污水处理厂初步的设计计算.docx

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污水处理厂初步的设计计算

污水处理厂初步的设计计算

1 概述

1.1 设计的依据

本设计采用的主要规范及标准：

《城市污水处理厂污染物排放标准 （GB18918-2002） 》二级排放标准

《室外排水设计规范》（1997 年版）（GBJ 14-87）

《给水排水工程概预算与经济评价手册》

2 原水水量与水质和处理要求

2.1 原水水量与水质要求指标

Q=60000m3/d

BOD5=190mg/LCOD=360mg/LSS=200mg/L

NH3-N=45mg/LTP=5mg/L

2.2 处理要求

污水排放的要求执行《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002） 》二级

排放标准：

BOD5≤30Mg/LCOD≤100Mg/LSS≤30Mg/L

NH3-N≤25（30）mg/LTP≤3Mg/L

3 污水处理工艺的选择

本污水处理厂水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002） 》二

级排放标准，其污染物的最高允许排放浓度为：

BOD5≤30Mg/L；COD≤100Mg/L；SS≤30Mg/L；NH3-N≤25（30）mg/L；TP≤3Mg/L。

城市污水中主要污染物质为易生物降解的有机污染物，因此常采用二级生物处理

的方法来进行处理。

二级生物处理的方法很多，主要分两类：

一类是活性污泥法，主要包括传统活性

污泥法、吸附—再生活性污泥法、完全混合活性污泥法、延时活性污泥法（氧化沟）、

AB 工艺、A/O 工艺、A2/O 工艺、SBR 工艺等。

另一类是生物膜法，主要包括生物滤池、

生物转盘、生物接触氧化法等工艺。

任何工艺都有其各自的特点和使用条件。

活性污泥法是当前使用比较普遍并且有比较实际的参考数据。

在该工艺中微生物

在处理单元内以悬浮状态存在，因此与污水充分混合接触，不会产生阻塞，对进水有

机物浓度的适应范围较大，一般认为 BOD5 在 150—400 mg/L 之间时，都具有良好的处

理效果。

但是传统活性污泥处理工艺在处理的多功能性、高效稳定性和经济合理性方

面已经难以满足不断提高的要求,特别是进入 90 年代以来,随着水体富营养化的加剧,

我国明确制定了严格的氨氮和硝酸盐氮的排放标准,从而各种具有除磷、脱氮功能的污

水处理工艺:

如A/O 工艺、A2/O 工艺、SBR 工艺、氧化沟等污水处理工艺得到了深入

的研究、开发和广泛的应用,成为当今污水处理工艺的主流。

该地的污水中 BOD5 在 190 mg/L 左右,要求出水 BOD5 低于 30mg/L。

在出水的水质

1

中,不仅对 COD、BOD5、SS 去除率都有较高的要求,同时对氮和磷的要求也进一步提高.

结合具体情况在众多的污水处理工艺中选择了具有良好脱氮除磷效果的两种工艺—

CASS 工

艺和 Carrousuel 氧化沟工艺进行方案技术经济比较。

4 污水处理工艺方案比选

4.1 Carrousuel 氧化沟工艺（方案一）

氧化沟时二十世纪 50 年代由荷兰的巴斯维尔开发，后在欧洲、北美迅速推广，

80 年代中期，我国部分地区也建造了氧化沟污水处理工程。

近几年来，处理厂的规模

也发展到日处理水量数万立方米的工业废水及城市污水的大、中型污水处理工程。

氧化沟之所以能在近些年来得到较快的发展，在于它管理简便、运行稳定、流程

简单、耐冲击负荷、处理效果好等优点，特别是氧化沟具有特殊的水流混合特征，氧

化沟中的曝气装置只设在某几段处，在靠近曝气器下游段水流搅动激烈，溶解氧浓度

较高，但随着水流远离曝气区，水流搅动迅速变缓，溶解氧则不断减少，甚至出现缺

氧区，这种水流变化的特征，可发生硝化、反硝化作用，以达到生物脱氮的目的，故

氧化沟法处理 NH3-N 效果非常好，同时由于存在厌氧、好氧条件，对污水中的磷也有

一定的去除率。

氧化沟根据构造和运行方式的不同，目前较多采用的型式有“Carrousel 型氧化

沟”、“Orbal 型氧化沟”、“一体化氧化沟”和“交替式氧化沟”等，其中，由于交替

式氧化沟要求自动化水平较高，而 Orabal 氧化沟因水深较浅，占地面积较大，本报告

推选 Carrousel 氧化沟作为比选方案之一。

本设计采用的是 Carrousel 氧化沟工艺.其工艺的处理流程图如下图 4-1 所示:

`

污水中格栅提升泵

细格栅           曝气沉砂池

房

厌氧池Carrousel 氧化沟二沉池接触池排水

浓缩池贮泥池脱水

图 4-1Carrousel 氧化沟工艺流程图

4.1.1 污水处理系统的设计与计算

4.1.1.1 进水闸门井的设计

进水闸门井单独设定,为钢筋混凝土结构。

设闸门井一座,闸门的有效面积为

2

1.8m2,其具体尺寸为 1.2×1.5 m,有效尺寸为 1.2 m×1.5 m×4.5 m。

设一台矩形闸门。

当污水厂正常运行时开启,当后序构筑物事故检修时,关闭某一闸门或者全部关闭,使污

水通过超越管流出污水处理厂。

4.1.1.2 中格栅的设计与计算

其计算简图如图 4-2 所示

（1）格栅间隙数:

设栅前水深 h=0.5m,过栅流速 v=0.9m/s,栅条间隙宽度 b=0.02m,

格栅倾角α = 60°，建议格栅数为 2，一备一用。

n =

Qmax sinα

Nbhv

=

0.652 ⨯ sin 60︒

0.02 ⨯ 0.5 ⨯ 0.9

≈68 个

α1 = 20  （进水渠道内的流速为 0.82m/s）,

（2）格栅宽度:

设栅条宽度 S=0.01m,

B=S（n-1）+bn=0.01×（68-1）+0.02×68=2.03≈2.00M

（3）进水渠道渐宽部分的长度：

设进水渠道宽 B1=1.60m,其渐宽部分的展开角

︒

l1 =

B - B1

2tgα1

=

2.0 - 1.6

2tg 20︒

≈0.56M

（4）栅槽与出水渠道连接处渐窄部分的长度：

l2 =

l1

2

=

0.56

2

=0.28m

（5）通过格栅的水头损失：

设栅条断面为锐边矩形断面（ β =2.42， K =3），

4

2

h1 = β ç⎪

⎝ b ⎭ 2g

sinαK

4

⎛ 0.01 ⎫ 3

⎝ 0.02 ⎭

0.92

19.6

sin 600 ⨯ 3

=0.103m

（6）栅后槽总高度：

设栅前渠道超高 h2 =0.3m,

H = h + h1 + h2 =0.5+0.103+0.3≈0.9M

（7）栅槽总长度：

L = l1 + l2 + 0.5 + 1.0 +

H1

tg60︒

= 0.56 + 0.28 + 0.5 + 1.0 +

0.5 + 0.3

tg60︒

=2.8m

（8）每日栅渣量：

在格栅间隙为 20mm 的情况下，设栅渣量为每 1000m3 污水产

3

0.07 m3，

W =

K Z ⨯1000 1.2 ⨯1000

=

= 3.29 m3/d＞0.2 m3/d

宜采用机械清渣。

500

1000

H

tg

图 4-2格栅计算示意图

4.1.1.3 细格栅的设计与计算

其计算简图如图 4-2 所示

（1）格栅间隙数：

设栅前水深 h=0.5m,过栅流速 v=0.9m/s,栅条间隙宽度 b=0.006m,格

栅倾角α =600，格栅数为 2。

n =

Qmax sinα

Nbhv

=

0.652 ⨯ sin 60︒

2 ⨯ 0.006 ⨯ 0.5 ⨯ 0.9

≈109 个

︒

（2）格栅宽度：

设栅条宽度 S=0.01m,

B=S（n-1）+bn=0.01×（109-1）+0.006×109=1.73≈1.75M

（3）进水渠道渐宽部分的长度：

设进水渠道宽 B1=1.6m,其渐宽部分的展开角α1 =20

（进水渠道内的流速为 0.82m/s）,

l1 =

=          ≈0.22M

2tg 20︒

（4）栅槽与出水渠道连接处渐窄部分的长度：

l2 =

l1

2

=

0.22

2

=0.11m

4

（5）通过格栅的水头损失：

设栅条断面为锐边矩形断面（ β =2.42， K =3），

4

2

h1 = β ç⎪

⎝ b ⎭ 2g

sinαK

4

⎛ 0.01 ⎫ 3

⎝ 0.006 ⎭

=0.51m

（6）栅后槽总高度：

设栅前渠道超高 h2 =0.3m,

H = h + h1 + h2 =0.5+0.3+0.51≈1.3M

（7）栅槽总长度：

0.92

19.6

sin 600 ⨯ 3

L = l1 + l2 + 0.5 + 1.0 +

H1

tg60︒

= 0.22 + 0.11 + 0.5 + 1.0 +

0.5 + 0.3

tg60︒

=2.41m

（8）每日栅渣量：

在格栅间隙为 6mm 的情况下，设栅渣量为每 1000m3 污水产 0.07

m3，

W =

K Z ⨯1000 2 ⨯1.2 ⨯1000

=

= 1.65 m3/d＞0.2 m3/d

宜采用机械清渣。

4.1.1.4 曝气沉砂池的设计与计算

本设计采用曝气沉砂池是考虑到为污水的后期处理做好准备。

建议设两组沉砂池

一备一用。

其计算简图如图 4-3 所示。

具体的计算过程如下：

（1）池子总有效容积：

设 t=2min,

V= Qmax t×60=0.652×2×60=78 m3

（2）水流断面积：

A=

Qmax

v1

=

0.652

0.07

=9.31m2

沉砂池设两格，有效水深为 2.00m，单格的宽度为 2.4m。

（3）池长：

L=

=

A 9.31

=8.38m，取 L=8.5 m

（4）每格沉砂池沉砂斗容量：

V0 =0.6×1.0×8.5=5.1 m3

5

（5）每格沉砂池实际沉砂量：

设含砂量为 20 m3/106 m3 污水，每两天排一次，

V0 =

20 ⨯ 0.652

106 ⨯ 2

⨯ 86400 ⨯ 2 =1.13〈5.1 m3

（6）每小时所需空气量：

设曝气管浸水深度为 2.5 m，查表得单位池长所需空气量

为 28 m3/（m·h）,

q=28×8.5×（1+15%）×2=547.4 m3

式中（1+15%）为考虑到进口条件而增长的池长。

图 4-3曝气沉砂池计算示意图

4.1.1.5 厌氧池的设计与计算

4.1.1.5.1 设计参数

设计流量为 60000 m3/d，设计为两座每座的设计流量为 30000 m3/d。

水力停留时间：

T = 2 h。

污泥浓度：

X =3000mg/L

污泥回流液浓度：

X R =10000 mg/L

4.1.1.5.2 设计计算

（1）厌氧池的容积：

V = QT =30000×2/24=2500 m3

（2）厌氧池的尺寸：

6

水深取为 h =5,则厌氧池的面积：

A =

V

h

=

2500

5

=500 m2。

厌氧池直径：

D =

4 A

π

=

4 ⨯ 500

3.14

=25 m。

考虑 0.3 的超高，故池总高为 H = h + 0.3 =5.3 m。

（3）污泥回流量的计算

回流比计算：

R =

X

X R - X

=0.42

污泥回流量：

QR = RQ =0.42×30000=12600 m3/d

4.1.1.6 Carrousel 氧化沟的设计与计算

氧化沟，又被称为循环式曝气池，属于活性污泥法的一种。

见图 4-4 氧化沟计算

示意图。

本次设计采用 Carrousel 型氧化沟，共两组。

每组设计如下：

曝气器

进水和回流污泥

导流墙

曝气器低氧区

高氧区

图 4-4 Carrousel 氧化沟计算示意图

4.1.1.6.1 设计参数

设计流量 Q=30000m3/d 设计进水水质 BOD5=190mg/L；

COD=360mg/L；SS=200mg/L；NH3-N=45mg/L；污水水温 T = 25℃。

设计出水水质 BOD5≤30Mg/L；COD≤100Mg/L；SS≤30Mg/L；NH3-N≤25（30）

mg/L；TP≤3Mg/L。

污泥产率系数 Y=0.55; 污泥浓度（MLSS）X=4000mg/L;挥发性污泥浓度（MLVSS）

7

XV=2800mg/L; 污泥龄θ c =30d; 内源代谢系数 Kd=0.055.

4.1.1.6.2 设计计算

（1）去除 BOD

氧化沟出水溶解性 BOD 浓度 S。

为了保证沉淀池出水 BOD 浓度 Se≤30Mg/L,必须控

制所含溶解性 BOD 浓度 S2，因为沉淀池出水中的 VSS 也是构成 BOD 浓度的一个组成部

分。

S=Se-S1

S1 为沉淀池出水中的 VSS 所构成的 BOD 浓度。

S1=1.42（VSS/TSS）×TSS×（1-e -0.23⨯5 ）

=1.42×0.7×20×（1-e -0.23⨯5 ）

=13.59 （mg/L）

S=20-13.59=6.41（mg/L）

好氧区容积 V1。

好氧区容积计算采用动力学计算方法。

V1=

YθcQ（S0 - S ）

X V （1 + K dθc ）

=

0.55 ⨯ 30 ⨯ 30000 ⨯ （ 0. 16 - 0.00641）

2.8 ⨯ （1 + 0.055 ⨯ 30）

V110247 ⨯ 24

=10247m3

好氧区水力停留时间：

t=  =   =8.20h

Q30000

剩余污泥量 ∆ X

Y

1 + K dθc

=2096（kg/d）

） + Q（ X 0 - X 1 ） - QX e

去除每 1kgBOD5 所产生的干污泥量=

∆X

Q（S0 - S ）

=0.499（kgDS/kgBOD5）。

（2）脱氮

需氧化的氨氮量 N1。

氧化沟产生的剩余污泥中含氮率为 12.4%，则用于生物合成

的总氮量为：

N0=

0.124 ⨯ 769.93 ⨯1000

25000

=3.82（mg/L）

需要氧化的氨氮量 N1=进水 TKN-出水 NH3-N-生物合成所需要的氨 N。

N1=45-15-3.82=26.18（mg/L）

脱氮量 NR=进水 TKN-出水 TN-生物合成所需要的氨 N=45-20-3.82=21.18（mg/L）

8

脱氮所需要的容积 V2

脱硝率 qdn（t）= qdn（20）×1.08（T-20）=0.035×1.08（14-20）=0.022kg

脱氮所需要的容积:

V2=

QN r

qdn X v

=

30000 ⨯ 21.18

0.022 ⨯ 2800

=10315 m3

脱氮水力停留时间 t2 :

t2=

V2

Q

=8.25 h

氧化沟总体积 V 及停留时间 t:

V=V1+V2=10247+10315= 20562m3

t=V/Q=16.45 h

校核污泥负荷 N =

QS0

XV

=

25000 ⨯ 0.16

2.8 ⨯17135

=0.083 [kgBOD5 /（kgMLVSS ∙ d ）]

（3）氧化沟尺寸：

取氧化沟有效水深为 5m，超高为 1m，氧化沟深 6m。

氧化沟面积为 A=

V

h

=20562/5=4112.4m2

单沟宽 10m，中间隔墙宽 0.25m。

则弯道部分的面积为：

A1=

3π （

2

2

）

+ （

3 ⨯10 + 3 ⨯ 0.25

2

）π ⨯10 =965.63m2

直线段部分的面积:

A2= A - A1 =4112.4-965.63=3146.77 m2

单沟直线段长度：

L=

A2

4 ⨯ b

=

3146.77

4 ⨯10

=78.67m，取 79m。

Q0.568

进水管和出水管：

污泥回流比 R=63.4%，进出水管的流量为：

Q1= （1 + R）Q =1.634×30000m3/d=0.568 m3/s，管道流速为 v = 1.0m/s。

则管道过水断面：

A===0.568m2

v1

管径 d=

4 A

π

=0.850m,取管径 850mm。

校核管道流速：

9

v=

Q

A

=0.94m

（4）需氧量

实际需氧量：

AOR=D1-D2-D3+D4-D5

去除 BOD5 需氧量：

D1= a'Q（S0 - S ） + b'VX =7754.03（kg/d） （其中 a' =0.52， b' =0.12）

剩余污泥中 BOD5 需氧量：

D2=1.42 ⨯ ∆X 1 =1131.64（kg/d）

剩余污泥中 NH3-N 耗氧量：

D3= 4.6 ⨯ 0.124 ⨯ ∆X =454.57（kg/d） （0.124 为污泥含氮率）

去除 NH3-N 的需氧量：

D4=4.6×（TKN-出水 NH3-N）×Q/1000=3450（kg/d）

脱氮产氧量：

D5=2.86×脱氮量=1514.37（kg/d）

AOR= D1-D2-D3+D4-D5=8103.45（kg/d）

考虑安全系数 1. 2，则 AOR=8103.45×1.2=11344.83（kg/d）

去除每 1kgBOD5 需氧量=

AOR

Q（S0 - S ）

=

11344.83

25000 ⨯ （0.16 - 0.00641）

=2.95（kgO2/kgBOD5）

标准状态下需氧量 SOR

SOR=

AOR ∙ CS （20）

α （βρCS （T ） - C） ⨯1.024（T -20）

（CS（20）20℃时氧的饱和度，取 9.17mg/L；T=25℃；CS（T）25℃时氧的饱和度，取

8.38mg/L；C 溶解氧浓度，取 2 mg/L；α=0.85；β=0.95；ρ=0.909）

SOR=

11344.83 ⨯ 9.17

0.85 ⨯ （0.95 ⨯ 0.909 ⨯ 8.38 - 2） ⨯1.024（25-20）

=20764.89（kg/d）

去除每 1kgBOD5 需氧量=

∆SOR

Q（S0 - S ）

=5.41（kgO2/kgBOD5）

10

曝气设备的选择：

设两台倒伞形表面曝气机，参数如下：

叶轮直径：

4000mm；叶轮转速：

28R/min；浸没深度：

1m；

电机功率：

210KW；充氧量：

≥2.1kgO2/（kW·h）。

4.1.1.7 二沉池的设计与计算

其计算简图如图 4-5 所示

4.1.1.7.1 设计参数

Qmax =652 L/s=2347.2 m3 /h;

氧化沟中悬浮固体浓度 X =4000 mg/L;

二沉池底流生物固体浓度 X r =10000 mg/L;

污泥回流比 R=63.4%。

4.1.1.7.2 设计计算

（1） 沉淀部分水面面积 F 根据生物处理段的特性，选取二沉池表面负荷 q=0.9m

3

/（m2·h）,设两座二次沉淀池 n = 2 .

F =

Qmax

nq

=

2347.2

2 ⨯ 0.9

= 1304 （m2）

（2）池子的直径 D

D =

4F

π

=

4 ⨯1304

π

= 40.76 （m），取 D =40m 。

（3）校核固体负荷 G

G =

24 ⨯ （1 + R）QX

F

=

⨯⨯

24 （1 + 0.634） 30000 ⨯ 4000

1304

=141.18 [kg/（m 2 ·d）] （符合要求）

（4） 沉淀部分的有效水深 h2

设沉淀时间为 2.5h。

h2 = qt = 0.9×2.5=2.25 （m）

（5） 污泥区的容积V

V =

2T （1 + R）QX

24 ⨯ （ X + X r ）

=

2 ⨯ 2 ⨯ （1 + 0.634） ⨯ 30000 ⨯ 4000

24 ⨯ （10000 + 4000）

=1945.2（m3）

（6）污泥区高度 h4

污泥斗高度。

设池底的径向坡度为 0.05，污泥斗底部直径 D2 =1.6m，上部直径

D1 =4.0m，倾角为 60°，则：

11

'

h4 =

D1 - D2

2

⨯ tg 60°=

4.0 - 1.6

2

⨯ tg 60°=2.1（m）

12

圆锥体高度

''

h4 ＝

D - D1

2

⨯ 0.05 ＝

40 - 4

2

⨯ 0.05 ＝0.9（m）

V2 =

πh4

12

⨯ （D 2 + DD1 + D12 ）

=

π ⨯ 0.9

12

⨯ （402 + 40 ⨯ 4 + 42 ） =418.25（m3）

竖直段污泥部分的高度

h4' =

=                    =1.16（m）

F 1304

'''''

污泥区的高度 h4 = h4 + h4 + h4' =2.1+0.9+1.16=4.16（m）

沉淀池的总高度 H 设超高 h1 =0.3m，缓冲层高度 h3 =0.5m。

则

H = h1 + h2 + h3 + h4 =0.3+2.25+0.5+4.16=7.21m

取 H =7.2 m

4.1.1.8 接触池的设计与计算

采用隔板式接触反应池。

其计算简图如图 4-5 所示。

图 4-5二沉池设计计算图

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4.1.1.8.1 设计参数

水力停留时间：

t=30min

平均水深：

 h =2.4m。

隔板间隔：

b=1.5m。

池底坡度：

3%

排泥管直径：

DN=200mm。

4.1.1.8.2 设计计算

接触池容积：

V = Qt = 0.652×30×60=1174 m3

水流速度：

v =

Q

hb

=

0.652

2.4 ⨯1.5

= 0.18 m/s

表面积：

F =

Q

h

=

1174

2.4

= 489.2 m2

廊道总宽度：

隔板数采用 10 个，则廊道总宽度为 B=11×b=11×1.5=16.5m。

接触池长度：

L =

F

B

=

489.2

16.5

=29.6m 取 30m。

水头损失，取 0.4m。

4.2CASS 工艺（方案二）

4.2.1 CASS 工艺的特点

1.此工艺建设费用低,与常规活性污泥法相比,省去了初次沉淀池、二次沉淀池及

污泥回流设备,工艺流程简洁,建设费用可节省 10%～25%,占地面积可减少 20%～35%。

2.运转费用省。

由于曝气是周期性的,重新开始曝气时,氧浓度梯度大,传递效率高,节

能效果显著,运转费用可节省 10%～25%。

此外,本工程采用水下曝气机代替传统鼓风机

曝气,消除了噪音污染。

　　3.有机物去除率高,出水水质好。

　　4.管理简单,运行可靠,能有效防止污泥膨胀。

与传统的 SBR 工艺相比,CASS 最大

的特点在于增加了一个生物选择区,且连续进水（沉淀期、排水期仍连续进水）,没有明

显标志的反应阶段和闲置阶段。

设置生物选择区的主要目的是使系统选择出良好的絮

凝性生物。

5.污泥产量低,性质稳定。

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