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1. 研究目的与意义（文献综述）
1.1 目的及意义
我国的水资源总储存量为27000m3，平均每人所占的水资源总量为2300m3。经预测到2030年，我国人口会增加至17亿，人均水资源则下降至1600m3。按照国际标准人均所占水资源低于1700m3的国家均为水资源缺乏国家[1]。据有关数据显示，2010年我国城市污水排放总量高达1050亿m3，而这些污水的处理率还不到50%。而这些生活污水在没有经过处理之后一旦随着水循环进入地下含水层，在被人类饮用之后，就会造成人体中毒、污染周围环境。乡镇中的某些小区远离污水处理厂，没有市政管网覆盖，给集中处理带来不便。因此处理好生活及工业污水，减少其对城市的环境污染和解决水资源紧缺和高效利用有积极而重要的意义[2]。
2. 研究的基本内容与方案
2.1 设计的基本内容
2.1.1 基本内容
（1）设计水量
该污水处理站位于荆州开发区，设计处理能力为1500m3/d，进水为开发区内的工业污水和生活污水的混合污水，出水收纳水体为自然水体。
（2）进水污水水质
BOD5：400 mg/L；CODcr：800mg/L；氨氮：26 mg/L；总氮：42 mg/L；总磷：3.5 mg/L；SS：500mg/L；色度：500倍；pH=5-7。
（3）出水水质要求
出水水质要求达到城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）一级A标准。主要指标：BOD5≤10 mg/L；CODcr≤50 mg/L；SS≤10 mg/L；总氮≤15 mg/L；氨氮≤5（8）8mg/L；总磷≤0.5mg/L；色度≤30倍；pH=6-9。
（4）处理程度
根据上述设计进、出水水质分析结果，本项目污水处理厂处理程度至少需达到表1所示。
表1 污水处理程度一览表
| 指标 | 进水(mg/L) | 出水(mg/L) | 去除率(％) |
| COD | 800 | ≤50 | ≥93.7 |
| BOD5 | 400 | ≤10 | ≥97.5 |
| SS | 500 | ≤10 | ≥98.0 |
| NH3-N | 26 | ≤5（8） | ≥80.7（69.2） |
| TN | 42 | ≤15 | ≥64.3 |
| TP | 3.5 | ≤0.5 | ≥85.7 |
2.1.2 研究内容
（1）污水量预测
按照日均水量及变化系数，对生活污水和工业污水的日最大水量开展预测。
（2）污水厂规模
按照开发区污水排放体系对排放总量的预算数据结果，明确污水厂的处理水平及规模。
（3）污水厂进出水质
第一步，明确进水水质；第二步，关于出水水质的确定，严格按照《城镇污水处理厂污染物排放标准》里一级A标准确定。
（4）根据已经明确的污水厂进水出水水质，确定污水厂的处理效果。
（5）初步确定污水厂的处理工艺。
根据污水厂进水中的BOD5/CODcr，BOD5/TN 以及BOD5/TP 的深入分析研究，明确污水厂能够使用生化处理方式或者生物脱氮除磷工艺。
（6）常规处理工艺方案的比选
按照二级处理工艺里，多年以来广泛使用的工艺，例如，氧化沟，A2/O法，SBR工艺以及生物膜法等，排除对本次项目不合适的方案之后，再次针对合适的处理方案展开仔细的对比研究，之后挑选出最合理的污水处理方式。
（7）根据比选结果进行方案阶段的工艺设计。
2.2 设计目标
通过文献查阅及实际案例考察，对应选方案进行合理比选，同时考虑经济性等因素，确定处理法工艺及流程。使之出水水质要求达到城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）一级A标准。
2.3拟解决的关键问题
本文拟解决的关键问题是将二级处理中的众多不适用的工艺排除掉，将适用的二级处理工艺方案及深度处理工艺在处理效果、工程投资、运行管理的复杂程度、运行成本等方面进行比选，使用经济合理、技术成熟同时具备一定针对性的处理工艺，在长时间的使用中都可以保障出水水质达标，保障处理能力有效，技术可靠，经济合算。
2.4 拟采取的方案及措施
2.4.1处理工艺的选择原则
综合污水处理厂将工业废水及生活污水混合后处理，会受多种因素影响。因此，污水处理工艺方案优化对确保污水处理厂的运行性能及降低费用至关重要。
本工程在污水处理工艺设计方面遵循以下原则：
（1）符合国家关于环境保护的政策，污水处理厂出水水质应满足国家及地方现行的有关标准、法规；
（2）符合该开发区实际情况，并与开发区总体规划相符合；
（3）充分考虑本工程的地方性特点及污水处理厂进出水指标，优先采用低能耗、处理效果稳定可靠，简便易行的成熟工艺。以减少工程投资，降低运行成本；
（4） 优先选择国内先进、可靠、高效、运行管理方便及维修、维护简单的污水及污泥处理设备；
（5）污水厂总平面布置力求紧凑合理以减少土石方工程量，降低投资。各工艺构筑物设计充分考虑运行调整灵活性；
（6）为远期规划发展留有一定余地。
2.4.2 进水水质分析
荆州市工业园区的污水处理厂进水水质技术性能指标见下表2。
表2 污水厂进水水质技术性能指标
| 项目 | 比值 |
| BOD5/CODcr | 0.50 |
| BOD5/TN | 9.52 |
| BOD5/TP | 114.29 |
对进水水质分析如下：
（1）BOD5/CODcr
污水BOD5/CODcr值是判定污水可生化性的最简便易行和最常用的方法。一般认为BOD5/COD>0.4可生化性较好，BOD5/COD<0.3较难生化，BOD5/COD<0.25不易生化。
该污水处理厂进水水质BOD5=400mg/L，COD=800 mg/L，BOD5/CODcr=0.50，表明污水处理厂可生化性较好，可以采用生化处理工艺。
（2）BOD5/TKN(即C/N)比值
C/N比值是判别能否有效脱氮的重要指标。从理论上讲，C/N≥2.86就能进行脱氮，但一般认为，C/N≥3.5才能进行有效脱氮。
由于设计进水水质中缺乏TKN数据，本设计采用TN来表征TKN，则本工程进水水质BOD5/TN=9.52。因此，该污水处理厂水质满足生物有效脱氮的要求。
（3）BOD5/TP比值
该指标是鉴别能否生物除磷的主要指标。进水中的BOD5是作为营养物供除磷菌活动的基质，故BOD5/TP是衡量能否达到除磷的重要指标，一般认为该值要大于20，比值越大，生物除磷效果明显。
分析可得，本工程进水水质中BOD5/TP达114.29，采用生物除磷工艺可以有效地进行除磷。
综上所述，本开发区污水处理厂所产生的污水其进水水质不仅适宜于二级生化处理工艺，而且可以采用生物脱氮除磷工艺。
2.4.3 处理工艺介绍
污水生化处理技术从总体上可分为两大类，一类是微生物在人工为其营造的环境中处理污水，称为人工处理方法，该方法又分为活性污泥法(悬浮工艺)和生物膜法(固着增长工艺)两大类，其核心是用电能消耗来换取污染物质的去除；另一类是微生物在天然生态环境中处理污水，称为生态处理方法，其核心是利用太阳能、风能、大气复氧等天然能量来换取污染物质的去除，该方法又分为稳定塘(氧化塘)、土地处理、湿地处理三大类[8]。
随着世界各国对环境污染治理的重视，特别是近二十几年来，污水处理技术突飞猛进，诞生出许多新型工艺，如传统活性污泥法发展出：A-B工艺、A/O工艺、A2/O工艺、氧化沟工艺系列、SBR工艺系列、BIOLAK等。氧化沟工艺又衍生出Pasveer氧化沟、Carrousel氧化沟、Orbal氧化沟、T型氧化沟、DE型氧化沟、一体化氧化沟。SBR工艺衍生出连续进水间歇曝气的ICEAS、CASS、DAT-IAT、UNITANK工艺。生物膜法技术发展出接触氧化法、曝气生物滤池、生物转盘、高负荷生物滤池、BIOSTYR滤池等。生态处理技术由过去单独使用稳定塘、土地处理、湿地处理，向厌氧塘 兼性塘 湿地 好氧生态塘 土地处理的合理组合、综合利用方向发展[9]。
本项目出水水质要达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准，因此污水处理过程需采用二级工艺 深度处理工艺。
当前常用的污水处理二级处理工艺有：SBR法、氧化沟法、A/A/O法、CASS等。这些工艺都是从活性污泥法派生出来的，且各有其特点。
（1）A/A/O法
由于对城市污水处理有去除氮、磷的要求，故国内10年前开发此厌氧-缺氧-好氧的组合工艺。它利用生物处理法脱氮除磷，可获得优质出水，是一种深度二级处理工艺。A/A/O法的同步除磷脱氮机制由两部分组成：一除磷，聚磷菌吸收的磷在厌氧状态下(DO<0.3mg/L)被释放，在好氧状况下又将其更多吸收，并以剩余污泥的形式排出系统，从而达到除磷的目的。二是脱氮，缺氧段要控制DO12.5)，BOD/TKN为1.5～3.5，COD/TP为30～60，BOD/TP为16～40(一般应大于20)。若降低污泥浓度、压缩污泥龄、控制硝化，以去除磷、BOD5和COD为主，则可用A/O工艺。有的城市污水处理的出水不排入湖泊，利用大水体深水排放或灌溉农田，可将脱氮除磷放在下一步改扩建时考虑，以节省近期投资[10]。
目前，存在各种改良型A2O工艺，例如在缺氧、厌氧中添加填料，提高微生物浓度，延长污泥停留时间；将“O”段变为接触氧化工艺，形成组合工艺，能有效处理城镇生活污水，并能减小各池体占地面积，完美解决A2O工艺因占地面积太大而较少应用于小城镇污水处理的窘境。
（2）CAST工艺
CAST工艺是外国工程师通过对SBR工艺的优化改进，增加了能够精细控制污水内污泥的生物选择器和提高活性污泥的利用效率的一个污泥回流装置。在工艺的顺序上进行了更改，令整个污水处理效果更好[11]。
①CAST工艺原理
CAST工艺的主体生物反应池分为两个部分，一个是预反应区，微生物在预反应区先通过体内的生物酶将污水进行初步的有机物吸收，有了这个预反应区能够对污水的水质进行一个调节，相当于起到了一个缓冲的作用；第二个部分为主反应区部分，这个部分主要是一个降解的过程，污水在主反应区不断流动，在流动过程中污染物就逐渐被降解了，而微生物则不断在好氧、缺氧、厌氧的周期变化中进行脱氮除磷。
②CAST工艺特点
A、运行灵活可靠
●根据污水水质情况的不同，生物选择器可以选择不同的运行方式，在需要好氧菌进行污水处理的时候以好氧的方式运行，在需要兼性菌进行时以缺氧方式运行，在需要厌氧菌时以厌氧方式运行。根据水厂进水日改变量的不同，选择器可以在水量变化不大的时候采用恒定容积运行，也可以如果水量改变明显，需要调整容积控制则变容积运行[12]。
●根据所需微生物的生物特性不同，可任意调节运行状态；
●选择器容积可变；
●抗冲击负荷能力强。
B、处理构筑物少，流程简单
●池子总容积减少，土建工程费用低；
●不需设二次沉淀池及其刮泥设备，也不用设回流污泥泵站；
●只需要调节生物选择器就可以应变多种不同情况。
C、节省投资
●构筑物少，占地面积省；
●设备及控制系统简单；
●曝气强度小，不须大气量的供气设备；
●运行费用低。
③工艺缺点
●对自控要求较高；
●变水位运行，电耗增大；
●容积利用率较低；
●污泥稳定性较差。
（3）氧化沟法
氧化沟是活性污泥法的一种变形，活性污泥投加进污水中，随着污水在环状池体中通过曝气和搅动装置，在闭合渠道中循环流动。
主要设备需要曝气设备、导流装置和混合设备，氧化沟在池子的形状上有很多种选择，断面多为矩形。氧化沟需循环流动，所以相比于其他工艺来说，污水在池子内的流动时间比较长，污泥龄也比传统活性污泥法长，有机负荷较低，所以初沉池等可以省去。池体中划分出好氧区和厌氧区，通过硝酸盐中的氧来满足活性污泥所需的一定需要，而且在反硝化过程中还能补充硝化过程中消耗的碱度，并不断进行硝化反硝化处理，满足脱氮要求[13]。
本工艺50年代初期发展形成，因其构造简单，易于管理，很快得到推广，且不断创新，应用实例很多，当前可谓热门工艺。氧化沟在应用中发展为多种形式，比较有代表性的有：
帕式(Passveer)简称单沟式，表面曝气采用转刷曝气，水深一般在2.5～3.5m，转刷动力效率1.6～1.8kgO2/(kW·h) [14]。
奥式(Orbal)简称同心圆式，应用上多为椭圆形的三环道组成，三个环道采用不同的DO(如外环为0，中环为1，内环为2)，有利于脱氮除磷。采用转碟曝气，水深一般在4.0～4.5m，动力效率与转刷接近，现已在山东潍坊、北京黄村和合肥王小郢的城市污水处理厂应用。若能将氧化沟进水设计成多种方式，能有效地抵抗暴雨流量的冲击，对一些合流制排水系统的城市污水处理尤为适用[15]。
卡式(Carrousel)简称循环折流式氧化沟，采用倒伞形叶轮曝气，从工艺运行来看，水深一般在4.0m左右，但污泥易于沉积，其原因是供氧与流速有矛盾。氧化沟一般不设初沉池，负荷低，耐冲击，污泥少。建设费用及电耗视采用的沟型而变，如在转碟和转刷曝气形式中，再引进微孔曝气，加大水深，能有效地提高氧的利用率(提高20%)和动力效率[达2.5～3.0kgO2/(kW·h)] [16]。
（4）后续深度处理工艺
深度处理单元技术中，混凝沉淀、过滤、活性炭吸附以及反渗透工艺对污染物的去除较为全面，但活性炭吸附和反渗透工艺投资和运行费用较高，运行经验少。混凝沉淀工艺相对简单，具有成熟的运行管理经验，运行费用相对低，对COD、SS和TP的去除率高。纤维滤布滤池具有处理效果好，出水水质稳定的特点，在多处污水处理厂深度处理中采用该工艺，处理效果稳定、良好。滤布滤池是目前世界上先进的过滤器之一，微滤布过滤系统与砂滤相比，在技术和经济指标方面都有很多优势。
2.4.4 工艺比选
（1）二级处理工艺
表3 主体工艺比选表
| 项目 | 工 艺 特 征 | 优 点 | 缺 点 |
| CAST法 | 采用生物选择器，工艺采用的是间歇式活性污泥法，主要污水处理工序在一个池子就能完成，工艺简单。 | 1、省去了许多池体，节省用地； 2、污泥不需要用专门的池体沉淀，且污泥产量很少； 3、通过调节生物选择器，就能满足脱氮除磷要求。 | 1、对自动化程度要求较高； 2、对管理人员素质要求较高； 3、投资费用较高。 4、运行费用高、管理难度大。 |
| 氧化沟 | 对污水的供氧与推流都采用同一装置，对污水充分搅动，混合均匀，活性污泥与污染物充分接触，处理更有效。 | 1、对污水的处理效果好，不容易受水体条件的改变影响； 2、污泥龄长，更多的活性污泥中的微生物能够发挥作用； 3、污泥采用回用，经过长时间的使用基本已经达到稳定，无需进一步处理； | 1、占地面积大，基建费用较高。 2、运行能耗较大，费用较高，并且往往需要多人进行管理。 |
| A2/O法 | 目前最为成熟，采用污泥回流将好氧池中产生的污泥部分进行回流至厌氧池，降低了污泥的产量。 | 1、进出水过程采用的是连续式的，所以对污水处理过程的管理简单。 2、耐负荷冲击。 3、剩余污泥产量低。 | 1、曝气池体积比较大，成本高； 2、污泥容易膨胀； 3、运行起来能耗较大。 |
CAST工艺在国内及国外有较多应用实例，国内有许多污水处理厂采用了这类型的工艺，运行良好，积累了大量的运行管理经验，其可靠程度高，风险低，符合国家目前的技术政策。本方案建议采用CAST工艺。
（2）深化处理工艺
①混凝沉淀
混凝工艺的主要作用有以下两个方面：
澄清降浊：采用混凝方法进一步去除悬浮物和有机物污染物。
化学除磷：投加混凝剂，与污水中的磷发生作用，形成絮凝状的混凝物去除。
为了使絮凝剂能迅速扩散，使胶体脱稳，需选用工艺进行混合。充分的混合可以减少混凝剂的消耗，并且能够提高絮凝效果。
混合方式主要分为水力混合和机械混合。水力混合操作简便，但流量的变化会对混合效果产生影响；机械混合可以在水量的不同的时候进行改变，但投资成本更高，操作较复杂，机械需维护修理。
絮凝工艺的选择，需要保证污水在与混凝剂混合后，能形成较大的密实絮凝体。目前水厂采用比较多的絮凝工艺为水力搅拌式和机械搅拌式。本项目推荐采用适应性较强的管式静态混合和斜板沉淀池。
②过滤
为了降低废水中的悬浮物，通常需要对废水进行过滤处理。滤布滤池、转盘过滤器、活性砂过滤器、精密过滤器均为近几年来在污水深度处理中应用较多的过滤工艺。几种工艺在功能上各有特点，占地面积和水头损失也有所不同，运行成本也需要根据处理水量来进行考虑。在实际应用中，可根据不同项目的情况，选择更合适的处理方法。下面对以上几种过滤工艺进行比较。
（3）消毒工艺
污水处理厂出水中大肠菌群数依国家标准规定一级A出水标准不能超过1000个/L，大肠菌群会引起水媒性传染病，危害城市居民的健康，所以污水处理厂的出水需要进行消毒处理来降低水中的总大肠菌群数。
消毒方法目前我国污水处理厂运用较为成熟的主要有加氯法、氧化法和紫外消毒法。
1）加氯法
加氯法是利用氯气的杀菌作用，通过往污水中加氯来杀死污水中的微生物，来达到消毒的作用。
投加液氯目前在我国的运用是最为广泛的，被多数的污水处理厂采用，液氯处理的成本低于其他消毒方法，而且由于该方法运用的较早，运用的广泛，在技术上也就成熟许多。然而采用投加液氯方法也存在着许多问题，加氯法需要的接触时间较长，一般不低于半小时是，所以接触池的体积往往比较大。而且氯气有剧毒，氯气在存放和使用上都存在着潜在的危险性。
投加含氯化合物一般采用的含氯化合物为次氯酸钠、漂白粉或者二氧化氯。投加含氯化合物的特点与投加液氯差不多，优点是潜在的危险性比液氯小，缺点是加药在操作上比加液氯困难，运行成本上更高。
2）氧化法
对于污水处理厂处理出水要求不太高时，可以选择氧化法进行消毒处理，出水可以达到二级标准的要求。氧化法通常选用臭氧作为氧化剂。其优点是氧化后产物为氧气，不会对环境产生影响，杀菌彻底，消毒快，比加氯法需要的接触时间少。缺点是处理费用上较高。
3）紫外线消毒法
紫外线消毒是近年来在国内的中小型污水处理厂中采用的最多的消毒方法，随着科技的发展变得越发成熟。紫外线消毒能在短时间内达到很高的灭菌效果，对接触池的体积要求较小，并且不需要投加化学药剂，减少了药剂上的成本，运行费用较低，管理维修方便（自动清洗）。但设备费用较高，灯管的使用寿命小于一千小时，先对较短。采用紫外线消毒法对污水水质还有一定要求，如水中悬浮物较多将会影响消毒效果。
（4）污泥处理工艺
对污泥进行稳定处理，防止腐化；对污泥进行无害化处理，避免病原体寄生虫的扩散；对污泥加以综合利用。污泥处理流程主要为：
1）污泥稳定工艺
主要是对污泥进行消化处理，常用的消化处理方式根据处理对氧的需求分为厌氧和好氧两种。
①厌氧消化
在厌氧消化处理过程中，污泥中的微生物通过对污泥的降解会产生沼气。产生的沼气可以用于污水处理厂中的一些能耗所需。而且厌氧消化对降低污泥中有机物的浓度效果明显。经处理后，污泥体积减小，并且臭味明显消失，如采用高温消化还能有效去除污泥中的病原体。但厌氧消化处理的基建费用较高，如需对沼气进行利用还会增加所需的机械设备。整体来说占地面积较大，成本较高，适用于污泥量大的水厂。
②好氧消化
好氧消化工艺需要持续对污泥进行充氧处理以达到好氧的需求，所以对动力的消耗比较大，适合于污泥量较少的中小型污水处理厂。
现在国内的很多污水处理厂并没有对污泥进行这一类的处理工序，而是选择了直接通过对污泥进行压实，将污泥中的水分含量减少，对污泥的出厂没有什么影响，所以本次的污水处理厂设计暂且不考虑污泥的消化处理，采用浓缩、脱水一体化设备。
2.4.5 工艺流程
污水先进入细格栅，经过格栅去除污水中较大的杂质，然后经提升泵房进入钟式沉砂池，进一步去除污水中粒砂等细小杂物，降低后续构筑物的负荷，减少设备磨损。出水进入配水井均衡水量和水质。污水经过配水井均匀分配至各组CAST池的选择池，经过缺氧降解部分有机物，然后进入CAST生化池，在鼓风机提供一定氧气的情况下，水中的微生物在自身的代谢过程中吸收有机物，并将有机物降解为水和二氧化碳，为了保证自身增长需要的营养物质，同步去除N、P等污染物质。CAST出水进过管内加药，进入斜板沉淀池，经过加药混凝沉淀在此去除CODD等。出水自流进入接触消毒池消毒后，计量达标排放。
CAST池剩余污泥及斜板沉淀池排出的污泥，通过污泥泵排入污泥池，最后经过带式污泥脱水机脱水后外运填埋。
3. 研究计划与安排
3月25日：开题报告的撰写及外文文献的翻译；
3月20日至4月3日：认真分析任务书，查找相关材料，了解相关规范；
4月3日至5月15日：进行设计计算及说明书的撰写；
4. 参考文献（12篇以上）
[1] 李春辉,李真莹,张文华,张玉民.舒兰经济开发区污水处理厂工程设计研究[J].长春工程学院学报(自然科学版),2018,19(04):48-52.
[2] 王蓉.潮汕机场污水处理站处理工艺浅析[J].山东化工,2018,47(13):177-178 182.
[3] 罗智力. 城镇污水处理厂应对工业废水冲击有效处理技术研究[D].河北科技大学,2016.
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