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仪征市刘集镇污水处理工程设计

内容摘要：

针对该课题简述了污水处理工程中的物理处理，化学处理、其相关设备以及其设备用途，优缺点，对于与本课题不想关的设备与方法并未涉及。

此外，优选了几种传统工艺（其中有活性污泥法中的SBR工艺、氧化沟工艺）以及生物膜法中的典型生物滤池、生物接触氧化法）并针对中外文献描述了部分新型工艺（其中有澳大利亚“FILTER”（非尔脱）污水处理系统、韩国的湿地污水处理系统、日本农村生活污水处理系统。

包括这些系统中文翻译）

前言：

水是一种宝贵的自然资源，是自然界的基本要素，也是人类和一切生物赖以生存的物质基础。

虽然地球上的水的储量很大，但是人类能直接取用的河，湖淡水资源却十分有限。

我国大部分地区处于季风气候区、降水量多集中于夏季，在那段时间里降雨量是河流流量忽然增加，水资源总量虽然不少，但出于不能利用的状态，而雨后流量又迅速减少。

另外，我国华北和西北属于干旱，半干旱区。

所以我国的水资源是十分短缺的，人均占有量更是少的可怜。

随着工农业的发展和人口的增加，污水排放量迅速增加。

目前我国每年排放的污水量已超过400亿立方米，且处理率低，大量污水直接排入天然水体，造成严重的水体污染，据统计已有超过80％的河流受到不同程度的污染，因此，加快污水处理工程的建设，提高污水处理率，保护有限的水资源，已经成为我国环境保护工作的紧迫任务。

污水处理主要分为一下几种：

1.物理处理：

其主要设备为

1）：

格栅（主要类型有链条式机械格栅、移动伸缩臂机械格栅、四周回转式机械格栅以及钢丝绳牵引式机械格栅。

在此对各个格栅的适用范围和优缺点以及格栅清渣不做具体阐述。

）

2）：

沉沙池：

沉砂池的主要类型有：

a．平流沉砂池，其构造简单，工作稳定，处理效果也比较好，其示意图如：

b．曝气沉砂池：

这种沉砂池中水流流速达0.25-0.3m/s，面水平流速可降低到0.01-0.1m/s，而不致使有机物下沉。

他能去除粒径小于0.6mm的细砂，而且沉砂中有机物含量很小（低于5％），曝气沉砂池还具有预曝气、脱臭、消泡、防止污水厌氧分解以及加速油类分离的作用，这些特点为沉淀池、曝气池、消化池等构筑物的正常运行和沉砂的干燥脱水提供了有利条件。

其示意图如下（再此篇论文中不对其构造和工作原理进行进一步阐述）：

c．竖流式沉砂池：

污水在沉砂池内最大流速为0.1m/s，最小流速为0.02m/s，最大流量时，污水在池内的停留时间不小于20s，一般为30-60s，进水中心管最大流速为0.3m/s，其示意图如下：

d．涡流式沉砂池：

利用水力涡流使得泥沙和污水分开，从而达到除砂的目的。

其具体示意图如下：

2）沉淀池：

沉淀池是分离悬浮物的一种常用构筑物。

按在污水处理流程中所处的位置分为初沉池和二沉池。

按水流方向可分为平流式、竖流式和辐流式（其中还有斜管/板沉淀池，即在沉淀池的沉淀区加斜管或斜板以提高沉淀效率的新型沉淀池）三种，按其运行方式分为间歇式和连续式两种。

以下是各个沉淀池的特点以及适用条件：

池型

优点

缺点

适用条件

平流式

对冲击负荷和温度变化的适应能力较强；施工简单，造价低

采用多斗排泥时，每个泥斗需单独设排泥管，操作工作量大，采用机械排泥时，机械设备和驱动件均浸于水中，易锈蚀。

适用于地下水位较高以及地质较差的地区，适用于大、中、小型污水处理厂。

竖流式

排泥方便，占地面积小

池子深度大，施工困难，对冲击负荷以及高度变化的适应能力较差，造价高，池径不宜太大。

适用物水量不大的小型污水处理厂。

辐流式

采用机械排泥，运行较好，管理简单排泥设备已有定型产品。

池内水流速度不稳定，机械排泥设备复杂，对施工质量要求较高。

适用于地下水位较高的地区，适用于大中型污水处理厂。

沉淀池在此不做过多的阐述。

2．化学处理

1）化学混凝：

混凝沉降法是目前国内外普遍采用的一种提高水质的及经济又简便的方法。

混凝剂按照混凝机理的不同又分为凝聚剂和絮凝剂两大类。

凝聚剂主要为无机盐电解质。

无机盐电解质的金属离子应和悬浮颗粒所带电荷的电性相反，且离子的价态越高，所起的凝聚作用越强。

与絮凝剂相比，无极电介质价廉，且对微细固体颗粒的作用较为有效，单絮凝体的粒度不大，常与絮凝剂联合使用。

絮凝剂为一定线性长度的高分子有机聚合物。

絮凝剂的种类很多，按其来源可分为天然和合成两大类，按官能团分类主要有阴离子、阳离子和非离子3大类。

2）混凝系统的设计：

化学混凝系统包括混凝剂的配置和投加设备、混合设备和反应设备。

a．混凝剂的投加可以用干法和湿法。

干法就是将固体药剂粉末定量的投加到要处理的污水中，这种方法应用的场合较少。

目前较常见的为湿法投加，即先将药剂配成一定浓度的溶液，然后再定量投加。

混凝剂投入污水中必须有定量和计量设备，并能随时调节流量。

根据污水处理厂高程布置，混凝剂溶液池的位置较高时，可采用重力投加，否则可用投药泵和水射器压力投加。

采用计量泵投加混凝剂时，因可直接计量，无需另加计量设备。

采用计量泵时絮凝剂溶液应澄清，不得含有可能引起投药泵阻塞的杂质。

投药量较大时，可采用耐酸水泵加电磁流量计或转子流量计投加。

中小型污水处理厂溶液计量和采用孔口计量。

常用的有苗嘴和孔板。

b．混合设备分为机械混合、隔板混合、水泵混合和管道混合四种。

机械混合就是利用电机带动桨板或螺旋桨旋转搅拌，从而达到混合的目的。

隔板混合是通过在混合池内设数块挡板，利用污水在混合池内的折回流动以及水流通过隔板通道时产生的紊流，使药剂和污水混合。

水泵混合则是利用水泵叶轮的高速转动使药剂与污水强烈快速混合。

管道混合包括静态混合器和水射器两种。

管道混合器的制作简单，不占地，易于安装，混合效果好。

c．反应设备分为水力搅拌和机械搅拌两大类。

常用的有隔板反应池和机械搅拌反应池。

其中隔板反应池是利用水流断面上流速分布不均匀所造成的速度梯度，促使颗粒相互碰撞而实现絮凝的。

d．化学处理中所涉及的中和法，在本论文中并不涉及工业废水的酸碱废水，故不做讨论。

e．化学沉淀法：

就是利用易溶的化学药剂，使废水中的某种离子以其难溶盐或者氢氧化物的形式析出，从而使废水达到纯净的方法。

f．氧化还原法：

在本篇论文中不涉及该法，故同样不做具体阐述。

3）污泥的好氧生化工艺------活性污泥法（在此选择部分传统工艺以及根据所阅读文献浅谈现今国内外新型工艺）

活性污泥法主要是由曝气池、沉淀池、污泥回流和剩余污泥处理系统所组成，其基本流程如图：

活性污泥法经过不断的发展和演变，现已有多种运行方式，其中优选部分工艺做简单描述

传统工艺：

a.氧化沟法：

氧化沟法式延时曝气法的一种特殊形式，它的池体狭长，池身较浅，在沟槽中设有表面曝气装置。

曝气装置的转动，推动沟内液体迅速流动，取得曝气和搅拌两个作用，沟中混合液浓度约为0.3-0.6m/s，使活性污泥呈悬浮状态。

20世纪80年代初，美国开发了将二沉池设置在氧化沟中的合建式氧化沟----BMTS型，即在一个沟内截出一个区段作为沉淀区，两侧设隔板，沉淀区底部设一排呈三角形的导流板，混合液的一部分从导流板间隙上升进入沉淀区，沉淀的污泥通过导流板回流到氧化沟，出水由设于水面的集水管排除。

其示意图如下所示：

同时氧化沟工艺还具有耐冲击负荷能力、剩余污泥量少而稳定、机械设备少等优点。

不过，由于存在污泥中的有机质最终是在氧化沟中部分好氧代谢去除的，故氧化沟工艺在节约能耗，降低运行费用方面不如传统曝气法。

b.间歇式活性污泥法（SBR法）：

其工艺操作如图所示：

进水→→→格栅→→→沉砂池→→→初级沉淀池→→→间歇式曝气池→→→出水

其基本操作是由进水、反应、沉淀、出水和闲置等5个过程组成，从污水流入至闲置结束构成一个周期，在每个周期里上述过程是在一个没有曝气或搅拌装置的反应器内依次进行的。

传统活性污泥法的曝气池，在流态上属于推流，在有机物降解方面也是沿着空间逐渐进行的。

而SBR工艺的曝气池，在流态上属于完全混合，在有机物降解上是时间上的推流，有机物是随着时间的推移而逐渐降解的。

调查和实验结果表明，SBR有如下一些特点：

不易产生污泥膨胀，特别是在污水处理进入生化处理装置期间，维持在厌氧状态下，使得污泥指数降低而且还能节省曝气系统的动力消耗。

处理构筑物的构成简单，设备费，运行管理费低。

大多情况下，不需设流量调节槽

曝气池容积较连续式小

如操作得当，出水水质也较连续式好，可脱除部分氮磷。

污泥好氧生化工艺------生物膜法

生物膜法是指一种通过附着在某种物体上的生物膜来处理废水的好氧生物处理法。

生物膜法的主要优点是对水质、水量变化的适应性较强。

生物膜法的共同特点是微生物附着在介质滤料表面上，形成生物膜，污水与生物膜接触后，溶解性的有机物被微生物吸收转化为CO2，H2O，NH3，污水得到净化，同时繁殖更多的微生物，所需氧气一般直接来自于大气。

如果污水中含有较多的悬浮物，则应先用沉淀法去除大部分悬浮固体，然后再进入生物膜法处理构筑物，以免引起堵塞，并减少其有机物负荷。

老化的生物膜自行脱落，并随着水流进入二次沉淀池沉淀去除。

a．生物滤池：

其基本构造由滤床，布水设备和排水系统三部分组成。

（在此，对这3个部分不做详细描述）

b．生物接触氧化法：

其处理构筑物是浸没曝气式生物滤池。

生物接触氧化法基本流程见下图：

生物接触氧化池内设有填料，填料淹没在废水中，填料上长满生物膜，废水与生物膜接触过程中，水中的有机物被微生物吸附、氧化分解并生成新的生物膜。

从填料上脱落的生物膜随出水流到二沉池中被去除，废水得到净化。

生物接触氧化法具有下述特点：

由于填料的比表面积大，池内的充氧条件良好，生物接触氧化池内单位容积的生物固体量高于活性污泥法曝气池以及生物滤池，因此，生物接触氧化法具有较高的容积负荷。

生物接触氧化法不需要污泥回流，因此，不存在污泥膨胀问题，运行管理简便。

由于生物固体量多，水流又属于完全混合型，因此，其对水质水量变化的适应性较强。

生物接触氧化池有机容积负荷较高时，其F/M（有机物与活性污泥质量的比值）保持在较低水平，污泥产量较低。

新型污水处理工艺

澳大利亚“FILTER”（非尔脱）污水处理系统

   澳大利亚科学和工业研究组织（CSIRO）的专家于最近几年提出一种“过滤、土地处理与暗管排水相结合的污水再利用系统”，称之为“非尔脱”高效、持续性污水灌溉新技术，其目的主要是利用污水进行农作物灌溉，通过灌溉土地处理后，再用地下暗管将其汇集和排出。

该系统一方面可以满足农作物对水分和养分的要求，同时降低污水中的氮、磷等元素的含量，使之达到污水排放标准。

其特点是过滤后的污水都汇集到地下暗管排水系统中，并设有水泵，可以控制排水暗管以上的地下水位以及处理后污水的排出量。

   澳大利亚CSIRO与我国水利水电科学院和天津市水利科学研究所合作，曾在天津市武清县建立试验区，试验总面积2hm2，暗管埋深1.2m，两种处理的暗管间距为5m和10m，引取北京市初级处理后的污水和沿程汇集的乡镇生活污水，灌溉小麦。

试验表明，97%-99%的磷通过土壤及农作物的吸收而被除去，总氮的去除率达82%-86%，生物耗氧量的去除率为93%，化学耗氧量的去除率为75%-86%，排水暗管的间距小，则去污效率高。

上述中澳双方试验研究成果，在澳大利亚农业研究中心的主持下，于2000年12月在北京通过鉴定。

   “非而脱”系统对生活污水的处理效果好，其运行费用低，特别适用于土地资源丰富、可以轮作休耕的地区，或是以种植牧草为主的地区。

该系统实质上是以土地处理系统为基础，结合污水灌溉农作物。

人们担心长期使用污水灌溉后污水中的病原体进入土壤，污染农作物。

但根据大量调查和试验表明，土壤—植物系统可以去除城市污水中的病原体。

为慎重起见，国内外一致认为，处理后的城市污水适宜灌溉大田作物（旱作和水稻）。

因为大田作物的生长期长，光照时间长，病原体难以生存；而蔬菜等食用作物，生长期短，有的还供人们生食，则不宜采用污水灌溉。

此外，这种处理方法受作物生长季节的限制，非生长季节作物不灌溉，污水处理系统就不能工作。

暗管排水系统在我国多用于改良盐碱地和农田渍害，一般造价较高，若用于处理生活污水还需修建控制排水量的泵站，则造价更高，推广应用有一定困难。

韩国的湿地污水处理系统

   韩国的农业用水是最大用水户，占总用水量的53%。

韩国农村的居民分散居住，认为兴建集中处理的污水系统造价太高，小型和简易的污水处理系统适合在农村应用。

因此，研究了一种湿地污水处理系统，使污水中的污染物质经湿地过滤后或被土壤吸收，或被微生物转变成无害物。

这种方法需要的能源少，维护的成本低。

 韩国国立汉城大学农业工程系对湿地污水处理系统在田间进行了试验。

容器长8m，宽2m，高0.9m，用混凝土制成。

容器内填沙并种植芦苇，未经处理的生活污水从一端引入，又从另一端卵石层中排出。

生活污水是从一个学校收集而来，其年平均水质指标为：

ph值为7.85，溶解氧（DO）为0.23mg/L，生化需氧量（BOD）为24.35mg/L，悬浮固体物（SS）为52.36mg/L，全氮量浓度（TN）为121.13mg/L，全磷量浓度（TP）为24.23mg/L。

用经过湿地系统处理后的污水灌溉水稻。

   污水灌溉水稻试验是在用聚氯乙烯板制成的盆内进行。

盆宽90cm，长110cm，高70cm，表面积为1.0平方米，底部铺一层10cm厚的卵石，上盖过滤布，然后用水稻土填满。

在盆底安装排水管，控制渗漏水。

盆外为用混凝土做成的大坑，坑与盆之间填满土壤，以便消除温度对作物生长和微气候的影响。

试验设计有四种处理，分别按污水浓度、施肥和不施肥等，与常规处理（用自来水灌溉并施肥）进行对比。

试验对水稻的生长过程（稻株高度、分蘖数目、叶面积、叶面积指数、总干物质等）进行了详细观测和分析。

主要结论：

1、利用处理过的污水灌溉，对水稻的生长和产量无负面影响；2、利用处理过的污水灌溉，并加施肥料，水稻产量达5730.38kg/hm2，比常规对比田高约10%。

韩国试验研究的湿地污水处理系统，实质上也是一种土地—植物系统，至今已广泛用于欧洲、北美、澳大利亚和新西兰等。

湿地上多种植芦苇、香蒲和灯心草等，对病原体的去除效果好。

但其缺点是需要大量土地，并要解决土壤和水中的充分供氧问题及受气温和植物生长季节的影响等。

一般来说，利用湿地处理后的污水灌溉水稻，可取得更好的净化效果。

   日本农村生活污水处理系统

   日本在法律上规定，要求严格保持河流、湖泊和海域的优良水质。

因此，把污水处理工作放在十分重要的位置，并有很高的污水处理能力。

日本农村污水处理协会主要负责日本乡镇污水处理的技术发展工作，研究了一系列适合于农村城镇中应用的污水处理设备。

设计了JARUS模式的15种不同型号污水处理装置，主要采用物理、化学与生物措施相结合的处理过程，取得了很好效果。

这15种不同型号的处理装置可分为两大类。

一类采用生物膜法，污水通过塑料制成的滤层，上面附有微生物。

通过生物膜后可使污水中的生物耗氧量下降到20mg/L以下，悬浮固体物下降到50mg/L以下，总氮含量在20mg/L以下。

另一类是采用浮游生物法，通过漂浮在污水中的微生物氧化作用，可使BOD下降到10-20mg/L，SS下降到15-50mg/L，COD下降到15mg/L以下，TN下降到10-15mg/L以下，TP下降到1-3mg/L以下。

   日本从1977年实行农村污水处理计划以来，至1996年底已建成约2000座小型污水处理厂。

日本农村污水处理协会设计、推广的污水处理装置体积小、成本低、操作运行简单，十分适用于农村。

一般每1000人农村人口可建立一个污水处理厂，最大的厂可处理10000人左右的污水。

处理后的污水水质稳定，大多灌溉水稻或果园，或将其排入灌排渠道，稀释后再灌溉农作物。

污水中分离出来的污泥经脱水、浓缩和改良后，运至农田作肥料。

   生物膜是近几十年来得到迅速发展的污水处理方法。

众所周知，在自然界中存在着大量靠有机物生活的微生物，它们具有氧化分解有机物并将其转化为无机物的功能。

生物膜法就是利用微生物的这一功能，采取人工措施来创造更有利于微生物生长和繁殖的环境，使微生物大量繁殖，以提高对污水中有机物的氧化降解效率。

生物膜主要依靠固着于载体表面的微生物来生长繁殖，在载体表面形成一层粘液状的生物膜。

这层生物膜具有生物化学活性，又进一步吸附、分解污水中呈悬浮、胶体和溶解状态的污染物，使污水得以净化。

同时，生物膜上的微生物也不断生长与繁殖，生物膜的厚度也随着增加。

当生物膜达到一定厚度时，氧气不能透入到底层，这时在靠近载体表面就形成厌氧膜层，其附着力减低，生物膜呈现老化状态，最后被水流冲刷而脱落。

接着新的生物膜又开始生长形成，具有较强的净化能力。

生物膜法的设备类型很多，按生物膜与污水的接触方式，有填充式和淹没式两大类。

日本农村污水处理协会采用的是生物接触氧化法，属于淹没式生物滤池类。

生物滤池是由池体、滤料、布水装置和排水系统四部分组成。

滤料是生物膜的载体，对净化作用的影响较大。

常用的滤料有沙子、碎石、卵石、炉渣、陶粒和红杉板条等。

   日本石井勋教授发明的“石井法”，是利用用过的乳酸饮料瓶作曝气池填料。

滤料表面积越大，生物膜数量越多，但滤料之间的空隙太小，影响通风和水流。

因此，理想的滤料是表面积和空隙率都比较大。

近些年来对滤料的研究有很大发展，如利用各种塑料和化学纤维制成的纤维球和蜂窝式滤料等，使每立方米滤料的表面积大大增加，空隙率提高到93%-95%。

如日本尤尼奇卡公司用聚酯纤维制成的纤维球滤料的密度为1.38g/立方厘米，充填密度为50kg/立方米，空隙率达96%，比表面积达3000平方米/立方米；滤速高，水头损失小，经反冲洗后，滤料可以反复使用。

国外对生物膜的理论研究和实际应用已有几十年历史。

生物膜法所需要的设备简单，能源消耗低，成本和维护费用低，而处理污水的效率高，它是今后发展的一个方向。

AustraliaFILTER（non-Seouloff）sewagetreatmentsystem

    ScientificandIndustrialResearchOrganization,Australia（CSIRO）inrecentyears,theexpertsproposedafilter,thelanddealwithacombinationofsubsurfacedrainagewaterreusesystem,callednon-Seoulofftheefficient,sustainablewastewaterirrigationnewtechnology,itsmainpurposeistousewaterforcropirrigation,landthroughirrigationtreatment,thenundergroundpipetocollectanddischarge.Cropsontheonehand,thesystemcanmeettherequirementsofwaterandnutrients,whilereducingthewastewaternitrogen,phosphorusandotherelementsofthecontent,soastomeeteffluentdischargestandards.Thecharacteristicsofwastewaterisfilteredtothegroundtogetherinthesubsurfacedrainagesystem,andhasapumptocontroldrainageandsubsurfacegroundwaterlevelabovethedischargeamountoftreatedsewage.

    CSIROandtheAustralianAcademyofWaterResourcesofChinaandTianjinWaterResourcesResearchInstitute,establishedinWuQingCountytestarea,testarea2hm2,undergroundpipedepthof1.2m,distancebetweenthetwotreatment5mand10mundergroundpipe,citedafterprimarytreatmentinBeijingtotakethesewageandtownsalongthesewagepool,irrigatedwheat.Testsshowedthat97%-99%ofthephosphorusabsorbedbysoilandcropswereremoved,totalnitrogenremovalrateof82%-86%,biologicaloxygendemandremovalefficiencywas93%,chemicaloxygendemand75%-86%removal,undergroundpipedrainagespacingissmall,thedecontaminationefficiency.ThetestresultsbothinAustraliaandinAustraliaundertheauspicesoftheCentreforAgriculturalResearchinDecember2000inBeijing,throughtheidentification.

    Non-andoffthesystemofsewagetreatmenteffect,itslowoperatingcosts,especiallyforlandrichinresources,canrotationfallowareas,orareasdominatedbypasture.Thesystemisessentiallybasedonthelandtreatmentsystem,withsewageirrigationofcrops.Peopleworryaboutlong-termuseofsewageeffluentintheirrigationofpathogensintothesoilandpollutecrops.However,accordingtoalargenumberofsurveysandexperimentsshowthatthesoil-plantsystemtoremovepathogensinmunicipalwastewater.Asaprecaution,athomeandabroadagreedthatthepropertreatmentofurbanwastewaterirrigationcrops（dryandrice）.Becausethefieldcropgrowingseasonlength,lightalongtimet