环境工程基础设计董子薇.docx
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环境工程基础设计董子薇
环境工程基础设计
课程报告
班级：
130223
学号:
13022103
姓名：
董子薇
一、充氧曝气工艺设计
1.充氧曝气有几种形式；
国内习惯上按供气方式分为：
鼓风曝气充氧设备和机械曝气充氧设备
2.如何确定需氧量；
A.根据有机物降解需氧率和内源代谢需氧率计算
在曝气池反应过程中，微生物对污染物的氧化分解和微生物本身的内源代谢都是属于耗氧过程。
可通过下列两个公式计算:
（1）
O2——混合液需氧量，kgO2/d
a’——活性污泥微生物每代谢1kgBOD5所需要的氧量kgO2/kg
Q——处理污水流量m3/d
Sr——经活性污泥代谢活动被降解的有机污染物的量kg/m3
Sr=S0-Se
b’——每1kg活性污泥每天自身氧化所需要的氧量kgO2/（kg*d）
V——曝气池容积m3
Xv——曝气池内MLVSS浓度kg/m3
Ls——BOD5污泥负荷kgBOD5/（kgMLVSS*d）
O2/QSr——每降解1kgBOD5的需氧量kgO2/kgBOD5
O2/XvV——单位质量活性污泥的需氧量kgO2/（kgMLVSS*d）
B.微生物对有机物的氧化分解需氧量
耗氧量=去除的bCOD-合成微生物COD
3.鼓风曝气系统设计通常有几种形式，如何进行设计计算；（要求有计算步骤，最终获得风量、风压，为风机选型提供依据）
3.1.曝气池容积计算
A．按室外排水设计规范公式计算 详见《室外排水设计规范》GBJ14-87 第6.6.2条及第6.6.3条。
1、确定污泥负荷：
FW =K·Le；
2、曝气池容积
式中：
Fw ——曝气池的五日生物需氧量污泥负荷（kgBOD5/kgMLSS·d）；
K——BOD5降解常数由试验确定（l/d）；
Le ——曝气池出水五日生物需氧量（mg/L）；
Q——曝气池的设计流量（m3/h）；
Li ——曝气池进水五日生物需氧量（mg/L）；
V——曝气池的容积（m3）；
Nw——曝气池内混合液悬浮固体平均浓度（g/l）。
3、曝气池面积按下式计算
式中：
F——曝气池面积（m2）；
H——曝气池水深（h）；
V——曝气池容积（m3）。
4、曝气池污水需氧量应按下列方法之一计算：
O2=24·Q·（Li-Le）·a'+V·Nw·b'
式中：
O2 ——曝气池污水需氧量（kgO2/d）；
a'——BOD5降解需氧量（kgO2/kgBOD5）；
b'——活性污泥内源呼吸耗氧量（kgO2/kgMLSS·d）；
a'、b'宜通过试验确定，也可参照。
5、曝气池标准状态下污水需氧量按下式计算
式中：
OC ——标准状态下曝气池污水需氧量（kgO2/d）；
O2 ——由上算得的曝气池污水需氧量（kgO2/d）；
Cs20——20℃蒸馏水饱和溶解氧值9.17（mgO2/L）；
α——曝气设备在污水与清水中氧总转移系数之比值；
β——污水与清水中饱和溶解氧浓度之比值；
α、β值通过试验确定，也可参照选用；
1.024——温度修正系数；
T——曝气池内水温，应按夏季温度考虑（℃）；
CS（T）——水温T℃时蒸馏水中饱和溶解氧值（mgO2/L）；
Ct ——曝气池正常运行中应维持的溶解氧浓度值（mgO2/L）；
ρ——不同地区气压修正系数
P——压力修正系数，按下式计算
式中：
Pb ——空气释放点处绝对压力，按下式计算
式中：
Pa——当地大气压力（Mpa）；
H——曝气池空气释放点距水面高度（m）；
Ot ——空气逸出池面时气体中氧的百分数，按下式计算。
式中：
ε——曝气池氧的利用率
6、风机总供风量按下式计算
式中：
Q——风机总供风量（m3/d）；
0.28——标准状态（0.1Mpa，20℃）下每立方米空气中含氧量（kgO2/m3）
7、曝气器数量计算
曝气器所需数量，应从供氧、服务面积两方面计算。
1）按供氧能力计算曝气器数量
式中：
h1 ——按供氧能力所需曝气器个数（个）；
Oc ——由式所得曝气器污水标准状态下生物处理需氧量（kgO2/d）；
qc ——曝气器标准状态下，与曝气器工作条件接近时的供氧能力（kgO2/h·个）；
2）按服务面积计算曝气器数量
式中：
h2 ——按服务面积所需曝气器个数（个）；
F——由式所得曝气器面积（m2）；
f——单个曝气器服务面积（m2）；
当算得h1与h2二者相差较大时，应经调整f或qc重复上述计算，直至二者接近时为止。
8、曝气搅拌能力验算
为满足曝气池混合搅拌需要，曝气还应符合下列条件之一：
1）污水生物处理供风量立方米污水还不应小于3m3；
2）曝气池底部水流速不应小于0.25m/s。
根据以上压力和空气量选择适合的鼓风机
4.鼓风曝气有几种形式；旋转推流式、平移推流式
5.机械曝气常见有哪两种设备？
它们的充氧量（充氧能力）与哪些因素有关，如何进行设计计算？
竖轴式曝气器、卧轴式曝气器
曝气池池型、曝气叶轮淹没深度、叶轮转速、曝气叶轮类型
二、环境工程中的传质
传质过程的目的是什么？
环境工程过程中传质有哪些方式？
如何进行设计计算（计算步骤）？
传质过程目的：
通过传质过程，将空气中的氧从气相传递到液相中，使得活性污泥中的好氧微生物有充足的溶解氧发挥氧化分解作用。
方式：
气体的吸收、萃取、吸附（如活性炭吸附水中物质）、膜分离、阴阳离子交换
吸收：
利用气体在液体中溶解度的差异分离气体混合物的操作叫做气体的吸收。
——汽提
解吸：
是采用惰性解吸气体与吸收液接触，利用吸收液中溶质与溶剂的挥发度不同，而将溶质从吸收液中提取出来的操作。
离子交换：
依靠阴阳离子交换树脂中的可交换离子与水中带同种电荷的阴阳离子进行交换，从而使离子从水中出去的操作。
——如制作纯水，去除水中重金属。
膜分离：
是以天然或人工合成的高分子薄膜为分离戒指，当膜的两侧存在某种推动力（如压力差、浓度差、电位差）时，混合物中的某一组分或某些组分可选择性地透过薄膜，从而与混合物中的其他组分分离的过程。
——如制作纯水，截留水中某些组分。
设计计算：
（1）以物质的量浓度为基准
C-组分A的物质的量浓度，kmol/m3
NAZ-单位时间在z方向上经单位面积扩散的A组分的量，即扩散通量，也称为扩散速率，kmol/（m2·s）
DAB-组分A在组分B中进行扩散的分子扩散系数，m2/s
dz-组分A在z方向上的浓度梯度，kmol/m3·m
费克定律—由浓度梯度引起的扩散通量与浓度梯度成正比
以摩尔分数为基准
设混合物的物质的量浓度为,kmol/m3，组分A的摩尔分数为xA
Ca=c×xA当为C常数时
（2）
以质量浓度为基准
kmol/（m2·s）（3）
kg/（m2·s）（4）
-组分A的质量浓度，kg/m3
以质量分数为基准
当混合物的密度为常数时
kg/（m2·s）
XmA-组分A的质量分数
（2）分子扩散系数
（7）
扩散物质在单位浓度梯度下的扩散速率，表征物质分子扩散能力。
扩散系数大，表示分子扩散快。
（3）定义涡流质量扩散系数
（8）
涡流扩散系数不是物理常数，它取决于流体流动的特性，受湍动程度和扩散部位等复杂因素的影响.
工程中大部分流体流动为湍流状态，同时存在分子扩散和涡流扩散，因此组分A总的质量扩散通量
（9）
在充分发展的湍流中，涡流扩散系数往往比分子扩散系数大得多，因而有
三、在环境工程设计、施工过程中，还会遇到土建结构问题、控制问题和防腐问题，试通过查阅资料回答以下问题：
1、土建结构主要有砖混和钢混两种，高程上又有地下、半地下和地下三种，从力学或结构强度考虑，砖混的壁厚如何设计？
钢混的标号、配筋和厚度又如何确定？
根据污水处理构筑物池子的大小、平面布置、埋深标高及工程地质（含水下水）等因素,其壁厚和底厚由结构专业人员设计和计算确定.
根据水量，构筑物地上还是地下来确定池壁的厚度和底板的厚度
常用的一般是250－300mm，钢筋混凝土。
厚度：
混凝土保护层的最小厚度取决于构件的耐久性和受力钢筋粘结锚固性能的要求，纵向受力钢筋的混凝土保护层最小厚度（mm）
钢筋混凝土梁的配筋要求
梁中一般配制下面几种钢筋：
纵向受力钢筋、箍筋、弯起钢筋、架立钢筋、纵向构造钢筋。
1.纵向受力钢筋
纵向受力钢筋的数量一般不得少于两根（当梁宽小于100mm时，可为一根）。
当混凝土强度等级大于或等于C25时，保护层厚度为25mm.
2.箍筋
箍筋主要是承担剪力的，直径不小于6mm，箍筋直径尚应不小于d/4（d为纵向受压钢筋的最大直径）。
3.弯起钢筋
弯起钢筋与梁轴线的夹角（称弯起角）一般是45°；当梁高h>800mm时，弯起角为60°。
4.架立钢筋
架立钢筋设置在梁的受压区并平行纵向受拉钢筋，承担因混凝土收缩和温度变化产生的应力。
5.纵向构造钢筋
当梁较高（hw≥450mm）时，为了防止混凝土收缩和温度变形而产生竖向裂缝，同时加强钢筋骨架的刚度，在梁的两侧沿梁高每隔200mm处各设一根直径不小于10mm的腰筋，两根腰筋之间用φ6或φ8的拉筋连系，拉筋间距一般为箍筋的2倍。
2、钢筋混凝土板的受力特点及配筋要求
（一）钢筋混凝土板的受力特点
钢筋混凝土板是房屋建筑中典型的受弯构件。
1.单向板与双向板的受力特点
两对边支承的板是单向板，一个方向受弯；
而双向板为四边支承，双向受弯。
2.连续板的受力特点
连续梁、板的受力特点是，跨中有正弯矩，支座有负弯矩。
（二）钢筋混凝土板的配筋要求
1.一般配筋要求
（1）受力钢筋
单跨板跨中产生正弯矩，受力钢筋应布置在板的下部；
悬臂板在支座处产生负弯矩，受力钢筋应布置在板的上部。
（2）分布钢筋
分布钢筋的作用是：
将板面上的集中荷载更均匀地传递给受力钢筋；在施工过程中固定受力钢筋的位置；抵抗因混凝土收缩及温度变化在垂直受力钢筋方向产生的拉力。
2.现浇单向板的配筋要求
单向板短向布置受力筋，在长向布置分布筋。
3.板的纵向钢筋混凝土保护层厚度
当混凝土强度等级小于或等于C20时，保护层厚度为20mm；当混凝土强度等级大于或等于C25时，保护层厚度为15mm.（梁的是25）
三、钢筋混凝土柱的受力特点及配筋要求
当采用热轧钢筋时，箍筋直径不应小于d/4（d为纵向钢筋的最大直径），且不应小于6mm.
2、相对于自动控制技术，环境工程涉及的自动控制要求不高。
在环境工程设计中常见的单因素控制指标和控制手段有哪些？
复合控制手段有哪些？
答：
自动控制系统：
在人不直接参与的情况下，利用外加的设备或装置使整个生产过程或工作机械（被控对象）自动地按预定规律运行，或使其某个参数（被控量）按预定要求变化。
控制对象：
在生产过程中被控制的反应构筑物或生产设备，可指各种装置、设备、反应器，或反应系统中某一相关部分。
被控量：
被控参数y：
按工艺要求对某些参数进行调节控制。
调节器输出：
按照工艺规律，按一定控制算法，得到的控制调节作用的电信号或其他信号。
干扰f：
破坏系统平衡，引起被控参数变化的外界因素。
.传感器：
直接感受被测参数变化的装置。
.变送器：
将感应信号变为标准信号的原件或装置。
方框图：
控制系统的元件作用图。
图中每一个方框表示组成系统的一个部分（如元件或设备），称之为环节，用带箭头的直线表示信号的相互联系和传递方向。
组成：
测量元件、比较元件、调节元件
自动控制系统的分类：
1闭环控制2开环控制a按给定值控制b按干扰补偿3复合控制
闭环特点：
据被控量与给定值的偏差进行控制，最终达到消除或减少偏差；闭环；反馈控制。
开环特点：
受控对象是被控量，但控制装置仅接受给定值，信号只有倾向作用，无反向联系。
传递函数：
一个环节或一个自动控制系统输出拉氏变换与输入拉氏变换之比，称为该系统或该环节的传递函数。
过渡过程：
系统在动态过程中被控量不断变化，这种随时间而变化的过程称为自动控制系统的过渡过程。
稳定的过度过程：
（a）单调过程：
这是一种非周期过程，被控变量在某一侧偏离给定值后．经过相当的时间又慢慢地接近给定值。
（b）衰减振荡过程：
被控变量在给定值附近上下波动．但振幅逐渐减小，最终能回到给定值。
不稳定的过渡过程：
（c）等幅振荡过程：
被控变量在给定值附近上下波动且振幅不变，最终也不能回到给定值。
（d）发散振荡过程：
被控变量在给定值附近来回波动，且振幅逐渐变大，偏离给定值越来越远。
（e）非周期发散过程：
被控变量在给定值的某一侧，逐渐偏离给定值，而且随时间t的变化，偏差越来越大，永远回不到给定值。
过渡过程的5个品质指标：
（1）最大偏差A：
被控参数测量值与给定值的最大差值，最大偏差不能超过允许范围，希望最大偏差尽量小。
第一峰值与新稳定值的偏差又称超调量B。
（2）过渡时间ts：
从干扰到建立新平衡所经历的时间ts过渡时间越短，稳定过程越快，控制质量越高。
（3）余差C：
控制调节时间结束，被控参数新的稳定值与给定值的偏差，余差的大小反应了控制系统的控制精度。
（4）衰减比Ψ：
相邻两个波峰值的比值，B：
B’＝Ψ，定值系统低一些，随动系统高一些，一般4:
1~10:
1。
（5）振荡周期Tp：
相邻两个波峰值之间的时间成为过渡过程振荡周期，倒数为振荡频率，周期与过渡时间成正比。
传感器作用：
感受被检测参数的变化，直接从对象中提取被检测参数的信息，并转换成一相应的输出信号。
变换器作用：
将传感器的输出信号进行远距离传送、放大、线性化或转变成统一的信号，供给显示器。
仪表的性能指标
1）仪表的量程2）绝对误差3）相对误差4）引用误差5）精度等级6）灵敏度（7）分辨率（8）有效度（9）响应时间
pH测量原理电极电位法的原理是用两个电极插在被测量溶液中，其中一个电极为指示电极（如玻璃PH电极），它的输出电位随被测溶液中的氢离子活度变化而变化；另一个电极为参比电极（例如氯化银电极），其电位是固定不变的.这两个电极在溶液中构成了一个原电池，该电池所产生的电动势E的大小与溶液的pH值有关，可用下式表示：
E=E*—D*PH
式中E—测量电池产生的电动势；E*——测量电池的电动势常数（与温度有关）pH——溶液的pH值；D——测量电极的响应极差（与温度有关）。
因此，若已知E*和D，则只要准确地测量两个电极间的电动势，就可以测得溶液的pH值了。
电导率检测仪表原理:
对于特定的电导仪，有确定的电极常数Q。
根据此电极常数Q和在此条件下测得的溶液的电导S．便可算出溶液的电导率k。
K=SL/A—SQ
溶解氧检测仪表原理
（1）氧电极法:
氧电极对氧活度的测定是基于电流的测量。
包含一个阴极与一个阳极的氧电极由一种电解质传导连接。
加在阳极与阴极之间的适宜的极化电位在阴极上选择性地将氧还原。
阴极：
O2+2H2O+4e==4OH－阳极:
4Ag+4C1－==4AgC1↓+4e
化学反应产生一个与氧浓度成正比的电流。
（2）实验室溶解氧分析：
碘量法（硫酸锰和碱性碘化钾）
（3）（3）电导测定法用非导电的金属铊或其他化合物与水中溶解的氧反应生成能导电的离子Tl＋。
2Tl+0.5O2+H2O==2Tl＋＋2OH－通过测定水样电导率的增量，可求得溶解氧的浓度。
（4）实验表明：
每增加0.035S/cm的电导率相当于1ml/L的溶解氧。
浊度检测仪表原理:
目前各种类型的浊度仪，全是利用光电光度法原理制成的。
悬浊液体是光学不均匀性很显著的分散物质。
当光线通过这种液体时，会在光学分界面上产生吸收、反射、散射等光学现象。
由于这些光学现象，当射入试样水的光束强度固定时，透过水样后的光束强度或散射光的强度将与悬浊物的成分、浓度等形成函数关系。
根据比尔—朗伯定律和雷莱方程式，可提出如下的函数式：
通过光电效应又可将光束强度转换为电流的大小，用以反映浊度。
这就是当前各类浊度仪的基本工作原理。
BOD检测仪表:
（1）五天培养法：
水样经稀释后，在（20±1）℃条件下培养五天，求出培养前后水样中溶解氧含量，二者的差值记为BOD5。
（2）检压法：
将水样置于装有一个有CO2吸收剂小池的密闭培养瓶中，当水样中的有机物被微生物氧化分解时，消耗的溶解氧则由气体管中的氧气补充，产生的CO2又被吸收池中的吸收剂吸收，结果导致密闭系统内的压力降低，用压力计测出的压力降低值来求出水样的BOD（3）检压库仑法：
装在培养瓶中的水样用电磁搅拌器进行搅拌，微生物降解消耗溶解氧，培养瓶内空间中的氧溶解进入水样，生成的二氧化碳从水中逸出被置于瓶内的吸附剂吸收，使瓶内的氧分压和总气压下降，电极式压力计检出下降量，并转换成电信号，自动控制电解产生氧气供给培养瓶，待瓶内气压回升至原压力时，继电器断开，电解电极停止工作，一直使培养瓶内空间始终保持恒压状态。
根据法拉第定律，由恒电流电解所消耗的电量便可计算耗氧量。
仪器能自动显示测定结果，记录生化需氧量曲线。
（4）微生物电极法：
当将电极插入恒温、溶解氧浓度一定的不含BOD物质的底液时，微生物电极输入一稳态电流；如果底液中加入了BOD物质，则电极输出的电流值不恒定，而是在几分钟内逐渐减小至新的稳定值。
在适宜的BOD物质浓度范围内，电极输出电流降低值与BOD物质浓度之间呈线性关系，因此可算出BOD值。
COD：
氧化1L水样中还原性物质所需氧化物质的量
COD检测方法：
（1）重铬酸钾法CODCr
（2）酸性高锰酸钾法CODMn（3）其他方法有1）密封管法2）比色法3）氧化还原电位滴定法：
4）恒电流库仑分析法
紫外（UV）吸收检测仪表测定方法：
分光光度法是选一定波长的光照射被测物质溶液，测量其吸光度，再依据吸光度计算出被测组分的含量。
2依据理论：
朗伯—比尔定律：
指当一束平行单色光通过均匀、非散射的稀溶液时，溶液对光的吸收程度与溶液的浓度及液层厚度的乘积成正比，即：
A=KCL
总有机碳（TOC）检测仪表测定方法及基本原理：
1方法：
燃烧氧化－非分散红外吸收法。
2原理：
将一定量水样注入高温炉内的石英管，在900~950℃温度下，以铂和三氧化二铬为催化剂，使有机物燃烧裂解转化为CO2，然后用红外线气体分析仪测定CO2含量，从而确定水样中碳的含量（TC）。
总需氧量是指水中能被氧化的物质，主要是有机物质在燃烧中变成稳定的氧化物时所需要的氧量
余氯在线检测仪表原理a.测量原理：
比色法和电极法
1比色法（邻联甲苯胺DPD），0-5mg/L，与标准方法一致，无需校准，维护量小，可以测量余氯和总氯，只须每个月更换一次试剂，不受pH影响，反应时间较慢；测量总氯时需要加入碘化钾。
2电极法，测量范围比较宽：
0-60mg/L，更适用于污水消毒，需要校准,受pH影响,维护量较大,反应时间较快,部分产品不能测量总氯。
流量检测仪表：
1节流流量计：
原理：
利用节流装置前后的压差与平均流速或流量的关系，根据压差测量值计算出流量的。
2容积流量计原理：
使流体充满具有一定体积的空间，然后把这部分流体送到流出口排出．类似于用翻斗测量液体的体积。
3面积流景计工作原理：
利用浮子在流体中的位置确定流量，当浮子在上升水流中处于静止状态时．其位置与流量存在关系。
4叶轮流量计原理：
置于流体中的叶轮是按与流速成正比的角速度旋转的。
流速可由叶轮旋转的角速度获得，而流体通过流量计的体积将从叶轮旋转次数求得。
5电磁流量计6超声波流量计7量热式流量计8毕托管9层流流量计10动压流量计11用堰、槽测量流量12质量流量计13流体振动流量计14激光多普勒流速计15标记法测流量
PLC即可编程控制器，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置
PLC的特点：
可靠、安全、灵活、方便、经济
PLC的工作原理：
（1）扫描工作原理：
用扫描工作方式分时操作逐条执行用户程序（串行工作），但CPU运行速度很快，宏观来看几乎是同时完成。
（2）扫描工作过程：
扫描工作过程包括：
内部处理、通信服务、输入采样、执行程序、输出刷新等五个阶段。
（3）执行程序过程：
输入采样到映像寄存器中；按顺序执行应用程序；输出刷新。
给水泵与给水管道：
（1）城市供水系统
（2）城市雨水、污水排水系统（3）小区、建筑的给水系统（4）小区、建筑的排水系统
调节内容：
（1）对水泵的开停双位控制：
按照液位（或压力值）、流量等参数的要求，改变每台水泵的开、停状态或改变水泵的运行台数。
（2）对水泵工作点的调节控制：
按照液位（或压力）、流量等参数的要求，改变水泵的工作点。
控制是按流量和压力控制，实现恒压或恒流控制，恒流属于一级泵站保证取水流量恒定，恒压属于二级泵站保证用户水压恒定。
双位控制的特点：
高效节能、用水压力恒定、延长设备使用寿命、功能齐全
恒压给水：
1）双位控制系统：
按水位（水压）的高低两个界限值控制给水泵的开停。
当高低水位相差不大、水压波动较小时，可近似看作恒压给水系统，如前述的高位水箱给水系统以及气压给水系统。
2）定值控制给水系统：
按某一压力控制点的水压目标值进行调节控制。
可以采用变频调速等技术，改变水泵特性，对水泵工况连续调节，将水压控制在很小的波动范围内。
给水处理工艺流程：
原水预处理控制、混凝控制、沉淀控制、过滤控制、加氯控制
混凝控制的方法和特点：
①经验目测法：
可靠性较低。
常采用过量投药的方法，但药量浪费大，水质保证率也不高。
②烧杯试验法：
缺点：
生产反应池与试验的烧杯的几何相似性有待研究。
另外，还存在结果的不连续性及滞后性问题。
优点：
在评价混凝剂性能、混凝剂品种筛选、混凝条件选择等方面，烧杯试验是一种很有效的手段③模拟滤池法：
优缺点：
几何相似性问题和结果的滞后性问题。
但是，该系统设备简单，易于实现，是一种简易的投药自动控制方案。
④数学模型法⑤胶体电荷控制法
混凝加药智能复合控制技术：
1经验法：
主观性强2模拟过滤或沉淀法：
10～15min滞后，浊度变化大时精度差3数学模型：
模型的修正、药剂的变化、处理要求的变化、仪表多可靠性差4透光脉动：
适用高浊度原水5流动电流：
抓住实质，但仍然需要改进
沉淀池控制的基本内容就是根据池内积泥量的多少，来决定排泥周期、排泥历时等等。
注：
积泥量可以用污泥界面计测量池内泥位确定，或者按进出水浊度计算确定、或者按经验确定。
滤池的自动控制基本上包括过滤、反冲洗两个方面，其中以反冲洗为主。
注：
①反冲洗开始有下列方式判断：
（1）滤后水浊度监控
（2）滤池水头损失监控（3）定时控制。
②反冲洗结束有下列方式判断：
（1）反冲洗水浊度监控。
（2）定时控制。
机电自动控制系统：
（1）自动控制方式
（2）定时控制方式（3）手动控
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