一、设计题目
某市15万吨/日城市生活污水处理厂初步设计
二、设计任务
主要内容
1、污水水质：
BOD 200mg/L COD 420mg/L
SS 200mg/L NH3-N 30mg/L
2、出水水质：
符合《城镇污水处理厂污染物排放国家二级标准》
BOD 20mg/L COD 70mg/L
SS 30mg/L NH3-N 15mg/L
要求
1.通过阅读中外文献，调查研究收集有关资料，拟定设计方案与工艺流程；
2、选择处理构筑物并通过计算确定其尺寸（附必要的草图）。并编写设计说明书（主要应包括概述、污水处理工艺流程的确定、污水处理构筑物的设计计算与选型、构筑物一览表、总平面布置、高程计算与布置、工程概算与处理成本、环境因素分析、结束语、参考文献、外文资料翻译）
3. 绘制图纸，应包括总平面图1张、高程图1张、流程图1张、主要构筑物5张等至少8张图纸。
4. 翻译与本专业内容紧密相关的外文资料5000字以上；
三、设计的目的与意义
伴随着社会的不断发展，资源与环境问题已经成为当前人类所面临的重要问题。人民生活水平、知识结构不断提高，对生态环境的要求日益提高。国家近些年越来越重视环境保护问题，大量投资建设污水处理厂，要求污水处理后达标排放。在全国乃至世界范围内，正在兴建及待建的污水厂也日益增多。
这次设计的目的就是模拟设计一个中型的污水处理厂并根据所确定的工艺和计算结果，绘制污水处理厂总平面布置图，工艺流程图及某些主要构筑物的平剖面图。我们可以把所学过的专业课知识理论与实践结合起来，再根据毕业实习所学到的知识来设计一个污水厂。通过做设计我们能够把这几年所学过得东西综合起来，全面的考虑问题，为今后的工作打好基础。
四、目前国内外研究现状
1．关于活性污泥法
当前流行的污水处理工艺有：普通曝气法、A/O 法、A/A/O法、AB法、氧化沟法、SBR法等，另外还有比较先进的CAST法、C-TECH法，这几种工艺都是从活性污泥法派生出来的，且各有其特点。
① 普通曝气法
本工艺出现最早，至今仍有较强的生命力。普曝法处理效果好，经验多，可适应大的污水量，对于大厂可集中建污泥消化池，所产生沼气可作能源利用。传统普曝法的不足之处是只能作为常规二级处理，不具备脱氮除磷功能。
近几年在工程实践中，通过降低普通曝气池容积负荷，可以达到脱氮的目的；在普曝池前设置厌氧区，可以除磷，亦可用化学法除磷。采用普通曝气法去除BOD5，在池型上有多种形式，工程上称为普通曝气法的变法，亦可统称为普通曝气法。
② A/A/O法(Anaerobic—Anoxic—Oxic)
由于对城市污水处理的出水有去除氮和磷的要求，故国内10年前开发此厌氧—缺氧—好氧组成的工艺。利用生物处理法脱氮除磷，可获得优质出水，是一种深度二级处理工艺。A/A/O法的可同步除磷脱氮机制由两部分组成：一是除磷，污水中的磷在厌氧状态下(DO<0.3mg/L)，释放出聚磷菌，在好氧状况下又将其更多吸收，以剩余污泥的形式排出系统。二是脱氮，缺氧段要控制DO<0.7 mg/L，由于兼氧脱氮菌的作用，利用水中BOD作为氢供给体(有机碳源)，将来自好氧池混合液中的硝酸盐及亚硝酸盐还原成氮气逸入大气，达到脱氮的目的。
为有效脱氮除磷，对一般的城市污水，COD/TN为3.5～7.0(完全脱氮COD/TN>12.5)，BOD/TN为1.5～3.5，COD/TP为30～60，BOD/TP为16～40(一般应＞20)。若降低污泥浓度、压缩污泥龄、控制硝化，BOD5和COD为主，则可用A/O 工艺。
③氧化沟法
本工艺50年代初期发展形成，因其构造简单，易于管理，很快得到推广，且不断创新，有发展前景和竞争力，当前可谓热门工艺。氧化沟在应用中发展为多种形式，比较有代表性的有：
帕式(Passveer)简称单沟式，表面曝气采用转刷曝气，水深一般在2.5～3.5m，转刷动力效率1.6～1.8kgO2/(kW·h)。
奥式(Orbal)简称同心圆式，应用上多为椭圆形的三环道组成，三个环道用不同的DO(如外环为0，中环为1，内环为2)，有利于脱氮除磷。采用转碟曝气，水深一般在4.0～4.5m，动力效率与转刷接近，现已在山东潍坊、北京黄村和合肥王小郢的城市污水处理厂应用。
卡式(Carrousel)简称循环折流式，采用倒伞形叶轮曝气，从工艺运行来看，水深一般在3.0m左右，但污泥易于沉积，其原因是供氧与流速有矛盾。
三沟式氧化沟(T型氧化沟)，此种型式由三池组成，中间作曝气池，左右两池兼作沉淀池和曝气池。T型氧化沟构造简单，处理效果不错，但其采用转刷曝气，水深浅，占地面积大，复杂的控制仪表增加了运行管理的难度。不设厌氧池，不具备除磷功能。
⑤ SBR法(Sequencing Batch Reactor)
SBR法早在20世纪初已开发，由于人工管理繁琐未予推广。此法集进水、曝气、沉淀、出水在一座池子中完成，常由四个或三个池子构成一组，轮流运转，一池一池地间歇运行，故称序批式活性污泥法。现在又开发出一些连续进水连续出水的改良性SBR工艺，如ICEAS法、CASS法、IDEA法等。
这种一体化工艺的特点是工艺简单，由于只有一个反应池，不需二沉池、回流污泥及设备，一般情况下不设调节池，多数情况下可省去初沉池，故节省占地和投资，耐冲击负荷且运行方式灵活，可以从时间上安排曝气、缺氧和厌氧的不同状态，实现除磷脱氮的目的。
2. 生物处理法的新进展
生物处理法是目前研究得较多、新技术层出不穷的方法，无论是好氧生物处理技术，还是厌氧生物处理技术都引起了研究人员的极大兴趣。因为用生物法利用的是微生物的新陈代谢作用，以污染物质为食料，将其代谢成诸如CO2、H2O、NH3、SO2等稳定的小分子，它的二次污染小，对处理生活污水及与之性质相近的有机污水有其独特的优势。
生物处理法自从问世以来，其技术已获得了极大的发展，随着人们生活水平的日益提高，生活污水中的成也日益复杂，因此用生物处理方法的目的也从以前能处理降解蛋白质、脂肪、碳水化合物等一类物质增加到也能处理合成洗涤剂、脱氮、脱磷及其它一些难降解的复杂有机物。
这也就必然要求人们改革工艺，过去由于厌氧生物处理的效率不尽人意， 处理时间也较慢，所以未引起人们的重视，仅仅用来处理污泥或高浓度有机污水的预处理，但现在由于能源紧张，厌氧生物处理由于能产生能源物质—甲烷而越来越引起人们的青睐，由此也出现了许多新的工艺。
(1) 活性污泥法的新发展
到目前为止，对活性污泥法在运行方式上还没有大的突破，往往所作的是一些局部的改进，但在曝气方式上确取得了较大的成果，如纯氧曝气、深井曝气、射流曝气，采用微气泡扩散器等，这些都增大了氧转移率、提高了氧的利用率使曝气池中氧的浓度增加。
如美日等国研制出的一种超微气泡扩散器,气泡直径50Lm，氧吸收率达90% ，Reid Engineering Company of Frederick 等研制的氧化沟下表面曝气也是一种曝气方式的改进，把冲刷曝气(Brush Aeration)改进透平曝气(Turbine Aeration)避免了产生气溶胶、飞溅、结冰等问题。
活性污泥法的另一个发展趋势就是朝多功能方向发展，采用的方法有：培养驯化专用细菌，使活性污泥处理对象不局限于生活污水，还可以处理如酚一类难降解的有毒有机物，甚至驯化可以处理像氰一类有剧毒的无机物；把活性污泥与其它处理方法结合起来，如活性炭—活性污泥法，它实际上是一种以活性污泥法形式的活性炭吸附、生物氧化法的综合处理法；固定活性污泥法是提供微生物附着的表面，如合成纤维、塑料、细沙、粘土焦炭等，使曝气池同时存在附着相和悬浮相的生物；这些都提高了活性污泥的净化效率，提高了抗有毒物质等冲击负荷的能力， 还具有脱色、脱氮、削减泡沫的效果。国外已用于合成纤维、化工印染、炼油、炼焦等工业生产的污水处理；活性污泥法与厌氧工艺结合来脱氮、脱磷等，最典型的工艺是A/O(anaerobic/oxic) 流程。活性污泥法还可和化学法结合，提高净化多氯联苯、有机磷的去除效果。
(2) 生物膜处理法的新进展
生物膜法最早出现的工艺是1893年在英国出现的将污水喷撒在粗滤料上而得以净化的普通生物滤池，它是最早出现而至今仍在不断改进和发展的人工生物处理设备。在它的基础上，出现了高负荷生物滤池、塔式生物滤池、生物转盘和生物接触氧化等。
近二三十年来，又出现了一些新型的生物膜法处理技术，如生物流化床，它是以砂、焦炭、活性炭等颗粒材料作为载体，其载体表面附着生长着生物膜，充氧后的污水以一定流速自下而上流动使载处于流化状态，载体上的生物膜可以充分地和污水接触，使净化效率提高，它的工艺有空气流床、纯氧流动床、三相流化床和厌氧兼型流化床工艺等。
活性生物滤池是将生物滤池、曝气池及二沉池结合为一体的新型污水处理工艺，它的特点是将生物滤池的部分出水回流汇同二沉池的回流污泥一起进入生物滤池，用活性生物滤池处理生活污水和食品加工废水的试验结果表明：该系统具有处理效果好、效率高、BOD 容积负荷大、不发生污泥膨胀和耐冲击负荷等优点。另外还有空气驱动的生物转盘、生物转盘和曝气池相结合、藻类转盘等。
由于生物膜法的生态环境与活性污泥法的不同，生物膜法生态系统中可以生长藻类、后生动物等,甚至可以生长硝化菌及反硝化菌等,因此可以用来脱氮等。
(3) 厌氧生物处理法的新发展
厌氧生物处理法也有一百多年的历史，它是利用厌氧微生物在无氧的条件下对有机物进行分解的技术。由于处理效率低、速度慢、且甲烷菌对环境要求严格不易控制等缺点， 厌氧生物处理法长期以来一般仅用于污泥处理,它的主要工艺是化粪池、消化池等。
但是由于近年来能源危机及环境污染加重，厌氧生物处理由于其产物具有能源物质而得到人们的重视,一大批新的厌氧生物处理法技术相继诞生，为了提高厌氧微生物的浓度，有使厌氧微生物附着在载体表面的厌氧生物膜处理方法如厌氧生物滤池、厌氧转盘、厌氧膨胀床、厌氧接触氧化、厌氧档板反应器、厌氧流化床法，以及像上流式厌氧污泥床反应器(UASB)依靠微生物之间凝聚造粒而形成的自己固定法方法。
还有人为地固定微生物包埋固定化法，它是人为地把增殖速度缓慢的厌氧微生物高浓度地保持在处理系统中,提高处理速度、缩小处理设备并可用于处理低浓度的有机污水。如日本本田等人1988 年采用包埋固定厌氧微生物处理TOC为150mg/L的人工配水，TOC的去除率可达95%以上。
在厌氧处理中，甲烷的增殖速度慢成为产气的决定步骤，因此为了保持甲烷发酵中高浓度的微生物，出现了利用膜的固液分离法，如柏分等人1988年利用超滤膜(UF)进行甲烷发酵试验，结果表明：提高了反应器内甲烷的浓度，TOC 的容积负荷为2mg/L·d，其去除率可达98.4%以上。
厌氧生物处理法目前的发展趋势是和其它生物处理方法联用， 如厌氧—好氧复合工艺等，具有节约投资、节省能源、污泥产量少、出水水质好等一系列优点。厌氧生物处理法正朝着能处理低浓度有机污水，能够脱磷脱氮且运行维护方便经济等方面发展。
3．活性污泥工艺的发展趋势
通过几十年的研究与实践，活性污泥工艺已经成为一种比较完善的工艺。在池形、运行方式、曝气方式、载体等方面已经很难有较大的发展。用常规手段也已经很难在生物学方面有所突破。有学者认为该工艺未来两个大的方向是膜分离技术和分子生物学技术的应用。
(1) 膜分离技术的应用
用膜分离代替沉淀进行泥水分离，可带来活性污泥工艺的以下变化：
①不再存在污泥膨胀问题。在调控活性污泥系统时，不必再考虑污泥的沉降性能问题，从而使工艺控制大大简化；
②曝气池的污泥浓度将大大提高(MLSS可以大于20000mg/L)从而使系统可在超大泥龄、超低负荷状态下运行，充分满足去除各种污染物质的需要；
③在同样的处理要求下，可使曝气池容积大大减小，节省处理厂的占地面积；
④污泥浓度的提高，将要求较高的曝气速率，因而纯氧曝气将随着膜分离而被大量采用。
(2) 分子生物技术的应用
目前分子生物技术已开始应用于污水处理领域。为搞清聚磷菌除磷的生化机理，已开始用分子诊断技术获取聚磷菌的遗传信息。现在从活性污泥中已发现的30多种丝状菌中，只有4种准确命名及生物分类学定位，因为这些丝状菌大部分无法进行分离纯培养。目前正用分子诊断技术进行这些丝状菌的生物学定位，以进一步准确了解其特性。
分子诊断技术的大量应用，活性污泥微生物基因库的建立，在此基础上用基因技术培育具有高效活性的污泥菌种，进一步提高处理效果，是未来发展的方向。
五、设计的方案论证
按《城市污水处理和污染防治技术政策》要求推荐，20万t/d规模大型污水厂一般采用常规活性污泥法工艺,10-20万t/d 污水厂可以采用常规活性污泥法、氧化沟、SBR、AB 法等工艺，小型污水厂还可以采用生物滤池、水解好氧法工艺等。对脱磷或脱氮有要求的城市，应采用二级强化处理，如
工艺，A/O工艺，SBR 及其改良工艺，氧化沟工艺，以及水解好氧工艺，生物滤池工艺等。
本项目污水处理的特点：污水以有机污染物为主，BOD/COD=0.48，可生化性较好，采用生化处理最为经济。BOD/TN＞3.0,COD/TN＞7,满足反硝化需求；若BOD/TN＞5，氮去除率大于60%。由于本设计要求脱氮，且水质较好，处理量较大，所以可选工艺主要有氧化沟、SBR、A/O工艺。
根据当地的自然条件（包括地形、气候、水资源），污水水量及其变化动态，运行管理与施工，并参考典型的工艺流程和各种生物处理法的优缺点及使用条件，本设计选A/O工艺，论证如下。
5.1氧化沟
氧化沟出水水质好，一般情况下，BOD去除率可达95%～99%，脱氮率达90%左右，除磷效率达50%左右；一般的出水水质为BOD﹦0～15mg/L；SS﹦0～1020mg/L
运行费用较常规活性污泥法低30%～50%，基建费用较常规活性污泥法低40%～60%。采用氧化沟处理污水时，可不设初次沉淀池。
由于氧化沟采用的污泥龄很长，剩余污泥量较一般的活性污泥法少的多，而且已经得到好氧硝化的稳定，因而不再需要硝化处理，可在浓缩、脱水后加以利用或最后处置。
5.2 SBR工艺
SBR工艺法具有以下几个特征。
(1)可省去初沉池、二沉池和污泥回流设备等，与标准活性污泥法比较，设备构成简单，布置紧凑，基建和运行费用低，维护管理方便。
(2)大多数情况下，不需要设置流量调节池。
(3)污水分离沉淀是在或在接近静止状态下进行的，因此固液分离稳定。
(4)不易产生污泥膨胀。
(5)在反应器的一个运行周期中，能够设立厌氧、好氧条件，实现生物脱氮、除磷的目的；即使在没有设立厌氧段的情况下，在沉淀和排出工序中，由于溶解氧浓度低，也会产生一定的脱氮作用。
(6)加深池深时，与同样的BOD-SS负荷的其他方式相比较，占地面积小。
(7)耐冲击负荷，处理有毒或高浓度有机废水的能力强。
(8)理想的推流过程使生化反应推力大，效率高。
(9)SBR法中微生物的RNA含量是标准污泥法中的3～4倍，故SBR法处理有机物效率高。
(10)SBR法系统本身适用于组件式构造方法，有利于废水处理厂的扩建与改造。
每个池子都需要设曝气和输配水系统，采用滗水器及控制系统，间歇排水水头损失大，池容的利用率不理想，因此，一般来说并不太适用于大规模的城市污水处理厂 。
5.3 A/O工艺
A1/O法脱氮是于20世纪80年代初期开创的工艺流程，又称“前置式反硝化生物脱氮系统”，这是目前采用较为广泛的一种脱氮工艺。A/O工艺由缺氧段与好氧段两部分组成，两端可分建，也可合建于一个反应器中，但中间用隔板隔开。
优点：
(1)同时去除有机物和氮，流程简单，构筑物少，只有一个污泥回流系统和混合液回流系统，节省基建费用。
(2)反硝化缺氧池不需外加有机碳源，降低了运行费用。
(3)因为好氧池在缺氧池后，可使反硝化残留的有机物得到进一步去除，提高了出水水质（残留有机物进一步去除）。
(4)缺氧池中污水的有机物被反硝化菌所利用，减轻了其它好氧池的有机物负荷，同时缺氧池中反硝化产生的碱度可弥补好氧池中硝化需要碱度的一半。（减轻了好氧池的有机物负荷，碱度可弥补需要的一半）。
缺点：
(1)脱氮效率不高，一般ηN=（70～80）%
(2)好氧池出水含有一定浓度的硝酸盐，如二沉池运行不当，则会发生反硝化反应，造成污泥上浮，使处理水水质恶化。
A/O工艺的影响因素
(1)水力停留时间t
t反硝化≤2h，t硝化≥6h，t硝化：t反硝化=3：1，ηN达到（70-80）%，否则ηN↓
(2)进入硝化好氧池中BOD5≤80mg/L
(3)硝化好氧池中DO=2mg/L±
(4)反硝化缺氧池污水中溶解氧性BOD5/NO3—-N的比值应大于4，以保证反硝化过程中有充足的有机碳源。
(5)混合液回流比RN：RN不仅影响脱氮效率，而且影响动力消耗。
(6)MLSS≥3000mg/L，否则ηN↓。
(7)污泥龄θC（ts）应为30d。
(8)硝化段的污泥负荷率：BOD5/MLSS 负荷率<0.18kgBOD5/（kgMLSS·d）；硝化段的TKN/MLSS负荷率<0.05kgTKN/KgMLSS.d。
(9)温度：硝化最适宜的温度20~30℃。
反硝化最适宜的温度20~40℃。
(10)PH值：硝化最佳PH=8~8.4。
反硝化最佳PH=6.5~7.5。
(11)原污水总氮浓度TN<30mg/L。
技术对比：
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类 型
参 数
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氧化沟
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SBR工艺
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A/O工艺
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污泥负荷（kgBOD/kgMLSS.d）
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0.03～0.10
|
0.2～0.3
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＜0.18
|
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污泥龄
(天)
|
20～30
|
16.5
|
＞10
|
|
污泥回流比
(%)
|
50～200
|
30
|
50～100
|
|
水质要求总氮
(mg/L)
|
/
|
30～40
|
＜30
|
|
占地面积
|
小
|
较小
|
小
|
|
稳定性
|
一般
|
一般
|
好
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经济对比：
氧化沟、SBR及其改良工艺可以省去初沉池、二沉池和污泥回流系统的费用占地面积小基建费用低，但都适用于自动化系统操控运行，工作人员少，适合于中小型污水厂。A/O工艺基建费用较低，稳定性好，适用于大中型污水处理厂。规模40万吨/日的污水厂一年节省146万元。
综上，考虑到本设计要求出水为国家二级标准，且氨氮的进水不高，该设计是中型污水厂，要求工艺稳定性好，再者考虑筹建污水厂的资金以及占地问题，本设计最终选用A/O工艺。
六、设计进度安排
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各阶段工作内容
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起讫日期
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备注
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1
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资料收集以及完成开题报告
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2006.4.03～2006.4.09
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一周
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2
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工艺设计计算
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2006.4.10～2006.5.01
|
三周
|
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3
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总平面布置、高程布置
|
2006.5.02～2005.5.09
|
一周
|
|
4
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绘制设计图纸
|
2006.5.10～2006.5.30
|
三周
|
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5
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整理设计计算、说明书
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2006.5.31～2006.6.11
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二周
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6
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准备毕业设计答辩
|
2006.6.12～2006.6.18
|
一周
|
七、主要参考文献
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2．王文远 污水截流工程截流倍数选择的研究，给水排水，1997，10
3．《地面水环境质量》标准GB3838-88
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5．《城市污水处理厂污水、污泥排放标准》CJ3025—93
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7．《中、小型城市污水处理厂的优选工艺》
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10．张自杰 主编. 排水工程(下册). 北京：中国建筑工业出版社,1996(第三版)
11．《污水处理的氧化沟技术》，中国建筑工业出版社，1988
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15．Gillot, S. Héduit, A. Effect of air flow rate on oxygen transfer in an oxidation ditch equipped with fine bubble diffusers and slow speed mixers, Water Research 2000.34(5): 1756～1762.
