氧化沟工艺城市污水处理厂设计
武汉科技学院
2004届毕业设计（论文）题目：氧化沟工艺城市污水处理厂设计
院系：环境与化学工程系
专业：环境工程
学生：
学号：0051190
指导老师：
摘要
本论文主要设计氧化沟工艺处理城市污水。城市是人类社会经济发展的一个极其重要的组成部分，在城市的社会经济活动中，每天都要消耗大量的水，用于工业、农业、商业活动以及市民的日常生活。城市污水处理厂是城市发展的重点基础设施，是城市水污染控制、水环境保护工作中的关键工程，它对社会经济的高速、稳定、可持续发展起着保障和促进的作用。
本设计是东北地区的一个城市污水处理厂，其污水流量为6万m3/d，经处理后应达到SS 去除率85％，BOD去除率90％。本设计采用奥巴尔（ORBAL）型氧化沟工艺，氧化沟工艺是一种改良的活性污泥法，是以活性污泥为主体的污水生物处理技术。奥巴尔（ORBAL）型氧化沟是氧化沟工艺的一种，具有优于传统氧化沟工艺的特殊优点：工艺流程简单，占地面积小；工艺运行具有灵活性；基建费用和运行费用低，运行管理简单；出水水质好并且有一定的承受水质水量冲击负荷的能力，出水可以达到国家排放标准。处理工艺流程主要由格栅、沉砂池、氧化沟、二沉池、污泥浓缩池、污泥脱水间等组成。本设计的平面布置和高程布置合理，各构筑物集中紧凑、节约用地、便于管理，并且基建费用和运行费用低，运行管理简单。
本论文包括城市污水概况，城市污水处理技术及其新发展，工艺方案的比较及选择，构筑物尺寸的计算，设备的选型，平面布置与高程布置，运行成本的核算等。
关键词：城市污水；设计；ORBAL氧化沟工艺；工艺流程。
ABSTRACT
The paper mainly designs Oxidation Ditch process for the treatment of municipal wastewater. The city is a important part of the development of social economy .It is a great deal of water used for industry, agriculture, business activity and civic daily life in the transaction of city. The factory of the treatment of municipal wastewater is not only the important basic facilities of the city development, but also the main project of the control of municipal wastewater and water resource environment protection as well .It also plays a role in the social economic development.
This design is a factory of the treatment of municipal wastewater in the northeast，the flow of which is 6×104 m3 /d ，the removal rate of SS is 85% and the removal rate of BOD is 90%。The method of this design is ORBAL Oxidation Ditch , the Oxidation Ditch process which is a improved activated sludge process is a biochemical treatment technology for wastewater which mainly based on
the activated sludge. the ORBAL Oxidation Ditch that we choose is one of Oxidation Ditch , It has been characterized as simple process and small dimension ; smooth operation; economical and convenient for regulation ; It has favorable ability of bearing the impingement loading the wastewater treated by the processing; it can reach the sewage discharge standard . The process is consisted of screen bar 、sink sand pond 、 Oxidation Ditch 、secondary clarifier 、 sludge concentrated pond 、sludge dehydrated room and so on .And the plane distribution and elevation distribution are rational，the constructions follow the principle of compact，small dimension and fully-used in soil，convenient for regulation，and the cost of building and running are low，simple for operation .
This paper is consisted of the summary of municipal wastewater, the technical and breakthrough of treatment of municipal wastewater, comparison the processes and choose of method, compute of gauge of constructions, the choose of equipment ,the plane distribution and elevation distribution , the check of running cost and so on.
Key Words : municipal wastewater; design ; ORBAL Oxidation Ditch technology; technology process.
目录
1绪论 (1)
1.1城市污水概况 (1)
1.2城市污水处理技术及其新发展 (1)
2城市污水处理工艺选择 (6)
2.1工艺方案分析比较 (6)
2.2工艺方案选择确定 (9)
2.3工艺方案阐述 (9)
3处理构筑物设计 (10)
3.1污水流量的计算 (10)
3.2集水井 (11)
3.3污水提升泵房 (11)
3.4格栅 (12)
3.5曝气沉砂池 (14)
3.6砂水分离间 (16)
3.7鼓风机房 (16)
3.8O R B A L型氧化沟 (17)
3.9辐流式二沉池 (19)
3.10回流污泥泵房 (23)
3.11接触消毒池 (24)
3.12剩余污泥泵房 (25)
3.13污泥浓缩池 (25)
3.14浓缩污泥贮池 (28)
3.15浓缩污泥提升泵房 (28)
3.16污泥脱水间 (28)
4污水处理厂总体布置 (28)
4.1总平面布置 (28)
4.2高程布置 (29)
5污水处理厂运行成本核算 (30)
5.1劳动定员 (30)
5.2运行费用 (30)
6工程效益 (32)
7全文总结 (32)
参考文献 (34)
1 绪论
1.1 城市污水概况
城市是人类社会经济发展的一个及极其重要的组成部分，在城市的社会经济活动中，每天都要消耗大量的水，用于工业、农业、商业活动以及市民的日常生活。水在使用过程中被带进了洗涤剂、染料、溶液、油脂和粪尿，各类无机物和有机物，细菌、病毒等致病微生物，毒性、酸碱性、放射性和重金属类等物质，以致水的物理性质和化学性质发生明显变化，变成了污水。
污水在城市发展的初期是通过城市污水收集系统收集排放到附近水体，经过清洁水体的稀释和自然净化功能变污为清，成为人类可以循环利用的水资源。但是，随着城市社会经济发展的规模越来越大，污水越开越多，水质越来越复杂，水体有限的自然净化功能已经不能适应城市水污染控制、水环境保护的需要。大量源源不断地排入水体（江、河、湖、海和地下水）和土壤（通过农田灌渠）的城市污水，使水体和土壤受到严重污染，毁灭了原有的自然生态，使鱼虾匿迹，物种消失，河湖变成了臭河死水，加剧了有限的水资源危机；使许多河、湖、地下水不能再作为饮用水源，城市只好花巨资去开发新水源；使土壤里重金属和有毒物质富集，污染物通过食物链危害人民的身体健康。水体的污染造成了巨大的经济损失，水资源的短缺制约了城市社会经济的可持续性发展。
1.2 城市污水处理技术及其新发展
城市污水处理就是利用各种设施设备和工艺技术，将污水中所含的污染物质从水中分离去除，使有害的物质转化为无害的物质和有用的物质，水体则得到净化，并使资源得到充分利用。城市污水处理技术通常有物理处理技术、化学处理技术、物理化学处理技术、生物处理技术等。典型的物理处理技术有沉淀技术、过滤技术、气浮技术等；典型的化学处理技术和物理化学处理技术有中和、加药混凝、离子交换等；典型的生物处理技术有好氧生物氧化分解和厌氧生物发酵技术。城市污水处理工艺实际上就是以上这些技术的应用和组合。
城市污水处理厂是城市发展的重点基础设施，是城市水污染控制、水环境保护工作中的关键工程，它对社会经济的高速、稳定、可持续发展起着保障和促进的作用。目前，我国的城市污水处理设施数量的总体规模很小，城市污水处理率严重不足，水环境污染的趋势还在发展，今后的水污染控制、水环境保护工作任重道远。随着水污染治理工作的发展，城市污水处理技术已经取得了一定的进展，涌现出大量新工艺、新设备和新材料，在实际的处理过程中得到了应用和发展。我国现有城市污水处理厂80％以上采用的是活性污泥法，其余采用一级处理、强化一级处理、稳定塘法及土地处理法等。同时，国外许多新技术、新工艺、新设备被引进到我国，AB法、氧化沟法、A/O工艺、A/A/O工艺、SBR法在我国城市污水处理厂中均得到应用，污水处理工艺技术由过去只注重去除有机物发展为具有除磷脱氮功能。国外一些先进、高效的污水处理专用设备也进入了我国污水处理行业市场，如格栅机、潜水泵、除砂装置、刮泥机、曝气器、鼓风机、污泥泵、脱水机、沼气发电机、沼气锅炉、污泥消化搅拌系统等大型设备与装置。
1.2.1 普通活性污泥法工艺
我国80年代以前建设的城市污水处理厂大部分采用普通曝气法活性污泥处理工艺，由于
该工艺主要以去除BOD和SS为主要目标，对氮磷的去除率非常低。为了适应水环境及排放要求，一些污水处理厂正在进行改造，增加或强化脱氮和除磷功能。
北京高碑店污水处理厂 100万m3/d 已运行，其工艺流程如下：
（1）污水处理工艺流程：
另外还有天津纪庄子污水处理工程 26万m3/d 已运行，天津东郊污水处理厂 40万m3/d 已运行，山东济南市污水处理厂 22万m3/d 已运行，湖北武汉市水质净化厂 5万m3/d 已运行等采用普通活性污泥法。
1.2.2 AB工艺
AB法污水处理工艺于80年代初开始在我国应用于工程实践。由于其具有抗冲击负荷能力强、对pH值变化和有毒物质具有明显缓冲作用的特点，故主要应用于污水浓度高、水质水量变化较大，特别是工业污水所占比例较高的城市污水处理厂。
山东青岛市海泊河污水处理厂 8万m3/d 已运行，表1为设计的进水出水指标:
表1 青岛海泊河污水处理厂设计的进水出水指标
项目BOD5 COD cr SS NH3-N T-P
进水浓度/(mg/L) 800 1500 1100 100 8
出水浓度/(mg/L) 40 150 40 3
去除率/% 95 90 96 62
另外还有山东淄博市污水处理厂 14万m3/d 已运行，广东深圳市罗芳污水处理厂 10万m3/d 已运行，广东广州猎德污水处理厂 22万m3/d 已运行等采用AB工艺。
1.2.3 氧化沟工艺
目前氧化沟工艺是我国采用较多的污水处理工艺技术之一。应用较多的有奥贝尔氧化沟工艺，由我国自行设计、全套设备国产化，已有成功实例。DE型氧化沟和三沟式氧化沟在中高浓度的中小型城市污水处理中也有应用。采用卡罗塞尔氧化沟工艺的城市污水处理厂大部分为外贷项目。氧化沟工艺不仅出水水质好，污泥在氧化沟内也能得以充分地好氧稳定，其剩余污泥不需再进行厌氧消化，直接进行污泥浓缩与脱水。
山东莱西市污水处理厂工程 4万m3/d 已运行 ORBAL，该城市污水厂最早应用奥贝尔(Orbal)氧化沟，表2为处理效果表：
表2 污水处理厂处理效果表
项目BOD5COD SS NH4-N 进水浓度/(mg/L) 1232 2871 968 11.3
出水浓度/(mg/L) 7 71 23 2.5
去除率/% 99.4 97.5 97.6 77.9
安国市污水处理厂采用奥贝尔氧化沟工艺，建设一座日处理4万立方米的污水处理厂。其工艺流程如下：
另外还有北京北京大兴黄村污水处理厂 8万m3/d 已运行 ORBAL，河北廊坊市污水处理厂 8万m3/d 已运行 ORBAL，广东中山市污水处理公司 10万m3/d 已运行 CARROUSE，河北邯郸市东污水处理厂 10万m3/d 已运行三沟式，安徽合肥市王小郅污水厂（一期） 15万m3/d 已运行单沟式，陕西西安市北石桥污水净化中心 15万m3/d 已运行 DE型等采用氧化沟工艺。
1.2.4 SBR工艺
多种类型的SBR工艺在我国均有应用，如属第二代SBR工艺的ICEAS工艺，属第三代的CAST工艺、UNITANK工艺等。SBR间歇式活性污泥法氧利用率高，基建费用和运行费用均较低，不易产生污泥膨胀。同时通过对运行方式的调节，具有脱氮除磷的功能，且处理水质优于连续式，但该工艺要求程序控制，自动化水平较高。
北京某开发区污水处理厂，规模属于小型污水处理厂，采用ICEAS工艺，该工艺为SBR工艺的一种变形，具有工程投资省和运行费用低的优点，其工艺流程如下：
另外还有云南昆明市第三污水处理厂 15万m3/d 已运行 ICEAS，浙江金华市污水处理厂工程 8万m3/d 已运行 CAST，贵州遵义市污水处理厂 8万m3/d 已运行 SBR，广西梧州
污水处理厂 10万m3/d 初设 UNITANK等采用SBR工艺。
1.2.5 A/O除磷或脱氮工艺，A/A/O或改良A/A/O除磷脱氮工艺
随着我国对水环境质量要求的提高，修订后的国家《污水综合排放标准》(GB8978－1996)也越来越严，特别是对出水氮、磷的要求提高，使得新建城市污水处理厂必须考虑氮磷的去除问题。由此开发了改良A/A/O工艺和回流污泥反硝化生物除磷工艺，并已开始在实际工程中应用。
佛山市第一座城市污水处理厂兴建于1992年，针对该厂进水浓度较低碳源不足的特点，在不能同时供应除磷和反硝化所需要的碳源的情况下，选择了除磷和将氨氮进行硝化，部分进行反硝化的除磷除氨氮的A/O工艺。该厂在工艺流程的设计上也大胆地取消了初沉池，使处理流程跟更简单和合理，表3为处理效果表：
表3 佛山镇安污水处理厂A/O工艺处理效果
项目BOD5SS T-N NH3-N T-P
进水浓度/(mg / L) 68.34 37.93 20.54 15.10 2.52
出水浓度/(mg / L) 9.41 5.42 9.34 1.49 0.90
去除率/% 86.2 85.7 54.5 90.1 64.3
我国第一座应用A2/O工艺的污水处理厂是广州大坦沙污水处理厂，15万m3/d 已运行，经12年的运行结果证明，A2/O工艺适应能力强，对低浓度和高浓度的污水处理效果都很好，运行管理方便，不会产生污泥膨胀，对除磷脱氮也能获得较好的处理效果,表4为处理效果表：
表4 广州大坦沙污水处理厂A2/O工艺处理效果
项目BOD5SS T-N NH3-N T-P
进水浓度/(mg/L) 72.83 102.23 19.95 16.37 2.4
出水浓度/(mg/L) 8.69 11.93 9.95 1.98 0.52
去除率/% 88.07 88.34 50.13 87.9 78.3 苏州某旅游度假区污水处理厂采用A2/O工艺，其工艺流程如下：
另外还有浙江杭州七格污水处理工程 40万m3/d 已运行 A/O，河北保定市银定庄污水处理厂 8万m3/d 已运行 A/O，山东青岛市李村河污水处理厂 8万m3/d 已运行改良A/O，
云南昆明市第二污水处理厂 10万m3/d 已运行 A/A/O，山东泰安市污水处理厂 5万m3/d 已运行 A+A/A/O，山东青岛市团岛污水处理厂 10万m3/d 已运行改良A/A/O等。
1.2.6 其它工艺
除以上各种处理工艺外，一级及强化一级处理工艺与其它一些先进的工艺也在实际工程中应用。如：海南海口污水处理厂 30万m3/d 已运行 A段+排海，山东威海市污水排海工程8万m3/d 已运行一级+排海，江苏南京市秦淮河污水处理工程 54万m3/d 已运行一级+排江，上海上海竹园污水处理工程 170万m3/d 可研强化一级+排江；广东花都市新华净水厂4万m3/d 已运行氧化塘，河北秦皇岛市污水处理厂工程 4万m3/d 已运行射流曝气等。
从工程规模上看，一批大型污水处理厂的相继建成投产标志着我国污水处理事业发展到一个崭新的阶段。如：我国20世纪最大的污水处理厂高碑店污水处理厂，处理规模100万m3/d；目前全国最大的城市污水处理厂上海竹园污水处理厂正在设计之中，其规模为170万m3/d。以上所举例均为我国部分城市污水处理工程项目，基本代表了我国城市污水处理工艺技术的现状水平。
目前我国新建及在建的城市污水处理厂所采用的工艺中，各种类型的活性污泥法仍为主流，占90％以上，其余则为一级处理、强化一级处理、生物膜法及与其他处理工艺相结合的自然生态净化法等污水处理工艺技术。从国情出发，我国城市污水处理发展趋势：(1)氮、磷营养物质的去除仍为重点也是难点；(2)工业废水治理开始转向全过程控制；(3)单独分散处理转为城市污水集中处理；(4)水质控制指标越来越严；(5)由单纯工艺技术研究转向工艺、设备、工程的综合集成与产业化及经济、政策、标准的综合性研究；(6)污水再生利用提上日程；(7)中小城镇污水污染与治理问题开始受到重视。
2 城市污水处理工艺选择
2．1 工艺方案分析比较
1．本项目污水排放现状
（1）生活污水量现状该城市居民区用水人口为30万人，有室内给排水设备，无淋浴设备的占10％，标准为90升/人·日；室内有给排水设备，有淋浴设备的占90％，标准为140升/人·日，生活污水排放系数为0.8，则总生活污水量为0.8×（90×10％＋140×90％）×30×10－3＝3.24万m3/d。
（2）工业废水量现状总工业废水量为10000m3/d＝1万m3/d。
（3）城市混合污水水量现状城市污水排放总量为3.24＋1＝4.24万m3/d。
2．本项目混合污水水质现状
（1）悬浮物 250mg/L；
（2）BOD 180mg/L；
（3）pH 7～7.4；
（4）有毒物质微量，对生化处理无不良影响。
城市污水处理工艺的确定，是根据城市水环境质量要求、来水水质情况、可供利用的技术发展状态、城市经济状况和城市管理运行要求等诸方面的因素综合确定的。最近几年国内应用
较多的有A-O或A-A-O工艺、SBR工艺、氧化沟工艺等。工艺技术性能比较如下（表5）：
表5 工艺技术性能比较表
大、中型污水处理厂的调查，要达到确定的治理目标，可以采用“SBR工艺”或“氧化沟”工艺。具体比较如下。
2.1.1 SBR工艺
SBR工艺具有以下特点：
(1) SBR工艺流程简单、管理方便、造价低。SBR工艺只有一个反应器，不需要二沉池，不需要污泥回流设备，一般情况下也不需要调节池，因此要比传统活性污泥工艺节省基建投资30%以上，而且布置紧凑，节省用地。由于科技进步，目前自动控制已相当成熟、配套。这就使得运行管理变得十分方便、灵活，很适合小城市采用。
(2) 处理效果好。SBR工艺反应过程是不连续的，是典型的非稳态过程，但在曝气阶段其底物和微生物浓度变化是连续的(尽管是处于完全混合状态中)，随时间的延续而逐渐降低。反应器内活性污泥处于一种交替的吸附、吸收及生物降解和活化的变化过程之中，因此处理效果好。
(3) 有较好的除磷脱氮效果。SBR工艺可以很容易地交替实现好氧、缺氧、厌氧的环境，并可以通过改变曝气量、反应时间等方面来创造条件提高除磷脱氮效率。
(4) 污泥沉降性能好。SBR工艺具有的特殊运行环境抑制了污泥中丝状菌的生长，减少了污泥膨胀的可能。同时由于SBR工艺的沉淀阶段是在静止的状态下进行的，因此沉淀效果更好。
(5) SBR工艺独特的运行工况决定了它能很好的适应进水水量、水质波动。
浙江省某县级市为海岛城市，人口较多，但淡水资源缺乏，因此人均用水量较低。该市2005年规划人口16万人，2010年规划人口为20万人。污水处理厂的规模远期为6万m3/d，近期为2万m3/d。近期规模较小的原因是该市污水收集系统很不完善，因此近期污水截污率在设计中仅考虑0.5左右。该市污水水质：BOD为160mg/L；COD为320mg/L；SS为220mg/L。污水处理厂远期采用6座MSBR池，近期建2座。每座的处理能力为1万m3/d，每座尺寸为50m×40m×4.5m。MSBR池主要设计参数如下：污泥负荷0.2kgBOD/(kgMLSS·d)；污泥泥龄≥20d；悬浮固体平均浓度3g/L。每座MSBR池采用18台增氧泵进行供氧。
2.1.2 氧化沟工艺
氧化沟污水处理技术，是20世纪50年代由荷兰人首创，60年代以来，这项技术在国外许多国家已经被广泛使用，工以及构造有了很大的发展和进步。随着对该技术缺点（占地面积大）的克服和对其优点（基建投资及运行费用相对较低，运行效果高且稳定，维护管理简单等）的逐步深入，目前已经成为普遍采用的一项污水处理技术。
氧化沟一般呈环形沟渠状，平面多为椭圆形或圆形，总长可达几十米，甚至百米以上，沟深取决于曝气装置。
氧化沟具有以下特点：
(1) 工艺流程简单，运行管理方便。氧化沟工艺不需要初沉池和污泥消化池。有些类型氧化沟还可以和二沉池合建，省去污泥回流系统。
(2) 运行稳定，处理效果好。氧化沟的BOD平均处理水平可达到95%左右。
(3) 能承受水量、水质的冲击负荷，对浓度较高的工业废水有较强的适应能力。这主要是由于氧化沟水力停留时间长、泥龄长和循环稀释水量大。
(4) 污泥量少、性质稳定。由于氧化沟泥龄长。一般为20－30d，污泥在沟内已好氧稳定，所以污泥产量少从而管理简单，运行费用低。
(5) 可以除磷脱氮。可以通过氧化沟中曝气机的开关，创造好氧、缺氧环境达到除磷脱氮目的，脱氮效率一般＞80%。但要达到较高的除磷效果则需要采取另外措施。
(6) 基建投资省、运行费用低。和传统活性污泥法工艺相比，在去除BOD、去除BOD和NH3－N及去除BOD和脱氮三种情况下，基建费用和运行费用都有较大降低，特别是在去除BOD和脱氮情况下更省。同时统计表明在规模较小的情况下，氧化沟的基建投资比传统活性污泥法节省更多。
浙江省东部某县级市，2000年人口为8.5万人，2010年规划人口为15万人。截污率2000年采用0.6，2010年采用0.75。2000年污水总量为1.9万m3/d。该市污水水质：BOD为100～150mg/L；COD为300～350mg/L；SS为200～250mg/L。污水处理厂采用4座卡鲁塞尔氧化沟，每座氧化沟处理能力为1万m3/d，每座尺寸为：76m×28m×3.9m。现已建成2座，2010年再增加2座。氧化沟主要设计参数为：污泥负荷0.10kgBOD/(kgMLSS·d)；污泥泥龄≥15d；悬浮固体平均浓度3.5g/L；污泥产率0.65kgSS/kgBOD。每池采用3台表面曝气机，每台功率55kW，变频调速。
2.2 工艺方案选择确定
由以上分析比较可知，两种工艺均可以达到预期的处理效果，均为成熟的工艺，但氧化沟工艺具有明显的优势，氧化沟法运行成本较低，构造简单，易于维护管理，出水水质好，耐冲击负荷，运行稳定，并可脱氮除磷，适宜于在中小型污水处理厂中使用。根据毕业设计拟建项目的设计要求，较适合采用氧化沟工艺进行二级处理。
2.3 工艺方案阐述
氧化沟的类型有很多，主要有基本型、卡鲁塞尔（CARROUSEL）型、三沟式型、奥巴尔（ORBAL）型等，根据城市污水处理厂设计任务书的要求，我采用ORBAL氧化沟工艺，ORBAL污水处理系统是氧化沟污水处理工艺的一种，具有优于传统氧化沟工艺的特殊优点，具体如下：
（1）垂直布置的反应池墙体，使该污水处理系统具有占地面积小的特点；
（2）通过调节曝气转盘的转速、浸没深度以及转动方向，改变反应池上氧的输入，在不同的负荷条件下运行，不会影响处理系统的处理效率，具有显著的工艺运行灵活性；
（3）控制系统操作简便，由于机械设备少，所以维修、维护工作也较少；
（4）澄清系统的占地面积也较小，维护也较方便。
ORBAL氧化沟出水水质好，一般情况下，BOD5去除率可达95％－99％，脱氮效率达90％左右，除磷效率达50％左右，如在处理过程中，适当投加铁盐，则除磷效率可达95％。一般的出水水质为BOD5＝0－15mg/l；SS＝10－20mg/l；NH4-N＝1－3mg/l；P＜1mg/l。运行费用较传统活性污泥法低30％－50％，基建费用较传统活性污泥法低40％－60％。
拟定工艺流程如下：