人工湿地处理城镇生活污水的工程设计

本科毕业设计人工湿地处理城镇生活污水的工程设计Design on Municipal Domestic Sewage Treatment by Constructed Wetlands专 业： 环境工程 摘 要生活污水是我们日常生活过程中排放的污水，包括洗涤废水及卫生间用水。其主要特点是含有较高浓度的氮、磷。而过量的氮、磷排放又可以引发水体富营养化等水环境问题。对此国家颁布了“水十条”，加强了管理，并对污水处理提出了更高的要求。但是现有的很多城镇污水处理厂在工艺选择上大多数只经过二级生化处理，很难满足对氮、磷等指标提高排放要求的城镇污水处理厂综合污水排放标准（GB18918-2002）一级A标准，亟需增加深度处理单元。“地球之肾”之称的人工湿地，因为具有环境、经济、社会效益，是深度处理单元的最佳选择之一。本设计中采用了垂直潜流人工湿地（vertical subsurface flow constructed wetlands, VFCWs）系统作为深度处理单元，并对其经济性及可行性进行了分析。本文以辽宁省为例，设计每天可处理水量为10000 m3的污水处理厂。首先，污水经过细格栅、旋流沉砂池等预处理单元去除较大的漂浮物、悬浮物、部分有机物质等。再经过Orbal氧化沟进一步去除可溶性有机物质，达到一级B标准，之后经垂直潜流人工湿地实现脱氮除磷，达到一级A标准后排放。经过对各构筑物的计算及经济核算后，得出污水处理厂的运行费用为0.67元/吨，与传统的深度处理单元相比具有更好的经济效益。为了能在垂直潜流人工湿地的设计过程中选择更合适的参数，并验证垂直潜流人工湿地处理效果的稳定性，进行了实验室小试实验。小试实验装置以鹅卵石作为基质，处理人工模拟废水。实验结果显示当水力停留时间为2天时，COD和NH4+-N的平均去除率分别达到了79.31%和10.67%，处理效果相对稳定。因此运行费用低、处理效果稳定的人工湿地作为深度处理单元具有深远的意义。关键词：城镇生活污水；垂直潜流人工湿地；小试实验；毕业设计Design on Municipal Domestic Sewage Treatment by Constructed WetlandsAbstractThe municipal sewage, including wastewater from kitchen and bathroom, is discharged after secondary bio-treatment in the traditional wastewater plants. Hence, it can cause eutrophication by the excess discharge of nitrogen and phosphorus. It is necessary to add an advanced treatment plant to achieve increasingly strict standards and policies published by the environmental agency, especially in the concentration of nitrogen and phosphorus. It is commonly known that constructed wetlands are the kidney of the earth and environment-friendly. The purpose of this paper is to investigate the economic and operational feasibility of the vertical subsurface flow constructed wetlands (VFCWs) as an advanced treatment plant.In this paper, the wastewater treatment plant was designed to treat 10000 m3/d municipal sewage. First of all, the sewage was treated by pretreatment facilities like fine screens and vortex grit chambers to remove the precipitable solids, suspended solids and part of organic matters. Then other organics were degraded by Orbal oxidation ditch. Finally, nitrogen and phosphorus can be further treated by constructed wetlands. On the basis of calculations, we found that the operational cost was just 0.67 yuan per cubic meters. It was cheaper than other treatment processes. In addition, an experimental-scale reactor filled with cobbles was set up to simulate the operation of VFCWs. Under the hydraulic retention time was 2 days, the average removal ratio of COD and NH4+-N achieved to 79.31% and 10.67%, respectively. The results demonstrate that it is meaningful to use VFCWs as an advanced treatment system.Key Words：Municipal Sewage Wastewater；Vertical Flow Subsurface Constructed Wetlands；Experimental Scale Test；Graduation Project 目 录 摘 要IAbstractII目 录III1 绪论11.1 我国水环境及污水处理现状概述11.1.1 我国水环境现状11.1.2 城镇生活污水处理现状11.2 人工湿地概述11.2.1 人工湿地定义及组成11.2.2 人工湿地分类21.3 人工湿地污染物去除机理31.3.1 有机物去除机理31.3.2 氮的去除机理41.3.3 磷的去除机理41.4 人工湿地应用及发展51.4.1 人工湿地的应用51.4.2 人工湿地的发展现状51.5 设计内容及意义51.5.1 设计内容51.5.2 设计意义62 设计概述72.1 设计原则及依据72.2 设计要求72.3 工艺的选择82.4 工艺流程103 垂直潜流人工湿地小试实验113.1 材料与方法113.1.1 试验装置113.1.2 试验用水113.1.3 分析方法123.2 实验结果124 垂直潜流人工湿地系统设计计算144.1 格栅144.1.1 格栅简介144.1.2 格栅设计计算144.2 旋流沉砂池164.2.1 旋流沉砂池简介164.2.2 旋流沉砂池设计计算164.3 Orbal氧化沟184.3.1 Orbal氧化沟简介184.3.2 Orbal氧化沟设计计算194.4 二沉池(辐流式沉砂池）264.4.1 二沉池简介264.4.2 二沉池设计计算274.5 垂直潜流人工湿地304.6 污泥处理与处置334.6.1 污泥处理概述334.6.2 污泥处理设计计算344.7 工艺系统构筑物布置354.7.1 平面布置354.7.2 高程布置355 经济费用分析385.1 投资费用385.2 运行费用386 结论40参 考 文 献41附录A 主要符号说明43附录B 附图45致 谢46 -46 - 1 绪论1.1 我国水环境及污水处理现状概述1.1.1 我国水环境现状近年来，为了维护国家水安全及人民群众的切身利益，我国加大了对水污染控制的监管及防治力度。虽然水污染情况得到了有效改善，但是由过量的氮磷排放引发的水体富营养化等环境问题亟需解决。据中国环境状况公报（2015）数据显示，在对全国967个地表水国控断面（点位）开展的水质监测结果表明-类水质断面为64.5%、 -类为26.7%、劣类为8.8%。对61个湖泊（水库）的营养状态监测结果中，只有6个为贫营养状态1。另据全国环境统计公报（2015年）所述，2015年全国废水排放总量为735.3亿吨，其中城镇生活污水排放量为535.2亿吨。废水中COD排放量为2223.50万吨、NH4+-N排放量为229.91万吨、TN排放量为461.23万吨、TP排放量为54.68万吨2。由上述数据可知，氮、磷也是主要污染指标之一。1.1.2 城镇生活污水处理现状截至2016年6月底，全国共有3934座市城市、县污水处理厂，每日可处理1.69亿立方米污水。辽宁省城市和县城污水处理厂建成率为100%，每日可处理768.20万立方米污水，运行负荷率为83%。污水处理技术可以分为预处理、生物处理、深度处理及污泥处理处置等四个方面3。预处理技术包括沉淀、沉砂等物理化学过程，主要用于去除漂浮物、悬浮物、可沉淀固体及部分有机物质。生物处理技术包括传统活性污泥法、氧化沟、A/O、序批式活性污泥法(SBR)等工艺。大连市各污水处理厂分别采用了不同的生物处理技术，马栏河污水处理厂采用了曝气生物滤池工艺4，旅顺城市污水处理厂为A2O工艺5，大连泉水污水处理厂则采用了CAST工艺。深度处理工艺可以进一步去除悬浮物质使出水更加澄清，并实现脱氮除磷，减少对水体富营养化的影响，对部分无机物质也有去除作用，使出水作为回用水使用。1.2 人工湿地概述1.2.1 人工湿地定义及组成根据湿地公约中的定义，湿地包括长久或者暂时性的泥炭地、沼泽或者水域地带，静止或者流动的咸水、半咸水、淡水及水深在低潮时不超过六米的水域6。具有“地球之肾”美誉的湿地与森林、海洋一同称为地球的三大生态系统。湿地有以保护生态系统为主、净化污水为辅的天然湿地和利用物理、化学、生物作用而对污水进行净化的人工湿地之分。人工湿地系统主要由植物、填料及微生物组成。人工湿地系统不仅可以人为地控制条件，而且还具有运行费用低、操作简单、处理效果可靠稳定等优点。但是人工湿地占地面积较大，运行效果会受到气候变化及由此导致的植物生长情况不良等因素的限制6。植物是人工湿地污水处理的核心要素。芦苇、香蒲、黄花鸢尾、美人蕉等水生植物和盐角草、盐地碱蓬、碱蒿等陆生植物均可以作为湿地植物7。在众多人工湿地植物中芦苇、香蒲等挺水植物，因其具有较高的耐污性及生物量累计，而被广泛应用8。植物的根系不仅可以输送氧气，促进微生物的降解作用，还可以直接吸收利用污水中的氮、磷作为营养物质，而且在盐分含量较高的废水中对氯离子也有去除效果7。此外还具有景观和经济价值。李洁研究的利用空心菜、番茄等经济型作物的潜流人工湿地系统可以在对农村生活污水进行深度处理的同时有效回收氮磷资源，实现双赢作用9。人工湿地中种植不同的植物会影响植物的形态学特征（包括生物量、根的大小、叶子的宽度）、底物中微生物结构的特异性、光合作用强度等。植物的种类越多，如种植黄花鸢尾与菖蒲比只种植菖蒲产生更多的生物量，所以对氮、磷的吸收作用就越强10。 人工湿地中的填料不仅可以通过自身的吸附、过滤、沉淀等作用直接去除污染物，还可以为植物及微生物提供适宜的生长环境。砾石、沸石、陶粒等均可作为填料使用。填料种类不同，对污水中COD、TN和TP的去除效果就不同。汤等以页岩、粗砾石、铁矿石和麦饭石分别作为填料，利用无植物种植人工湿地处理污水的小试实验表明，页岩的COD和TN去除率最好，可分别达到40%和88.9%。这与页岩孔隙率低、水力渗透系数低等物理性质有关。页岩可以为微生物生长提供更有利的条件，而且吸附沉降能力更强11。一般选用比表面积大、孔隙率高、机械强度大、水头损失小、工作周期长的材料作为填料。1.2.2 人工湿地分类人工湿地的分类主要依据植物特征及水文状况的不同。根据所生长的植物种类不同，人工湿地系统可分为挺水植物系统、沉水植物系统和浮水植物系统。另据水流位置的不同也可以分为表面流人工湿地（free water surface constructed wetlands, FWS CWs）和潜流人工湿地。潜流人工湿地又可根据水流动方向的不同分为水平潜流人工湿地（horizontal subsurface flow constructed wetlands, HFCWs）和垂直潜流人工湿地 8。(1) 表面流人工湿地与自然湿地非常相似的表面流人工湿地中水流呈推进式前进，覆盖整个湿地表面，形成一层地表水流，最终流至终端而流出，完成净化过程。表面流人工湿地不需要额外购买砾石等基质，因此造价比较低，运行操作简单方便。但是占地面积较大，在冬季表面易结冰，空气中氧的扩散速率大大降低，导致去除效果下降。表面流人工湿地较多的应用于处理污水处理厂三级处理后的出水、矿山废水及暴雨径流等。(2) 水平潜流人工湿地水平潜流人工湿地至少由一个基质床组成，因此在欧洲国家常叫做“根区床”。利用水平潜流人工湿地对去除有机物、悬浮物质和重金属等效果非常好。但是由于氧只能从植物根际传输等原因，所以硝化反应受到限制，脱氮除磷能力较弱。由于在水平潜流人工床体中液面位于基质层以下，因此较表面流人工湿地更易适应寒冷的气候。水平潜流人工湿地通常用于处理经过二级处理后的出水。(3) 垂直潜流人工湿地垂直潜流人工湿地由多孔性介质组成，下流式人工湿地中水流从表面布水后向下流动，最终通过底部的排水管网流出。垂直潜流人工湿地系统中氧气可以通过植物根际传输和大气扩散作用进入，从而加强微生物的硝化作用。垂直潜流人工湿地广泛应用于处理小城镇生活污水、暴雨径流及工业废水。1.3 人工湿地污染物去除机理人工湿地是利用生态系统的物理、化学、生物三重协同作用对不同污染物质进行去除。包括物理沉降、化学吸附、微生物代谢等作用，详见表1.112。表1.1 污染物去除机理一览表机理SSBOD5CODDOCNP重金属病原微生物物理沉降基质过滤介质吸附共沉淀化学吸附化学分解微生物代谢植物代谢植物吸收自然死亡自然挥发表中，为最主要作用；为主要作用；为次要作用；为作用很小或无作用。1.3.1 有机物去除机理人工湿地中的有机物主要来自污水中的有机物质、植物根系的分泌物、农药和腐殖质等，并以挥发态、溶解态和固体形态存在。进水的C/N比在2到12之间的人工模拟废水在潮汐运行的人工湿地中COD去除率达到83-95%13。人工湿地对有机氯类农药（如，硫丹、五氯苯酚）的去除率最高也可达到97%，其主要作用包括对有机物的沉淀、吸收、水解、光合作用、微生物和植物降解作用14。人工湿地的类型、氧化还原环境、溶解氧、有机物种类是影响人工湿地有机物净化效果的重要因素8。在不同的有机物种类中，人工湿地对有机氯类农药、嗜球果伞素类农药、有机磷类农药的去除率为94-97%，而对三嗪酮、含尿素类农药的去除率仅为24-50%，这与有机化合物吸着系数Koc的不同相关14。1.3.2 氮的去除机理对污水进行脱氮是人工湿地的主要功能之一。氮元素是植物生长的必须营养元素，因此可通过定期收割湿地植物对部分无机氮实现彻底去除。此外，植物根系还可以输送氧气，促进硝化过程的进行15。有研究也表明种植宽叶香蒲的人工湿地系统的脱氮效率明显高于没有种植植物的系统。在人工湿地系统的启动阶段NH4+-N和NO3-N主要经过基质的物理化学过程而吸附去除，随后在运行阶段通过微生物作用去除。NH4+-N可通过硝化过程、厌氧氨氧化过程去除；NO3-N的去除途径则包括反硝化、异化硝酸盐还原成氨、厌氧氨氧化等过程16。普遍认为，微生物的硝化-反硝化作用是脱氮的主要去除途径15。但是Wei等研究结果表明，潮汐运行人工湿地对NH4+-N的去除率为63-80%，当进水的C/N比小于等于六时，NH4+-N的主要通过硝化作用去除，而当C/N比大于六时厌氧氨氧化作用会逐渐加强13。表面流人工湿地对城镇生活污中NO3-N的去除率达到60%以上，其中反硝化作用所占比例为83 22%，厌氧氨氧化和植物的吸收作用较小17。但在Jahangir等的研究结果表明，在54-79%的NO3-N去除率中，异化硝酸盐还原成氨作用所占比例为40-63%，反硝化作用仅占据14-16%18。由此可知，在不同类型和运行条件下的人工湿地系统中，微生物所进行的主要反应并不相同。此外，氮的去除效率还受到pH、温度、溶解氧19、水力负荷20等外界环境因素的影响。人工湿地系统中温度与NO3-N的去除率符合一级动力学方程，随着温度的上升，脱氮效率逐步上升，所以在一年之中，夏季脱氮效率最高17。1.3.3 磷的去除机理磷的过量排放也是造成富营养化的重要因素，而人工湿地对磷也有很好的去除效果。可溶性磷酸盐不仅可以通过沉积等物理作用存储于湿地内部，还可以与基质中的金属元素形成不溶物质或共沉淀去除。除此之外，也与微生物的同化作用及聚磷菌的过量摄磷等生物作用有关，但其作用较小8。湿地进水中的磷的总量等于基质截留磷的量、植物吸收磷的量和出水中含磷量之和，三者所占比例约为70%，17%，13%。可见大部分磷是被基质吸收而去除6,11。影响磷去除效率的因素包括温度、pH、氧化还原电位及人为因素。1.4 人工湿地应用及发展1.4.1 人工湿地的应用自1950s早期，德国的Dr. Kthe Seidel首次使用湿地植物处理污水以来，人工湿地技术就受到了各国研究人员的关注，如潜流人工湿地在欧洲国家普遍使用，而表面流人工湿地在北美和澳洲比较受欢迎21。1978年天津市环境保护研究所所建的处理规模为1400 m3/d，占地面积6 hm2的芦苇湿地工程是我国第一次使用人工湿地处理污水的工程。有调查表明，人工湿地已在我国超过30%的区域使用，如在辽宁省沈阳浑南新区和满堂河也分别建立了每天能处理1500 m3和20000 m3城镇生活污水的人工湿地8。人工湿地系统不仅仅应用于处理城镇生活污水17,还适用于处理不同类型的废水如染料废水22、含苯废水23等工业废水、农业径流14及医疗废水24。 1.4.2 人工湿地的发展现状由于传统的人工湿地存在一定的局限性，因此强化人工湿地得到了大家的关注。通过改变人工湿地的运行方式，如采取出水回流、人工曝气、潮汐式运行方式和优化内部结构，如采用廊道循环人工湿地、塔式复合人工湿地、折流人工湿地等方式来提高对污染物的去除效果25。近年来也有一些可以实现更高去除率的组合人工湿地得到了应用。尤其是可以加强对TN的去除效果。VF-HF的组合人工湿地中，污水首先经过垂直潜流人工湿地去除部分有机物并进行硝化反应，之后再经过水平潜流人工湿地进行反硝化反应，进一步去除有机物及含氮物质 26。据统计结果表明，VF-HF和HF-VF组合人工湿地可以实现2.31 2.10和2.74 1.86 g TN m-2d-1的TN去除效果。而在单级水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地中TN去除率只能达到1.13 2.01和1.85 3.66 g TN m-2d-1。此外，人工湿地还可以和其他技术进行组合使用。微生物燃料电池与人工湿地都具有利用微生物的作用来实现对污染物质实现去除的共同点。微生物燃料电池需要阳极为厌氧环境，阴极为好氧环境，这与人工湿地中的上部为好氧环境，下部为厌氧环境相符合，因此结合这两种技术，就可以实现去除污染物质的同时产生电27。使用铁板为阳极和阴极的电增强水平潜流人工湿地中，磷与铁离子在阳极上发生沉淀，达到90%以上的除磷效率，阴极上通过促进自养反硝化菌的生长，NO3-N的去除率也提高到了84%28。这些组合工艺对硫也可以实现较好的去除29。1.5 设计内容及意义1.5.1 设计内容本文的主要内容包括以下几点：(1) 根据水量及进出水水质确定工艺流程。(2) 对本文的重点设计单元垂直潜流人工湿地进行小试实验，并根据实验结果选择设计参数。(3) 对工艺流程中的各处理构筑物进行设计计算，包括：细格栅、旋流沉砂池、Orbal氧化沟、二沉池、污泥处理处置单元。根据计算结果绘制总平面布置图、高程图及构筑物结构图等。(4) 针对工艺中涉及到的构筑物、设备等进行投资费用和运行费用的经济费用核算。1.5.2 设计意义生活污水中含有较高浓度的氮、磷，这些物质排入湖泊、江河及海湾等水体中后，容易引起水体富营养化。过量的营养物质会过度促进水生植物的生长，从而造成水中溶解氧降低，很难满足鱼类的需氧量致其死亡，水质恶化。为了改善部分地区较差的水环境质量、存在的环境隐患及受损严重的水生态环境，2015年4月国务院颁布了“水十条”。其中有关强化城镇生活污染治理的具体要求中提到，2020年底前，现有的城镇污水处理厂经过改造后，需要达到相应的排放标准或实现对污水的再生利用。于2017年底前，敏感区域城镇污水处理设施应达到一级A排放标准。所在地水体水质不能达到地表水类标准的城市新建城镇污水处理设施时需要执行一级A排放标准。一级A标准与一级B标准相比，对NH4+-N、TN、TP等排放浓度的要求更高。而生活污水经过二级生化处理后氮、磷等指标很难满足要求，所以在二级处理技术的基础上，污水需要再经过深度处理工艺。人工湿地作为深度处理工艺的一种，相比于运行费用高、操作复杂的高级氧化、混凝沉淀等方法，具有投资运行费用低、易于操作，非常适合在发展中国家使用，而且可以将污水处理与生态景观建设有机地结合起来，具有良好的社会、经济、环境效益8。2 设计概述2.1 设计原则及依据在设计过程中主要查阅了以下标准： 城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）； 辽宁省污水综合排放标准（DB21/1627-2008）； 人工湿地污水处理工程技术规范（HJ2005-2010）； 室外排水设计规范（GB50014-2006（2014年版）； 室外给水设计规范（GB50013-2006）； 城市污水再生利用城市杂用水水质（GB/T18920-2002）； 城市污水再生利用景观环境用水水质（GB/T18921-2002）； 污水再生利用工程设计规范（GB50335-2002）； 钢筋混凝土工程施工及验收规范（GB50204-2002（2011年版）； 给水排水构筑物施工及验收规范（GB50141-2008）。2.2 设计要求(1) 设计水量：日处理水量设为10000 m3/d，115.74 L/s。(2) 进水水质：根据已建成的大连其他污水处理厂（大连寺儿沟污水处理厂）进水水质设定本次设计的进水水质。(3) 出水水质：本设计的出水水质满足城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）中的一级A标准。主要指标详见表2.1。表2.1 设计进出水水质及去除效率 单位mg/LpH化学需氧量(COD)生化需氧量(BOD5)悬浮物(SS)总氮(TN)氨氮(NH4+-N)总磷(TP)进水水质6 - 935020022040303出水水质6 - 9501010155（8）0.5去除效率86%95%95%67%83(73)%85%注：水温大于12时满足括号外的控制指标，小于等于12时满足括号内的控制指标。出水水质也满足城市污水再生利用城市杂用水水质（GB/T18920-2002），可作为城市杂用水使用,部分指标见表2.2。表2.2 城市杂用水水质标准 单位mg/LpH浊度/NTU生化需氧量(BOD5)溶解性总固体氨氮(NH4+-N)冲厕6 - 9510150010道路清扫-消防6 - 91015150010城市绿化6 - 91020100020车辆冲洗6 - 9510100010建筑施工6 - 92020-20(4) 水质水量分析 由表2.1可知，BOD5，COD，SS，TP，NH4+-N去除率均较高，需要采用脱氮除磷工艺。 可生化性：BOD5/COD = 200/350 = 0.57，易生化处理。2.3 工艺的选择(1) 污水需要经过预处理、二级处理及深度处理后才会达标排放。本设计中各处理单元去除效率如表2.3所示。表2.3 各处理单元去除效率处理阶段指标进水浓度 mg/L出水浓度 mg/L去除效率 %预处理BOD52002000SS22011050NH3-N30300二级处理BOD52002090SS1102082NH3-N301550深度处理BOD5201050SS201050NH3-N15(8)8(5)47(67)注：水温大于12时满足括号外的控制指标，小于等于12时满足括号内的控制指标。(2) 二级处理单元的选择 采用生物脱氮除磷工艺的可行性分析30a. BOD5/COD = 200/350 = 0.57B/C比是评价污水可生化性的重要指标之一。一般B/C比大于0.3时，可生化处理。B/C值越大，可生化性越好。本设计中B/C比为0.57，所以适合进行生化处理。b. BOD5/TN = 200/40 = 5能否采用生物脱氮与BOD5/TN比值相关。反硝化菌是异养菌，需要消耗外来碳源。理论上，进水BOD5/TN在3.86时，无外加碳源的情况下，顺利地进行反硝化反应。本设计中BOD5/TN为5，因此进水中具有足够的碳源，可供反硝化菌使用。c. BOD5/TP = 200/3 = 67BOD5/TP用于评价是否可以采用生物除磷。一般认为，进行生物除磷的低限是BOD5/TP = 17。本设计进水中BOD5/TP 为67，满足生物除磷工艺要求。 生化处理工艺的选择 本设计中处理水量为10000 m3/d，为中小型污水处理厂，比较适合使用氧化沟工艺或序批式活性污泥法（SBR），两种工艺的经济技术比较结果见表2.430。表2.4 生化处理工艺经济技术比较氧化沟工艺SBRCOD、BOD5去除率85-90%85-90%特点a.不需要设置初沉池。b.处理效果稳定，出水水质好，有一定的抗冲击负荷能力。c.剩余污泥较少，不需要消化处理。a.一般不设初沉池。b.类似于静止沉淀，出水SS较低且稳定。c.具有较好的抗冲击负荷能力。构筑物数量与设备一般较少操作、管理及维护操作管理便利操作方便。投资较高高运行成本较高较低对操作人员要求一般较高(3) 人工湿地系统的选择本设计中采用人工湿地作为深度处理工艺，不同类型的人工湿地污染物去除效率见表2.5。表2.5 人工湿地系统污染物去除效率 单位：%表面流人工湿地水平潜流人工湿地垂直潜流人工湿地BOD540-7045-8550-90COD50-6055-7560-80SS50-6050-8050-80NH3-N20-5040-7050-75TP35-7070-8060-80表面流人工湿地在冬季寒冷的情况下可能会结冰，影响处理效果，不适合在北方地区使用。水平潜流人工湿地由于氧气只来源于植物根系传输，脱氮除磷效果欠佳，因此本设计中采用垂直潜流人工湿地。2.4 工艺流程图 2.1 工艺流程图首先，污水经过细格栅、旋流沉砂池等预处理单元去除可沉淀固体、悬浮物质及部分有机物质，再经过Orbal氧化沟进一步去除可溶性有机物质，之后经垂直潜流人工湿地系统实现脱氮除磷，达标排放。本工艺具有以下特点：(1) 因为采用了氧化沟工艺处理，所以效果稳定，出水水质好，有一定的抗冲击负荷能力，而且不需要设置初沉池。(2) 垂直潜流人工湿地系统可以将污水处理与生态景观建设有机地结合起来，实现良好的社会、经济、环境效益。部分出水还可以作为城市杂用水用于道路清扫、消防、城市绿化等。(3) 运行操作简单，管理方便。(4) 具有景观作用和经济价值。3 垂直潜流人工湿地小试实验3.1 材料与方法3.1.1 试验装置本试验的装置如图3.1所示。反应装置由有机玻璃制作，有效体积是6 L ()。反应器的有效高度是30 cm，上下两层各15 cm为粒径在3045 mm和粒径在1030 mm的鹅卵石。反应装置模拟的是没有种植植物的上流式垂直潜流人工湿地，所以进水端为厌氧条件，出水端为好氧条件。为了保证水流的流动性，中间隔板上设有1 cm的孔，孔间距是2 cm。通过蠕动泵将人工模拟废水从进水桶中打入到反应装置。反应装置在2017年4月份至2017年5月期间，在室温20-25条件下运行。图3.1 试验装置图3.1.2 试验用水本试验采用人工模拟废水，由乙酸钠、氯化铵、磷酸氢二钾作为碳源、氮源和磷源。进水中COD为300 mg/L，NH4+-N为50 mg/L，PO43-P为5 mg/L。进水pH调节至7左右，水力停留时间为2天。所接种的污泥取自黑石礁海底底泥，其性质见表3.1。表3.1 底泥的理化性质pHCOD/kg/gNH4+-N/mg/g海底底泥7.0516.93213.943.1.3 分析方法从进水端和出水端取2 mL样品后，经过离心机离心10000 rpm，10分钟，再进行测定。使用COD微波消解测定仪测定COD浓度（微波消解法）和721型可见分光光度计测定NH4+-N浓度（纳氏试剂分光光度法）。3.2 实验结果图3.2 COD进出水浓度及去除效果图3.3 NH4+-N的进出水浓度及去除率 由图3.2可知，实验结果表明，出水COD浓度在22.58-79 mg/L之间，去除率为66.67-93.94%。虽然进水浓度300 mg/L与工艺流程中的60 mg/L不同，但是小试实验的COD平均去除率为79.31%，根据此去除效率，工艺流程中垂直潜流人工湿地的出水COD浓度大概在12.41 mg/L左右，低于一级A标准中的50mg/L。由图3.3可知，进水NH4+-N浓度为50 mg/L左右时，出水浓度为38.42-55.20 mg/L，去除率在2.45-23.16%之间，效果并不理想，这可能与以下三种原因有关。(1) 试验装置中没有种植植物。Nikolaos的研究结果表明，脱氮效率在种植宽叶香蒲或芦苇的单级人工湿地中比没有种植植物的人工湿地系统高，这可能与植物促进了氧气的传输，从而有利于微生物进行硝化-反硝化反应，提高脱氮效率相关15 (2) 前期微生物驯化时间较短，处理效果还不稳定。Gao的文章中也提到，至少要对反应装置驯化运行15天，以利于生物膜的形成28。 (3) 接种的底泥本身含有较高浓度的NH4+-N。而且当微生物分解蛋白质时也有可能产生NH4+-N 。4 垂直潜流人工湿地系统设计计算4.1 格栅4.1.1 格栅简介格栅的主要作用是去除污水中较大的悬浮物或漂浮物进行拦截，保证后续污水处理单元的正常运行32。被截留的物质称为栅渣，栅渣的含水率约为70-80%，容重约为750 kg/m3。格栅按栅条的间隙大小分为粗格栅（50-100 mm），中格栅（10-40 mm），细格栅（3-10 mm）。污水流入城镇污水处理厂时已经过厂外的粗格栅，因此本次设计只涉及细格栅的设计计算。4.1.2 格栅设计计算(1) 已知条件设总变化系数为，则最大设计流量 (4.1)(2) 设计计算 栅条间隙数 取细格栅栅前水深，过栅流速。细格栅的栅条间距在3-10 mm之间，本设计中取栅条间隙宽度。采用机械格栅时安装角度宜为60-90之间，取格栅倾角，则栅条间隙数 (4.2) 格栅槽宽度设栅条宽度，则格栅槽宽度 (4.3) 进水渠道渐宽部分的长度设进水渠道宽度为，其渐宽部分展开角为，则 (4.4) 出水渠道连接处的渐窄部分的长度 (4.5) 格栅的水头损失栅条断面形状包括锐边矩形、圆形、正方形等。 本设计中选锐边矩形断面，形状系数，阻力增大系数，则 (4.6) 栅后槽总高度设栅前渠道超高，则 (4.7) 格栅的总长度 (4.8)图4.1 细格栅设计计算图（单位：mm） 每日栅渣量在格栅间隙5 mm的情况下，设每1000 m3污水产生0.08 m3的栅渣，则 (4.9)所以采用机械清渣，栅渣采用螺旋输送机输送，闸门采用手动控制。并在格栅上部设置具有安全和冲洗设施的工作平台，其高度比栅前最高设计水位高0.5 m。 格栅除污机型号选用TGS系列回转式格栅（齿耙）除污机。该机不仅自动化程度高，可以根据进水中含有的杂物的量连续或间歇运行，而且耐腐蚀性能好，并设有过载安全保护。本设计选用TGS-500型 2台并联运行，详细参数见表4.132。表4.1 TGS-500型回转式格栅除污机性能参数型号设备安装长/mm设备总宽/mm设备宽/mm设备高/mm排渣高度/mm电动机功率/kWGS-500232085050033357640.554.2 旋流沉砂池4.2.1 旋流沉砂池简介旋流沉砂池通过机械力可以控制水流流态及流速，从而加快砂粒的沉淀，去除部分有机物。旋流沉砂池由进水口、出水口、沉砂区、贮砂区等组成。进水沿切线方向进入，并在桨叶分离机的控制下在池中旋转，出水沿与进水相反的方向流出沉砂池。在旋流作用下，砂粒与有机污泥分离，在离心力作用下被抛向池壁，并沿池壁下滑进入贮砂区。旋流沉砂池具有泥砂分离效果好、占地面积小、投资运行费用低等优点，比较适合在中小型污水处理厂使用。4.2.2 旋流沉砂池设计计算(1) 选型计算设计流量，选用ZXS6钟氏沉砂设备，其外形及安装尺寸详见表4.232。表4.2 ZXS6钟氏沉砂设备外形及安装尺寸设计水量/(m3/h)沉砂池直径A/m贮砂区直径B/m进水渠宽度C/m出水渠宽度D/m锥斗底径E/m贮砂区深度F/m7202.431.00.450.9000.301.35沉砂区底坡降G/mH/m进水渠水深J/mK/m沉砂区深度L/m电机功率/kW0.400.300.400.801.150.55图4.2 ZXS型钟式沉砂池吸砂机(2) 参数校核 表面负荷 (4.10) 水力停留时间a. 沉砂区体积 (4.11)b. 水力停留时间 (4.12)满足水力停留时间小于30 s。 进水渠流速 (4.13)而经过细格栅后进入沉砂池的流速为 0.7m/s, 则进水渠宽度 (4.14) 进水渠宽度 为了创造平稳的进水条件，进水渠直线段宽度为，小于4.5 m，所以选择4.5 m。 出水渠流速 (4.15) 出水渠宽度出水渠宽度为2倍的进水渠宽，所以是9 m。并且为了防止短流，与进水渠道有不大于270的夹角。4.3 Orbal氧化沟4.3.1 Orbal氧化沟简介氧化沟是改良的活性污泥法。在氧化沟中污水和活性污泥通过一条闭合式曝气渠道进行连续循环。氧化沟曝气池占地面积比一般的生物处理要大，但是由于其不设初沉池，所以污水处理厂的占地总面积并没有增大，因此在经济方面更具有竞争力。氧化沟根据构造和特征，可以分为Passver氧化沟、Carrousel氧化沟、Orbal氧化沟、交替式氧化沟等31。本次设计中选用了Orbal氧化沟，其结构见图4.3。Orbal氧化沟是一种多级氧化沟，由三个同心沟组成。由沉砂池出来的水，经过处于缺氧状态的外沟，发生硝化-反硝化反应。在中沟的溶解氧可以根据负荷的变化进行调节。内沟处于好氧状态，使污水在进入二沉池前去除剩余的有机物和氨氮。Orbal氧化沟具有出水水质好、可同时进行硝化反硝化、脱氮效率高；易于适应不同水量和水质的变化；易于维护；节能等优点31。图4.3 Orbal 氧化沟结构图4.3.2 Orbal氧化沟设计计算(1) 已知条件 设计水量 设计进出水水质表4.3 Orbal氧化沟设计进出水水质BOD5浓度TSS浓度VSS浓度TN(认为不含硝态氮)氨氮设计进水水质VSS/TSS = 0.740 mg/L30 mg/L设计出水水质20 mg/L15 mg/L 设计参数延时曝气法的污泥产率系数在0.3-0.6之间，本设计取。混合液悬浮固体浓度(MLSS)在2500-4500 mg/L之间，取,混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS） (MLVSS/MLSS=0.75)。污泥龄需要大于15天，所以取。此外，自身氧化系数取，20时的脱氮速率为，原水碱度（以CaCO3计）。(3) 设计计算 去除BOD5浓度a. 氧化沟中出水溶解性BOD5浓度 (4.16)b. 好氧区的容积 (4.17)c. 好氧区的水力停留时间 (4.18)d. 进水中含有的悬浮固体惰性部分 (4.19)e. 剩余污泥量 (4.20)每去除1kgBOD5产生的干污泥量 (4.21) 脱氮计算a. 已被氧化的氨氮量设进水中不存在硝态氮，则剩余污泥中的含氮量为12.4%.。用于生物合成需要的总氮为 (4.22)b. 需要氧化的氨氮量 (4.23)c. 脱氮所需脱氮量 (4.24)d. 碱度平衡氧化1 mg N