课程设计(论文)-脱氮除磷工艺设计

宝鸡文理学院2008 级

综合课程（学年）设计说明书

系别：地理科学与环境工程系

专业班级：环境工程2班

指导老师：

设计题目：脱氮除磷工艺

学生姓名：

学号：

学期：2010-2011第二学期

地理科学与环境工程系

2011年6月8日

脱氮除磷工艺设计

中文摘要：污水中的氮磷元素会导致水体的富营养化。生物脱氮过程中，污水中的有机氮及氨氮经过氨化作用、硝化作用、反硝化作用，最后转化为氮气。对应的在活性污泥法处理系统中应设置相应的好氧硝化段和缺氧反硝化段。生物除磷，污水中的磷以正磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷等形式存在。生物除磷就是利用微生物对磷的释放和吸收作用，使磷积聚于微生物体内，从污水中去除。从几种常见的污水脱氮除磷工艺和实际水质综合考虑，采用氧化沟污水处理工艺。

关键词：脱氮；除磷；氧化沟

目录

1设计目的 (1)

2脱氮除磷主体构筑物综合课程设计1任务书 (1)

3.主要的脱氮除磷污水处理工艺及其优缺点介绍 (2)

3.1.A2/O工艺 (2)

3.2、SBR工艺 (3)

3.3、氧化沟 (3)

4、处理工艺选择及其流程 (4)

5、主要构筑物的设计计算与说明 (6)

5.1、提升泵的设计计算…………………………………………………………

5.2、细中格栅的设计计算 (6)

5.3、曝气沉砂池的计算 (8)

5.4、氧化沟设计计算 (10)

5.5、二沉池设计计算 (18)

5.6消毒池的设计计算………………………………………………………….

6、实验总结： (20)

注释和参考文献 (20)

指导教师评语： (21)

工艺流程高程图 (24)

工艺流程平面图 (25)

此污水厂平面布置图 (26)

1.设计目的

本课程设计是水污染控制工程教学中的一个重要实践环节，要求综合运用所学的有关知识，掌握解决实际工程问题的能力，并进一步巩固和提高理论知识。（1）、复习和消化所学课程内容，初步理论联系实际，培养分析问题和解决问题的能力。

（2）、了解并掌握污水处理工程设计的基本方法、步骤和技术资料的运用；（3）、训练和培养污水处理的基本计算方法及绘图的基本技能；

（4）、提高综合运用所学理论知识独立分析和解决问题的能力；

（5）、了解国家环境保护和基本建设等方面的政策措施。

2脱氮除磷主体构筑物综合课程设计1任务书

（1）设计题目：

主题目：脱氮除磷工艺设计

分题目1：Cass污水处理工艺设计

分题目2：氧化沟污水处理工艺设计

分题目3：A2/O污水处理工艺设计

（2）原始资料：

设计水量Q= 100000 m3/d

城市设计人口50 万人；

进水水质

TSS （mg/L）

BOD

（mg/L）

TKN

（mg/L）

NH3-N

（mg/L）

碱度S（mg/L）pH

250 200 45 35 280 7～

7.4 水温

冬季平均污水温度T＝14℃；夏季平均污水温度T＝25℃；时变化系数k h=1.2；总变化系数k z=1.3。

出水水质：《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918－2002一级标准

TSS（mg/L）BOD

（mg/L）

TKN

（mg/L）

NH3-N

（mg/L）

20 20 20 15 （3）设计内容：

1. 计算设计水量、水质；

2. 确定污水处理方案（处理工艺流程）、设定设计参数；

3. 选择和计算污水处理主体构筑物；

（如氧化沟、曝气池等）

4．确定污水处理主体构筑物平面布置图；计算并绘制污水处理主体构筑物高程图；

（4）设计工作量：

1．设计、计算说明书一份：

主要包括：

①主要脱氮除磷污水处理工艺及其优缺点

②处理工艺选择及其流程

③主要构筑物的设计计算与说明

2. 图纸：

污水处理主体构筑物图平面图及高程图各1张

注：设计说明、计算书全部由WORD输出，图纸可以手工绘制（A3以上）也可以autocad绘制。

（5）设计用参考资料（根据实际情况选择）：

1.室外排水设计规范；

2.给水排水工程师常用规范选（上、下册）；

3.给水排水设计手册1、5、7、9、10、11、12等分册；

4.污水处理工程方案设计；

5.中国给水排水（期刊）；

6.给水排水（期刊）；

7.中国水网；

8.万方数据库等。

3. 主要的脱氮除磷污水处理工艺及其优缺点

3.1 A2/O工艺

该工艺在一个处理系统中同时具有厌氧区、缺氧区、好氧区，能够同时做到脱氮、除磷和有机物的降解。

优点可同时脱氮除磷，反硝化过程为硝化提供碱度，反硝化过程同时去除有机物，污泥沉降性能好。整个系统中的活性污泥都完整地经历过厌氧和好氧的过程，因此排放的剩余污泥中都能充分地吸收磷；避免了回流污泥中的硝酸盐对厌氧释磷的影响；由于反应器中活性污泥浓度较高，从而促进了好氧反应器中的同

步硝化，因此可以用较少的总回流量达到较好的总氮去除效果。工艺流程简单，总水利停留时间少于其他同类工艺，节省基建投资；该工艺在厌氧、缺氧、好氧环境下交替运行，有利于抑制丝状菌的膨胀，改善了污泥沉降性能；

缺点是该工艺脱氮效果受混合液回流比大小的影响，除磷效果受回流污泥夹带的溶解氧和硝态氮的影响，因而脱氮除磷效果不可能很高；沉淀池要防止产生厌氧、缺氧状态，以避免聚磷菌释磷而降低出水水质和反硝化产生N2而干扰沉淀。但溶解氧含量也不易过高，以防止循环混合液对缺氧池的影响。

3.2 SBR工艺

SBR是序列间歇式活性污泥法的简称，是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术。

优点：理想的推流过程使生化反应推动增大，效率提高，池内好氧厌氧处于交替阶段，净化效果好；具有一定的调节均化功能，可缓解进水水质、水量波动对系统带来的不稳定性，工艺处理简单，处理构筑物少，曝气反应池集曝气沉淀污泥回流于一体，可省去初沉池、二沉池及污泥回流系统，且污泥量少，容易脱水。

缺点：处理效果与曝气时率有关，时率大则缺氧时间短，反硝化不完全，氮磷去除率低，但当去除率接近1时，磷几乎不被去除，所以在自动控制和连续在线分析仪器仪表要求很高。

3.3 氧化沟

氧化沟是活性污泥法的一种改造，它把连续式反应池用作生物反应池，污水和活性污泥混合液在该反应池中以一条闭合式曝气渠道进行连续循环。

优点：处理效果稳定，出水水质好，并且具有较强的脱氮功能，有一定的抗冲击负荷能力；剩余污泥较少，污泥不经消化也容易脱水，污泥处理费用较低；具有推流式流态的某些特征。运行管理方便，出水水质好。

缺点：污泥浓度高，污水停留时间长，基建投资大，曝气效率低，对环境温度要求高。

4 处理工艺选择及其流程

比较以上几种污水的脱氮除磷工艺的优缺点，实际操作情况以及实验所给水质的特点，我们小组选择了能够较好脱氮，出水水质好，操作简便的氧化沟污水处理工艺。

污水在处理前先经格栅，用以去除可能阻塞水泵机组及管道阀门的较粗大的悬浮物，保证后续工艺正常运行，截留物经栅渣打包机打包外运。经格栅后以动力的形式进入沉砂池，从而去除砂子、煤渣等比重较大的颗粒。沉砂池中的污水以自流方式经流量计调节污水流量后进入重点构筑物———氧化沟，在氧化沟内完成对污水中溶解的和胶体的可生物降解的有机物以及能被活性污泥吸附的悬浮

固体和其它一些物质的处理。经氧化沟处理后的污水进入二沉池完成对悬浮颗粒的分离，再经消毒后排放。

根据出水水质的要求选择卡鲁赛尔氧化沟，是一个多沟串联系统，进水与活性污泥混合后在沟内做不停的循环运动。污水和回流污泥在第一个曝气池中混合。由于曝气器的泵送作用，沟中的流速保持0.3m/s。水流在连续经过几个曝气区后，便流入外边最后一个环路，出水从这里通过出水堰排出，出水位于第一个曝气区的前面。

卡鲁赛尔氧化沟采用垂直安装的低速表面曝气器，每组沟渠安装一个，均安装在同一端，因此形成了靠近曝气器下游的富氧区和曝气器上游以及外环的缺氧区。这不仅有利于生物凝聚，还是活性污泥易于沉淀。BOD去除率可达95%～99%，脱氮效率 90%，除磷率约为50%。

在正常的设计流速下，卡鲁赛尔氧化沟渠道中混合液的流量是进水流量的50-100倍，曝气器中的混合液平均每5～0min完成一个循环。具体循环时间取决与渠道长度，渠道流速计设计负荷。这种状态可以防止短流，还通过完全混合作用产生很强的耐冲击负荷能力。

卡鲁赛尔氧化沟的表面曝气器单机功率大，其水深可达5m以上，使氧化沟占地面积减小，土建费用降低。同时具有极强的混合搅拌和耐冲击负荷能力。当有机负荷较低时，可以停止某些曝气器的运行，或者切换较低的转速，在保证水流搅拌混合循环流动的前提下，节约流量消耗。由于曝气器周围的局部地区能量强度比传统活性污泥曝气器强度高的多，使用氧的转移速率大大提高，平均传氧效率达到2.1kg／(kw.h).

为了满足越来越严格的水质排放标准，卡鲁赛尔氧化沟在原有的基础上开发了许多新的设计，实现了新的功能。提高了处理效率，降低了运行能耗，改进了活性污泥性能，提高了生物脱氮除磷功能。

采用氧化沟来处理污水时一般可不设初沉池，在不增加构筑物及设备的情况下氧化沟内不仅可以完成碳源的氧化，还可以实现硝化和脱硝。二次沉定池可以和曝气设备分开设置，此时需设置污泥回流装置。本次设计即是二沉池和曝气设备分开的。氧化沟可以认为是一个完全混合曝气池，池中浓度变化很小，新进入的污水将得到迅速的稀释，具有很强的抗击负荷的能力，而且氧化沟内活性污泥已经好氧稳定，可直接浓缩脱水不必要再进行厌氧消化。氧化沟污水处理工艺，已被公认为一种较成功革新的活性污泥法工艺，与其它生物处理技术相比有一些明显的特点，在经济技术方面有其独特的优点：（1）工艺流程简单，构筑物少运行管理方便。一般情况下，氧化沟工艺可以比传统活性污泥法少建初沉池和污

泥厌氧消化系统，基建投资少。（2）处理效果稳定出水水质好，实际运行效果表明，氧化沟在去除BO D 和SS 方面均可取得比传统活性污泥法更高质量的出水，运行也稳定可靠。（3）基建投资省，运行费用低。由于氧化沟工艺省去初沉池和污泥厌氧消化系统，氧化沟在投资方面比传统活性污泥法节省很多。（4）污泥量少，污泥性稳定。由于氧化沟所采用的污泥龄一般长达20~30d，污泥在沟内得到了好氧稳定，污泥生成量少。（5）具有一定的承受水量、水质冲击负荷的能力，原污水一进入氧化沟，就会被几十倍甚至上百倍的循环流量所稀释。

我国采用氧化沟污水处理技术，均取得很好效果，其氧化沟的数量日益增加，规模也越来越大，运行方式也不断地发展。污水处理厂的投资和运行费用与各厂的污水浓

度和建设条件有关，在同等的条件下的中、小型污水厂，氧化沟比其它方法低。

5 主要构筑物的设计计算与说明

5.1提升泵的设计计算

污泥提升前水位-5.23m,(即泵站吸水池最低水位)，提升后水位3.65m（即格栅前水面标高）。所以提升净扬程Z=3.65-（—5.23）=8.88m.

泵的水头损失去2m则所取水泵杨程H=Z+H=10.88m,再根据设计流量10000m3,采用2台MF系列污水泵，采用ME系列污水泵3台，二用一备。

5.2 细中格栅的设计计算

5.2.1格栅的技术要求

1格栅的制造应符合标准要求，并按照经规定程序批准的图纸及技术制造。

2平面格栅栅条一般使用为10材质为A3的扁钢制造，对于设计的50万人口的生活污水应选用强度高，耐腐蚀性强的材料制造。

3用于机械清渣的平面格栅，栅条的直线度偏差不宜超过长度的。

4 各部焊接应平整，光滑，不应有裂缝，未融合等缺陷。

图一格栅的高程图

图二 格栅的平面图

（2）平面格栅安装方式

由已知参数和经验参数选定； （1） 格栅的间隙数量n 由下式决定

n=Q max

v

h b ??α

sin

其中b=16mm=0.016m ，h=2.0m, v=1.0m/s,α=60。

则sina=

2

3

≈0.866 Q max =100000m 3/d=1.158m 3/s. 代入公式经计算得 n=

1

2016.0866

.0158.1???=33.67,故取整数n=34

栅条宽度选s=10mm=0.01m, b=16mm=0.016m （2） 格栅槽总宽度B ：B=S （n-1）+b ·n

B=S （n-1）+b ·n=0.01?(34-1)+0.016?34=5.77m=5700mm

由上面参考数据之L=2600mm 由于格栅间设置的工作平台标高应高出栅前水位0.5m

（3） 过栅水头损失

H 2=k ?h 0

h 0=αξsin 22

**g

v

其中ξ==34)(b

s

β=1.79?34

)016.001.0(=0.957 （选择栅条断面为圆形）

h=0.9578?.

60sin 8

.9211???m=0.042m, (其中k=3)

H 2=k ?h 0=3?0.042m=0.126m （4） 栅后槽的总高度H

H=h+h 1+h 2=2.0+0.3+0.126=2.626≈2.63m

(5) 格栅总长度L= L 1 +L 2+0.5m+1.0m+

α

tan 1

H L 1=

1

1

tan 2αB B -= ?

-.45tan 2577.5m=0.385m (1α为进水渠道渐宽部位的展开角) L= L 1 +L 2+0.5m+1.0m+

α

tan 1

H =0.385m+0.5?0.385m+0.5m+1.0m+0.5m =2.5775m ≈2.58m 5.3 平流式沉砂池的计算 平流式沉砂池的设计参数

(1)水平流速一般取0.08～0.12m/s ；

(2)污水在池内的停留时间为4—6min ；当雨天最大流量时为1～3min 。如作为预曝气，停留时间为10～30min 。

(3)池的有效水深为2—3m ，池宽与池深比为1～1.5，池的长宽比可达5，当池长宽比大于5时，应考虑设置横向挡板；

(4)平流沉砂池多采用穿孔管曝气，孔径为2.5～6.Omm ，距池底约0.6～ 0.9m ，并应有调节阀门；

单位池长所需空气量

平流式沉砂池的形状应尽可能不产生偏流和死角，在砂槽上方宜安装纵向挡板，进出口布置，应防止产生短流。

图三 平流式沉砂池

图四 平流式沉砂池设计计算草图

2 平流式沉砂池的设计 （1）总有效容积V

V=60?Q max ?t

V---总有效容积，Q max ---最大时设计流量，t 最大设计流量的停留时间 Q max =0.300m 3

/s. t=30min

总有效容积V=60?0.300?30=540m 3 (2)池断面面积A A=

v

Q max

--- Q max

Q max ---最大时设计流量 V---最大时设计流量的水平速度

Q max =0300m 3/s v=0.1m/s

池断面面积A= 3 m2 （3）池总宽度B

B 为池总宽度 H 为有效水深

B=

H

A 池总宽度B=2

3

m=1.5m

(4)池长L L=A

V 池长L=

A V =3

540m=180m （5）所需曝气量q

q=60?D ?Q max

D 单位体积污水需要的曝气量

所需曝气量q=60?D ?Q max =60?0.2?3m 3/min=36 m 3/min 5.4 氧化沟设计计算 设计参数

混合液浓度（MLSS ）为4000-4500mg/L ，污泥回流比为100%；有效水深h ≥5m ；N=0.05-0.1kgBOD/(kgMLVSS ·d);污泥龄θc 在25到30d 以上；水力停留时间为18到28h 。一般沟深市表面曝气机叶轮直径的1.2倍，沟宽是沟深的2倍。 氧化沟设计计算 5.4.1已知条件

（1） 设计流量Q=100 000M 3/d 。（不考虑变化系数） （2）

设计进水水质

BOD 5浓度

S=190mg/L;TSS

浓度

X=250mg/L;VSS=175mg/L;TKN=45mg/L;NH-N=35mg/L;碱度S=280mg/L;最低水温T=14°C;最高水温T=25°C 。

（3）

设计出水水质

BOD 5

浓度

S=20mg/L;TSS

浓度

X e =20mg/L;NH 3-N=15mg/L;TN=20mg/L 。

考虑污泥稳定化：污泥产率系数Y=0.55；混合液悬浮固体浓度（MLSS ）X=4000mg/L;混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS ）

X V =2800mg/L;污泥龄θc =30d;内源代谢系数K d =0.055;20时脱氮率q=0.035kg(还原的NO -3-N)/(kgMLVSS ·d)。

图五 氧化沟高程图

图六 氧化沟平面图

5.4.2 设计计算 （1）

去除BOD 5

1．

氧化沟出水溶解性BOD 5浓度S 。为了保证沉淀池出水BOD 5浓度S20mg/L,必须控制氧化沟出水所含溶解性BOD 5浓度S 2,因为沉淀池出水中的VSS 也是构成BOD 5浓度的一个组成部分。

S=S e -S 1

1S 为沉淀池出水中的VSS 所构成的5BOD 浓度 1S =1.42(VSS/TSS )×TSS ×(1-0.23e -?5) =1.42×0.7×20×(1-0.23e -?5) =13.59(mg/L)

S=20-13.59=6.41(mg/L)

②氧区容积1V ，好氧区容积计算采用动力学计算方法。

1V =

0()

(1)

c V

d C Y Q S S X K θθ-+

=

0.55301000002.8(10.05530)

???(0.2-0.00641)

?+?

=43049(3m )

③好氧区水里停留时间1t

1t =

1V Q =43049100000

=0.43(d)=10.33(h) ④剩余污泥量?X

?X=Q ?S(

1d c

Y

K θ+)+Q 1X -Q c X

=100000×(0.2-0.00641) ×(0.55

10.05530

++)+100000×(0.25-0.175)-10000

×0.02 =7642.86(kg/d)

去除每1kgBOD 产生的干污泥量=

0X

()

e Q S S ?-

=

7642.86

100000(0.20.02)

?-

=0.4246(kgDs/kg BOD 5)

⑵脱氧

①需氧化的氨氮量N 1 ，氧化沟产生的剩余污泥中含氮率为12.4%，则用于生物合成总氮量为： N 0=

0.1243810.361000

100000

?? =4.72(mg/L)

需要氧化的NH 3-N 量N 1=进水TKN-出水NH 3-N-生物合成所需氮N 0 N 1=45-15-4.72=25.28(mg/L) ②脱氮量t N

t N =进水TKN-出水TN-用于生物合成所需氧N 0 =45-20-4.72=20.28（mg ／L ）

③碱度平衡。一般认为，剩余碱度达到100 mg ／L （以CaCO 3计），即可保持pH ≧7.2，生物反应能够正常进行。每氧化1mgNH 3-N 需要消耗7.14mg 碱度；每氧化1mgBOD 5产生0.1mg 碱度；每还原1mg NO 3 --N 产生3.57mg 碱度。 剩余碱度S ALK1 =原水碱度-硝化消耗碱度+反硝化产生碱度+氧化BOD 5产生碱度

=280-7.14 ×25.28+3.57×20.28+0.1×（200-6.41） =280-180.50+72.40+19.36 =191.26（mg/L ）

此值可保持pH ≧7.2，硝化和反硝化反映能够正常进行。 ④脱氮所需的容积V 2 脱硝率 q dn(t)=q dn(20)×1.08（T-20） 14℃时q dn =0.035×1.08（14-20） =0.022kg （还原的NO 3 --N ）／kgMLVSS 脱氮所需的容积 V 2=

3010000032922()0.0222800

QS m XV ?20.28

==? ⑤脱氮水里停留时间t 2 t 2=232922

0.329()7.90()100000

V d h Q ===

⑶氧化沟总容积V 及停留时间t

312430493292275971()V V V m =+=+=

759710.76()18.23()100000

V t d h Q =

=== 校核污泥负荷

051000000.2

0.094[/()]2.875971

QS N kgBOD kgMLVSS d XV ?=

==?? ⑷需氧量 ①实际需氧量AOR

AOR=去除BOD 5需氧量-剩余污泥中BOD 5的需氧量+去除NH 3-N 耗氧量-剩余污泥中NH 3-N 的耗氧量-脱氮产氧量 a 去除BOD 需氧量 D 1

10()0.52100000(0.20.00641)0.1275971 2.835592.94(/)D a Q S S bVX kg d ='-+'=??-+??=b.剩余污泥中BOD 的需氧量D 2（用于生物合成的那部分BOD 需氧量）

2 1.42 1.423810.365410.71(/)D kg d 1=??X =?= C.去除NH 3-N 需氧量D 3

每1kgNH 3-N 硝化需要消耗4.6kgO 2. D 3=4.6×(TKN-出水NH 3-N)×Q/1000 =4.6×(45-15)×100000/1000 =13800(kg/d)

d.剩余污泥中NH 3-N 的耗氧量D 4

D 4=4.6×污泥含氮率×氧化沟剩余污泥量△X 1 =4.6×0.124×3810.36 =2173.43（kg ∕d ） e.脱氮产氧量D 5

每还原1kgN 2产生2.86kgO 2。 D 5=2.86×脱氮量

=2.86×20.28×100000∕1000 =5800.08（kg ∕d ） 总需氧量AOR=D 1-D 2+D 3-D 4-D 5

=34325.67-5410.71+13800-2173.43-5800.08 =34741.45(kg ∕d)

考虑安全系数1.4，则AOR=1.4×34741.45

=48638.03(kg ∕d)

去除每1kgBOD 5的需氧量

025()

48638.3

100000(0.20.00641)2.51(/)AOR Q S S kgO kgBOD =-=

?-=

②标准状态下需氧量SOR

(20)

(20)

()() 1.024

S T S T AOR C SOR a C C -=

βρ-?

式中(20)S C ---20℃时氧的饱和度，查附录十二取9.17mg ∕L;

T--- 取25℃;

()S T C --- 25℃时氧的饱和度，查附录十二取8.38 mg ∕L; C----溶解氧浓度，取2 mg ∕L;

α----修正系数，取0.85;

ρ----ρ=所在地区实际气压／（1.013×105

）=5

5

0.921101.01310

??0.909=； β---修正系数，取0.95.

)48638.039.17

0.85(0.9589024.10(/)SOR kg d (25-20?=?0.909?8.38-2)?1.024= 去除

1kgBOD 5标准需氧量25089024.10

4.598(/)()100000(0.20.00641)

SOR kgO kgBOD Q S S =

==-?-

⑸氧化沟尺寸 设氧化沟六座。 单座氧化沟有效容积 V 单=

37597112662()66

V m == 取氧化沟有效水深H=5m,超高为1m,氧化沟深度h=5+1=6m.中间分隔墙厚度为0.25m. 氧化沟面积A=

212662

2532.4()5

m =

单沟道宽度b=9m; 弯道部分的面积A 1

2

21290.253()

3930.252()9392.18392.11784.29()22

A m ππ?+?+?=

+?=+=

直线段部分面积A 2=A-A 1

22532.4784.291748.11()m -= 单沟直线度长度L=

21748.11

48.56()449

A m b ==??，取49m. ⑹进水管和出水管 污泥回流比R=100%，进出水管流量Q 1=(1+R)×6

Q =（m 3

/s ），管道流速v=1.0m/s. 则管道过水断面A=Q

v

=(m 2) 管径

m ）,取0.7m(700mm).

校核管道流速v=

Q A

⑺出水堰及出水竖井 初步估算δ/ H ＜0.67，因此按薄壁堰来计算。 ①出水堰

Q=1.86bH 3

2 式中 b--堰宽；

H--堰上水头高，取0.2m. b=

32

1.86Q H

=2.32（m ）

为了便于设备的选项，堰宽b 取2.3m.校核堰上水头H

0.201()

m == ②出水竖井。考虑可调堰安装要求，堰两边各留0.3m 的操作距离。 出水竖井长L=0.3×2+b=0.6+2.3=2.9(m) 出水竖井宽B=1.4m （满足安装要求）；