人工湿地工艺处理某高校生活污水工艺设计工艺设计.docx

SBR+人工湿地工艺处理某高校生活污水工艺设计主要内容：高校是人口聚集十分密集的地点,其生活污水主要来自于学生宿舍,这种生活污水不同于一般的城市居民生活污水,排放量大且污水水质较好,有利于回收。在高校中实行中水回用,具有优质中水水源收集量大且排放点集中,易于收集的优势。可是实际上,高校生活污水回收使用率相当的低。此设计将针对高校生活污水最大效率的回收利用做出合理的使用的技术方案。本设计的思路是：首先对对生活污水处理工艺进行综述，其次对SBR+人工湿地工艺进行设计计算，最后绘制图纸。基本要求：1）调查该高校水质水量问题及环境对它的影响2）熟悉相关法规、国标3）掌握工艺设计计算方法4）能熟练运用CAD制图软件绘制图形主要参考资料：1马同森，李德亮.环境科学引论M.中国文史出版社，2004：692梁平.高校生活污水处理的现状及对策J.安全与环境化工之友，2007(15)：263王伟，陶京朝.基于土壤处理法的校园污水处理的研究J.中原工学院学报，2009：63-694徐驰，浅谈城市生活污水处理发展现状和工艺J，江西农业学报，2010，22 (1)：160-1625PENG Y., LI Y. 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This design is for these sewage treatment, and its just a preliminary design. Without regard to long-term development, school discharges 1812 m3/d domestic sewage. The indicators in raw sewage:BOD concentration is 121mg/L, COD concentration is 212mg/L, SS concentration is 300 mg/L. Because of the large amount of sewage, and water concentration, if it discharges without a great deal, it can cause environmental pollution. So it calles for the treated of the effluent to meet strict standards for urban miscellaneous water quality , namely: BOD 10 mg/L, COD 50 mg/L, SS 30mg/L. This paper analyzes the sewage generated in daily part of life, the pollution and the major pollution sources. Also considers from the biological and soil treatment two sewage treatment process and proposes a combination processes of SBR and wetland. It can make the effluent water meet the standard.The design process:Sewage sedimentation tank grid SBR reactor sewage lifting wetland treated water reactor effluent waterThe process is a simple and compact structure, and its operation is flexible its control is shock load, and has a small amount of sludge. Practice shows that the combined process has a reliable performance, a few investment, and a simple of operation and management. It also provides a feasible way for life sewage treatment, which has good economic, environmental and social benefits.KEY WORDS live sewage, SBR, wetland1 绪论1.1 高校生活污水回用的必要性与重要性我国水资源形势是比较严峻的。尽管我国有许多河流、湖泊和水库，总水面积约1.67108，年均径流量2.81012m3，居世界第6位，但人均仅约2400 m3，不到世界人均值的1/4，相当于美国的1/5，前苏联的1/7，加拿大的1/48，世界排名110位，别列为全球13个人均水资源贫乏国家之一。特别是我国水资源分布极不平衡，长江以南地区降水充沛，水资源丰富，而北方广大地区降水时间集中，水资源匮乏，在一定程度上已经成为经济建设和人民生活水平提高的制约因素。如北京市的水资源人均已降至260 m3，若加上流动人口，已经低于世界最缺水的以色列。据有关资料，目前全国城市中有400多个城市缺水，年缺水量达7109m3，严重制约了我国的经济发展和生活用水1。扩大水资源，节约用水，势在必行。高校是人口聚集十分密集的地点, 其生活污水主要来自于澡堂，游泳馆及学生宿舍，排放量大且污水水质较好，有利于回收。在高校中实行中水回用，具有优质中水水源收集量大且排放点集中，易于收集的优势2,3。高校污水处理系统的工艺原理与城市大型污水处理厂完全相同，处理流程由机械处理、生化处理和污泥处理等阶段组成，其中核心处理工艺可以采用活性污泥和湿地法。近年来，通过对国外成熟技术的借鉴和国内的研究实践，高校污水处理技术得到了发展。在各大高校内建立分散型污水处理装置不仅是尽快解决生活污水处理问题的一个重要手段，也有利于处理水的就地回用。对水源丰沛的地区，防治污染，减轻管网和污水处理的压力；水资源匮乏地区提供新的“水源”。本设计的目的就是在高校人口聚集十分密集的地点,实行中水回用。此设计将针对高校生活污水提出相对合理的使用的技术方案，使其排放的水达到城市杂用水标准，满足最大效率的回收利用水资源。1.2 生活污水常用处理工艺比较生活污水常用的处理工艺比较见表1.1。表1.1 常用处理工艺比较工艺名称主要优缺点最佳使用条件A/O 工艺4优点：去除有机物的同时可生物除磷或脱氮；污泥沉降性能好；用于大型污水处理厂费用较低；沼气可回用。缺点：用于中小型污水厂费用偏高；沼气回用利用经济效益差。用于大型或较大型污水处理厂A 2/O工艺5优点：去除有机物的同时可生物脱氮除磷；出水水质很好，有利于回用；污泥经厌氧消化达到稳定；沼气可回收利用。缺点：反应池容积比A/O的还大；污泥内回流量大，能耗偏高；沼气回用经济效益差。要求脱氮除磷或消化除磷的大型和较大型污水处理厂SBR 法优点：流程上十分简单，管理方便；和建试，占地省，处理成本低；有脱氮除磷功能，处理效果较好；污泥同步稳定，不需设厌氧消化。缺点：间歇周期运行，对自控要求高；变水位运行，电耗增大；脱氮初灵效果不太高。中小型污水处理厂氧化沟法6优点：流程简单，管理方便；可生物脱氮，出水水质较好；污泥同步稳定，不需厌氧消化。缺点：除磷需另设厌氧池；分建式，且池深较小，占地面积大；污泥稳定性不好。中小型污水处理厂湿地处理优点：操作简单；运行和维护费用低；可做景观。缺点： 用地比较大。土地面积大或景观用地较多处以上工艺均是较常用的污水处理工艺，但多属于二级污水处理工艺。为了更好的处理污水，提高中水回用率，经常把两种或多种工艺结合起来，形成组合的新工艺，进行污水处理。根据本设计的目的和实际情况本设计采用适于中小型的工艺简单的SBR工艺和可做景观的湿地处理工艺的结合。2 污水水源、水质特点及工艺流程2.1 该高校污水水源及水质特点2.1.1 污水水源及供给对象回收利用水资源并不是单纯地收集、处理校内产生的所有污水，而是根据满足高校内杂用水对水质和水量的要求而有选择地收集水质相对较好、污染物简单、污水量较大的污水来处理。学生宿舍用水是主要的建筑用水，其用水量占到高校总用水量的 40 %。学生宿舍卫生间的洗涤污水用水量大，且较容易处理，在选择污水水源时，应首选学生宿舍卫生间的洗涤污水作为收取对象；浴室污水属于优质杂排水，是较优的污水处理水源，收集量也较大，也可作为污水处理的水源。这两类污水处理后的出水水质完全可以满足校园绿化灌溉、道路冲洗及景观湖水补充等方面的用水要求。厕所污水和食堂污水的水质较差，且难处理；实验室产生的污水组成情况较复杂，处理成本高，因此这两类污水不考虑回收利用。2.1.2 水质水量特点易于回收利用的污水，即本设计针对的污水水质特点见表2.1：表2.1 校园水质及观赏类景观用水水质标准表项目原水水质城市杂用水水质标准COD/mgL-121250BOD5/mgL-112110NH3-N/mgL-115.720PH6.58.56.59.0TP/mgL-160.5TN/mgL-125-SS30020建筑物的功能是学生宿舍，根据建筑给水排水设计规范（GBJ15-88，1997年版）和实际情况，确定建筑物的给水定额，按90%计算排水量，计算知，废水处理设计日处理量Q=1812m3/d，小时处理量q=90.6 m3/h。2.2 工艺流程根据该高校的水质水量特点及出水要求，本设计选用SBR和人工湿地工艺组合来设计污水处理工程，其工艺流程如下：图2.1 生活污水工艺流程图生活污水通过集水管道进入排水渠道。经格栅去除部分大的悬浮物，以改善后续生物处理构筑物的运行条件。渠道出水，进入调节池，用于调节水量。调节池出水，通过水泵进入SBR 池。进行污水二级处理。在组合工艺中，SBR池相当于人工湿地的预处理池，它可以去除大部分的悬浮物、有机物、和部分总氮，总磷，减轻后续人工湿地的处理负荷。SBR池的上清液通过清水泵进入人工湿地。人工湿地主要去除总氮、总磷和剩余的部分有机物和悬浮物。要求人工湿地出水能够达到出水水质标准。3 SBR+人工湿地污水处理系统概述3.1 SBR 工艺概述SBR 法是序批式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor)的简称，又名间歇曝气，其主体构筑物是 SBR 反应池。污水在这个反应池中完成反应、沉淀、排水及排除剩余污泥等工序，使处理过程大为简化7。3.1.1 SBR去污机理SBR 工艺的一个完整的操作过程，包括如下四个阶段:进水、反应、沉淀、出水，如图3.1所示， 图3.1 SBR运行操作工序示意图 进水期进水期是反应池接纳污水的过程。进水所需的时间随处理规模和反应器容积的大小及被处理污水的水质而定。在向反应器充水的初期，反应器内液相的污染物浓度是不大的，但随着污水的不断投入，污染物的浓度将随之不断提高。在污水投加过程中，SBR反应器内存在着污染物的混合和被活性污泥吸附、吸收和氧化等作用。随着液相污染物浓度的不断提高，这种吸附、吸收和氧化作用也随之加快。如果在进水阶段向反应器中投入的污染物数量不大或污水中的污染物浓度较低，则所投入的污染物能被及时吸附、吸收和氧化降解，整个运行过程将是稳态的，但在SBR工艺的实际运行过程中很少会出现这种情况。由于在SBR工艺中，污水向反应器的投入时间一般是比较短的，在充水时间里单位时间内部反应器投入的污染物数量比连续式活性污泥法大，投入速度大于活性污泥的吸附、吸收和生物氧化降解速度，从而造成污染物在混合液中的积累。为克服有毒污染物对处理过程的影响或污染物积累过多而造成对后续的反应过程产生不利的影响，应注意控制充水时间的长短。即污水浓度越高，污染物毒性越大，其相应的充水时间应较长些，以防止对活性污泥微生物的抑制作用。 反应期反应期是在进水期结束后或SBR反应器充满水后，进行曝气或搅拌以达到对有机污染物进行生物降解的处理目的。在SBR反应器的运行过程中，随反应器内反应时间的延续，基质浓度由高到低，微生物经历了对数生长期、减速生长期和衰减期，其降解有机物的速率也相应地由零级反应向一级反应过渡。反应器中的生物柑较复杂，微生物的种类繁多，它们交互作用，强化了工艺的处理效能。从反应效率角度分析，SBR反应器是一种理想的时间序列推流式反应器。反应器在停止进水后，通过搅拌或曝气使微生物对有机物进行生物降解。因而在反应器内存在一个污染物的浓度梯度：F/M梯度。F/M是按时间序列变化的。另外，对于整个处理系统而言。SBR处理工艺则是严格地按推流式运行的。上一个运行周期内进入反应器的污水与下一个运行周期内进入反应器的污水是互不相混的，即是按序批的方式进行反应的。因而 SBR 处理工艺是一种运行周期内完全混合、运行周期间序批推流的理想处理工艺。这种技术使得其对污染物质有优良的处理效果且具有良好的抗冲击负荷和防止活性污泥膨胀的性能。通过改变进水和反应阶段的长短和其间环境条件(好氧、厌氧、缺氧)，就可以使系统灵活运行，就可以模拟多种复杂的连续流反应器系统。 沉淀期沉淀工序相当于传统活性污泥法的二沉池，在停止曝气和搅拌后，活性污泥絮体经重力沉降和上清液分离。SBR反应器本身作为沉淀池，避免了在连续流活性污泥法中泥水混合液必须经过管道流入沉淀池沉淀的过程，从而也避免了使部分刚刚开始絮凝的活性污泥重新破碎的现象。此外，传统活性污泥法的二沉池是各种流向的沉降分离，而SBR工艺中污泥的沉降过程是在静止的状态下进行的，和理想沉淀池的假设条件十分相似，因而受外界的干扰甚少，具有沉降时间短、沉淀效率高的优点。 出水期经处理达到一定要求的水排出处理系统，同时反应池底部沉降的活性污泥大部分作为下个处理周期使用，剩余污泥排放。一般而言，SBR反应器中的活性污泥数量占反应器容积的30%左右。另外反应池中还剩下一部分处理水，可起循环和稀释的作用。3.1.2 SBR工艺特点SBR工艺是一种既古老又年轻的污水生物处理技术。1914年英国的Arden和 Lokett发明活性污泥法时采用的就是这种处理技术8，但由于当时的自动监控技术水平较低，间歇处理的控制十分繁琐，操作复杂且工作量大，特别是后来由于城市和工业废水处理的规模趋于大型化，使其很快被连续式活性污泥法所取代。近年来，随着工业和自动化控制技术的飞速发展，特别是监控技术的自动化程度以及污水处理厂自动化管理要求的日益提高，出现了电动阀、气动阀、定时器及微处理机等先进的监控技术产品，为 SBR 工艺的再度得到应用，提供了极为有利的先决条件。与连续流活性污泥工艺(Continuous Flow Activated Sludge Process，CFS)相比较，SBR 工艺具有以下优点9：(1)工艺流程简单，设备少，占地省。投资小，构筑物少，一般只设反应池，无需二沉池和污泥回流设备。广东省高明县明华化工公司10。采用的SBR技术，删除了初沉池和均化池，使流程大大简化。(2)SBR在静置阶段属理想静止沉淀。出水带走的活性污泥少，出水质量高。(3)SBR运行方式灵活控制，具有较强的脱氯除磷能力。(4)SBR好氧反应过程相当于反应器内有机物浓度降低是按时间变化的理想推流过程11。即生化反应推动力大，因而它能提高生化反应速率。此外，它利用时间上的推流代替空间上的推流，易于实现自动控制。(5)SBR法可以有效防止污泥膨胀。由于SBR具有理想推流式特点。反应期间反应底物浓度大、缺氧与好氧状态交替变化以及泥龄较短，都是抑制丝状菌生长的因素。(6)SBR虽然在运行稳定性上不如连续流容易控制，但是SBR利用高的循环率有效稀释进液中高浓度的难降解的或对微生物有抑制作用的有机化合物，因而具有较高的耐冲击负荷的能力。(7)由于SBR法本身的间歇运行特点，很适合处理流量变化大甚至间歇排放的中小型企业废水，既可以节省基建费用又可以灵活操作。3.2 人工湿地工艺概述3.2.1 人工湿地概念人工湿地是一种由人工建造和监督控制的，与沼泽地类似的地面，它利用与自然生态系统相似的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水的净化。这种湿地系统是在一定长宽比及底面有坡度的洼地中，由土壤和填料混合组成填料床，废水可以在床体的填料缝隙或在床体的表面流动，并在床的表面种植处理性能好，成活率高，抗水性能强，成长周期长，美观及具有经济价值的水生植物，形成一个独特的生态环境，对污水进行处理12。3.2.2 人工湿地的分类人工湿地系统因水流方式差异可分为以下3类：表面流湿地，潜流湿地和立式流湿地13,14。表面流湿地（Surface Flow Wetlands 缩写为 SFW）废水在填料表面漫流，它与自然湿地最为接近，绝大部分有机物的去除是由长在植物水下茎，杆上的生物膜来完成。这种湿地不能充分利用填料及丰富的植物根系，卫生条件亦不好，故设计中一般不采用，其构造如图3.2所示。潜流湿地（Subsurface Flow Wetlands 缩写为 SSFW）水在填料表面下渗流，因而可充分利用填料表面及根系上生物膜及其它作用处理废水，而且卫生条件较好，故被广泛采用。其构造如图3.3所示。图3.2 自由水面人工湿地图3.3 人工潜流湿地（碎石）立式流湿地（Vertical Flow Wetlands 缩写为VFW），水流流动情况综合了SFW和SSFW的特点，但建造要求高，易滋蚊蝇。人工湿地的构造绝大多数由五部分组成15,16 ： 具有各种透水性的基质，如土壤、砂、砾石； 适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物，如芦苇； 水体(在基质表面下或上流动的水)； 无脊椎或脊椎动物； 好氧或厌氧微生物种群。3.2.3 人工湿地的去污机理人工湿地对污水的处理有十分复杂的净化机理，现在仍未完全研究清楚。一般认为人工湿地对污水的处理综合了物理、化学和生物的三种作用12。其处理过程大致为：植物渗出的可溶性有机和无机物质为微生物生长提供了基质，使根际微生物的数量和活性明显高于非根际带。湿地系统成熟后，填料表面和植物根系由于大量微生物的生长而形成生物膜。废水流经生物膜时，大量的SS被填料和植物根系阻挡截留，大肠杆菌和病原体被植物根系分泌物灭活或自然衰败死亡，不溶性有机物通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程被分解去除。根系周围由于植物的运输组织和根系对氧的传递释放形成连续的好氧、缺氧和厌氧状态，相当于许多串联或并联的A2/O处理单元，不仅保证了大分子有机物的去除，而且使废水中的氮、磷被植物和微生物作为营养成份直接吸收。同时,还可以通过硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用将其从废水中去除。最后，随着湿地床填料的定期更换或栽种植物的收割使污染物最终从系统中去除。3.2.4 人工湿地的特点具有以下优点17：(1)设计合理，运行管理严格的人工湿地处理污水效果稳定、有效、可靠，出水BOD、SS等明显优于生物处理出水，可与污水三级处理媲美，具有相当的除磷脱氮能力。但是若对出水水质脱氮有更高的要求，则嫌不足。此外，它对污水中含有的重金属及难降解的有机物有较高净化能力。(2)基建投资费用低，一般为生物处理的1/3-1/4，甚至1/5。(3)能耗省，运行费用低，为生物处理的1/5-1/6；且可定期收割作物，如芦苇等是优良的造纸及器具加工原料，具有较好的经济价值，可增加收入，抵补运行费用。(4)运行操作简单，不需复杂的自控系统进行控制；机械、电气、自控设备少，设备的管理工作量也随之较少，这方面的人员也可少用。(5)对于小流量及间歇排放的污水处理较为适宜，其耐污及水力负荷强，抗冲击负荷性能好；不仅适合与生活污水处理，对耨写工业废水、农业污水、矿山酸性污水及液态污泥也具有较好的净化能力。(6)既能净化污水，又能美化景观，形成良好的生态环境，为野生动植物提供良好的生境。但也存在明显的不足17：(1)需要土地面积较大。(2)对恶劣气候条件抵御能力弱。(3)净化能力受作物生长情况的影响大。(4)蚊蝇滋生。3.3组合工艺特点SBR 与人工湿地组合工艺兼有两种水处理技术的优点。SBR抗冲击负荷强，自控程度高，操作简单；人工湿地运行成本低，维护简单；人工湿地具有生态效应，可美化环境，具有绿化功效，可与高校的景观相结合。同时，可以弥补两种技术各自的不足。可以缩短SBR系统的曝气时间，降低其能耗；人工湿地可以弥补SBR中氮磷去除功效；SBR系统可以弥补人工湿地系统冬季处理效果不佳的问题，有效防止人工湿地堵塞，减小人工湿地的占地面积。4 工艺设计计算部分4.1 格栅的设计4.1.1 格栅的作用格栅由一组平行的金属栅条或筛网制成，安装在废水渠道的进口处，用于截留较大的悬浮物或漂浮物，主要对水泵起保护作用，另外可减轻后续构筑物的处理负荷。4.1.2 设计计算平均流量Q = 1812m3/d = 0.021m3/s；设秒变化系数为1.13。则设计流量为0.024。取用中格栅，栅条间隙d = 10mm；格栅安装角度= 45，栅前流速0.7m/s ,过栅流速0.8m/s；单位栅渣量W = 0.05m3/103 m3 废水17。本设计采用人工清渣格栅。由于本设计水量较少，水质较好，故格栅直接安置于排水渠道中。(1) 渠道宽度采用矩形渠道，则根据最优水力断面公式Q设 = Bhv = B1/2Bv (4-1)计算得：B=0.26m ，h = 0.13 m 。(2) 栅条间隙数 (4-2)式中： Q 设计流量，m3/s 格栅倾角，度b 栅条间隙，mh 栅前水深，mv 过栅流速，m/s (4-3)取n=12条。(3) 过栅水头损失取k = 3 , = 1.79(栅条断面为圆形)，v = 0.8m/s ，则： (4-4)式中：K系数，水头损失增大倍数系数，与断面形状有关S格条宽度，mD栅条净隙，mmV过栅流速，m/s格栅倾角，度 (4-5)=0.089m(4) 每日栅渣量栅渣量(m3/103m3污水)，取0.10.01,粗格栅用小值，细格栅用大值，中格栅用中值取W1 = 0.05m3/103m3 K2 = 1.5 ，则：W = (4-6)式中：Q设计流量，m3/sW1栅渣量(m3/103m3污水)，取0.05m3/103m3 W = (4-7) = 0.11 m3/d 15d15d周期数N1/d4364周长数Th6846周期进水时间Th/周期4231周期反应时间Th/周期5.53.542周期沉淀时间Th/周期11周期排水时间Th/周期120.51.5池水深H m46安全高度Hm0.60.9表中反应泥龄（）4.3.3 设计计算程序开始外部条件和设定条件l 计算泥量用设计流量Qd(m3/d)l 高日高时流量 Qh(m3/h)l 进水BOD S0（mg/L）l 出水BOD Sc（mg/L）l 进水SS X0（mg/L）l 最冷月平均水温 TL（）l 最热月平均水温 TH（）l 所在地海拔高程 （m）l 曝气设备氧利用率 EA（%）选定参数l 周期数 N 按表3选定l 周长数 T 按表3选定l 一个周期进水时间 T按表3选定l 一个周期反应时间 T按表3选定l 一个周期沉淀时间 T按表3选定l 一个周期滗水时间 T按表3选定l 池数 M 按表3选定l 设计高水位 H 按表3选定l 安全高度 H按表3选定l 污泥指数 SVI 可按经验值计算l 确定好氧泥龄l 计算缺氧泥龄l 确定反应泥龄l 计算总泥龄l 计算污泥产率系数l 计算反应污泥量l 计算反应池污泥总量l 计算池容l 计算其他参数T、TD、计算需氧量、供气量l 选定含碳有机物单位耗氧量l 计算去除量l 计算需消化氨氮量 bl 计算反消化硝酸盐量 l 计算实际需氧量l 计算需氧量修正系数l 计算标准需氧量l 计算供气量l 计算单池小时供气量 （）/结束图4.1 设计计算程序图4.3.4 设计计算4.3.4.1 外部条件和设定条件设计处理水量：Q=1812 m3/d，q=75.5 m3/h，总变化系数1.93，日变化系数1.73，最冷月平均水温10，最热月平均水温25，学校海拔200m，SVI 150mL/g。进出水水质见表4.2。表4.2 SBR反应器进出口水质指标进水水质要求出水水质CODCr212mg/L60 mg/LBOD5121mg/L20 mg/LTN25mg/L18 mg/LNH4+-N15.7mg/L15 mg/LTP4mg/L3 mg/LSS150mg/L20 mg/LTP只需去除1 mg/L即可达标，通过降解BOD可去除TP1.3mg/L，故不考虑除磷。设计的本部分只要求消化，不要求脱氮，可以不设厌氧时段，但考虑到完全混合流态容易发生污泥膨胀，有必要在曝气时段前设一小段厌氧时段，起选择器作用，可视为缺氧时段。4.3.4.2 选定参数（1）周期参数 综合各方面情况，选定周期参数为：周期数 N=6（1/d）周期长 T=4h反应时段 T=2h/周期沉淀时段 T=1h/周期滗水时段 T=1h/周期实际沉淀时间T= T+T-1/6=1.83h/周期（2）池数为实现连续排水和便于配水，以2池为宜，故选定：M=2池（3）设计高水位H=5m（4）安全高度Hf=0.6m4.3.4.3 设计水量计算污泥量的设计水量按高日流量计：Qd=1.731812=3135 m3/d (4-11)高时流量：Qh=1.9375.5=146 m3/h (4-12