卡罗塞氧化沟设计计算上课讲义.docx
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卡罗塞氧化沟设计计算上课讲义
1绪论
1.1设计依据及设计任务
1.1.1设计题目
邢台新区污水处理厂设计
1.1.2设计依据
a．设计水量：
污水厂的处理水量为6万吨/天
b．变化系数：
日变化系数K日=1.255，总变化系数Kz=1.31
c．混合污水水质：
表1.1
单位:
mg/L
CODcr
BOD5
SS
NH3－N
TP
进水
380
190
238
49
4.9
重金属及有毒物质：
微量
d．出水水质：
城市污水经处理后，60%就近排入水体—皂河。
污水处理厂出水水质参考《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918－2002）中的一级B排放标准，并尽量争取提高出水水质，因此确定本污水厂出水水质控制为：
BOD5≤20mg/LCODcr≤60mg/LSS≤20mg/L
NH3-N≤15mg/LTP≤1.0mg/LTN≤20mg/L
其余40%作为城市景观环境用水，用于湖泊水源水，出水水质应执行《再生水作为景观环境用水的水质标准》（试用）要求。
e．气象资料：
1.气温：
年平均13℃，夏季平均32℃，冬季平均-6℃
2.非采暖季节主导风向：
东南
3.降水量：
年平均降水630mm
4.冰冻期：
60天
f．水文地质资料：
1.水体资料：
邢台新区污水厂二级处理后的出水排入河流，河流的平均流量为3m³/s（流速0.5m/s），最大流量为9m³/s（流速1.1m/s），最小平均流量为1m³/s（流速0.3m/s）
2.河床水位控制在0.5～1.0m，河流底部工程－1.5m
3．河水水质：
平均溶解氧为6.4mg/L,平均SS为50mg/L
4．地下水深度：
－6m
5.土壤冰冻深度：
49cm
i．污水处理厂进水干管数据：
1．污水厂进水总管管底标高（进水泵房处）为－4.41m（相对地面标高
），管径1200mm。
2．平均坡度为：
0.5％
3．地势：
西北高东南低
4．厂区征地面积：
东西长195m，南北长147m
g．编制概算资料，进行经济分析和工程效益分析
1.1.3设计任务与内容
a．设计任务：
根据城市总体规划图和所给的设计资料进行污水处理厂设计。
b．设计内容：
1．污水处理厂工艺总平面图布置；
2．污水处理厂污水和污泥高程图布置；
3．污水泵站工艺设计，含部分工艺施工图设计；
4．污水处理工艺设计，含部分单体构筑物的工艺施工图设计；
5．污泥处理工艺设计，含部分单体构筑物的工艺施工图设计；
6．污水处理厂的工程概算；
7．城市污水回用工程工艺设计，高程设计，含部分单体构筑物的工艺施工图设计。
1.1.4设计成果要求
a．设计说明书和设计计算书合计一份；
b．绘制图纸不得少于8张，此外其组成还应满足下列要求：
1．污水处理厂工艺及污水回用工程高程布置图1张；
2．污水处理厂污水和污泥及污水回用工程高程布置图1张；
3．污水总泵站或中途泵站工艺施工图1张；
4．污水处理及污泥处理工艺中两个构筑物施工平面图和剖面图及部分大样图3～4张；
5．污水回用工程中主要构筑物工艺施工图1—2张。
1.2设计水量
a．混合污水量：
Qp=60000m3/d
b．最大日污水量计算：
Qwr=K日·Qp=1.255×60000=75300m3/d=0.872m3/s（1—1）
c．最大时水量计算：
Qmax=Kz·Qp=1.31×60000=78600m3/d=0.910m3/s（1—2）
其中，城市混合污水总变化系数为：
日变化系数K日=1.255，总变化系数Kz=1.31。
设计水量见下表：
表1.2
单位
种类
m³/d
m³/h
m³/s
L/s
平均日
60000
2500
0.695
695
最大日
75300
3137.5
0.872
872
最大时
78600
3275
0.910
910
1.3设计水质
处理水质达到《城镇污水处理污染物排放标准》（GB18918-2002）中的一级B排放要求，根据排水要求和进水水质计算出水水质。
a．溶解性BOD5的去除率：
活泩污泥处理系统处理水中的BOD5值是由残存的溶解性BOD5和非溶解性BOD5二者组成，而后者主要是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来考虑，应将非溶解性的BOD5从处理水的总BOD5值中减去。
处理水中非溶解性BOD5值可用下列公式求得：
（1—3）
所以，处理水中溶解性BOD5为20－13.6＝6.4mg/L（1—4）
因此，溶解性BOD5的去除率为：
（1—5）
b．CODcr的去除率：
（1—6）
c．SS的去除率：
（1—7）
d．氨氮的去除率：
出水标准中的氨氮为15mg/L，处理水中的氨氮设计值取15mg/L，氨氮的去除率为：
（1—8）
e．磷的去除率：
（1—9）
各控制项目的去除率汇总见下表：
表1.3
序号
基本控制项目
一级标量准（B）
进水水质（㎎/L）
去除率%
a
COD
60
380
84.2
b
BOD
20
190
91.1
c
SS
20
238
91.6
d
NH3－N
15
35
57.1
f
TP
1
4.9
79.1
注：
水温>12℃，可控制指标为8；水温<12℃，可控制指标为15
PH值7—8，在可生化处理的范围内，符合要求
重金属及有毒物质：
微量，对生化处理无不良影响
1.4设计人口与当量人口
当量人口数N=
（1—10）
式中：
N—当量人口数，人；
C—混合污水中BOD5或SS的浓度，mg/L；
Q—混合污水量，m³/d；
as—每人每天排放的BOD5或SS的克数，g/p·d。
根据规范规定：
按BOD5计算时，as=20—35g/人·d；按SS计算时，as=35—50g/p·d。
按BOD5计算时：
取as=30g/人·d，N=60000×190/30=38万人；
按SS计算时：
取as=45mg/人·d，N=60000×238/45=31.7万人
2城市污水处理方案的确定
2.1确定处理方案的原则
a．城市污水处理应采用先进的技术设备，要求经济合理，安全可靠，出水水质好；
b．污水厂的处理布局合理，建设投资少，占地少；
c．要求节能和污水资源化，并且最大限度的处理水能回用；
d．提高自动化的程度，为科学管理创造条件；
e．为确保处理效果，设计采用成熟可靠的工艺流程和处理构筑物；
f．污水采用季节性消毒，一般夏季消毒；
g．为了提高管理水平和保证进行中的最佳经济效益，设置一些必要的检测仪器。
2.2污水处理方案的确定
现代污水处理技术，按原理可分为：
物理处理法、化学处理法和生物化学处理法。
a．物理处理法：
污水物理处理法是利用物理作用来分离污水中呈悬浮固体状态的污染物质。
但是经过物理处理后的污水，一般只去除30﹪左右，达不到排放标准，一般只用于城市污水处理的预处理。
b．化学处理法：
化学处理法是利用化学反应分离回收污水中处于各种状态的污染物质（包括悬浮的、溶解的、胶体的等）。
由于大部分化学处理法反应速度较快难以控制进程，同时所需化学药剂价格昂贵，某些药剂还有毒性，因此对于城市污水的处理不太适宜。
化学处理法多用于处理生产污水。
c．生物化学处理法：
生物化学处理法是利用微生物的代谢作用，使污水中呈溶解、胶体状态的有机污染物转化为稳定的无害物质。
根据参与代谢活动的微生物的种类，分为好氧法和厌氧法，前者广泛用于处理城市污水及有机性生产污水，后者多用于处理高浓度的有机污水与污水处理过程中产生的污泥。
对于某种污水，采用哪种处理方法，要根据污水的水质、水量，回收其中有用物质的可能性、经济性，受纳水体的具体条件，并结合调查研究与经济技术比较后决定，必要时还需进行试验。
本设计为邢台新区污水处理厂的设计，初步决定选用城市污水二级生物处理的方法。
2.2.1处理标准的确定
BOD5=20mg/LCOD=60mg/LSS=20mg/L
TN=20mg/LTP=1mg/LNH3-N=15mg/L
PH=6~9
冬季平均污水温度：
-6℃，夏季平均污水温度：
32℃
对于一般城市污水，当其BOD5：
COD＞0.3,即可认为宜适用生化处理方法；当其BOD5：
COD=190/380=0.5＞0.3,从而其生化性是比较好的。
因此，按照一般城市污水来对待，考虑采用生化处理是比较合适的。
2.2.2污水处理方案的选择
下表列出了邢台新区污水处理厂的进出水主要水质指标：
表2.1
COD
BOD
SS
NH
-N
TP
进水水质
（mg/l）
380
190
238
35
4.9
出水水质
（mg/l）
≤60
≤20
≤20
≤15
≤1.0
处理程度
（%）
≥80
≥90
≥90
≥50
≥75
通过分析本工程进、出水水质，可知邢台新区污水处理厂进厂污水污染物主要为有机物BOD5或CODcr、悬浮物SS及营养盐N和P。
污水处理厂的处理效率见下表：
表2.2
处理程度
处理方法
主要工艺
处理效率（%）
SS
BOD5
一级
沉淀法
沉淀
40～55
20～30
二级
生物膜法
初次沉淀、生物膜法、二次沉淀
60～90
65～90
活性污泥法
初次沉淀、曝气、二次沉淀
70～90
65～95
从表可见，二级活性污泥法的处理效率最高，但常规二级处理工艺仅能有效地去除BOD5、COD和SS，而对氮和磷的去除是有一定限度的，仅从剩余污泥中排除氮和磷，氮的去除率约为10～20%，磷的去除率约为12～19%，达不到本工程对氮和磷去除率的要求。
因此，必须采用污水脱氮除磷工艺。
2.2.3污水处理工艺流程方案的介绍与比较
在选定了污水处理技术路线后，我们对活性污泥法和人工生物净化的几个方案进行筛选，初步筛选出AB工艺、A2/O工艺、SBR工艺、氧化沟等方案进行比较。
a．AB工艺
AB法是吸附生物降解法的简称。
该工艺不设初沉池，有污泥负荷率很高的A段和污泥负荷率较低的B段两级污泥系统串联组成，并分别有独立的污泥回流系统。
1.工艺流程
A段B段
进水格栅沉砂池A段曝气池中沉池B段曝气池二沉池出水
A段污泥回流B段污泥回流
剩余污泥剩余污泥
2.工艺特点
（1）对污水的BOD和SS总处理效率均为90%～95%，处理效果好；
（2）具有很强的抗冲击负荷能力，运行稳定性好；
（3）基建费和运行费用较活性污泥法低15%左右；
（4）脱氮除磷效果优于常规的活性污泥法。
3.存在问题
（1）与传统法相比，A-B法多了污泥回流系统，而且产泥量较大；
（2）由于泥量大，故增加了污泥处理处置费用，同时运行管理较复杂；
（3）脱氮效果虽然有所提高，但由于污泥龄太短，仅靠吸附作用远不能达到脱氮除磷的要求。
b．A2/O工艺
A2/O工艺是在普通二级生化基础上引进厌氧段或缺氧段，采取内部污泥循环，是同时具有去除BOD、氮、磷效果的污水处理新方法。
1.工艺流程
回流混合液
进水沉砂池初沉池厌氧池缺氧池好氧池二沉池出水
回流污泥
剩余污泥
2.工艺特点
（1）本工艺在系统上可以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（缺氧）、好氧交替运行条件下，丝状菌不易大量增殖，无污泥膨胀之忧；
（3）污泥中磷的浓度高，污泥有很好的肥效；
（4）厌氧、缺氧、好氧三种不同的环境和不同的微生物种群的有机配合，能同时达到去除有机物和除磷脱氮的功能；
（5）该工艺不需投药，厌氧段和缺氧段只进行缓速搅拌，以不提高溶解氧浓度为度，故运行费用低；
（6）脱氮效果受回流液比大小的影响，除磷效果则受回流污泥中夹带的溶解氧和硝酸态氧的影响。
3.存在问题
（1）污泥增长受到一定的限度，除磷效果不易提高。
（2）脱氮效果也难以进一步提高，内循环量一般以2Q为限，不宜太高；
（3）该工艺很难同时取得好的脱氮除磷的效果；
（4）进入沉淀池的处理水要保持一定的溶解氧浓度，应减少停留时间，防止产生厌氧状态和污泥释磷现象的发生；但溶解氧浓度也不宜太高，以防循环混合液对缺氧反应器的干扰。
c．SBR工艺系列
SBR工艺是按一定顺序间歇操作运行的SBR反应器组成的，其运行工况以间歇操作为主要特征，反应器在时间和空间上都是按次序排列、间歇的。
1.操作过程
（1）进水期：
废水注入，此时曝气池可起到调节池的作用。
如果进行曝气可以起到预曝气的效果，也可使污泥再生，恢复其活性。
（2）反应期：
当污水注满后即开始曝气操作，这是最重要的工序，根据污水处理的目的，除磷脱氮应进行相应的处理工作。
（3）沉淀期：
使混合液泥水分离，相当于二沉池。
（4）排水期：
排除曝气沉淀后产生的上清液，作为处理水排放，一直到最低水位，在反应器残留一部分活性污泥作为种泥。
（5）闲置期：
处理水排放后，反应器处于停滞状态以使微生物恢复活性，为下一个运行周期创造良好的初始条件。
2.工艺特点
（1）工艺简单，造价低，占地面积小；
（2）运行方式灵活，脱氮除磷效果好；
（3）SVI值较低，易于沉淀，一般情况下不会产生污泥膨胀；
（4）对水质、水量的适应性强；
（5）时间上具有理想的推流式反应器的特性。
3.存在问题
（1）连续进水时，对于单一SBR反应器需要较大的调节池；
（2）对于多个SBR反应器，其进水和排水的阀门自动切换频繁；
（3）无法达到大型污水处理项目之连续进水、出水的要求；
（4）设备的闲置率高；
（5）污水提升水头损失较高；
（6）占地规模大，处理水量较小。
d．氧化沟
氧化沟又称“循环曝气池”，属于活性污泥法的一种变形。
其基本特征是曝气池呈封闭的沟渠形，污水和活性污泥的混合液在环状渠道中不停的循环流动。
1.工艺流程：
进水格栅沉砂池厌氧池氧化沟二沉池出水
回流污泥
剩余污泥
2．工艺特点：
（1）氧化沟内的循环流量很大，进入沟内的原污水立即被大量的循环水所混合和稀释，因此具有很强的承受冲击负荷能力，对不易降解的有机物也具有较好的处理效果；
（2）处理效果稳定可靠，不仅可满足BOD5、SS的排放标准，还可以达到脱氮除磷的效果；
（3）由于氧化过程的水力停留时间和污泥龄都很长，悬浮物、有机物在沟内可获得彻底的降解，活性污泥产量少且趋于稳定；
（4）一般不设初沉池和污泥消化池，有的甚至取消二沉池和污泥回流系统，简化了处理流程，减小了处理构筑物，使其基建费用都低于一般活性污泥法；
（5）对水质、水温的变化有较强的适应性，处理水量较大。
3．存在问题
（1）对于中、大型污水厂，基建费和运行费比普通活性污泥法高，同时无法得到生物能源；
（2）氧化沟沟体占地面积较大；
（3）氧化沟运转对自动化管理水平要求较高，运行费用较高；
（4）设备的维护和管理难度较大；
综上所述：
无论从工艺结构或是造价、维护管理等方面来说，选择氧化沟工艺都是比较合理的，因此，本设计采用氧化沟工艺进行脱氮除磷。
2.3具体工艺流程的确定
经比较选用氧化沟工艺，具体流程如下：
进水格栅泵房细格栅沉砂池分配井厌氧池
出水计量槽接触池二沉池集水井卡罗塞氧化沟
回流污泥
剩余污泥
浓缩池
贮泥池
污泥输送泵房
苗圃
2.4主要构筑物的选择
2.4.1格栅
格栅是一组平行的金属栅条或筛网组成，安装在污水管道、泵站、集水井的进口处或处理厂的端部，用以截留较大的悬浮物或漂浮物，以便减轻后续处理构筑物的处理负荷。
格栅按形状可分为平面与曲面两种；按清渣方式可分为人工清渣和机械清渣两种。
本设计为节省占地和提高自动化程度，采用机械清渣的平面式格栅。
2.4.2污水泵房
城市污水处理厂的运行费用大部分来自于电能，其中40%的电能为水泵消耗，所以，确定合理的水泵及水泵站是污水处理厂的关键所在。
泵房的形式，根据集水池和机器间的形状，有圆形泵房和矩形泵房两种；根据水泵和吸水管的充水方式分为自灌式和非自灌式；根据集水池和机器间的建设方式还可分为干式和湿式泵房。
本设计因处理水量大，并考虑到造价、自动化控制，以及施工的方便与否，采用自灌式半地下式矩形泵房，且格栅和泵房合建。
为了节省地方和减少投入采用中格栅和泵房合建。
2.4.4沉砂池
沉砂池的功能是去除比重较大的无机颗粒，如泥砂、煤渣等。
一般设于泵站、倒虹管前以减轻机械、管道的磨损；也可设于初次沉淀池前，以减轻沉淀池负荷及改善污泥处理构筑物的处理条件。
常用的沉砂池有平流沉砂池、曝气沉砂池和竖流沉砂池。
平流式矩形沉砂池是常用的形式，具有构造简单、处理效果好的优点。
竖流沉砂池是污水自上而下由中心管进入池内，无机物颗粒借重力沉于池底，处理效果一般较差。
曝气沉砂池是在池的一侧通入空气，使污水沿池旋转前进，从而产生与主流垂直的横向恒速流，其优点是通过调节曝气量，可控制污水的旋流速度，使除砂率较稳定，受流量变化影响较小，同时还对污水起预曝气的作用。
在本设计中，污水首先进入的是厌氧池，不能带入太多氧气；同时后续构筑物的强度足够，因此不选用曝气沉砂池，设计为平流式矩形沉砂池。
此外，为了力求构筑物流程简单，本设计采用细格栅和沉砂池合建。
2.4.5氧化沟
根据构造特征和运行方式的不同，常用的氧化沟系统有以下几种：
卡罗塞氧化沟、奥贝尔氧化沟、一体氧化沟、交替工作式氧化沟。
与其他类型的氧化沟相比，卡罗塞氧化沟具有以下特点：
（1）下游的富氧区和上游及外环的缺氧区不仅有利于生物凝聚，还使活性污泥易于沉淀；
（2）占地面积小，土建费用降低；（3）具有极强的混合搅拌和耐冲击负荷能力；（4）当有机负荷较低时，可以停止某些曝气机的转动，或切换较低的转速，在保证水流搅拌混合循环流动的前提下，可节约能耗。
因此，本工艺采用卡罗塞型氧化沟。
2.4.6二沉池
由于本设计主要构筑物采用氧化沟，可不设初沉池。
二沉池设在生物处理构筑物的后面，主要完成混合液分离和污泥的部分浓缩，使出水悬浮物浓度达到所要求的排放标准。
常用的沉淀池有竖流式、平流式和辐流式三种类型。
平流式沉淀池中废水从池的一段流入，水平方向流过池子，从池的另一端流出，易造成池子配水不均匀。
竖流式沉淀池池子深度大,对冲击负荷和温度变化的适应性能力较差。
大中型污水处理厂多采用辐流式沉淀池，机械排泥，其沉淀效果好，排泥通畅，运行稳定可靠，辐流式沉淀池有中心进水周边出水和周边进水周边出水两种形式，中心进水周边出水的辐流式沉淀池具有表面负荷较高的优点。
因此，本工程采用中心进水周边出水的辐流式沉淀池。
2.4.7接触消毒池
城市污水经二级处理后，水质改善，但仍可能含有大肠杆菌和病毒。
因此，排入受纳水体前应考虑消毒。
但消毒成本太高，没有必要连续运行，一般只在环境水体发生疫情时，或在卫生防疫部门有特殊要求情况下运行。
本设计选用廊道式矩形接触池，消毒剂选用液氯。
2.4.8计量设施
在沉砂池和分配井之间的计量设施采用电磁流量计，接触池后的二级出水采用巴氏计量槽计量出水水量。
2.4.9浓缩池
污泥浓缩池主要是降低污泥中的空隙水，来达到使污泥减容的目的。
浓缩池可分为重力浓缩池和浮选浓缩池。
重力浓缩池按其运行方式可分为间歇式和连续式。
浮选浓缩池适用于浓缩活性污泥以及生物滤池等较轻的污泥，并且运行费用较高，贮泥能力小。
重力浓缩池用于浓缩初沉池污泥和二沉池的剩余污泥，只用于活性污泥的情况不多，运行费用低，动力消耗小。
本设计采用间歇式重力浓缩池。
2.4.10污泥外送
本设计的污泥送至苗圃做肥料，所以经污泥泵房外送至苗圃。
3污水处理构筑物设计计算
3.1泵前中格栅
3.1.1设计依据
a.格栅间隙16-25mm时，0.10～0.05m3栅渣/103m3污水；
b.格栅不宜少于两台，如为一台时，应设人工清除格栅备用；
c.过栅流速一般采用0.6～0.8m/s；
d.格栅前渠道内水流速度一般采用0.4～0.9m/s；
e.格栅倾角一般采用45°～75°，通过格栅的水头损失一般采用0.08～0.17m/s；
f.格栅间必须设置工作台，台面应高出栅前最高设计水位0.5m，工作台设有安全和冲洗设施；
g.格栅间工作台两侧过道宽度不应小于0.7m,工作台正面过道宽度：
人工清除，不小于1.2m；机械清除，不小于1.5m；
h.机械格栅的动力装置一般宜设在室内或采取其他保护设备的措施；
i.设置格栅装置的构筑物必须考虑设有良好的检修及栅渣的日常清除。
3.1.2设计参数
a.本设计采用3台格栅，2用1备。
因此，设计流量Q=Qmax/2=78600/2=39300m3/d=0.455L/s；
b.栅前流速v1=0.8m/s，过栅流速v2=0.9m/s；
c.栅条宽度s=0.01m，格栅间隙e=20mm；
d.栅前部分长度0.5m，格栅倾角α=70°；
e.单位栅渣量ω1=0.07m3栅渣/103m3污水。
3.1.3设计计算
a.格栅前水深：
根据最优水力断面公式
计算得，
栅前槽宽
（3—1）
则栅前水深
（3—2）
b.栅条间隙数：
（3—3）
c.格栅的宽度：
B=s（n-1）+en=0.01×（47-1）+0.02×47+0.2=1.6m（3—4）
d.进水渠道渐宽部分长度：
（3—5）
其中，α1为进水渠展开角，本设计取α1=20°
e.栅槽与出水渠道连接处的渐窄部分长度：
（3—6）
f.过栅水头损失：
（3—7）
其中，h0—计算水头损失；
k—系数，格栅受污物堵塞后，水头损失增加的倍数。
因栅条边为矩形截面，取k=3；
ε—阻力系数，ε=β（s/e）4/3。
ε与栅条断面形状有关，当栅条断面为矩形时，β=2.42。
g.栅后槽总高度：
取栅前渠道超高h2=0.3m，则栅前槽总高度H1=h+h2=0.53+0.3=0.83m，栅后槽总高度H=h+h1+h2=0.53+0.11+0.3=0.94m
h.格栅总长度：
L=L1+L2+0.5+1.0+H1/tanα=0.73+0.36+0.5+1.0+0.83/tan70°=2.89m（3—8）
i.每日栅渣量：
ω=Q平均日ω1/1000=60000/2×0.07×10-3=2.1m3/d>0.2m3/d（3—9）
所以宜采用机械格栅清渣。
本工程采用采用机械清渣，格栅清污采用GH型链条式回转格栅除污机，其尺寸见下表：
表3.1
公称栅宽mm
栅条间隙mm
安装角
°
电动机率kw
重量
kg
生产厂
1600
20
70
0.75-2.2
3500-5500
无锡通用机械厂
j.中格栅的设计草图如下：
图3.1中格栅设计草图
3.2污水提升泵房
3.2.1选泵
a.考虑因素
1.水泵机组工作泵的总抽升能力，应按进水管的最大时污水流量设计，并应满足最大充满度时的流量要求；
2.尽量选择类型相同（最多不超过两种型号）和口径相同的水泵，以便维修，但还须满足低流量时的需求；
3.由于生活污水对水泵有腐蚀作用
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