北京蓝谷竹园住宅小区中水处理工程设计

北京蓝谷竹园住宅小区中水处理工程设计摘 要随着我国缺水程度的加深，中水回用越来越多地用到人们的日常生活及工农业生产中。本文全面介绍了中水的来源及特点，对我国中水的主要处理方法，进行了简单的介绍和比较，重点介绍了以CASS工艺的设计要点。根据针对中水的水质水量情况，确定了该工程的处理流程为：格栅-调节池-沉淀池-CASS-过滤器-浓缩池，该流程分为预处理，生化处理和深度处理三个部分。对CASS工艺流程中各个单体构筑物的尺寸进行了详细的设计计算，对整个污水处理厂的平面、高程布置做了说明，并对污水处理厂进行了工程概算的分析和计算。同时对主体工艺进行C语言编程，实现最优化。关键词： 住宅小区，中水回用，CASS工艺，工程设计AbstractWith the shortage of Chinas water deepening, reclaimed water is used more and more in peoples daily life and industrial and agricultural production. The sources, characteristics and treatment methods of reclaimed water were comprehensively introduced and comparised. And the design method of cass process was especially introducedAccording to the quality and quantity of reclaimed water, the process flow is: grid - adjusting pool - sedimentation tank-cass-Filter - concentrated pool. The flow is divided into pretreatment, biological treatment and advanced treatment of three parts. It have calculated the detailed design to the size of all single structures for CASS process, and have proved to the thing that the level of the whole sewage treatment plant, warter elevation have fixed up, and has carried on analysis and calculation of the budgetary estimate of the project to the sewage treatment plant. Meanwhile, the main process was computer-programmed to optimize the design. Key words：Residential area, Water resues, Cyclic activated sludge system, system design, Engineering designII 北京蓝谷竹园住宅小区中水处理工程设计目 录第一章 绪 论11.1 研究背景11.2 研究意义21.3 中水定义41.4 中水水源类型及收集系统51.5 中水处理工艺71.6 中水处理工程实例11第二章 工艺流程的确定142.1 设计参数142.2工艺流程确定142.3 CASS工艺介绍14第三章 预处理的设计193.1 格栅设计计算193.2 污水提升泵的设计213.3 调节池的设计计算233.4 初沉池（平流式）设计计算24第四章 CASS反应池的设计264.1 CASS池容积计算264.2 外形尺寸274.3 连通孔口尺寸274.4 曝气系统的计算与设计284.5 剩余污泥量的计算30第五章其它部分的设计315.1 中间水池315.2 污泥处理部分315.3 深度处理部分的设计325.4 中水池345.5 平面布置345.6 高程计算36第六章 工程概算与技术经济分析406.1 经济技术分析406.2 经济概算41第七章 结论与建议437.1 结论437.2 建议43参考文献44致 谢45附 录46声 明48IV北京蓝谷竹园住宅小区中水处理工程设计第一章 绪 论污水资源化又称废水回收（waste water recovery），是把工业、农业和生活废水引到预定的净化系统中采用物理的、化学的或生物的方法进行处理，使其达到可以重新利用标准的整个过程。这是提高水资源利用率的一项重要措施。各种污水（工业废水、农业污水和生活污水等）的性质和物质组成有很大差异，需用不同的方法处理后网收利用。中国各城市的污水排放量日益增加。1991年6月，国家环境保护局发布中国1990年环境状况公报指出，1990年全国污水总排放量254亿立方米，即日排9698万立方米，其中工业废水占70.3。污水经处理后又转化为可利用的水资源，对于城市发展而言，具有双重意义。一是减少污染、保护环境，二是增加水资源、缓解缺水危机。根据国内外经验，废水回收主要回用于工业循环水、区域非饮用供水、推广水中水技术和中水利用、再生水用于农业、回补地下含水层，或作为城市绿化、环境卫生等用水等。1.1选题背景众所周知，我国淡水资源并不丰富，并且时空分布极不均匀，随着我国经济的迅速发展，人口的增加及工业化和城市化步伐的加快，城市用水量和污水排放量急剧增加，这更加剧了水资源的短缺和水环境的恶化，同时也带来许多城市环境问题，并制约了地区经济的发展。根据水利部21世纪中国水供求分析，2010年后中等干旱年的缺水量将达318亿m3，到2030年我国将缺水400亿m3500亿m31。中水即再生水是指污水经适当处理后，达到一定的水质指标，可在一定范围内重复使用的非饮用的杂用水，其水质介于上水与下水之间，可用于厕所冲洗、园林和农田灌溉、道路保洁、洗车、城市喷泉、冷却设备补充用水等，大大控制了水资源的浪费。和海水淡化、跨流域调水相比，再生水具有明显的优势。从经济的角度看，再生水的成本最低，约为1-3元/吨，而海水淡化的成本约为5-7元/吨，跨流域调水的成本约为5-20元/吨。从环保的角度看，污水再生利用有助于改善生态环境，实现水生态的良性循环。1.2 研究意义1.2.1 中水利用在可持续发展中的作用（1）中水利用可以有效地保护水源，减少清洁水的取用量。在生产、生活中并非所有用水或用水场所都需要优质水，有些用水只需满足一定的水质要求即可。生产、生活用水中约有40%的水是与人们生活紧密接触的，如饮用、烹饪、洗浴等，这些方面对水质要求很高，必须用清洁水;还有多达60%的水是用在工业、农业灌溉、环卫、冲洗地面和绿化等方面，这部分对水质要求不高，可用中水替代清洁水。以中水替代这部分清洁水所节省的水资源量是相当可观的2。（2）中水利用有利于水资源的综合利用，提高经济效益。解决水缺乏问题有几种方案：跨流域调水，海水淡化、中水利用。利用中水所需的投资及年运行费用远低于长距离引水、海水淡化所需投资和费用。目前城市污水二级处理形成40亿m3水源的投资大约在100亿元左右，而形成同样规模的长距离引水，则需600亿元左右，海水淡化则需1000亿元左右，可见中水回用在经济上具有明显优势。另外，城市中水利用所收取的水费可以使污水处理获得有力的财政支持，使水污染防治得到可靠的经济保障。（3）中水利用可缓解城市缺水问题我国城市污水年排放量已经达到414亿m3，全国污水回用率如果平均达到10%，年回用量可达40亿m3，是正常年份年缺水60亿m3的67%。通过污水回用，可解决全国城市缺水量的一多半，回用规模、回用潜力之大，足可以缓解一大批缺水城市的供水紧张状况。（4）中水利用是保护环境、防治水污染的主要途径大量的城市污水和工业废水未经处理即排入水体，造成环境污染产生种种间接危害。世界上的一些国家，特别是发展中国家的污水灌溉工程的规模虽大，但以往污水多未经或只简单处理即予回用，且直接灌溉粮食、蔬菜作物，造成农作物和土壤的严重污染。中水利用系统运行后，大量城市污水经处理后，应用到农业灌溉、保洁、洗车、冲厕、绿化等方面，不仅减少污水排放量，减轻水体污染，而且降低对农作物、土壤污染。1.1.2 中水是我国当前行之有效的水系统（1） 中水回用缓解了水资源的短缺和污水处理的不足中国缺水已成为国人不争的事实。我国多年平均水资源总量28124亿m3，按1998年人口计，人均资源量只有2221 m3，为世界人均水资源量的1/4，预计在2010年遇到中等干旱年份，水资源供需缺口将更大达318亿m3。同时我国水资源的地区和季节的分布极不均匀，特别是长江以北的各大、中城市的水资源问题将更严重，将会更严重的制约地区经济和社会的发展。对沿海城市用水状况调查表明1998至2007年间用水递增率将为4.5%6.5%，到20102015年用水量将是1998年的1倍。2000年全国年污水排放量为400亿m3，按规划到2005年全国城镇污水处理率要达到45%。而目前我国的城市污水量正以6.5%的速度增长，而由于资金、能源等方面原因的限制，城市污水处理率很低，只有4.5%的城市污水和17%的工业废水得到处理，大部分污水未经处理直接派入水体，其结果是使城市的地下水和地表水受到严重污染。如此巨大水资源缺口和污水治理负担，只有开源节流才能解决。开源总是优先选用地下水，次之是地面水，就近没有地面水就长距离引水。一般不把中水回用和这几种水资源平等对待，在规划水资源时，也不把中水看作资源而是废水。客观评价水资源的顺序应该是地下水、地面水、城市回用水,最后才是长距离引水。中水回用系统与长距离引水相比有众多优势。如天津引滦水资源费0.4元/m3工程的投资费用则经济效益更可观。同时给水经使用后50%成为污水，若将这部分处理，应用于工业冷却、农业灌溉、城市绿化、河道补充水、喷洒路面等市政杂用水，也将成为城市的第二水源。中水的利用可以有效的缓解水厂的改、扩建，城市市政管网的扩容。将污水就近回用可以有效减少排污量，缓解污水处理厂的紧张状况。中水回用可节省水资源，减少水资源污染，具有良好的社会效益、环境效益和经济效益。一般而言，商住小区设置中水系统可节水70%，研究单位可节水40%，民用住宅区可节水30%，日本某些建筑物节水率达76%。深圳市规定建筑面积大于2万m2的商住区及4万m2以上的办公建筑，日排水量为250 m3以上须设置中水设施。1992年符合此规定的有200项，可节水3.2万m3/d。（2）中水回用可缓解给排水工程投资的巨大缺口随着政府对供水专营权的逐步放开和水价的逐步上涨，水务市场日渐活跃。同时水务市场的资金短缺也渐渐显现出来。虽然20世纪90年代以后，我国城市供水固定资产投资额年均递增18.2%，预计“十五”期间，我国还有超过300亿元的陈旧供水设施面临更新改造，如果再加上采用深度处理对工艺升级换代的压力，供水投资缺口将更大。污水排放量的急剧增加也会导致污水工程上的投资缺口的增加。而实际上，许多污水处理厂由于运行资金不足处于半运行状态。中水回用系统减少了宝贵的城市自来水用量，因此相应减少了城市自来水处理和运输设施的投资；中水回用系统减少了污水排放量，由此减少控制水体污染引起的治理费用，带来了可观的环境效益和经济效益。（3）住宅小区中中水回用的重要意义首先，比远距离引水造价低。由于小区中水回用处理装置安装在小区内，减少了输水管线的基建投资和运行费用，将污水处理到杂用水程度，其基建投资只相当于从 30 km外引水，若处理到可回用作较高要求的工艺用水，其基建投资相当于从40-60km外引水。其次，比海水淡化经济。由于小区生活污水污染物浓度较低(小于0.1)，可生化性较好，处理难度较小，而且可用深度处理方法加以去除。因此，当生活污水的排水作为中水水源时，主要污染物的浓度指标COD、BOD5、SS、NH3-N可满足处理技术要求。而海水则含有3.5的溶解盐和大量有机物，其杂质含量为污水二级处理出水的35倍以上，因此无论基建费或单位成本，海水淡化都超过污水回用。 小区污水回用开辟了第二水源，降低了小区新鲜水取用量，经处理后的污水回用于小区，减少了污水的排放量，减轻了受纳水体的污染，也减少了治理环境污染的投资。所以污水回用既节约了水资源，也消除了环境污染，具有多重效益。 中水回用，实现污水资源化，是目前解决节水治污两大问题的最有效的途径，在水资源严重短缺的当今社会有着重要意义。1.3 中水定义中水是指将人们在生活和生产中产生的污水经集流再生处理后达到相关标准的水。其水质指标低于城市给水中饮用水水质标准，但又高于污水允许排入地表水体的排放标准，其水质亦居于生活饮用水水质和允许排放污水水质标准之间。城市给水（上水）与城市排水（下水）之间的可被再利用的水3，主要是指城市生活污水或城市污水经一定的处理后达到一定的水质标准，并在一定的范围内可使用的非饮用水。1.4 中水水源类型及收集系统1.4.1 中水水源中水水源的选择是中水工程设计中的一个关键问题，一般应根据下述要求选用:（1）中水水源选择应根据原水水质、水量、排水状况和中水回用的水质水量来确定。例如原水和回用水的水量不仅要平衡，原水还应有10%-15%的余量；原水水源要求供水可靠；原水水质经适当处理后能达到回用水的水质标准等。（2）中水水源一般为生活废水、生活污水、冷却水等。医院污水(尤其是传染病和结核病医院的污水)、生产污水等由于含有多种病菌病毒或其它有毒有害杂质，成分较为复杂，不宜做为中水水源4。（3）中水水源按污染程度不等一般分为下述六种类型。选择中水水源时可以根据处理难易程度和水量大小按照下列顺序进行排列: 冷却水。 沐浴排水。 洗排水。 洗衣排水。 厨房排水。 厕所排水5。（4）实际中水水源一般不上单一水源，多为上述六种原水的组合。一般可以分成下列三种组合: 盥洗排水和沐浴排水(有时也包括冷却水)组合。该组合称为优质杂排水，为中水水源水质最好者，应优先选用。 盥洗排水、沐浴排水和厨房排水组合，该组合称为杂排水，比组合水质差一些6。 生活污水，即所有生活排水之总称，包括厕所排水。这种水质最差。1.4.2 中水水源的收集系统（1）全集流全回用方式。即把建筑所排放的污水全部集流，经水处理达到中水水质标准后回用如图1-1 ，这种方式因集流水质含粪便污水而使水质很差， 因而中水工程费用大，水价高。适用于已建成建筑物增设中水工程，也适用于区域中水工程，当前在国内采用不多7。图1-1 全集流回用方式（2）部分集流、部分回用方式。集流污水的水质一般不含有粪便冲洗后的排水，水质较好，因而工程造价低 、水费低，但需双排水管网，适用于办公楼、宾馆、饭店、综合商业大厦等新建工程。当前，从国内和国外已建成的中水工程来看，大部分采用该方式如图1-2所示。图1-2 部分集流、部分回用方式（3）全部集流、部分回用方式。当建筑物内的污水采用合流管道排放，根据中水用量情况，仅使用部分合流的水量即可满足需要，该方式如图1-3所示。优点是只增设一套中水供水管道，但集流污水的水质差。适用于增设中水工程的建筑小区，可根据投资情况分批改建和扩建。图1-3 全部集流、部分回用方式（4）建筑中水系统如图1-4所示：小区污水排水系统城市排水管网 城市给水小区建筑物小区排水系统 冲洗汽车 中水处理站 景观用水 浇洒绿化用水 雨水调节池 其他中水水源图1-4 建筑中水系统图1.5 中水处理工艺目前，中水处理技术很多，包括生物接触氧化，曝气生物滤池，膜生物反应器，CASS工艺等。选用工艺时应考虑污水原水水质、中水用途与水质要求、工艺本身的处理能力、运行稳定性，占地与运行管理等。（1）生物接触氧化法生物接触氧化法是一种介于活性污泥法与生物滤池之间的生物膜法工艺，其特点是在池内设置填料，池底曝气对污水进行充氧，并使池体内污水处于流动状态，以保证污水与污水中的填料充分接触，避免生物接触氧化池中存在污水与填料接触不均的缺陷 8，其工艺流程为图1-5。污水格栅初沉接触氧化二沉过滤消毒中水回用图1-5 生物接触氧化法工艺流程图该法中微生物所需氧由鼓风曝气供给，主要由曝气鼓风机和专用曝气器组成，生物膜生长至一定厚度后，填料壁的微生物会因缺氧而进行厌氧代谢，产生的气体及曝气形成的冲刷作用会造成生物膜的脱落，并促进新生物膜的生长，此时，脱落的生物膜将随出水流出池外。生物接触氧化法具有以下特点： 用分段法提高净化能力。生化过程分为两个阶段。首先是有机物被吸附在污泥上或惠存在细胞内进行生物合成，这个吸附合成速度很快。第二阶段的生化过程以氧化为主，速度较慢。 用加接触层的办法来提高沉淀池效率。对沉淀池的生物膜采取沉淀的办法，而对细小的悬浮物采取滤层截留的办法，沉淀池取上升流速6.5-7.5m/h；澄清区停留15min。 接触氧化工艺只需0.5-1.0h就可以达到活性污泥工艺8h的效果。主要靠生物膜，把氧化池分为两段，沉淀池加接触层，接触氧化池分离下来的污泥含有大量气泡，宜采用气浮法分离。接触氧化法的优点为净化效率高；处理所需时间短；对进水有机负荷的变动适应性较强；不必进行污泥回流，同时没有污泥膨胀问题9；运行管理方便。目前存在的问题主要是池内填料间的生物膜有时会出现堵塞现象，尚待改进。研究的方向是针对不同的进水负荷控制曝气强度，以消除堵塞；其次是研究合理的氧化池池型和形状、尺寸和材质合适的填料。（2）采用曝气生物滤池工艺(BIOFOR)曝气生物滤池简称BAF，是80年代末在欧美发展起来的一种新型生物膜法污水处理工艺，90年代初得到较大发展，最大规模达几十万吨每天，并发展为可以脱氮除磷。该工艺具有去除SS、COD、BOD、硝化、脱氮、除磷、去除AOX（有害物质）的作用。曝气生物滤池集生物氧化和截留悬浮固体一体，节省了后续沉淀池（二沉池），具有容积负荷、水力负荷大，水力停留时间短，所需基建投资少，出水水质好，运行能耗低，运行费用少的特点，其工艺流程如图1-6。污水格栅初沉曝气生物滤池消毒中水回用图1-6 曝气生物滤池工艺流程图工艺特点： 一次性投资比传统方法低1/4； 占用面积为常规工艺的1/0- 1/5，运行费低1/5； 进水要求悬浮物50-60mg/L，最好与一级强化处理相结合，如采用水解酸化池； 填料多为页岩陶粒，直径5mm，层高1.5-2m； 水往下、气往上的逆向流可不设二沉池。 曝气生物滤池与普通活性污泥法相比，具有有机负荷高、占地面积小（是普通活性污泥法的1/3）、投资少（节约30%）、不会产生污泥膨胀、氧传输效率高、出水水质好等优点，但它对进水SS要求较严（一般要求SS100mg/L，最好SS 60mg/L），因此对进水需要进行预处理。同时它的反冲洗水量、水头损失都较大。 另外，曝气生物滤池作为集生物氧化和截留悬浮固体于一体的新工艺，节省了后续沉淀池(二沉池)，具有容积负荷、水力负荷大，水力停留时间短，所需基建投资少，出水水质好，运行能耗低，运行费用少的特点。（3）膜生物反应器工艺膜生物反应器（Membrane Bio-Reactor, MBR）为膜分离技术与生物处理技术有机结合之新型态废水处理系统10。它是一种由膜分离单元与生物处理单元相结台的新型水处理技术，以膜组件取代二沉池在生物反应器中保持高活性污泥浓度减少污水处理设施占地，并通过保持低污泥负荷减少污泥量。主要利用沉浸于好氧生物池内之膜分离设备截留槽内的活性污泥与大分子固体物。因此系统内活性（MLSS）浓度可提升至10000mg/L，污泥龄(SRT)可延长30天以上，于如此高浓度系统可降低生物反应池体积，而难降解的物质在处理池中亦可不断反应而降解。故在膜制造技术不断提升支援下，MBR处理技术将更加成熟并吸引着全世界环境保护工业的目光，并成为21世纪污水处理与水资源回收再利用唯一选择11，其处理流程为图1-7。原水格栅调节池膜生物反应器消毒出水图1-7 膜生物反应器工艺流程图其特点：工艺简单，占地面积小，出水水质好，一般不需经三级处理即可回用，操作方便，可实现全自动化管理。生物处理技术与膜分离技术相结合的一种新工艺，取代了传统工艺中的二沉池，能高效地进行固液分离，将废水中的悬浮物质、胶体物质、生物单元流失的微生物菌群与已净化的水分离；可使生物处理单元内生物量维持在高浓度水平，使容积负荷大大提高，同时膜分离的高效性，使处理单元水停留的时间大大缩短；由于可防止各种微生物菌群的流失，有利于生长速度缓慢的细菌（如硝化细菌等）的生长，从而使系统中各种代谢过程顺利进行；使一些难降解的大分子有机物的停留时间变长，有利于它们的分解；生物膜技术与其它过滤分离技术一样，在长期的运转中，膜作为一种过滤介质容易堵塞，膜的通水量随运转时间而逐渐下降，需进行有效的反冲洗和化学清洗，防止和减缓膜的堵塞。（4）周期循环活性污泥法工艺（CASS）CASS（CyclicActivatedSludgeSystem）工艺是近年来国际公认的处理生活污水及工业废水的先进工艺。其基本结构是：在序批式活性污泥法（SBR）的基础上，反应池沿池长方向设计为两部分，前部为生物选择区也称预反应区，后部为主反应区，其主反应区后部安装了可升降的自动滗水装置。整个工艺的曝气、沉淀、排水等过程在同一池子内周期循环运行，省去了常规活性污泥法的二沉池和污泥回流系统；同时可连续进水，间断排水，其处理工艺流程为图1-8。污水格栅沉砂池CASS反应器消毒中水回用图1-8 CASS处理工艺流程图CASS工艺优点为： 建设费用；工艺流程短，占地面积少； 运转费用省； 低有机物去除率高，出水水质好。根据研究结果和工程应用情况，通过对城市污水合理的设计和良好的管理，进水COD为400mg/L时，出水小于30mg/L以下。对可生物降解的工业废水即使进水COD高达3000mg/L，出水仍能达到50m g/L左右。对一般的生物处理工艺，很难达到这样好的水质。所以对CASS工艺二级处理的投资，可达到三级处理的水质； 管理简单 ，运行可靠：污水处理厂设备种类和数量较少，控制系统比较简单，工艺本身决定了不发生污泥膨胀； 污泥产量低，污泥性质稳定； 具有脱氮除磷功能。CASS设计参数：污泥负荷 0.1-0.2kgBOD5/(kg MLSS.d) ，污泥龄15-30d。水力停留时间12 h，工作周期4h，其中曝气2.5 h，沉淀0.75 h，排水0.5-0.75h 。1.6 中水处理工程实例1.6.1 北京师范大学中水工程 （1）工程概况 处理水量600 m3/d，于2003年9月运行，成为北京市中水示范基地。（2）工艺流程采用物化预处理/生物处理/过滤消毒的处理工艺，如图1-9所示。 加药 泵原水格栅集水池毛发聚集器沉淀池曝气调节池生物接触氧化池 消毒 泵 泵中间沉淀池过滤器中水回用水池用户 _ 反冲洗泵图1-9 中水处理流程图（3）处理成本 中水处理成本包括日常运转费（电费、药剂费等）和设备维修费等。 电费：耗电量为680(kWh) /d，以0.44元/(kWh)计，则电费为300元/d。 人工费：定员2人/d，工资按40元/(人d)计，则人工费为80元/d。 消毒费：40元/d。 药剂费：50元/d。 维修费：50元/d。 设备折旧费：设备投资以120万元计，设备折旧年限以10年计，则设备折旧费为328元/d。综上总费用：848元/d，吨水处理费：1.41元/m3。1.6.2. 湖畔之梦居住小区中水处理工程（1）工程概况“ 湖畔之梦”是一个以居住建筑为主的社区。其规划居住总人数为9200 人 ，分两期建设，其中一期规划为5200人。二期规划为4000人。按人均污水排量170 人天计。则一期污水排水量为884t，二期污水排水量为680t，而小区污水为沐浴排水、洗衣排水、厨房排水、厕所排水合流排放，参考居住区污水水质指标经验值确定“湖畔之梦”社区污水水质指标为：B0D=200-250mg/L，C0D=350-450mg/L，ss= 200-300mg/L，NH-N3=30-40mg/L，p=3-5mg/L。 （2）工艺选择 作为房地产经营，首要考虑是投资要少，而针对其物业管理来说运行费用要低 、管理维护要简单，通过对生物接触氧化、曝气生物滤池、生物转笼 、膜生物 反应器等工艺经行比较筛选，最终选择使用工程实例较多，工艺成熟的接生物接触氧化工艺，其工艺流程如1-10图。 低噪音风机原水 格栅集水坑一级提升泵调节沉淀池两级接触氧化池 消毒装置 二级提升泵纤维过滤器清水池回用图1-10 生物接触氧化工艺流程（3）效益分析工程造价290万元，综合处理成本0.83元/t水。处理后的中水全部回用，项目每日有中水500t用于绿化、75t用于洗车、150t用于浇洒路面及场地、600t用于人工湖水体及水景水体置换、85t用于中水处理站自用，日回用总量1410t 。基本达到中水回用平衡，每日节约自来水1410t。按自来水价格2.8元/t，处理成本0.83元/t（计算），所以每天节约水费约2700元，则一年节约费用为：89.10万，在4年内收回投资成本。由于该社区率先进行环境建设，修建中水处理回用系统，建设成为绿色生态小 区，除可以减少自来水使用量、节省开支、带来直接经济效应外，还可为优良的生态环境带来较大的间接经济效应和很好的社会效应，对树立良好的企业形象具有深远的意义。第二章 工艺流程的确定2.1 设计参数北京篮谷竹园住宅小区，排放一定量的生活污水，需要进行适当的处理后才能排放，同时冲厕、绿化等又需要一定水量一定标准的中水。本工程设计为日处理量400m3/d的生活污水，取变化系数为1.5；最大流量Qmax=4001.5=600m3/d=0.0069m3/s 进出水水质如表2-1所示。表2-1 进出水水质COD(mg/L)BOD(mg/L)SS (mg/L)NH3-N(mg/L)pH进水水质出水水质30050200152501035 20882.2工艺流程的确定结合北京篮谷竹园住宅小区中水处理工程的处理要求，工艺流程如图2-1所示，采用总提升泵前设置格栅。然后进入调节池调节水量。在流进沉淀池进行沉沙，沉淀池选择平流式沉淀池。反应池主体为 CASS反应池，其具有工艺简单等一系列优点，是近年来常用的污水处理工艺之一。后续处理阶段加采用高效纤维器进行处理以保证污水达标排放。污水格栅调节池沉淀池CASS反应器中间水池 过滤器中水回用 图2-1 CASS工艺流程图2.3 主体工艺CASS工艺介绍（1）CASS工艺原理CASS法即周期循环活性污泥法(Cyclic Activated Sludge System， 简称CASS)。该工艺最早是美国川森维柔废水处理公司1975年研究成功并推广应用的废水处理技术专利。是在间歇式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor，简称SBR)的基础上发展起来的。采用间歇反应器体系的连续进水，周期排水延时曝气好氧活性污泥工艺，它将均衡、初沉、曝气、二沉、生物脱氮、好氧处理等过程都在CASS反应器中交替进行，因而工艺简洁、布局紧凑，是对传统的好氧活性污泥法的根本变革12。所以CASS在各个行业及城市的污水处理中都有着广泛的应用。每个 CASS 反应器由生物选择区、缺氧区和好氧区(即主反应区)三部分组成，其结构如图2-2所示13。图2-2 CASS 反应器构造（2）CASS工艺流程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14，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，其工作流程如图2-3所示。图2-3 CASS法工艺流程（3）CASS工艺主要设备生物选择区：设置生物选择区的主要目的是使系统选择出絮凝性细菌，其容积约占整个池子的10%。生物选择器的工艺过程遵循活性污泥的基质积累再生理论，使活性污泥在选择器中经历一个高负荷的吸附阶段(基质积累)，随后在主反应区经历一个较低负荷的基质降解阶段，以完成整个基质降解的全过程和污泥再生。据有关资料介绍，污泥膨胀的直接原因是丝状菌的过量繁殖。由于丝状菌比菌胶团的比表面积大，因此有利于摄取低浓度底物。但一般丝状菌的比增殖速率比非丝状菌小，在高底物浓度下菌胶团和丝状菌都以较大速率降解底物与增殖，但由于胶团细菌比增殖速率较大，其增殖量也较大，从而较丝状菌占优势，这样利用基质作为推动力选择性地培养胶团细菌，使其成为曝气池中的优势菌。所以在CASS池进水端增加一个设计合理的生物选择器，可以有效地抑制丝状菌的生长和繁殖，克服污泥膨胀，提高系统的运行稳定性。 CASS工艺对污染物质降解是一个时间上的推流过程，集反应、沉淀、排水于一体，是一个好氧-缺氧-厌氧交替运行的过程，同时具有一定脱氮除磷效果。曝气设备：CASS工艺采用潜水射流式水下曝气器，该曝气器是由潜水泵和射流器组成，强制喷出的水流通过射流器的喷嘴产生吸力，将水面以上的空气由空气管吸入射流器，在扩散段与水混合，混合液从射流器喷出，在池中形成强烈的涡流，大量的氧气溶解在水中。CASS型潜水射流曝气机的特点： 极高的溶氧效率。 对流和循环达到了最佳的混合搅拌效果。 强制流动避免了污泥沉淀。 防治了污泥和杂质的堵塞。 噪音低。 搅拌与溶氧同时进行，可省去鼓风机。 省去了鼓风机房和空气管道系统，节省投资。 安装维护方便，不受运行干扰。由于小区大都是居民居住区，对环境的要求比较高，因此污水厂建设时应充分考虑噪音扰民问题和污水厂操作人员的工作环境，采用水下潜水射流曝气机代替传统的鼓风机曝气可有效解决噪音污染。另外由于CASS工艺独特的运行方式，采用水下曝气机可省去复杂的管路及阀门，安装、维修方便，使用灵活，可根据进出水情况开不同的台数，在保证效果的条件下，达到经济运行的目的。 滗水设备：滗水机是CASS工艺的关键组成部分，其性能是否稳定可靠直接影响到CASS工艺的正常运行。目前，国内外对滗水机仍在进行研究和开发，按照目前所用的原理，滗水器可分为三种类型，即浮球式、旋转式和虹吸式。滗水机研制的关键是解决滗水过程中，堰口、导水软管和升降控制装置与水流之间形成的动态平衡，使之可随排水量的不同调整浮动水堰浸没的深度，并随水位均匀地升降，将排水对底层污泥的干扰降低到最低限度，保证出水水质稳定。与传统活性污泥法的比较： CASS工艺具有以下优点： 建设费用低。省去了初次沉淀池、二次沉淀池及污泥回流设备，建设费用可节省10%-25 %。以10万吨的城市污水处理厂为例，传统活性污泥法的总投资约1.5亿，CASS法总投资约1.1亿。 工艺流程短，占地面积少；污水厂主要构筑物为集水池、沉砂池、CASS曝气池、污泥池，而没有初次沉淀池、二次沉淀池等，布局紧凑，占地面积可减少2035%。以10万吨的城市污水处理厂为例，传统活性污泥法的占地面积约为180亩，CASS法的占地面积约60亩。 运转费用省。由于曝气是周期性的，池内溶解氧的浓度也是变化的，沉淀阶段和排水阶段溶解氧降低，重新开始曝气时，氧浓度梯度大，传递效率高，节能效果显著，运转费用可节省10%-25%。 有机物去除率高，出水水质好。通过合理的设计和良好的管理， COD为400mg/l时，出水小于30mg/l以下。 管理简单，运行可靠。污水处理厂设备种类和数量较少，控制系统比较简单，工艺本身决定了不易发生污泥膨胀，所以，控制系统简单，运行安全可靠。 污泥产量低，污泥性质稳定。 不仅能有效去除污水中有机碳源污染物，而且具有良好的脱氮、除磷功能。 无异味。与SBR工艺的比较： CASS工艺具有以下优点： 其反应池由预反应区和主反应区组成，因此对难降解有机物的去除效果更好。 进水过程是连续的，因此进水管道上无需电磁阀门等控制元件，单个池子可独立运行，而SBR进水过程是间歇的，应用中一般要2个或2个以上的池子交替使用。 排水是由可升降的堰式撇水机完成的，随水面逐渐下降，均匀将处理后的清水排出，最大限度降低了排水时水流对底部污泥的搅动。 CASS法每个周期的排水量一般不超过池内总水量的1/3，而SBR则为3/4，所以CASS法比SBR法的抗冲击能力更好。CASS工艺处理效果：CASS生物处理法是周期循环活性污泥法的简称，该工艺最早在美国应用，资料显示在名尼苏达州草原污水处理厂、密执安州地区废水处理厂应用均获得了良好的处理效果。此工艺的COD去除率达85，BOD去除率达95，并能达到良好的除磷脱氮效果。该工艺应用比较广泛，美国、加拿大、澳大利亚已有270家污水处理厂应用该工艺。在我国上海、昆明、北京等地也应用该工艺处理生活污水和工业废水，已有几十个工程实例。目前，该工艺已成功应用于生活污水、医院污水、食品废水等方面的治理，受到环保部门和广大用户的广泛关注和一致好评。第三章 预处理的设计计算3.1格栅格栅结构如图3-1所示：图3-1格栅设计计算示意图（1）栅条间隙数目n取栅条的间距 b=0.02m，设栅前水深h=0.15m，废水过栅流速v=0.8m/s（为防止栅条堵塞，v0.81.0m/s），格栅倾角=6010.7取11个 （3-1）（2）栅槽宽度B；格栅间渠道宽lp设栅条宽度s=0.010 m ，栅条边框宽A=0.04mB =s(n1)bn2A （3-2）=0.010(111)0.021120.04m=0.4mlp=B0.04=0.44m（3）进水渠道间宽部分长度l1设进水渠道宽lk =0.20，渐宽部分展开角=20 l1=0.33m （3-3）（4）栅后渠道减缩长度l2=0.5l1=0.50.33 m =0.17m（5）通过格栅的水头损失h1取格栅断面为锐边矩形断面,取K=3有4/3 , h1=Khp （3-4）=0.08m（6）栅室总高H设栅前渠道超高h2=0.3mH=h+h1+h2=0.15+0.08+0.3m=0.53m（7）栅室总长度LL=l1l20.51.0 （3-5）=0.330.170.51.0m=2.26m（8）日栅渣量W在栅间隙为20mm下，设栅渣为0.08 m3/400m3废水 W= （3-6） =0.032 m3/d 由于栅渣量小于0.20 m3/d所以采用人工格栅除污。3.2 污水提升泵的设计与计算3.3.1 设计说明污水泵房用于提升污水厂的污水，以保证污水能在后续处理构筑物内畅通的流动，它由机器间、集水池、格栅、辅助间等组成，机器间内设置水泵机组和有关的附属设备，格栅和吸水管安装在集水池内，集水池还可以在一定程度上调节来水的不均匀性，以便水泵较均匀工作，格栅的作用是阻拦水中粗大的固体杂质，以防止杂物阻塞和损坏水泵，辅助间一般包括贮藏室，修理间，休息室和厕所等。3.3.2 设计计算选泵前总扬程计算经过格栅的水头损失为0.431m,进水管渠内水面标高为-2.0m，则格栅后的水面标高为：-2.0-0.431=-2.431m设集水池的有效水深为2m，则集水池的最低工作水位为：-2.431-2=-4.431m所需提升的最高水位为3.881m，其计算过程见高程计算。故集水池最低工作水位与所提升最高水位之间高差为：3.88-(-4.43)=8.31m出水管管线水头损失计算如下：出水管Q=6.9l/s,选用管径为100mm的铸铁管；V=0.88m/s,1000i=19.1出水管线长度估为5m,局部系数为0.63，则出水管管线水头损失为： （3-7）= =0.41m泵站内的管线水头损失假设为2.0m,考虑自由水头为1m,则水泵总扬程为：H=0.41+8.31+2.0+1.0=11.72m所以选取IP型污水泵两台（1台备用），型号为IP80-50-250：电动机转速为1450r/min；功率为3kw；电动机型号为Y100L2-4。3.3 调节池的设计计算（1）设计参数：水力停留时间为4h；池形为矩形；长宽比为；有效水深h3=4m。（2）调节池有效容积V V= QmaxT =254=100m3 （3-8） 式中：Qmax设计最大流量，25m3/h T水力停留时间，h；T=4h（2）调节池表面积A根据有效水深h3为4.0m，可计算出 （3-9） （3）调节池宽度B根据长宽比为3，可计算出 （3-10） （4）调节池长度L （3-11）（5）调节池高度H H=h3+h4 =4.0+0.5=4.5m 式中：h4调节池超高，m；h4=0.5m；3.4 初沉池（平流式）设计计算（1）池子总面积设表面负荷q=1.2m3/(m2.h) （3-12）（2）沉淀部分有效水深一般为24m，取h=3m h2=qt=1.5t=3m则停留时间t=2.0h。（3）沉淀部分有效容积V=Qmaxt3600=0.00692.03600=49.68m3 （4）池长设水平流速取v=0.95mm/s，L=3.6vt=3.60.952.0=6.8m（5）池子总宽度 B=A/L=20.7/6.8=3m （6）污泥部分需要的总容积 C进水SS浓度200mg/L， =50%,污泥含水率P1=97%，=1000kg/m3 , Q=400m3/d （3-13）（7）污泥斗以上梯形部分污泥容积，设池底坡度为0.01梯形部分高度：h4=（5.4+0.3-2.50.01=0.032 m梯形上底边长：l1=（5.4+0.5+0.3）=6.2 m梯形下底边长：l2=b=4.6 m梯形部分污泥容积： （3-14）污泥斗容积 （3-15）（8）污泥斗和梯形部分污泥容积V1+V2=4.39+0.348=4.74m3（9） 池子总高度设缓冲层高度h3=0.50m，超高h1=0.3，h4= H=h1+h2+h3+h4=0.3+1.8+0.5+1.76=4.36 m第四章 CASS主反应池的设计计算4.1 CASS池容积计算采用容积负荷法计算： 取370 m3 （4-1）式中：Q-设计水量，400m3/d； Nw-混合液MLSS污泥浓度（kg/m3），一般取2.5-4.0 kg/m3，设计为3.5 kg/m3； Ne-BOD5污泥负荷，一般为0.05-0.2(kgBOD5/kgMLSSd)，设计为0.08 kgBOD5/kgMLSSd； Sa-进水BOD5浓度，200/L； Se-出水BOD5浓度，10mg/L； 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，一般为0.7-0.8，设计为0.75。4.2 外形尺寸池内最大水深一般为3-5m，设计为H=4.5m。则 单格池面积A： =82.22m2 （4-2）由于设计要求B/H=1.33介于1-2之间，才能符合规定，取B=6.0m 则 L=82.226.0=13.7m 运行周期设计为4h，则1日内循环的周期数N2244=6则池内设计最高水位至滗水机排放最低水位之间的高度H1： =1.22m （4-3）池内混液污泥浓度设计为Nw =3.5g/L污泥体积指数SVI=120则滗水结束时泥面高度H2： H2=HNwSVI10-3=4.03.512010-3=1.68m。撇水水位和泥面之间的安全距离H3： H3=H-(Hl+H2)=4.0-(1.22+1.68)=1.20 m池子超高取H4=0.5m则池总高度H0=H+0.5=5.0m，长度L1 =0.2L=0.213.7=2.74m4.3 连通孔口尺寸厌氧区和好氧区的隔墙底部设置连通孔，连通预反应区与主反应区水流，连通孔数的确定为n3=2隔墙底部设连通孔，连通两区水流，连通孔数量选择见表4-1。表4-1连通孔数量表池宽B/m4681012连通孔个数n3/个12345连通孔孔口面积 （4-4）=0.68 m2式中：n3连通孔个数，个；u孔口流速，m/h，一般取值20-50m/h；L1选择区的长度，2.74m。CASS池中间设一道隔离墙，将池体分隔为预反应区和主反应区两部分，靠进水端、容积为CASS池总容积的10左右的预反应区，为吸附兼氧区，另一部分为主反应区，预反应区长度L(m)按下式计算。L1=(0.160.25)L孔口间距，单孔时设在隔墙中央，多孔时沿隔墙均布，孔口宽度0.40.6m。孔口高度不宜大于1.0。4.4 曝气系统的计算与设计平均时需氧量计算 （4-5） 式中： O2混合液需氧量，kg/d 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所需氧量，以kg计，取0.5； Q污水流量，400m3/d Sr经活性污泥微生物代谢活动被降解的有机污染物量，以BOD计，Sr=（20010）10-3； 活性污泥微生物通过内源代谢的自身氧化过程的需氧率，即每kg活性污泥每天自身氧化所需氧量，以kg计，取0.15； V曝气池容积，370m3； 单位曝气池容积内的挥发性悬浮固体（MLVSS）量，取2.5kg/m3。（5）最大时需氧量的计算最大值与平时值的系数为1.4倍，故K=1.4每日去除的BOD5值去除每kg BOD5的需氧量最大时需氧量与平均时需氧量之比（6）供气量的计算设计采用塑料SX-1型空气扩散器，敷设CASS反应池池底，淹没深度H=3.0m。SX-1型空气扩散器的氧转移效率为EA=8%。查表知20，30时溶解氧饱和度分别为， 空气扩散器出口处的绝对压力Pb为： （4-6） 空气离开曝气池时，氧的百分比为 ： Ot=19.6% （4-7） 曝气池中溶解氧平均饱和度为：（按最不利温度条件计算）