污水处理厂初步设计

污水处理厂初步设计

组长：张广烁

组员：姜成欢金驰李健苏语成周正龙石雨昕

污水处理厂设计的意义：

地球虽然有70.8%的面积为水所覆盖，但淡水资源却极其有限，人类真正能够利用的是江河湖泊以及地下水中的一部分，仅占地球总水量的0.26%，而且分布不均。

20世纪50年代以后，全球人口急剧增长，工业发展迅速。全球水资源状况迅速恶化，“水危机”日趋严重。一方面，人类对水资源的需求以惊人的速度扩大；另一方面，日益严重的水污染蚕食大量可供消费的水资源。

全世界每天约有200吨垃圾倒进河流、湖泊和小溪，每升废水会污染8升淡水；所有流经亚洲城市的河流均被污染；美国40%的水资源流域被加工食品废料、金属、肥料和杀虫剂污染；欧洲55条河流中仅有5条水质差强人意。20世纪，世界人口增加了两倍，而人类用水增加了5倍。世界上许多国家正面临水资源危机：12亿人用水短缺，30亿人缺乏用水卫生设施。

中国水资源人均占有量少，空间分布不平衡。随着中国城市化、工业化的加速，水资源的需求缺口也日益增大。在这样的背景下，污水处理行业成为新兴产业，目前与自来水生产、供水、排水、中水回用行业处于同等重要地位。

虽然由于国家和各级政府对环境保护重视程度的不断提高，中国污水处理行业正在快速增长，污水处理总量逐年增加，城镇污水处理率不断提高。但目前中国污水处理行业仍处于发展的初级阶段。

一方面，中国目前的污水处理能力尚跟不上用水规模的迅速扩张，管网、污泥处理等配套设施建设严重滞后。另一方面，中国的污水处理率与发达国家相比，还存在着明显的差距，且处理设施的负荷率低。

因此中国应完善污水处理的政策法规，建立监管体制，创建合理的污水处理收费体系，扶植国内环保产业发展，推进污水处理行业的产业化和市场化。污水处理行业是一个朝阳产业，发展前景十分广阔。中国将在“十一五”期间投资3000亿元以推进城市污水处理和利用，中国污水处理行业由此迎来高速发展期。

我国污水处理产业发展进步较晚，建国以来到改革开放前，我国污水处理的需求主要是以工业和国防尖端使用为主。改革开放后，国民经济的快速发展，人民生活水平的显著提高，拉动了污水处理的需求。进入二十

世纪九十年代后，我国污水处理产业进入快速发展期，污水处理需求的增速远高于全球水平。

1990年以来，全球污水处理表观消费量以年均6%的速度增长，而九十年代的十年间，我国污水处理表观消费量年均增长率达到17.73%，是世界年均增长率的2.9倍。进入二十一世纪，我国污水处理产业高速增长。2000年—2004年，我国污水处理消费量从188万吨增长到447万吨，增加了2.3倍，年平均增长率在27%以上。其中，2001年，我国污水处理表观消费量达到225万吨，超过美国成为世界第一污水处理消费大国。同时，污水处理进口也大幅度增加。1998年，我国污水处理进口100万吨，由此成为世界上最大的污水处理进口国。2004年与1998年比，污水处理进口增长幅度年均达到27.14%。预计2005年，中国污水处理表观消费量将达到500万吨，进口仍将保持在300万吨左右。

伴随着污水处理市场的快速发展，我国污水处理产量也结束了长期徘徊的局面，实现了高速增长。我国污水处理产量从2000年的46万吨增长到2004年的236万吨，年平均增长率在82.6%，占国内市场需求的比重也由2000年的24.47%提高到2004年的52.80%。而同期，世界污水处理产量则仅以6%左右的速度增长。

从九十年代后期起，我国太钢、宝钢以及宝新、张浦等国有和合资企业通过引进和技术改造，先后建成了一系列污水处理生产线，污水处理工艺技术装备达到国际先进水平，污水处理生产初具规模。污水处理品种结构也发生了积极的变化，污水处理产品质量迅速提高。特别是国内污水处理冷轧板增长迅速，2003年，国内冷轧板产量达到170万吨，首次超过进口量,自给率达到66%；2004年，国内冷轧板产量达到200万吨，自给率达到70%以上。从2004年底到2005年底，国内冷轧污水处理产能将增加约150万吨，基本满足国内市场需求。到2007年，我国将成为污水处理的净出口国。

从总体上看，我国污水处理正在经历由规模小、水平低、品种单一、严重不能满足需求到具有相当规模和水平、品种质量显著提高和初步满足国民经济发展要求的深刻转变，污水处理需求将逐步实现自给。

污水处理厂设计的目的：

?为昌平区北七家镇的未来科技城建设一座污水处理厂。

?处理未来科技城、昌平区北七家镇产生的生活生产污水。

?为未来科技城区域供冷供热方式（DHC）提供部分汽电热。

污水处理厂的工艺选择

1传统A2/O工艺简介

城镇污水处理厂应同时满足SS、BOD、TN、TP的处理要求。在上世纪提出的A2/O等同步脱氮除磷工艺，可很好的实现。凭借其工艺流程简单，占地少，药剂费用省，处理效果好等优点，普及迅速。

传统A2/O工艺由厌氧、缺氧及好氧3部分组成【1】。张杰等【2】对传统A2/O 工艺脱氮除磷性能的研究结果表明，传统A2/O工艺在运行过程中存在着如下问题：

（1）机理方面

聚磷菌和硝化菌、反硝化菌等多种微生物共同生长在一个系统内，不同功能的微生物均不能在各自最佳的生长条件下生长。硝化菌基本上属于自养型专性好氧细菌，由于其代谢产能低，其突出的特点是生长速率慢、世代期长，在系统内要保持较高浓度的硝化菌，就要求在较长的泥龄下运行。

系统除磷的主体聚磷菌多为短世代微生物，可以在较短的泥龄下正常生长，因此在较短的泥龄下运行时可获得较高的除磷效率。显然，在运行泥龄上，传统A2/O工艺在脱氮与除磷之间存在着矛盾。为了缓解这一矛盾，传统A2/O法通常在较窄的泥龄范围内运行，以兼顾脱氮与除磷对泥龄的要求。

（2）工艺布置方面

①内循环

内循环量根据脱氮比计算而出，其值一般在100~400%；污泥循环根据二沉池SVI值，计算循环污泥浓度，再根据曝气池内悬浮固体浓度计算而出，其值一般在25~100%。可见，内循环远比污泥循环大的多。内循环的存在使得大部分剩余污泥中实际上未经历完整的释磷、吸磷过程。而聚磷菌一大特点就是：厌氧条件下释放磷越充分，好氧条件下就越能过量吸收磷。这种不完整的释磷、吸磷，就严重影响除磷效果。

②碳源分配

由于缺氧区位于系统中部，反硝化在碳源分配上居于不利地位，因而影响了系统的脱氮效果。

③硝酸盐

根据生物除磷原理，在厌氧条件下,聚磷菌通过菌种间的协作，将有机物转化为挥发酸，借助水解聚磷释放的能量将之吸收到体内，并以聚β—羟基丁酸PHB形式贮存，提供后续好氧条件下过量摄磷和自身增殖所需的碳源和能量。

一般污水中NO2--N和NO3--N浓度较低，而且厌氧区NO2--N和NO3--N主要来自污泥回流。研究表明NO3是反硝化过程中优先利用的电子受体【3】，Ahn等【4】实

验证实，NO2 同样是反硝化过程中重要的电子受体，但会对缺氧摄磷产生抑制作用。当厌氧区存在NO2--N和NO3--N时，反硝化菌利用NO2--N和NO3--N作为最终电子受体，氧化污水中的有机物，使溶解性有机物BOD

浓度降低。试验表

（S）

明，反硝化反应基本结束时磷的释放过程才开始进行【5-6】。由于反硝化菌与聚磷菌争夺碳源而使释磷时间大大滞后;溶解性有机物BOD

，浓度的降低又使释磷

（S）

反应进入非线性阶段，释磷速度大大下降，而释磷量的减少会导致好氧阶段磷的吸收能力下降，磷的去除率降低。

④溶解氧

溶解氧的存在会抑制异养硝化盐还原反应，其作用机理为:

a)氧阻抑硝酸盐还原酶的形成(有些反硝化细菌必须在厌氧和有硝酸盐存

在的条件下才能诱导合成硝酸盐还原酶;

b)氧可作为电子受体，竞争性地阻碍硝酸盐的还原【7】。A2/O系统在实际运

行时，为获得更高的脱氮效果，常采用较大的内回流比，使更多的硝酸

盐进入到兼氧池进行反硝化处理，造成回流混合液中溶解氧破坏了缺氧

硝化环境，阻断反硝化反应的进行。

综上所述，特定功能不同的微生物在系统内混合生长导致传统A2/O工艺脱氮除磷效率不稳定。尤其是世代期长的硝化菌与其他细菌混合生长使系统难以兼顾脱氮与除磷的需求而导致系统的运行效果不稳定。在出水标准越来越严格的今天，根据《城镇污水处理厂污水排放标准（GB18918-2002）》一级A排放标准，TN小于15mg/L，TP小于0.5mg/L。显然传统的A2/O工艺难以满足此要求。因此，有必要对常规生物脱氮除磷工艺的布置进行改良。

2 倒置A2/O工艺的提出及特点

2.1 倒置A2/O工艺的流程

污水在缺氧池和厌氧池分段进水，进水量由氮磷的去除程度计算；进入缺氧池的污水和循环污泥，硝化液经充分混合后一起进入缺氧区。污泥中的硝酸盐，

残余的溶解氧，在反硝化菌的作用下进行反硝化反映，将硝酸盐转化为氮气，实现了系统的前置脱氮。

污泥经过缺氧反硝化以后进入厌氧区，避免了硝酸盐对厌氧环境的不利影响。在厌氧区，聚磷菌将无水肿的碳源转化为聚β—羟基丁酸（PHB ）等储能物质，积聚吸磷动力。

在好氧区，有机污染物进一步被降解，硝化菌将污水中存在的氨氮转化为硝酸盐氮，同时聚磷菌利用在厌氧条件下产生的动力进行过度吸磷。活性污泥混合液在二沉池进行泥水分离，一部分污泥回流到系统前端，另一部分富含磷的剩余污泥从系统排出，实现生物除磷。

关于回流问题，张波等【8

】认为可不设置内回流，直接采用污泥回流。首先应清楚外回流和内回流的区别。污泥外回流量是取决于二沉池污泥性质SVI 值，而SVI 值又与系统的泥龄、污泥负荷、温度等有关；内回流是取决于反硝化率，两者又本质区别。以下述计算为例：

1. 回流污泥浓度

6

10·r X r SVI = （2-1） 式中 X r

—— 回流污泥浓度（mg /L ）

SVI —— 污泥指数，一般采用100； r —— 系数，一般采用r =1.2

6

10 1.212000/100r X mg L =?=

2. 污泥回流比

·1v r R X X R '=

+ （2-2） 式中 R

—— 污泥回流比； r X ' —— 回流污泥浓度（mg /L ）

，0.75120009000/r r X fX mg L '==?= 250090001R R =?+

0.5R =

3. TN 去除率

121

100%S S e S -=? （2-3） 式中 e

—— TN 去除率（%）；

S 1 —— 进水TN 浓度（mg /L ）； S 2 —— 出水TN 浓度（mg /L ），设计中取15mg /L 。

30.83415100%51.35%30.834e -=

?=

4. 内回流比 1e R e

=

-内 （2-4） 式中 R 内 —— 内回流倍数； 51.35% 1.06151.35%R ==-内，设计中取150%

回流量为1.5+0.5=2.0。试想二沉池中，进人池中流量为3Q ，其中2Q 由池底回流，这种情况下二沉池很难稳定运行同时；当水质水量变化或在不同的季节、不同的工况条件下，无法随时调节回流比，因为每次调节回流比都会改变二沉池的固体通量，污泥的SVI 值也相应改变，引起二沉池流态的变化，影响出水的效果。因此，不应用污泥回流代替内回流。

2.2 倒置A 2/O 工艺的原理

倒置A 2

/O 工艺采用的仍是生物同步脱氮除磷原理，即 2.2.1生物脱氮机理

有机氮化合物在氨化菌的作用下，分解转化为氨态氮；氨态氮在硝化菌的作用下进一步分解转化，首先在亚硝化菌的作用下转化为亚硝酸氮，继之亚硝酸氮在硝化菌的作用下，转化为硝酸氮。在缺氧条件下，硝酸氮在反硝化菌的代谢作用下，通过两种途径转化:一是同化反硝化(合成)，最终形成有机氮化合物，成为菌体的一部分;二是异化反硝化(分解)，最终产物为气态氮。生物脱氮过程如图1所示。

2.2.2生物除磷机理

废水生物除磷机理为，在厌氧条件下(氧化还原电位ORP 在-200--300mV )，

聚磷菌将其细胞内的有机态磷转化为无机态磷加以释放，并利用此过程中产生的能量吸收废水中的溶解性有机基质合成聚β—羟基丁酸盐(PHB)颗粒；而在好氧条件下，聚磷菌则将PHB降解以提供其从废水中吸磷所需要能量，从而完成聚磷的过程。图2所示为上述除磷机制的作用过程。

图1 生物脱氮过程

图 2 除磷机制的作用过程

2.3 倒置A2/O工艺的特点

（1）分段进水分别满足反硝化、除磷所需碳源；

（2）避免了回流污泥中携带的硝酸盐、溶解氧对厌氧区的不利影响；

（3）聚磷微生物经历厌氧环境之后直接进入生化效率较高的好氧段，其在厌氧环境下形成的吸磷动力得到了更有效率的利用；

（4）参与循环的微生物全部经历了完整的厌氧-好氧过程，具有“群体效应”

9-11】，因而显著提高了系统的氮磷脱除能力；

【

3 倒置A2/O工艺设计

3.1 分段进水设计

进入缺氧池的BOD5总量与进入缺氧池的硝酸盐总量比值大于等于3；同时为实现有效除磷，进入厌氧池的BOD5总量与要求去除磷的总量比值大于等于

20。即：

3a ????????????

x NO 0e 0（R+r)S ≥S TP-P b ≥20S a+b=1（3-1） 式中

a —— 缺氧池进水比例；

b —— 厌氧池进水比例；

R —— 污泥回流比；

r —— 混合液回流比；

S NOx —— 出水硝酸盐浓度，mg /L ；

S o —— 进水BOD 5浓度，mg /L ；

T p

—— 进水总磷浓度，mg /L ； P e —— 出水总磷浓度，mg /L ；

3.2 反应池容积计算

反应池按照《室外排水规范（GB 50014-2006）》要求，好氧池采用BOD 污泥符合率法计算，缺氧池根据硝化反硝化速率计算，厌氧池用水力停留时间与前两池校核定出。

3.3 反应参数的控制

（1） 污泥龄（SRT ）

A 2/O 工艺系统的SRT 受两方面影响：一方面，受硝化菌世代时间的影响，使其比普通活性污泥法的污泥龄长一些，一般为25d 左右；另一方面，由于除磷主要是通过排出含磷污泥，要求A 2/O 工艺的SRT 不宜过长，应为5~8d 。权衡两个方面，A 2/O 工艺中SRT 一般为15~20d 。

（2） 污泥负荷率（N s ）

好氧池中的N s 应在0.18kgBOD 5/(kgMLSS ·d )之下，否则厌氧菌数量超过硝化菌，会抑制硝化。为了不影响除磷效果，厌氧池中的N s 应大于0.10kgBOD 5/(kgMLSS ·d )。

（3） 氮负荷率

氮负荷率过高会对硝化菌产生抑制作用，一般氮负荷率在0.05kgTKN /(kgMLSS ·d )之下，否则硝化效果不佳。

（4） 混合液悬浮固体浓度

脱氮除磷的污水处理在处理设施充足情况下，应适当提高生物池内的污泥浓

度，增强系统脱氮除磷能力。高污泥浓度可提高处理工艺各单元的反应速率，减小所需的反应时间。高污泥浓度其菌胶团直径相对较高，其菌胶团内更容易形成缺氧反硝化，可能会发生同程反硝化。高污泥浓度可有效降低回流中DO浓度，提高厌氧有效释磷、反硝化脱氮的有机物利用率。高污泥浓度具有较高的泥龄，生物系统内的优势菌种一般不受泥龄限制。因此在脱氮除磷工艺中各类主要功能细菌在适应脱氮除磷环境时形成优势菌种。高污泥浓度在厌氧阶段的水解酸化作用，有利于后续反硝化作用时有机物的更好吸收利用。

当然高污泥浓度对污水处理厂也同样存在不利的影响因素，如曝气时扩散阻力增大，供氧的利用率下降;增大了二沉池的污泥负荷。同时在生物脱氮除磷过程中排泥是除磷的必需过程，排泥量的多少很大程度上影响系统的除磷效果，因此在污水厂运行时，应保证每天一定量排泥除磷的前提下，采用高污泥浓度运行。

（5）溶解氧

好氧段即有分子态氧，又有化合态氧，曝气充氧，DO一般应保持在2mg/L 以上，甚至3mg/L，满足降解BOD和硝化条件，并使水中剩余DO充足，防止出现二沉池的二次释磷。

缺氧段不能有分子态氧，可以有化合态氧，DO一般应控制在0.5mg/L以下，甚至0.3mg/L以下。由于回流液中有一定水平的DO，与原水充分混合后，剩余DO会被迅速消耗，继而开始缺氧反硝化进程。只需要搅拌，以不增加水中溶解氧为限。

厌氧段既不能有分子态氧，也不能有化合态氧，否则释磷无法进行。DO一般应控制在0.2mg/L甚至更低。只需轻微搅拌让污泥不至沉淀即可。可采取适当措施，如反应池上设置盖板等措施，防止大气复氧。

（6）温度

温度是影响A2/O工艺脱氮效果的主要因素，且温度对脱氮的影响比对除磷

的影响大。【12】在好氧段，硝化反应在5-35℃时，其反应速率随温度升高而加快，

适宜的温度范围为30-35℃。当低于5℃时，硝化菌的生命活动几乎停止。缺氧段的反硝化反应可在5-27℃时进行，反硝化速率随温度升高而加快，适宜的温度范围为15~25℃。厌氧段，温度对厌氧释磷的影响不太明显，在5-30℃除磷效果

均较好。【13】

（7）污泥回流比和混合液回流比

混合液回流及污泥回流流量与进水流量的比例，在系统达到允许的最大反硝化能力之前，通过提高回流比可以提高反硝化的效果。但回流量过大，动力费用增大，而且曝气区大量的溶解氧将通过内回流进入反硝化区，破坏反硝化的条件。故混合液回流的流量必须控制在一定的范围内。

一般，内回流比根据除氮要求在100%~400%左右波动。污泥回流比一般为25%~100%。如太高，污泥将DO和硝酸态氧带入厌氧池太多，影响其厌氧状态不利于磷的释放；太低，则反应池内维持不了正常的污泥浓度，影响生化反应速

率。

厂址选择

污水处理厂

污水处理厂址的选定是城市和工业区的总体规划的组成部分。厂址的选择同城市和工业区排水管道的布置、处理后污水出路密切相关，应进行深入的调查研究和技术经济比较，并应考虑以下原则：1、厂址必须位于给水水源的下游；如果城镇、工业区和生活区位于河流附近，厂址必须在它们的下游，而且要在夏季主风向的下风向，并应同城镇、工业区、生活区以及农村居民点保持一定的距离,但又不宜太远,以免增加管道的长度。

2、厂址应尽可能与处理后出水的主要去向（如灌溉农田）或受纳水体靠近。

3、充分利用地形，选择有适当坡度的地区，以满足污水处理构筑物和设备高程布置的需要，节省能源和动力。

4、尽可能少占和不占农田，并考虑有发展的可能性。

经济效益

（30万-22.5万）×365=2737.5万(不含人工和设备维修)