缩池
污泥脱水间
污泥回流池
出水调节池
排海

1. 污水厂的工业废水与生活污水分流进入，由于工业废水不含大的垃圾，进水处不设格栅，格栅只是设在生活污水进水处，对生活污水进行预处理。
2．由于采用的是活性污泥法，水质水量的不稳定都会对活性污泥造成冲击，影响处理能力，所以对于废水的预处理就至关重要，而缓冲池－均化池－配水中和池就是这个重要环节。在流程之首就为各个工业用户配有专门的独立的一级缓冲池，而二级缓冲池将对几个用户进行混合，在二级缓冲池中配有在线测毒仪（TOXIMETER）,它是模拟生化池的生物发应器，进行对混合废水的毒性在线监测，若检测到二级缓冲池的水质不符合设计的出水水质（将可能造成抑制或毒害活性污泥），池中的水将会切换到事故池中，另有一台测毒仪将对每个用户的水质进行调查，找出造成毒性的根源后，将根源的废水切换至事故池进行缓存。在事故池的超标废水将进行曝气处理，并将按一定的比例与生活污水一起排放到均化池中。
进水仪表间主要设备：
在线测毒仪：3台
采样泵：5台，分别为 功率1.1KW，流量110~650L/h，压力2Pa
功率0.55KW，流量5~35L/h，压力2Pa （2台）
功率0.55KW，流量10~50L/h，压力2Pa （2台）
事故池主要设备：
输送泵：：2台（1备一用），能力200m3/h，功率7.5KW，压力0.6Pa
3．全部二级缓冲池的出水将汇集在均化池中进行充分的混合，另外还有生活污水直接排放在这。均化池具有4台潜水搅拌器，并还有4台水射器，其目的在于使池中的废水具有一定的溶解氧，避免硫酸盐（SO4-）还原成硫化物，可以避免对生化池的影响和对设备的腐蚀。
主要设备：
潜水泵：2台（1备一用），能力548m3/h，功率22KW，压力0.8Pa
潜水搅拌器：4台，功率13KW
水力射流器：4台，功率13.5KW
4．配水中和池将对均化池的出水进行中和（采用98％的H2SO4，30％的NaOH），使出水的PH值在7-9之间。
主要设备：搅拌机(1台，11KW)
　 5．生化池采用阶段曝气式活性污泥法（曝气系统是表曝机）使用了二廊道设计，在池中不同地方设置了三个在线溶氧仪，对池中水的DO值进行监测，并控制六台表曝机的运行时间（保持DO值在2－4mg/l范围内）。
主要设备：
潜水搅拌器：6台，功率13KW
表面曝气机：6台，功率35KW
　　 6．二沉池为中心进水辐流式，刮泥桥的转速为60r/h，沉淀下的污泥先收集在污泥回流井中，剩余的污泥将进入污泥缓存池。
主要设备：
桥驱动：1台，功率0.37KW
污泥回流泵：2台（1备1用），能力548 m3/h，功率22KW，扬程10m
排污泵：2台（1备1用），能力25 m3/h，功率1.7KW，扬程12m
7．混凝絮凝池分为两个相连的池子，废水先经过混凝池，进行快速搅拌，投加FeCl3作为混凝剂使油滴，胶体和悬浮固体脱稳产生小矾花，再进入絮凝池进行低速搅拌，添加PAM（聚丙烯酰胺）将矾花聚集较大的牢固的矾花。
主要设备：
搅拌机：3台，功率分别为0.37 KW，1.5 KW，5.5 KW
8．气浮的主要设备有空气干燥机，空压机，压力溶气罐，竖流式气浮池。溶气罐的运行压力为5×105Pa，空气注入罐后在水中溶解，然后饱和空气的水通过一个释压装置送至气浮池入口，保证产生50-80微米的气泡。产生的污泥有沉淀下的污泥和浮渣，这些污泥将收集到污泥缓存池。
主要设备：
桥驱动：1台，0.37 KW
循环泵：2台（1备1用），能力170 m3/h，功率55KW，扬程6m
空压机：2台（1备1用），能力30 m3/h，额定压力1Mpa
水压力容器：1套，额定压力600Kpa，容量2000L
污泥泵：2台（1备1用），能力2～10 m3/h，功率3KW，压力2Pa
潜水排污泵：1台，23.6 m3/h，功率1.2KW，压力0.8Pa
9．污泥浓缩的目的是使污泥初步脱水、缩小污泥体积．为后续处理创造条件。浓缩脱水方法有重力沉降浓缩、上浮浓缩以及其他浓缩方法。这里使用重力浓缩—辅流式污泥浓缩池。浓缩后的污泥采用带式压滤机处理污泥，最后产生的干泥运往垃圾焚烧厂处理。
主要设备：
带式压滤机：型号：DY—1000；滤带有效宽：1000mm；滤带速度：0.8m/min；
压榨过滤面积：4.6m2；清洗水压力≥0.5MPa；产泥量：50kg/h·m
外型：5750×1856×2683mm；功率3KW
10．出水调节池可以稳定水质，保证水质达到排放标准。
第三章：城市污水处理厂主要构筑物工艺设计及计算
本设计方案的主要生产构筑物包括：格栅、涡流式沉砂池、改良式氧化沟、二沉池。
设计流量
a.日平均流量
Qd=50000m3/d≈2083.3m3/h=0.578m3/s=578L/s

b. 最大日流量
Qmax=Kz·Qd=1.34×2083.3m3/h=2791.62m3/h=0.775m3/s

3.1 格栅设计及计算
进水中格栅是污水处理厂第一道预处理设施，可去除大尺寸的漂浮物或悬浮物，以保护进水泵的正常运转，并尽量去掉那些不利于后续处理过程的杂物。
拟用回转式固液分离机。回转式固液分离机运转效果好，该设备由动力装置，机架，清洗机构及电控箱组成，动力装置采用悬挂式涡轮减速机，结构紧凑，调整维修方便，适用于生活污水预处理。
3.1.1 设计说明
栅条的断面主要根据过栅流速确定，过栅流速一般为0.6～1.0m/s，槽内流速0.5m/s左右。如果流速过大，不仅过栅水头损失增加，还可能将已截留在栅上的栅渣冲过格栅，如果流速过小，栅槽内将发生沉淀。此外，在选择格栅断面尺寸时，应注意设计过流能力只为格栅生产厂商提供的最大过流能力的80%，以留有余地。
3.1.2 具体设计

3.1.2.1粗格栅
格栅倾角资料
资 料 来 源
格 栅 倾 角
人 工 清 除
机 械 清 除
国内污水厂
一般为45°～75°
日本指针
45°～60°
70°左右
美国污水厂手册
30°～45°
40°～90°
本规范
30°～60°
60°～90°

1 设计参数：
设计流量:Q1=0.578m3/s;
过栅流速:v1=0.90m/s;
栅条宽度:s=0.01m;
格栅间隙:e=60mm;
栅前部分长度0.5m；
格栅倾角:α=60°
单位栅渣量W1=0.03m3栅渣/103m3污水
2 设计计算
（1）确定格栅前水深，根据最优水力断面公式计算得栅前槽宽，则栅前水深
（2）栅条间隙数 17（取n=18）

（3）栅槽有效宽度:B2=s（n-1）+en=0.01×(18-1)+0.06×18=1.25m
（4）进水渠道渐宽部分长度
（其中α1为进水渠展开角）
（5）栅槽与出水渠道连接处的渐窄部分长度
（6）过栅水头损失（h1）
因栅条边为矩形截面，取k=3，则
其中:
h0：计算水头损失m
k：系数，格栅受污物堵塞后，水头损失增加倍数，取k=3
j：阻力系数，与栅条断面形状有关，j=β（s/e）4/3当为矩形断面时β=2.42
（7）栅后槽总高度（H）
取栅前渠道超高h2=0.3m，则栅前槽总高度H1=h+h2=0.6+0.3=0.9m
栅后槽总高度H=h+h1+h2=0.6+0.024+0.3=0.924m
（8）格栅总长度L=L1+L2+0.5+1.0+ H1/tanα
=0.16+0.08+0.5+1.0+0.9/tan60°
=2.26m
（9）每日栅渣量:用公式W=计算，取W1=0.02m3/103m3
W=
所以宜采用机械格栅清渣
（10）计算草图如下：

3.1.2.2细格栅
1 设计参数：
设计流量:Q1=0.578m3/s;
过栅流速:v1=0.80m/s;
栅条宽度:s=0.01m;
格栅间隙:e=10mm;
栅前部分长度0.5m
格栅倾角:α=60°;
单位栅渣量W1=0.1m3栅渣/103m3污水
2．设计计算
（1）确定格栅前水深，根据最优水力断面公式计算得栅前槽宽，则栅前水深
（2）栅条间隙数 （取n=120）
设计三组格栅，每组格栅间隙数n=40条
（3）栅槽有效宽度B2=s（n-1）+ne=0.01（40-1）+0.01×40=0.79m
所以总槽宽为B=0.79×3+0.2×2＝2.77（考虑中间隔墙厚0.2m）
（4）进水渠道渐宽部分长度
（其中α1为进水渠展开角）
（5）栅槽与出水渠道连接处的渐窄部分长度
（6）过栅水头损失（h1）
因栅条边为矩形截面，取k=3，则

其中j=β（s/e）4/3
h0：计算水头损失
k：系数，格栅受污物堵塞后，水头损失增加倍数，取k=3
j：阻力系数，与栅条断面形状有关，当为矩形断面时β=2.42
（7）栅后槽总高度（H）
取栅前渠道超高h2=0.3m，则栅前槽总高度H1=h+h2=0.6+0.3=0.90m
栅后槽总高度H=h+h1+h2=0.6+0.21+0.3=1.11m
（8）格栅总长度L=L1+L2+0.5+1.0+0.77/tanα
=2.16+1.08+0.5+1.0+0.9/tan60°=5.26m
（9）每日栅渣量
W=
所以宜采用机械格栅清渣
（10）计算草图如下：

3.2 沉砂池设计及计算
目前，应用较多的沉沙池型有平流沉砂池、曝气沉砂池和钟式沉砂池。本设计中选用平流沉砂池，它具有颗粒效果较好、工作稳定、构造简单、排沙较方便等优点。

细格栅及平流式沉砂池平面图

细格栅及平流式沉砂池剖面图

已知参数 Qmax=578m3/s 停留时间t取45s。
1、长度
设v=0.25m/s
则
2、 水流断面积

3、 池总宽度
设有效水深h2=1.1m
则池宽
共分3格，每格宽b=0.7m
4、 沉砂斗所需容积
设T=2d X=0.03L/ m3

5、 每个沉砂斗容积
设每一分格有2个沉砂斗

6、 沉砂斗各部分尺寸
设斗底宽a1=0.5m,斗壁与水平面的倾角为55º，斗高h3’=0.35m
沉砂斗上口宽：
沉砂斗容积：

7、 沉砂室高度
采用重力排砂，设池底坡度为0.06，坡向砂斗。

8、 池总高度
设超高h1=0.3m

沉砂池底部的沉砂通过吸砂泵，送至砂水分力气，脱水后的清洁砂砾外运，分离出来的水回流至泵房吸水井。
沉砂池的出水通过管道送往初沉池集配水井，输水管道的管径为800mm，管内最大流速为1.15m/s。集配水井为内外套筒式结构，外径为4.0m，内径为2.0m。由沉砂池过来的输水管道直接进入内层管道，进行流量分配，通过两根管径500mm的管道送往2个初次沉淀池，管道内最大水流速度为1.02m/s。
3.3曝气池的设计及计算
3.3.1 方案技术比较及推荐方案
方案一：A2/O工艺
优点：
(1)本工艺在系统上可称为最简单的同步脱氮除磷工艺,总的水力停留时间少于其他同类工艺。
(2)在厌氧好氧交替运行条件下,丝状菌不能大量增殖,无污泥膨胀之虞,SVI值一般小于１００。
(3)污泥中含磷浓度高具有高肥效。
(4)运行时不须投药,两个A段只用搅拌，运行费用低。
缺点：
(1)除磷效果难以提高,污泥增长有一定的限度,不宜提高。
(2)脱氮效果难于提高,内循环以２Q为限。
(3)进入沉淀池的处理水要保持一定浓度的溶解氧,减少停留时间, 防止产生厌氧状态和污泥释放磷的现象出现,溶解氧浓度也不宜过高, 以防循环混合液对缺氧反应器的干扰。
方案二：厌氧池加氧化沟
优点：
(1)本工艺也是比较简单的脱氮除磷的工艺。
(2)其流态介于混合和推流之间,稀释能力强,维护管理简单,它的独特水流状态利于活性污泥的生物凝聚作用,而且可将其区分为好氧段缺氧段用以进行硝化和反硝化,取得脱氮效应。
(3)污泥负荷低,瀑气时间长,抗冲击能力强污泥量少且稳定,可不设初沉池。
(4)在氧化沟前加设厌氧池，可起到除磷作用。
(5)基建费用低于A2/O工艺。
(6) 氧化沟只有瀑气器和池中推进器维持沟内正常运行，电耗较小运行费用低。
缺点：占地面积较A2/O大
经过以上技术方案比较，再加之所知的污水的进水各污染参数，其中TN=20mg/L，符合《城市污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中的一级B中的总氮的排放标准，在污水处理中不用进行脱氮处理。综上所述可知：本设计选用方案二作为处理厂的二级处理更为合适，方便。
3.3.2 选定方案的设计及计算
1 厌氧池
（1）设计参数
设计流量：设计一组四座，则每座设计流量为Qmax=0.775/4=0.194 m3/s=194L/s
水力停留时间：2.5h
污泥浓度：3000mg/L
考虑到厌氧池与氧化沟为一个处理单元,总的水力停留时间会超过15小时,所以设计水量按最大日平均时流量考虑.
（2）设计计算
a.厌氧池容积：
b.厌氧池尺寸： 水深取为h=3.0m
则厌氧池的面积：
取厌氧池的宽为24.6m,则长为：
考虑池的超高0.3m,故池总高为：H=h+0.3=3+0.3=3.3m
c.污泥回流比计算：
由于进水BOD5=170mg/L,出水BOD5最大允许限值为20 mg/L。
故BOD5去除率为：
取污泥龄为4d，由公式可知：
有效容积:V=4285.7 m3
故每天排除污泥量： Qw==268.1 m3/d
回流比为：QR= m3/d

氧化沟
（1） 设计参数及设计说明
① 溶解性BOD去除率：
活性污泥处理系统处理水中的BOD5值是由残存的溶解性BOD5(Se)和非溶解性BOD5二者组成，而后者主要以生物污泥的残屑为主体。活性污泥的净化功能，是去除溶解性BOD5。因此从活性污泥的净化功能考虑，应将非溶解性BOD5从水的总BOD5值中减去。
处理水中非溶解性值可用下列公式求得，此公式仅适用于氧化沟（本任务已定为氧化沟）。
BOD5f=0.7×Ce×1.42(1－e-0.23×5)=0.7×20×1.42(1－e-0.23×5)=13.6mg/L
所以：处理水中溶解性BOD5为20-13.6=6.4mg/L
所以：溶解性BOD5的去除率为:η=×100％=96.24％
② 总氮TN的去除率:η=×100%=0
③ 总磷的去除率:η=×100%=60%
设计参数：
氧化沟设计为四座，按按最大日平均时流量设计，每座设计流量为194L/S,即；总泥龄：18d；
MLSS=4000mg/L
入水碱度：2000mg/L
剩余碱度：100mg/L（pH=7.2）
总氮TN硝化转化系数：
其它参数：
（2） 设计计算
a.碱度平衡计算：
由于设计的出水为20mg/L，则出水中溶解性为：

采用污泥龄18d，则日产污泥量为：

设其中有12.4%为氮,近似等于TNK中用于合成的部分为:

TNK中有用于合成。
的浓度为TNx0.8=16mg/L
需用于氧化的
碱度平衡计算：已知去除1毫克碳源BOD产生0.1毫克碱度。进水中的碱度为100mg/L。
剩余碱度

计算所得剩余碱度以计，此时需向水中投加，使碱度达到，此时可使。
b.硝化区容积计算：
硝化速度为：

故污泥龄为：
采用安全系数，故设计泥龄为
原假定污泥龄为18d，则硝化速率：
单位基质利用率：

所需总的
硝化容积：
水力停留时间：。
c.反硝化容积计算：
反硝化速度为：

还原的总量为：0
脱氮所需MLSS为0
脱氮所需池容积：为0
水力停留时间：0
d.氧化沟总容积

总水力停留时间：

e.氧化沟的尺寸
氧化沟采用四廊道式卡鲁塞尔氧化沟；
取池深3.0m，宽6.0m，超高0.8m；
则沟长：
其中好氧段长度：229.18m
弯道处长度：
单直道长度：
故氧化沟总长度：
池总宽度： （未考虑中间隔墙厚）
f.需氧量计算：
采用如下经验公式计算：

（第一项为合成污泥需氧量，第二项为活性污泥内源呼吸需氧量，第三项为硝化污泥需氧量，第四项为反硝化污泥需氧量）
经验系数：A=0.5 B=0.1
需要硝化的氧量为：

折算为 时脱氧清水的标准需氧量：
取
选用转刷曝气机，由每个氧化沟 时脱氧清水的标准需氧量为 228.00kg/h，又由氧化沟设计宽度为6.0m，选用YHG-1000/5.0型转刷曝气机, 其转刷有效长度为5.0m,取其充氧能力为:7.5kg 02/m·h，则每台转刷充氧量为：7.5×5.0=37.5 kg 02/h，则每座氧化沟共需要此种型号的转刷曝气机：228/37.5=6台，两座共需12台（含配套电机）。
YHG-1000/5.0型转刷曝气机部分技术参数：
表3-7
转刷型号
转刷直径Φ(mm)
有效长度L(m)
氧化沟宽B(m)
YHG-1000/5.0
1000
5.0
6.0
沟内水深H(m)
浸深(cm)
充氧能力kg 02/m·h
动力效率kg 02/kw·h
3.0~3.5
25~30
6.0~8.0
2.5~3.0

g.总回流污泥量：
可由下式计算得：
式中：
则：
其中回流至厌氧池污泥43%，则回流到氧化沟污泥24%。
h.剩余污泥量：

若由池底排除，二沉池排泥浓度为10mg/L，则每个氧化沟产泥量为：。
3.4 二沉池的设计及计算
该沉淀池采用中间进水，周边出水的辐流式沉淀池，设计四座二沉池，一座氧化沟对应一座二沉池。
1)设计参数：
设计进水量： （每座）
表面负荷： （手册五P231 5-10）
固体负荷： （手册五P275）
堰上负荷：
2)设计计算：
a.沉淀池面积：
表面负荷计为
按固体负荷计为
由于按固体负荷计算出所需沉淀池面积大于按表面负荷计算出结果，从安全角度考虑，以较大计算结果为设计值。
b.沉淀池尺寸计算：
由a.每座沉淀池面积，则沉淀池直径
沉淀时间取，则有效水深
c.贮泥斗容积：
为了防止磷在池中发生厌氧释放，故贮泥时间采用
所需容积：
d.污泥区高度：

e.沉淀池总高度：
超高取0.3m，缓冲层0.5m，则沉淀池总高度为：

f．出水三角堰设计计算：
采用三角堰，取过水堰水深，
则其过堰流量（每个堰）为：；
则每座二沉池需该三角堰数为：。
设过水堰水深为堰高的一半，
则堰高为：；
则每个堰口宽为：。
则总堰口宽度为：
由三角堰总周长为：，
则堰口间距总长度为：；
则每个三角堰间距为：。

第四章 总结
通过此次城市污水工艺处理设计，该类城市污水经处理后基本上能够达到国家污水排放标准，只是在计算中，NH4-N指标难以把握，再加之我的总氮指标符合一级B标准，故在脱氮工艺上会有一些简略。对于活性污泥的管理比较麻烦，虽然具有比较完善和先进的污水预处理系统，但水质变化比较频繁时，处理能力也会受到很大的影响，而且采用转刷曝气机对氧化沟进行曝气充氧时，其声音和所造成的气味也对厂区环境具有一定的影响。厌氧池加上卡鲁塞尔氧化沟对COD及BOD的去除以及脱氮除磷效果确实较好。同时采用的辐流式二沉池对于污泥的沉淀也是有很好处理效果。

第五章 致谢以及参考文献
致谢：
通过这次课程设计，我有感自己学到了很多东西，其中不仅是专业的知识与技能，更有做人的方法与态度。在此，谨向一直孜孜不倦给予我们设计指导和“德才”教育的方继敏老师表示诚挚感谢！也向耐心解答我们问题的黄敏、黄永炳老师以及给予我帮助的同学表示由衷的谢意！

参考文献：
《污水综合排放标准》 （GB8978－1996）
《城市污水处理厂污水污泥排放标准》（CJ3025－93）
《城市污水处理厂附属建筑和设备设计标准》（CJJ31－89）
《污水处理氧化沟新技术》
实际工程设计图纸
BS EN 12255-1-2002. 污水处理工厂.一般建造原则
鞠建林;吴斌;徐灏龙. 一种污水处理新工艺 中国专利:CN1429780,2003-07-16.
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我国城市污水几种处理工艺简介[J]重庆环境科学, 1999,
高廷耀 顾国维 周琪 水污染控制工程 第三版 2007
蒋展鹏 环境工程学 第二版 2005