1 概述
1.1 工程概况
依据城市总体规划，华东某市在城西地区兴建一座城市污水处理厂，以完善该地区的市政工程配套，控制日益加剧的河道水污染，改善环境质量。该城市现状叙述如下：
1、2号居住区人口3万，污水由化粪池排入河道；3、4号居住区人口5万，正在建设1年内完成；5号居住区人口4.5万，待建，2年后动工，建设周期2年。还有部分主要公共建筑，宾馆5座，2000个标准客房；医院2座，1500张床。以上排水系统均采用分流制系统。同时新区内还有部分排污工厂：电子厂每天排水1500m3，BOD5污染负荷为3000人口当量；食品厂每天排出污水量500 m3，污染负荷为1500人口当量。
旧城区原仅有雨水排水系统，污水排水系统的改造和建设工程计划在10年内完成，届时整个排水区域服务人口将达到18万。
依据上述情况，整个工程划分为近期和远期两个建设阶段，现在实施的工程为近期建设。近期建设周期大概在3年左右，设计服务范围应该包括新区5个已建和待建的居住区、新区内部分主要公共建筑以及2个工厂。依据环保部门以及排放水体的状况，排放水要求达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级B标准。
1.2 设计依据
《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）
《室外排水设计规范》(GB50101)
《城市污水处理工程项目标准》
《给水排水设计手册》，第5册城镇排水
《给水排水设计手册》，第10册技术经济
城市污水处理以及污染物防治技术政策（2002）
污水排入城市下水道水质标准CJ3082-1999
地表水环境质量标准GB3838-2002
城市排水工程规划规范GB50381-2000
1.3设计任务和范围
（1）收集相关资料，确定废水水量水质及其变化特征和处理要求；
（2）对废水处理工艺方案进行分析比较，提出适宜的处理工艺方案和工艺流程；
（3）确定为满足废水排放要求而所需达到的处理程度；
（4）结合水质水量特征，通过经济技术分析比较，确定各处理构筑物的型式；
（5）进行全面的处理工艺设计计算，确定各构筑物尺寸和设备选型；
（6）进行废水处理站平面布置及主要管道的布置和高程计算；
（7）进行工程概预算，说明废水处理站的启动运行和运行管理技术要求
2 原水水量与水质和处理要求：
2.1 原水水量与水质
一期工程：
Q=36000m3/d
BOD5=230mg/l SS=280 mg/l
TN=40 mg/l TP=4.5 mg/l
PH=6.5-8.0
二期工程：
Q=47000 m3/d
2.2 处理要求
污水排放的要求执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级B标准
BOD5≤20 mg/l SS≤20 mg/l
TN≤20 mg/l TP≤1 mg/l
PH=6.5-8.0
3.工艺流程选择和评价
3.1水质分析
该城市污水由市政废水与工业废水组成，其中工业废水的量占的相当小，污水中主要是可溶性有机物、氮、磷等，而且有机物的浓度不是特别高，可生化性较好，在处理时需要考虑常规的脱氮除磷。
3.2流程的拟定
3.2.1国内外城市污水处理的流行工艺
一、活性污泥法
针对城市污水处理的要求，当前流行的污水处理工艺有：AB法、SBR法、氧化沟法、普通曝气法、A/A/O法、A/O 法、UNITANK等，这几种工艺都是从活性污泥法派生出来的，且各有其特点。
① AB法(Adsorption—Biooxidation)
该法由德国Bohuke教授首先开发。该工艺对曝气池按高、低负荷分二级供氧，A级负荷高，曝气时间短，产生污泥量大，污泥负荷2.5kgBOD/(kgMLSS?d)以上，池容积负荷6kgBOD/(m3?d)以上；B 级负荷低，污泥龄较长。A级与B级间设中间沉淀池。二级池子F/M(污染物量与微生物量之比)不同，形成不同的微生物群体。AB法尽管有节能的优点，但不适合低浓度水质，A级和B级亦可分期建设。
② SBR法(Sequencing Batch Reactor)
SBR法早在20世纪初已开发，由于人工管理繁琐未予推广。此法集进水、曝气、沉淀、出水在一座池子中完成，常由四个或三个池子构成一组，轮流运转，一池一池地间歇运行，故称序批式活性污泥法。现在又开发出一些连续进水连续出水的改良性SBR工艺，如ICEAS法、CASS法、IDEA法等。这种一体化工艺的特点是工艺简单，由于只有一个反应池，不需二沉池、回流污泥及设备，一般情况下不设调节池，多数情况下可省去初沉池，故节省占地和投资，耐冲击负荷且运行方式灵活，可以从时间上安排曝气、缺氧和厌氧的不同状态，实现除磷脱氮的目的。但因每个池子都需要设曝气和输配水系统，采用滗水器及控制系统，间歇排水水头损失大，池容的利用率不理想，因此，一般来说并不太适用于大规模的城市污水处理厂。
③ A/A/O法(Anaerobic—Anoxic—Oxic)
由于对城市污水处理的出水有去除氮和磷的要求，故国内10年前开发此厌氧—缺氧—好氧组成的工艺。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法的可同步除磷脱氮机制由两部分组成：一是除磷，污水中的磷在厌氧状态下(DO<0.3mg/L)，释放出聚磷菌，在好氧状况下又将其更多吸收，以剩余污泥的形式排出系统。二是脱氮，缺氧段要控制DO<0.7 mg/L，由于兼氧脱氮菌的作用，利用水中BOD作为氢供给体(有机碳源)，将来自好氧池混合液中的硝酸盐
及亚硝酸盐还原成氮气逸入大气，达到脱氮的目的。为有效脱氮除磷，对一般的城市污水，COD/TKN 为3.5～7.0(完全脱氮COD/TKN>12.5)，BOD/TKN为1.5～3.5，COD/TP为30～60，BOD/TP为16～40(一般应＞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。
④普通曝气法及其变法
本工艺出现最早，至今仍有较强的生命力。普曝法处理效果好，经验多，可适应大的污水量，对于大厂可集中建污泥消化池，所产生沼气可作能源利用。传统普曝法的不足之处是只能作为常规二级处理，不具备脱氮除磷功能。
近几年在工程实践中，通过降低普通曝气池容积负荷，可以达到脱氮的目的；在普曝池前设置厌氧区，可以除磷，亦可用化学法除磷。采用普通曝气法去除BOD5，在池型上有多种形式(如下文所述的氧化沟)，工程上称为普通曝气法的变法，亦可统称为普通曝气法。
⑤氧化沟法
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，有发展前景和竞争力，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)。
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。
卡式(Carrousel)简称循环折流式，采用倒伞形叶轮曝气，从工艺运行来看，水深一般在3.0m左右，但污泥易于沉积，其原因是供氧与流速有矛盾。
三沟式氧化沟(T型氧化沟)，此种型式由三池组成，中间作曝气池，左右两池兼作沉淀池和曝气池。T型氧化沟构造简单，处理效果不错，但其采用转刷曝气，水深浅，占地面积大，复杂的控制仪表增加了运行管理的难度。不设厌氧池，不具备除磷功能。
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2.5～3.0 kgO2/(kW?h)］。
⑥UNITANK工艺
它和类似的TCBS工艺、MSBR工艺一样，都是SBR法新的变型和发展。它集“序批法”、“普通曝气池法”及“三沟式氧化沟法”的优点，克服了“序批法”间歇进水、“三沟式氧化沟法”占地面积大、“普通曝气池法”设备多的缺点。
典型的UNITANK工艺是三个水池，三池之间水力连通，每池都设有曝气系统，外侧的两池设有出水堰及污泥排放口，它们交替作为曝气池和沉淀池。污水可以进入三池中的任意一个，采用连续进水、周期交替运行。在自动控制下使各池处在好氧、缺氧及厌氧状态，以完成有机物和氮磷的去除。UNITANK工艺由比利时Seghers公司首先建在我国的澳门特区，处理水量14×104m3/d(不下雨时平均处理水量为7×104m3/d)，池型封闭，设计采用的容积负荷为0.58kgBOD/(m3?d)，总的反应池体积为46800m3，曝气池水力停留时间为8h，出水的BOD5、SS＜20mg/L。
这类一体化工艺是传统活性污泥工艺的变形，可以采用活性污泥工艺的设计方法对不同的污染物加以去除，如考虑硝化，其负荷一般在0.05～0.10 kg
BOD5/(kgMLSS?d)，硝化率视污水温度而异。而要求污泥稳定化，其污泥负荷和污泥龄要远远超过硝化时的数值。
容积利用率低是此类一体化工艺共同的主要问题，就是说在一个较长停留时间的曝气系统内，有50%左右的池容用于沉淀。
UNITANK工艺的成功与否有赖于系统采用稳定可靠的仪表及设备，因此引进技术，消化、吸收和开发先进的自控系统是应用此工艺的关键问题。一般认为，UNITANK工艺不太适用于大型(>10×104m3/d)的城市污水处理厂。
二、生物膜法
生物膜法主要是指曝气生物滤池，它实质上是常说的生物接触氧化池，相当于在曝气池中添加供微生物栖附的填(滤)料，在填料下鼓气，是具有活性污泥特点的生物膜法。曝气生物滤池(BAF)70年代末起源于欧洲大陆，已发展为法、英等国设备制造公司的技术和设备产品。由于选用的填料不同，以及是否有脱氮要求，设计的工艺参数是不同的，如要求处理出水BOD5、SS＜20mg/L，去除BOD5达90%以上的工艺，其容积负荷为0.7～3.0 kgBOD5/(m3?d)，水力停留时间1～2h；以硝化(90%以上)为主的工艺，其容积负荷为0.5～2.0kgBOD5/(m3?d)，水力停留时间2～3h。
一般认为，生物膜法处理城市污水，在国内尚需积累经验，处理规模不宜过大，约5× 104m3/d左右为宜。国外(主要在欧洲)处理水量有达到36×104m3/d的，这与其填料材质、自控手段和先进的反冲洗装置有关，也与其有长期积累的运行管理经验有关。
3.2.2 比较工艺的选择以及叙述
通过以上论述，初步确定运用的工艺应该为活性物泥法，在活性污泥法中，根据《室外排水设计规范》（GB50101-2005）推荐对于设计流量小于10×104m3/d的城市污水处理厂可以采用氧化沟法、SBR、A/A/O法进行设计。由于氧化沟对于脱氮除磷效果不是很好，而且占地比较大，所以采用A/A/O 和SBR的变形CASS工艺进行比较。
方案一：A/A/O工艺
A/A/O工艺流程图如图3-1所示：
图3-1
关于方案一的说明：
第一阶段为预处理部分，即粗格栅+细格栅+曝气沉砂池+初沉池，中格栅去除城市污水中较大的漂浮物，细格栅去除城市污水中较细小的漂浮物，后续工艺以及设备的正常运行提供保证。水经过泵房提升后进入曝气沉砂池，去除砂粒，经吸砂机将沉砂池中的砂吸走至砂水分离器，砂水分离器工
作，截留下砂，而水则自重力流向前方泵房的格栅井。从曝气沉砂池出来的水流向初沉池，去除SS 以及部分有机物。
水从初沉池出来以后进入生物反应池，该生物反应池分为四个区，回流污泥反硝化区，厌氧区，反硝化区，硝化区。回流污泥反硝化区的设置可以减少传统A/A/O工艺中厌氧池受回流污泥中硝态氧的影响。磷的去除依靠厌氧池中聚磷菌一类微生物的充分释磷以及在好氧池的过量吸磷来去除水体中的磷。氮的去除主要依靠曝气池中硝化菌的将氮转化为硝态以及亚硝态氮，然后通过内回流将曝气池中的混合液回流至前方的反硝化区依靠反硝化菌将亚硝态氮转化为氮气从而去除氮。有机碳主要依靠曝气池中的微生物降解。该池的脱氮除磷效果较好。
后处理阶段，主要通过二沉池澄清出水，加氯混合池的作用是消毒以达到出水中对于微生物数量限制。
污泥处理主要通过污泥连续重力浓缩和机械脱水来完成，从脱水机房出来的污泥主要是外运填埋。对于脱氮除磷工艺的污泥来讲，运用重力浓缩会带来一个问题：污泥中磷的释放，上清液富含磷。由此该工艺将浓缩池中的上清液同脱水机房的滤液一起集中在反应沉淀池中，通过投加钙盐形成沉淀去除磷。形成的沉淀单独外运填埋或另作他用。从沉淀池出来的上清液再回流至前方泵站内的格栅井。
方案二：CASS工艺
CASS工艺如图3-2所示：
图3-2
关于方案一的说明：
第一阶段为预处理部分，即粗格栅+细格栅+曝气沉砂池+初沉池，中格栅去除城市污水中较大的漂浮物，细格栅去除城市污水中较细小的漂浮物，后续工艺以及设备的正常运行提供保证。水经过泵房提升后进入曝气沉砂池，去除砂粒，经吸砂机将沉砂池中的砂吸走至砂水分离器，砂水分离器工作，截留下砂，而水则自重力流向前方泵房的格栅井。
从曝气沉砂池出来的水直接进入CASS反应池，CASS反应池最大的特点是在CASS反应池的前端存在一个生物选择区，通常在厌氧或兼氧条件下运行。生物选择器是根据活性污泥反应动力学原理而设置的。通过主反应区污泥的回流并与进水混合,不仅充分利用了活性污泥的快速吸附作用而加速对溶解性底物的去除并对难降解有机物起到良好的水解作用,同时可使污泥中的磷在厌氧条件下得到有效的释放,而且在完全混合反应区之前设置选择器,还有利于改善污泥的沉降性能,防止污泥膨胀问题的发生。此外,选择器中还可发生比较显著的反硝化作用(回流污泥混合液中通常含2mg/ L 左右的硝态氮) ,其所去除的氮可占总去除率的20 %左右。选择器可定容运行,亦可变容运行,多池系统中的进水配水池也可用作选择器。
而主反应区的曝气阶段则是去除有机物、进行磷的释放、硝化作用。沉淀和闲置阶段整个池可以保持缺氧或是厌氧状态，有释磷和反硝化作用。CASS 池运行经过进水曝气阶段、曝气阶段、沉淀阶段、滗水阶段、进水闲置阶段。
出水进入加氯混合池，加氯混合池的作用是消毒以达到出水中对于微生物数量限制。
污泥处理主要通过污泥连续重力浓缩和机械脱水来完成，从脱水机房出来的污泥主要是外运填埋。对于脱氮除磷工艺的污泥来讲，运用重力浓缩会带来一个问题：污泥中磷的释放，上清液富含磷。由此该工艺将浓缩池中的上清液同脱水机房的滤液一起集中在反应沉淀池中，通过投加钙盐形成沉淀去除磷。形成的沉淀单独外运填埋或另作他用。从沉淀池出来的上清液再回流至前方泵站内的格栅井。
3.2.3污水处理方案比较
曝气沉砂池：依据《给水排水设计手册》第5册 关于城市污水处理厂曝气沉砂池水力停留时间的规定：1-3 min,取2.5 min 。曝气沉砂池的大小按照二期流量设计。
初次沉淀池：依据《室外排水设计规范》
GB50101关于城市污水处理厂初次沉淀池表面负荷的规定：二级处理前1.5-3.0 m 3/m 2.h ，取1.6 m 3/m 2.h 。关于沉淀时间规定：1.0-2.0 h ，取2.0 h 。CASS 工艺不需要初次沉淀池。
生物池：依据《室外排水设计规范》GB50101关于城市污水处理厂A/A/O 脱氮除磷工艺污泥负荷的规定：0.1-0.2 kgBOD 5/kg MLSS ，取0.12 kgBOD 5/kg MLSS 。厌氧池、缺氧池、好氧池的水力停留时间比为1：1：3-1：1：4，取1：1：3。CASS 池的负荷《室外排水设计规范》GB50101关于城市污水处理厂关于SBR 法污泥负荷规定：当有脱氮除磷要求时，负荷同A/A/O 法。取0.1 kgBOD 5/kg MLSS 。充水比按照经验取0.24。
二次沉淀池：依据《室外排水设计规范》GB50101关于城市污水处理厂关于活性污泥法以后二次沉淀池负荷的规定： 0.6-1.5 m 3/m 2.h ，取0.8 m 3/m 2.h 。
加氯混合池：依据《室外排水设计规范》GB50101关于城市污水处理厂出水消毒池水力停留时间的规定：不小于30min ，取30min 。解触池大小设计按照二期流量设计。
污泥浓缩池：按照连续重力浓缩池设计，