《水污染控制工程》课程设计

                                                                                                                                                    

20##年  9 月 10 日

一、     综述... - 1 -

1.1项目概况... - 1 -

1.2废水排放的危害及工程建设的必要性... - 1 -

二、     设计依据和原则... - 1 -

2.1设计依据... - 1 -

2.2设计原则... - 2 -

三、     废水处理工程的建设规模及目标... - 2 -

3.1废水种类及设计水量... - 2 -

3.2设计水质... - 2 -

3.3排放标准... - 3 -

四、     废水处理方案... - 3 -

4.1工艺流程... - 3 -

4.2流程简述... - 3 -

4.3其它主要构筑物... - 4 -

4.3.1粗格栅... - 4 -

4.3.2进水泵房... - 4 -

4.3.3细格栅... - 4 -

4.3.4沉砂池... - 4 -

4.3.5CASS生物池... - 5 -

4.3.6储泥池... - 5 -

4.3.7紫外线消毒渠... - 5 -

4.3.8浓缩脱水机房... - 6 -

五、     CASS工艺设计... - 6 -

5.1设计参数... - 6 -

5.2设计计算... - 6 -

5.2.1BOD污泥负荷N_s - 6 -

5.2.2反应池容积V. - 7 -

5.2.3反应池总水力停留时间... - 7 -

5.2.4CASS池外形尺寸... - 7 -

5.2.5预反应区长度... - 7 -

5.2.6CASS池各部分容积组成及最高水位（H）... - 7 -

5.2.7隔墙底部连通空口尺寸... - 8 -

5.2.8曝气系统设计计算... - 8 -

5.2.9滗水器的设计计算... - 9 -

5.2.10反应池中污泥量的计算... - 10 -

六、     设计总结... - 10 -

七、     参考文献... - 11 -

一、      综述

1.1项目概况

CASS生物处理法是周期循环活性污泥法的简称。CASS工艺集反应、沉淀、排水、功能于一体，污染物的降解在时间上是一个推流过程。而微生物则处于好氧、缺氧、厌氧周期性变化之中，从而达到对污染物去除作用，同时还具有较好的脱氮、除磷功能。在反应器的前部设置了生物选择区，后部设置了可升降的自动滗水装置。其工作过程可分为曝气、沉淀和排水三个阶段，周期循环进行。污水连续进入预反应区,经过隔墙底部进入主反应区，在保证供氧的条件下，使有机物被池中的微生物降解。CASS工艺技术成熟，流程简单、管理方便、运行方式灵活、处理效率高、具有良好的脱氮除磷效果、出水水质好，该工艺已经成功运用于工程实践，具有十分良好的经济效益、环境效益和社会效益。

本次对沈阳地区3万t/d城市污水处理工艺设计，设计要求：BOD₅=250mg/L,SS=220mg/L,TN=35mg/L，重金属及有毒物质微量。处理厂处理程度：BOD5=85%，SS=88%，TN=75%。

1.2废水排放的危害及工程建设的必要性

 随着工农业生产的迅速发展和人民生活水平的不断提高，用水紧张和污水排放的问题已越来越突出。目前,我国城镇绝大部分的生活污水采用直接排放的方式，没有采取应有的治理措施，加重了对环境的污染。在国家可持续发展的新政策下，环境保护已受到各级政府和全国人民的重视，环境污染日趋严重，加大城市生活污水治理力度势在必行。

二、      设计依据和原则

2.1设计依据

(1)《水污染控制工程》（第三版，高廷耀主编）

(2)《污水综合排放标准》                  GB8978-1996

(3)《国家污水综合排放标准》              GB18918-2002

2.2设计原则

1. 贯彻执行国家关于环境保护的政策，符合国家的有关法规、规范及标准。

2. 从城市的实际情况出发，在城市总体规划的指导下，使工程建设与城市的发展相协调，既保护环境，又最大程度地发挥工程效益。 

3. 根据设计进水水质和出厂水质要求，所选污水处理工艺力求技术先进、成熟、处理效果好、运行稳妥可靠、高效节能、经济合理、确保污水处理效果，减少工程投资及日常运行费用。

4. 妥善处理和处置污水处理过程中产生的栅渣、沉砂和污泥，避免造成二次污染。

5. 为确保工程的可靠性及有效性，提高自动化水平，降低运行费用，减少日常维护检修工作量，改善工人操作条件，本工程中的关键设备拟从国外引进。其它设备和器材则采用合资企业或国内名牌产品。

6. 采用现代化技术手段，实现自动化控制和管理，做到技术可靠、经济合理。

三、      废水处理工程的建设规模及目标

3.1废水种类及设计水量

本设计处理废水是沈阳地区城市污水处理厂，设计流量为3万t/d。

3.2设计水质

BOD₅=250mg/L,SS=220mg/L,TN=35mg/L，重金属及有毒物质微量。

3.3排放标准

BOD₅=85%，SS=88%，TN=75%。

四、      废水处理方案

4.1工艺流程

4.2流程简述

（1） 预处理阶段（包括粗格栅池、进水泵房、细格栅池及旋流沉砂池）

污水先是通过污水管网导入粗格栅池，截留污水中较粗大漂浮物和悬浮物如树枝塑料袋等，防止堵塞和缠绕水泵机组。然后污水经进水泵房，经污水泵房提升后进入细格栅间，去除污水中较细的杂物。

（2） 生物处理阶段 

从细格栅间流出的污水进入沉砂池去除污水中泥沙、煤渣等相对密度较大的无机颗粒，以免影响后续处理构筑物的正常运行。然后进入CASS生物池活性污泥处理

（3）出水阶段 

从CASS池出来后的清水进入紫外线消毒池通过紫外线消毒设备消毒后再出水，最后排入受纳水体。 

（4）污泥处理 

为了保持CASS池中污泥浓度不变，过多的污泥必须要排走。剩余污泥由剩余污泥泵转送至储泥池后再通过污泥泵泵到污泥脱水车间。在污泥脱水车间，首先由螺杆泵将剩余污泥与絮凝剂混合，再把它们送入带预脱水的带式脱水机脱水。在污泥脱水车间中，安装有反冲洗水泵，采用处理后的清水作脱水机反冲洗水源。

4.3其它主要构筑物

4.3.1粗格栅

格栅由一组平行的金属栅条或筛网制成，安装在废水渠道的进口处，用于截留较大的悬浮物或漂浮物，主要对水泵起保护作用，另外可减轻后续构筑物的处理负荷。

4.3.2进水泵房

进水泵房是为了提升污水以满足随后的水处理程序的要求。进水泵房设计为开放式水泵间，有两个独立进水的水泵间，两个水泵间通过进水的一个闸门连通，以便将来换泵、增加水泵或检修时不会对污水处理厂的运行造成大的影响。进水泵房同粗格栅合建。污水经过粗格栅后被泵提升进入细格栅间。每个泵都有连接装置，导杆和导链。电动单梁悬挂起重机沿固定的轨道可将水泵吊起、放入泵池中。

4.3.3细格栅

污水被提升后通过管道进入细格栅。细格栅可以去除污水中的漂浮物和固体废物，确保后续工艺的正常运行。细格栅同沉砂池合建。运行中，细格栅的栅渣通过螺旋输送压榨器压缩后送到渣桶。挤压出的水回到进水泵房。通过细格栅后，污水进入沉砂池。 细格栅通过水位差或时间控制自动清渣。

4.3.4沉砂池

通过细格栅的污水分别沿两条渠道由流入口切线方向流入两座沉砂池，每座沉砂池安装了立式浆叶分离机，在立式浆叶分离机旋转作用下将砂粒离心甩向池壁，掉入砂斗，有机物则被送回污水中，污水沿与进水相反方向流出；沉在砂斗内的砂粒通过空气提升装置排入砂水分离器进行砂水分离，干砂送入垃圾桶，与厂内其它垃圾一起外运填埋，污水重新回到进水泵房。

4.3.5CASS生物池

CASS法是在间歇式活性污泥法（SBR法）的基础上演变而来的，其工作原理如下图所示：

 

CASS工艺曝气池由三个反应区（选择区、次反应区和主反应区）组成。在反应器的前部设置了生物选择区，后部设置了可升降的自动滗水装置。其工作过程可分为曝气、沉淀和排水三个阶段，周期循环进行。污水连续进入预反应区，经过隔墙底部进入主反应区，在保证供氧的条件下，使有机物被池中的微生物降解。根据进水水质可对运行参数进行调整。

运行过程中，活性污泥从主反应区回流至选择区中，整个系统以推流方式运行，而各反应区则以完全混合的方式运行，实现同步碳化硝化及反硝化过程。CASS工艺运行操作每周期分为四个阶段：进水/曝气、进水/沉淀、排水和闲置。运行方式可以灵活调整，比如，进水同时可以曝气，也可以不曝气。且每一阶段的运行时间可以根据原水水质水量任意调整。一个周期结束后，下一周期重复上一周期运行。

4.3.6储泥池

从污泥泵房来的剩余污泥进入储泥池后，储泥池调节剩余污泥泵和浓缩脱水机的时差，以便于运行和管理。剩余污泥泵先将污泥泵入储泥池，然后污泥进料泵再将其送入浓缩脱水机。

4.3.7紫外线消毒渠

尾水从CASS生物池排水渠道流入消毒渠，消毒渠为一条开放式钢筋混凝土渠道，紫外线灯管放置渠道中部，尾水流经紫外线灯管，当紫外线灯管发射的紫外线照射到微生物时，便发生能量的传递和积累，积累结果造成微生物的灭活，从而达到消毒的目的。

4.3.8浓缩脱水机房

污泥处理应采用机械浓缩和脱水。储泥池的污泥含水量约达 99.0%~99.4%，污泥和絮凝剂混合后送入机械浓缩脱水机进行浓缩脱水处理，直到含水量降至80%，形成泥饼。

五、      CASS工艺设计

5.1设计参数

设计平均流量：Q_a=30000t/d≈30000m³=1250m³/h=0.347m³/s

总变化系数  ：kz=2.7/Q_a^0.11=2.7/347^0.11=1.42

日变化系数宜采取1.1~1.5，时变化系数宜采用1.3~1.6。特大城市宜取上限，个别小城镇还可适当加大。所以总变化系数取1.42，符合设计规范。

Q_max=k_z×Q_a=1.42×30000=42600m³/d=1775m³/h=0.493m³/s

设计最大流量Q_max=42600m³/d

设计进水水质：BOD₅=250mg/L,SS=220mg/L,TN=35mg/L

设计出水水质：BOD₅=37.5mg/L，SS=26.4mg/L，TN=8.75mg/L

设计计算采用循环式活性污泥法，CASS工艺

取回流污泥浓度X_R=10000mg/L

污泥回流比R=20%

5.2设计计算

5.2.1BOD污泥负荷N_s

N_s=k₂×S_e×f/η=0.02×37.5×0.75/85%=0.66kgBOD₅(KgMLSS·d)

式中：N_s：BOD₅污泥负荷，kgBOD₅/(kgMLSS·d)；

K₂：有机基质降解速率常数，L/(mg·d)；

S_e：混合液中残存的有机基质浓度，mg/L；

η ：为有机基质降解率，%；

f ：混合液中挥发性悬浮固体浓度与总悬浮固体浓度的比值，0.7～0.8

5.2.2反应池容积V

V=Q_a×(S_a-S_e)/N_e×X×f=42600×(250-37.5)/0.66×2576×0.75=7100m³

式中：Q：污水日流量，m³/d；

X：混合液污泥浓度，kg/m³  ；

N_e：BOD--污泥负荷率，kgBOD₅/(kgMLSS·d)；

f ：混合液中挥发性悬浮固体浓度与总悬浮固体浓度的比值，0.7～0.8

5.2.3反应池总水力停留时间

t=V/Q=7100/42600=0.166d≈4h

5.2.4CASS池外形尺寸

反应池总容积V=7100m³

设反应池为四组，单组池容积V单=V/4=7100/4=1775m³

L×B×H=V/n₁

L:B=5  L:B=4~6

B:H=2  B:H=1~2

代入可得：L=44.6m，B=8.92m，H=4.46m

有效水深h=4.46m

单组有效面积S单=V单/h=1775/4.46=398.0m²

根据CASS工艺一般原则，生物选择器、兼氧区、好氧区的容积比为1：5：:30

所以V₁:v₂:v₃=1:5:30

V₁=49.3m³,V₂=246.5m³,V3=1479.2m³

5.2.5预反应区长度

L₁=(0.16~0.25)L

取L₁=0.16L=0.16×44.6=7.1m

主反应区长度：L₂=L-L₁=44.6-7.1=37.5m

5.2.6 CASS池各部分容积组成及最高水位（H）

V=n₁(V₁+V₂+V₃)

H=H₁+H₂+H₃

n₁--------CASS池个数

V₁，H₁------变动容积，是指池内最高设计水位至滗水后最低水位之间的的容积和水深

V₂，H₂------滗水水位和泥面之间的容积和水深

V₃，H₃------活性污泥最高泥面至池底的容积和水深

水深H₁：H₁=Q/n₁×n₂×A=42600/4×6×1592=1.67m

式中：n₂------1d内循环周期数；n₂=24/4=6

       CASS池平面面积，m²；A=V/H=7100/4.46=1592m²

水深H₃：H₃=H×X×SVI×10^-3=4.46×2.6×140×10^-3=1.61m

SVI    ：污泥体积指数；取SVI=140mg/L

水深H₂：H₂=H-H₁-H₃=4.46-1.67-1.61=1.18m

CASS池总高：H₀=H+0.5=4.46+0.5=4.96m

5.2.7隔墙底部连通空口尺寸

A₁=Q/24n₁n₃u₂+BL₁H₁/u=42600/24×4×4×36²+8.92×7.1×1.67/36=3.02m²

n₃:连通孔个数，取4个

u：孔口流速，m/h，一般为20~50m/h；取36m/h

5.2.8曝气系统设计计算

（1）设计需氧量O₂

O₂=α×Q×(S₀-S_e)+b×V×X=0.45×42600×(250-37.5/1000)+0.150×7100×2.576

  =6817.1kgO₂/d

α------活性污泥微生物对有机污染物氧化分解过程的需氧率，即活性污泥微生物每代谢1KgBOD所需要的氧量，Kg  α=0.42~0.53

b ------ 活性污泥微生物通过内源代谢的自生氧化过程的需氧率，即1Kg活性污泥每天自身氧化所需要的氧量，Kg  b=0.11~0.188

O₂------ 混合液需氧量，Kg/d

（2）混合液污泥浓度X

反应池内混合液污泥浓度的控制应从供氧的经济性与可行性，活性污泥的絮凝沉淀性能以及剩余污泥处理造价等方面综合考虑。

一般，CASS池的活性污泥浓度X控制在2.5Kg/m³~4.0Kg/m³范围内；污泥指数SVI值大时，X值取下限，反之取上限。本设计中取SVI=140，则X=2.576Kg/m³

(3)曝气时间

T_a=24S0/N_smX=24×250/0.66×3×2576≈2h

(4)沉淀时间

T_s=1h

所以运行周期为4h，其中曝气时间2h，沉淀1h，滗水2h

(5)BOD------污泥负荷率与污泥增长率的关系

X_v/200=f=0.75，X_v=150mg/L=0.15Kg/m³

F为混合液中挥发性悬浮固体浓度与总悬浮固体浓度的比值，0.75

△X=Y×（S₀-S_e）×Q-K_d×V×X_v

   =0.56×(250-37.5) /1000-0.08×7100×0.15

   =4984.2Kg/d

式中： ΔX ：每日增长的挥发性污泥量(VSS)，kg/d；

Y：产率系数即微生物每代谢1kgBOD所合成的MLVSS数(kg)；

K _d ：活性污泥微生物的自身氧化率亦称为衰减系数d^-1Q为每日处理污水量， m³ /d ；

S₀ ：经预处理后进入曝气池污水含有的有机污染物的浓度， kg / m³ ；

S_e ：经生化处理后4处理水中残留的有机污染物的浓度， kg / m³ ；

V ：CASS池的有效容积， m³ ；

X_V ：混合液中挥发性悬浮固体量(MLVSS)，kg / m³ 。

(6)供氧量

取一定的安全系数，得实际需氧量（R），取安全系数为1.1

曝气所需氧量O₂^’=O₂/2×6=6817.1/12=572.6KgO₂/d

R=1.1O₂=629.9 KgO₂/d

查阅资料可得，水中溶解氧饱和度为9.17mg/L(T=20℃)

R₀=RC_s(20)/ α[βρC_s(T)-C_L ] ×1.024^T-20=629.9×9.17/0.82×(0.95×1.19×9.17-20) ×1.024^20-20=841.9KgO₂/h=589.2m³/h  （在标准状况下氧气的密度为1.429Kg/m³）

式中： R ₀ ：标准条件下，转移到曝气池混合液的总氧量， kgO₂ / h ；

     C_S(20) ：20℃水的饱和溶解氧， mg/L ；

     α ：污水中杂质影响修正系数，一般为0.78～0.99，取0.82；

     β ：污水中含盐量影响修正系数，取0.95；

     C_L ：混合液 DO 浓度， mg/L ，为 2.0 mg/L ；T 为水温， ℃；

     R ：实际条件下转移到曝气池混合液的总氧量， kgO₂/h ；

     ρ ：气压修正系数，取1.19；

     C_S(T)  ：T℃时曝气池内 DO 饱和度的平均值， mg/L 。

(7)供气量

G=R₀/0.28EA=589.2/0.28×0.25=8416.7m³/h=140.28m³/min

式中：G 为供气量， m³/h ；

E A 为曝气头转移效率，%。（微孔曝气取 25%）

5.2.9滗水器的设计计算

(1)参数选择

本设计中排水时间为1h

(2)每池滗水器排水能力

Q_p=Q/n₁n₂×T排=(42600/4×6) ×1=1775m³/h

式中      Qp—通过堰口的水流流量，m ³ /h；

Q —设计流量，m ³ /d；

n₁ —CASS 池子个数；

n₂ —一天内 CASS 池循环周期数；

T_排 —CASS 池设计排水时间；

5.2.10反应池中污泥量的计算

(1)污泥龄

硝化所需好氧污泥龄：

Θ_SN=（1/μ）×1.103(15-T)×f_s=(1/0.47) ×1.103(15-20)×2.8=5.59d=6d

式中：θ_SN ：硝化所需最低好氧污泥龄， d ；当T=13℃时θ_SN =8 d ；

      μ ：硝化菌比增长速率， d^-1 ；当T=15℃时， μ =0.47 d^-1 ；

      f_S ：安全系数，一般取2.5～3.0；T为污水温度℃。

(2)剩余污泥量

系统的剩余污泥量：

S_PQQ=Q×BOD×[Y_H-(0.9×b_H×Y_H×f_TH)/(1/Θ_SH+b_H×f_TH)]+Y_ss×Q×(SS_i-SS_e)

     =42600×0.0375×[0.56-(0.9×0.08×0.56×2.8)/(1/16+0.08×2.8)]+0.56×42600×(220-26.4) ×10^-3=5461Kg/d=5.46t/d

式中： SS_i ,SS_e 分别为反应池进、出水的悬浮固体浓度， mg/L ；

Y_H 为异养微生物的增殖率， 取0.5～0.6，式中取0.56；

Y_SS 为不能水解的悬浮固体率， Y_SS =0.5～0.6；

f_T.H 为温度修正系数；

b_H 为异养微生物的内源呼吸速率（自身氧化率）， b_H =0.08 d  。

系统中每天产生剩余污泥总量 5.46t干固体（含水率 99%） 剩余污泥浓度按 8g/L 计，

每日污泥产量总体积为V_s=5461/8=682.6m³/d

每池每日排泥量V_sa=682.6/4=170.8m³/d

(3)污泥回流设备

污泥回流比R=20%

污泥回流量Q_R=RQ_单=20%×42600/4=2130m³/d=88.75m³/h

六、      设计总结

以上就是我设计的CASS生物处理法污水处理工艺，此法工艺具有流程简单，占地面积小，投资小，生化反应推动力大，沉淀效果好，不易发生污泥膨胀等优点。理论上能完成处理目标，由于本人水平有限，难免有差错和不足之处，恳请老师批评指正。

通过这次的水污染课程设计，我更深刻的学习到水污染处理设计在实际中的应用，同时也认识到了自己的不足。在以后的学习工作和学习中，我一定要把理论和实际相结合，更好的运用所学的知识。

七、      参考文献

（1）、高廷耀，顾国维.《水污染控制工程下册》第 3 版.北京：高等教育出版社

（2）、杨亚静，李亚新.《CASS 工艺的理论与设计计算》 化学工业出版社

（3）、高俊发，王社平.《污水处理厂工艺设计手册》第 1 版.北京：化学工业出版社