城市污水处理厂的设计

第9章 城市污水处理厂的设计

9.1 概述

9.1.1 城市污水的组成与水质特征

城市污水：由城市排水系统汇集的污水 城市污水＝生活污水＋工业废水＋部分降水 生活污水水质：表9－1

9.1.2 城市污水处理厂的设计水质 (1) 生活污水

BOD5=20~35 g/(人.d) SS=35~50 g/(人.d) (2) 工业废水

实测数据或传统数据，可折合人口当量计算。 (3) 水质浓度

S1000as 式中：S――mg/L；as――g/(人.d)；Qs――L/(人.d) Qs9.1.3 城市污水处理厂的设计水量

3

(1) 平均日流量 (m/d)

公称规模：指平均日流量

用于计算年抽升电耗与耗药量，产生并处理的污泥总量。

3

(2) 设计最大流量 (m/h 或 L/s)

进厂水管

各处理构筑物（除另有规定外，如曝气池按平均日流量计算） 连接管渠

3

(3) 降雨时的设计流量 (m/d 或 L/s)

包括旱天流量和截流n倍的初期雨水流量 校核初沉池前的处理构筑物和设备

(4) 分期建设时，按相应各期流量作为设计流量 9.1.4 正确处理工业废水与城市污水处理的关系

水污染综合防治最有效途径之一：由市政部门建设统一的城市污水处理厂，对生活污水与工业废水进行综合的处理，中、小型的工业企业的废水都排入城市排水系统。

技术路线的优点：

1．建设费用与运行费用较低

大型污水处理厂的单位水量的建设投资和运行的处理成本低于小型污水处理厂

中、小型的污水处理厂(站)，设调节池，投加化学药剂，增大建设投资和运行费用。 2．占地面积小，不影响环境卫生

工业企业分散，占地多，给厂区环境带来一些不良影响。

城市污水处理厂建于郊区，中间隔以卫生防护带，无碍于城市环境卫生。 3．便于运行管理，节省管理人员

污水处理厂备技术水平较高的技术管理人员，单位污水量配备的管理人员数也大大地低于分散处理。

4．能够保证污水的处理效果

工业废水的水质、水量波动大，给运行管理带来困难，并影响处理效果。

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城市污水处理厂，水质、水量得到均衡，有毒物质得到稀释，能保证污水处理厂保持一定的处理效果。 9.2 设计步骤

城市污水处理厂的设计步骤，可分为：

(1) 设计前期工作； (2) 初步扩大设计； (3) 施工图设计。 9.2.1 设计的前期工作

设计前期工作主要有两项：(1)预可行性研究(项目建议书)；(2)可行性研究(设计任务书)。

设计前期工作很重要，要求设计人员具有踏实的专业知识和比较丰富的实际工作经验。要求设计人员充分地掌握与设计有关的原始数据、资料，具有深入地分析、归纳这些数据、资料，并从中得出非常切合实际结论的能力。 1．预可行性研究

我国规定，投资在3000万元以上的较大的工程项目，应进行预可行性研究。

作为建设单位(习惯称甲方)向上级送审的《项目建议书》的技术附件。须经专家评审，经上级机关审批后，就可以“立项”，就可以下一步的可行性研究。 2．可行性研究

可行性研究报告(设计任务书)：是对与本项工程有关的各个方面进行深入调查研究结果进行综合论证的重要文件，它为本项目的建设提供科学依据，保证所建项目在技术上先进、可行；在经济上合理、有利；并具有良好的社会与环境效益。

对城市污水处理厂工程来说，可行性研究报告的主要内容是： 1 概述

1．1 编制依据、原则和范围； 1．2 污水水量、水质。 2 工程方案

2．1 城市排水系统；

2．2 处理厂位置及用地；

2．3 污水处理工艺选择与方案比较、推荐方案； 2．4 人员编制、辅助建筑； 2．5 处理水的出路。

3 工程投资估算及资金筹措 3．1 工程投资估算原则； 3．2 工程投资估算表； 3．3 资金筹措。

4 工程远近期结合问题 5 工程效益分析 6 工程进度安排 7 存在问题及建议 8 附图及附件 9.2.2 扩大初步设计

可行性研究报告―――扩大初步设计 扩大初步设计组成： (1) 设计说明书；

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(2) 工程量；

(3) 材料与设备量； (4) 工程概算； (5) 扩初图纸。 1．设计说明书 (1) 本设计依据

1)可行性研究报告的批准文件；

2)工程建设单位(甲方)的设计委托书。

(2) 其他有关文件：主要是和与本项工程有关的单位，如供电、供水、铁路、运输以及环保等部门签订的协议和批件等。 (3) 城市概况与自然条件资料：

1)城市现状与总体规划资料。 2)自然条件方面的资料。

气象特征数据：气温、湿度、雨量、蒸发量资料、土壤冰冻资料和风向玫瑰图等； 水文资料：当地水体一览表；河流的水位、流速(各特征水位下的平均流速)、流量资料；潮汐资料；

水文地质资料：

地质资料，污水处理厂厂址地区的地质钻孔柱状图、地基的承载能力、地下水位、地震等级等资料。

3)有关地形资料

污水处理厂及其附近1：5000的地形图，处理厂厂址和排放口附近l：200～1：1000(一般为1：500)的地形图。

4)现有的排水工程概况与环境问题。 (4) 工程设计

1)厂址选择：应着重说明在选定厂址时，如何遵循选址的原则（后讲），如何与城市的总体规划相呼应，如何解决防洪与卫生防护问题等。此外还应说明所选厂址的地形、地质条件以及用地面积等：

2)污水的水质、水量：包括污水水质各项指标的数值，污水的平均流量、高峰流量、现状流量、发展流量等水量资料；

3)工艺流程的选择与布置：主要说明所选定的工艺流程的合理性、先进性、科学性、优越性和安全性等。

4)对工艺流程中各处理设备的描述。按流程顺序描述，主要描述内容：处理设备的主要尺寸、构造、材料与特征等；所选用的附加设备的型号、性能、台数。如采用某项新工艺、新技术时，应详细地加以说明。

5) 处理后污水和污泥的出路；

6) 扼要地对厂内辅助建筑物以及道路等加以说明； 7) 污水处理厂的总体布置；

8) 对污水处理厂分期建设的说明； 9) 存在的问题及对其解决途径的建议。 2．工程量

工程量＝混凝土量＋挖土方量＋回填土方量等。 3．材料与设备量

钢材、水泥、木材的数量和所需各种设备规格的清单。 4．工程概算书

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编制工程概算书

应掌握：(1)当地建筑材料与各种设备的供应情况和价格；(2)当地有关施工力量(技术水平、施工设备、劳动力)的资料；(3)编制概算、预算的定翌霎料，包括地区差价、间接费用定额、运输费等；(4)有关租地、征地、拆迁补偿、青苗补偿等资料。 5．图纸

扩大初步设计的图纸主要包括：

污水处理工艺系统图(1／5000～1／10000) 构筑物图(1／200～1／500) 处理构筑物布置图

污水处理厂总平面布置图等。 9.2.3 施工图设计

扩大初步设计被批准后进行施工图设计。 以扩大初步设计的图纸和说明书为依据。 施工图设计的任务：将污水处理厂各处理构筑物的平面位置和高程，精确地表示在图纸上；将各处理构筑物的各个节点的构造、尺寸都用图纸表示出来，每张图纸都应按一定的比例，用标准图例精确绘制，使施工人员能够按照图纸准确施工。

施工图设计的图纸量很大，是设计内容的体现。 9.3 城市污水处理厂厂址的选择

是重要环节，与城市的总体规划、城市排水系统的走向、布置、处理后污水的出路都密切相关。

从管道系统、泵站、污水处理厂各处理单元考虑，进行综合的技术、经济比较与最优化分析，并通过有关专家的反复论证后再行确定。 遵循原则：

(1) 与工艺相适应；

(2)少占农田和不占良田；

(3)厂址必须位于集中给水水源下游，并应设在主风向的下风向。 (4) 靠近处理水的受纳水体

(5)考虑防洪。设在地质条件较好的地方。 (6)选择有适当坡度的地区，以满足污水处理构筑物高程布置的需要，减少土方工程量。 (7)应考虑远期发展的可能性，有扩建的余地。

表9-2，采用活性污泥法的用地指标

9.4 污水处理工艺流程的选定

9.4.1 处理工艺流程选定应考虑的因素

污水理厂的工艺流程：指在保证处理水达到所要求的处理程度的前提下，所采用的污水处理技术各单元的有机组合。 依据：

1．污水的处理程度

这是污水处理工艺流程选定的主要依据，而污水的处理程度又主要取决于处理水的出 路、去向。

当处理水排放水体时，污水处理程度可考虑用以下几种方法进行确定：

(1) 按水体的水质标准确定

(2) 按城市污水处理厂所能达到的处理程度（二级处理技术）确定 (3) 考虑受纳水体的稀释自净能力

(4) 处理水回用时，在进行深度处理之前，城市污水必须经过完整的二级处理。回用水

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要达到回用标准。

2．工程造价与运行费用

在保证处理水达到水质标准时，要尽可能地降低工程造价和运行费用。这样，以原污水的水质、水量及其他自然状况为已知条件，以处理水应达到的水质指标为制约条件，而以处理系统最低的总造价和运行费用为目标函数，建立三者之间的相互关系。

减少占地面积也是降低建设费用的重要措施。 3．当地的各项条件

当地的地形、气候

当地的原材料与电力供应

如当地拥有农业开发利用价值不大的旧河道、洼地、沼泽地等，就可以考虑采用稳定塘、土地处理等污水的自然生物处理系统，在寒冷地区应当采用在采取适当的技术措施后，在低温季节也能够正常运行，并保证取得达标水质的工艺，而且处理构筑物都建在露天，以减少建设与运行费用。

4．原污水的水量与污水流入工况

水质、水量变化较大，选用承受冲击负荷能力较强的处理工艺，如完全混合型曝气池等，某些处理工艺，如塔式滤池和竖流式沉淀池只适用于水量不大的小型污水处理厂。

工程施工的难易程度和运行管理需要的技术条件也是选定处理工艺流程需要考虑的因素，地下水位高，地质条件较差的地方，不宜选用深度大、施工难度高的处理构筑物。

总之，污水处理工艺流程的选定是一项比较复杂的系统工程，必须对上述各项因素加以综合考虑，进行多种方案的经济技术比较，必要时应当进行深入的调查研究和试验研究工作，这样才有可能选定技术可行、先进，经济合理的污水处理工艺流程。 9.4.2 城市污水处理工艺的典型流程

图2-25所示为城市污水处理厂的典型工艺流程。该流程是由完整的二级处理系统和污泥处理系统所组成。

一级处理：格栅――沉砂池――初次沉淀池

作用：去除污水中的固体污染物质，从大块垃圾到颗粒粒径为数mm的悬浮物(非溶解性的和溶解性的)。污水的BOD值，通过一级处理能够去除20％～30％。 二级处理：活性污泥法、生物膜法以及自然生物处理技术

作用：去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物(以BOD或COD表示)。BOD5可降至20～30mg／L。

污泥：厌氧消化、好氧氧化、脱水、干化 9.5 污水处理厂的平面布置与高程布置 9.5.1 污水处理厂的平面布置

内容：各处理单元构筑物；连通各处理构筑物之间的管、渠及其他管线；辅助性建筑物；道路以及绿地等。 原则：

1．各处理单元构筑物的平面布置

(1) 各处理构筑物之间的管、渠要便捷、直通，避免迂回曲折； (2) 土方量基本平衡。

(3) 处理构筑物之间，间距可取值5～10m (4) 平面布置要紧凑。 2．管、渠的平面布置

(1) 各处理构筑物之间设管、渠。应设有能够使各处理构筑物独立运行的管、渠，当某一处理构筑物因故停止工作时，使其后接处理构筑物，仍能够保持正常的运行。

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(2) 应设超越全部处理构筑物，直接排放水体的超越管。

(3) 在厂区内还设有：给水管、空气管、消化气管、蒸汽管以及输配电线路。 (4) 应有完善的排雨水管道系统。 3．辅助建筑物

辅助建筑物：泵房、鼓风机房、办公室、集中控制室、水质分析化验室、变电所、机修、仓库、食堂等。

鼓风机房应设于曝气池附近，以节省管道与动力； 变电所宜设于耗电量大的构筑物附近等。 化验室应远离机器间和污泥干化场 办公室、化验室等均应与处理构筑物保持适当距离，并应位于处理构筑物的夏季主风向的上风向处

修筑道路，植树绿化美化厂区。按规定，污水处理厂厂区的绿化面积不得少于30％。

总平面布置图：采用1：200～1：lOOO比例尺，常用1：500。 图9—1所示为A市污水处理厂总平面布置图。 主要处理构筑物：机械除污物格栅、曝气沉砂池、初次沉淀池与二次沉淀池(均设斜板)、鼓风式深水中层曝气池、消化池等及若干辅助建筑物。

平面布置特点：流线清楚，布置紧凑。鼓风机房和回流污泥泵房位于曝气池和二次沉淀池一侧，节约了管道与动力费用，便于操作管理。污泥消化系统构筑物靠近四氯化碳制造厂(即在处理厂西侧)，使消化气、蒸气输送管较短，节约了建设投资。办公室、生活住房与处理构筑物、鼓风机房、泵房、消化池等保持一定距离，卫生条件与工作条件均较好。在管线布置上，尽量一管多用，如超越管、处理水出厂管都借道雨水管泄入附近水体，而剩余污泥、污泥水、各构筑物放空管等，又都与厂内污水管合并流入泵房集水井。但因受用地限制(厂东西两侧均为河浜)，远期发展余地尚感不足。

图9-2为B市污水处理厂总平面布置图。

主要处理构筑物：格栅、曝气沉砂池、初次沉淀池、曝气池、二次沉淀池等。

平面布置特点：布置整齐、紧凑。两期工程各自成独立系统，对设计与运行相互干扰较少。办公室等建筑物均位于常年主风向的上风向，且与处理构筑物有一定距离，卫生、工作条件较好。在污水流人初次沉淀池、曝气池与二次沉淀池时，先后经三次计量，为分析构筑物的运行情况创造了条件。利用构筑物本身的管渠设立超越管线，既节省了管道，运行较灵活。

9.5.2 污水处理厂的高程布置

按重力流考虑为宜(污泥流动不在此例)。

主要任务：确定构筑物和泵房的标高；确定连接管渠的尺寸及其标高；确定水面标高。 水头损失：(1)各构筑物的水头损失，按表9-4估算。 (2)管渠(包括配水设备)的水头损失。 (3)量水设备的水头损失。 考虑事项： (1)选择一条距离最长，水头损失最大的流程进行水力计算。 (2)以最大流量(或泵的最大出水量)作为构筑物和管渠的设计流量；(3)水力计算以接纳处理后污水水体的最高水位作为起点，逆污水处理流程向上倒推计算，以使处理后污水在洪水季节也能自流排出；(4)尽量减少需抽升的污泥量。

在绘制总平面图的同时，应绘制污水与污泥的纵断面图或工艺流程图。绘制纵断面图 时采用的比例尺：横向与总平面图同，纵向为1：50～1：100。 例题：

图9-2所示B市污水处理厂

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该厂初次沉淀池和二次沉淀池均为方形，周边均匀出水。曝气池为4座方形池，完全混合式，用表面机械曝气器充氧与搅拌。曝气池，如4池串连，则可按推流式运行，也可按阶段曝气法运行。这种系统兼具推流与完全混合两种运行方式的优点。

在初沉池、曝气池和二沉池之前，分别各设薄壁计量堰(F1为梯形堰，底宽0．5m，F2、F3为矩形堰，堰宽0．7m)。

设计流量：近期Qmax＝300L/s 远期Qmax＝600L/s 回流污泥比＝100%

9.6 污水处理厂的配水与计量

9.6.1 处理构筑物之间连接管渠的设计

连接污水处理构筑物之间的管渠――矩形明渠（便于维修和清刷），在明渠上加设盖板（防止结冻）。由钢筋混凝土制成，也可采用砖砌，也可以采用钢筋混凝土管或铸铁管。 为了防止污水中的悬浮物在管渠内沉淀，污水在明渠内必须保持一定的流速。 设计流速：最大流量时 1.0～1.5m／s

最低流量时 不得小于0.4～0.6m／s 特殊渠道 0．2～0．3m／s 管道流速大于明渠流速，大于lm／s

9.6.2 配水设备

(a) 中管式――中央管进水，四周设配水管

(b) 倒虹管式――用倒虹吸管中央进水，四周设配水管，类似中管式，常用于2座或4座为一组的圆形处理构筑物的配水

(c) 挡板式配水槽――在配水管前加挡板，类似指形，用于同类型的处理构筑物 (d) 简单形式的配水槽――易建价低不均匀

(e) 改进式――用于同类型构筑物多时的情况，配水效果较好，但构造稍复杂。 9.6.3 污水计量设备

污水计量设备的要求：精度高、操作简单，不沉积杂物，并且能够配用自动记录仪表。 总水量的计量设备：安装在沉砂池与初次沉淀池之间 常用：计量槽＋薄壁椻 1. 计量槽――巴氏槽

特点：水头损失小，底部洗刷力大，不易沉积杂物，精确度达95%－98%。施工要求高。 图9－7，主要部位尺寸

量得上游水深H1，便可按公式计算流量，表9－6 2．薄壁椻计量设备

薄壁椻：矩形堰＋梯形堰＋三角堰（水头损失大，适用量测小于100L/s的流量） 图9－8

用公式计算。 3．电磁流量计

根据法拉第电磁感应原理，感应电势与平均流速有关。可与其它仪表配套，实现记录、指示、积算、调节控制等。

特点：价格昂贵，需精心保养，难于维修。 其它：插入式液体涡轮计、超声波流量计

9.7 污水处理厂的验收、运行管理、水质监测与自动控制 9.7.1 污水处理构筑物的验收 验收工作：土建＋安装

土建工程的验收：1）查对竣工构筑物是否和施工图纸相符合（尺寸），检查其管道、孔洞

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位置；2）注意其施工质量(如混凝土池壁等是否有蜂窝或其他隐患)；3）检查是否漏水（注满清水）；4）沉淀池的堰口是否水平、光洁等；5）注意细部，重力流管渠等的相对标高是否符合要求；6）还应有地下管线和其他隐蔽工程的竣工图和验收合格证明。

安装工程的验收：1）一般的管道及设备安装质量检查；2）受压容器(如压缩空气罐、消化气罐等)作压力试验；3）对机械设备及仪表，检查是否正常。 9.7.2 污水处理厂的调试

主要工作：1）对设备性能测定；2）驯化活性污泥(对活性污泥法)或“挂膜”(对生物膜法)。 对污水处理厂的主要构筑物及其设备的性能进行测定。设备(如曝气叶轮、布气器等)的充氧能力或氧的利用率等的测定。

在单池调试基础上，应进行全厂性联动调试。 9.7.3 污水处理厂的运行管理

做好控制、观察、记录与水质分析监测工作 控制与观察记录的内容：1)处理的污水量；2)污泥产量或污泥处理量及消化气产量； (3)空气、蒸汽(或热水)、药剂耗用董：4)生产耗电量；5)各处理构筑物及整个污水处理厂的处理效果。

每一处理构筑物都必须备有值班记录本，逐日记录其运行情况、处理效果、事故、设备的检修等事项。

9.7.4 污水处理厂的水质监测

水质监测是每座污水处理厂每日例行的工作―――水质监测中心。

指标：水温、pH值、电导率、溶解氧、COD、BOD、TOD、TOC、氨氮、MLSS等 水质综合自动监测系统：在各处理构筑物内的适当位置安设相应的传感装置，能够连续地将处理构筑物的水质状况传给中心控制室，使监测人员及时掌握水质的变化动态。 9.7.5 污水处理厂运行的自动控制

自动监测、自动记录、自动操作、调节及集中控制、采用电视设备对水泵机组等运转机械实行集中显示。

曝气池的空气量最优调节系统，与水质、水量、回流污泥的质与量、溶解氧含量等参数有关，可以根据污水处理厂的运行数据与理论推导建立数学模式，输入计算机主存贮器，然后由计算机实现调节。

图9—11所示为某污水处理厂的推流式活性污泥处理流程图与自动控制调节示意图。图中表明：二次沉淀池的污泥液面计(2)和污泥调节池的液面计(3)，都与自动阀(1)联动，以实现二次沉淀池排泥的调节，剩余污泥量Q。则由溢流槽溢出。在曝气池人流口处，溶解氧的不足量用DO自动测定仪测定，该测定值与曝气池的运行参数及回流污泥浓度反映至电子计算机，以实现对回流污泥量及风量的自动调节，从而使活性污泥系统的运行经常处于最优的工况状态，并节约了动力费用。 9.8 城市污水处理厂的国内实例

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