（市政工程专业论文）武汉市三金潭污水处理厂工艺方案比选研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本课题主要是通过采用基于最大熵的组合分析评价方法对三金潭污水处理厂的 污水处理方案进行比选以确定合理的方案，为决策和设计部门具体实施提供决策和 设计的依据。 针对目前方案比选中存在着的问题，本文以武汉三金潭污水处理厂的方案比选 为例。通过对国内外较为常用的几种城市污水处理工艺的分析，并根据三金潭污水 处理工程的具体情况及确定的设计水质参数，选取具有强化除磷功能的处理工艺， 该工程提出了三种工艺流程方案进行全面比选，即方案一：o ( 厌氧好氧) 生物 除磷工艺：方案二：普通曝气法+ 化学除磷工艺；方案三：化学一生物联合絮凝强化 一级处理工艺；通过一系列的常规的基于经验法的对比，确定方案一。另外，本文 总结出了对污水处理厂设计和运行中各影响因子，利用最大熵原理建立起了方案比 选系数与这些因子和权重的关系式，基于三角分布的原理确定对以上三种方案中各 因子不同的影响权重并结合关系式计算出比选系数的概率数值，该值越大表明方案 实施的可能性越大，根据计算发现，三种方案的熵值概率分别为o 4 7 5 7 ，0 4 4 4 9 ， 0 4 0 7 8 。f 因此经基于最大熵原理的比选方法确定的是方案一。 关键词：三金潭污水厂方案比选最大熵原理经验法 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t i l i sp 印e rh a sm a i n l ym a d eas e l e c t i o nc o m p a m t i v e l yf r o mv a r i o u sm e t h o d so f d e a l i n g w i t hs a n _ j i n t a nw 缸t e w a t e rt r e a t m e t p l a n t sw a s t e w a t e r q u a n t i t y a 1 1 d c o r r e s p o n d i n gt r e a t m e n t sb yi n t r o “c i n gac o m b i e da n a l y t i c a le v a l u a t i o n0 nt h em a x i i l l a l e n t r i ) p ys oa st oa f f i r mar e a s o n a b i ea n d 印p r o p r i a t em e t h o d a n da tt h es a m et i m e ，i t o f f e r sm ef c a s i b l er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e d s i o 一m a l 【i n ga n dd e s i g nd e p a n m e n t st ob r i n gi t i i l t oe f e b c t 1 1 0t h ea c t u a lp r c l b l e m st h a te x i s t e di 1 1t 1 1 ec o m p a i a t i v es e l e c t i o n ，t h i sp a p e rh a st a k e n s a l l _ j i n t a nw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ta sa ne x a m p l e n m u g ha n a l y z i n gm e t h o d so f s e v e m lu r b a nw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a l l t s ，a c c o r d i n gt ot h ec o n c r e t ep r o j e c ti 1 1 s t a i l c e sa n d t h ec e r t a i nw a t e rq u a l i t yp a r a m e t e r s ，t h em e t h o dt h a tc a ns t r e n g t h e nd e p h o s p h o r i z a t i o n p r o c e s sh a sb e e nc h o s e n s ot h i sp r o j e c th a sp u tf o 聊a r dt h r e em e t h o d sf o rc o m p a r a t i v e s e l e c t i o ，v i z m e t h o do n c ：a o ( a a e r o b i c a e m b i o s i s ) b i o l o 百c a ld 印h o s p h o r i z a t i o p r o c e s s ； m e t h o dt w o ：c o m m o na e r a t i o nc h e m i c a ld e p h o s p h o r i z a t i o np m c e s s ；m e t h o d t h r e e ：c h e i i l i c a lb i o l o g i c a lc o m b i n e ds t r e g t h e nn o c c u l a t i o np r i i i l a r yt r e a t m e n tm e t h o d ； t h r o u g has e r i e so fm u t i n ec o m p a r i s o nt h a ti sa c c o r d i n gt 0e x p e r i e n c e s ，m e t h o do n eh a s b e e nc h o s e n i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rh a ss m n m a r i z e dt h ed i v e r s i f i e di n n u e n d n gf a c t o r si n t h ew h s t e w a t e rt r e a t m e n tp 1 a i l td e s i g na l l df u n c t i o n ，a l l da c c o r d 主i l gt ot h em a x i m a le n t r o p y t h e o r yt h er e l a t i o nf b 瑚u l ab e 咐e e nt h ec o m p a r a t i v es e l e c t i o nc o e f f i c i e n t sa n dt h e s e f a c t o r sa n df a c t o r sh a v eb e e ne s t a b l i s h e d a n db a s i n go nt h et r i a i l g l ed i s t r i b u t 抽gt h e o r y t h ed i t e r e ti n f l u e n c i gd e 伊e eo fm ef a c t o r sh a db e e a f ：i 如e da dtt h ec o m p a r a t i v e s e l e c t i o nc o e f ! i d e n t sp m b a b i l i t yv a l u eh a sa l s ob e e nw o r k e do u ta sw h i c ht u mb i g g e rt l l e f e a s i b i l i t yo f 晰n g i n gi ti n t oe f f e c tw i ug e tg r e a t e r a c c o r d i n gt oc a l c u l a t i o ，i ti sf o u d t h a tm ep r o b a b i l i t i e so fe n t r o p yv a l u ea r e r e s p e c t i v e l y0 4 7 5 7 ，o 4 4 4 9 ，0 4 0 7 8 n e f e b y ， m e t h o do n ei sa m r m e da sar e a s o n a b i ea n da p p m p r i a t em e m o d a c c o r d i n gt ot h cm a x i m a l e n t r o p yt h e o r y k e y w o r d s ：s a i l - j i n t a nw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l 跖t c o m p a m t i v es e l e c t i o nm e t h o d m a x i m a le n t r o p y t h e o r yb ye x p c r i e n c e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名：明争 日期：2 0 0 6 年4 月1 5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密瓯 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名；劬 各 指导教师签名：1v 。 日期：2 0 0 6 年4 月1 5 日 华中科技大学硕士学位论文 1 概述 1 1 三金潭污水处理项目的提出 目前，由于武汉市主城区内大量未经处理的城市污水的直接排放，给主城区及 其周边地区的河、渠、湖泊造成了相当程度的污染，长江( 武汉段) 已由i i 类降为 i 类水体，汉江( 武汉段) 近年来多次发生“水华”现象，其整体水质亦有降低的趋 势。武汉市地表水环境的污染现状，严重影响了工、农业的发展，尤其是生活饮用 水水源的安全。城市的快速发展与水环境质量下降的矛盾日益突出，而武汉市2 0 0 0 年主城污水排放量为2 3 6 6 1 0 4 m 3 d ，预测2 0 1 0 年主城污水排放量将达到 2 4 2 1 0 4 m 3 d ，污水处理率仅为2 1 ，离国家环境保护目标相去甚远【1 】。 武汉市的水环境状况及污水处理的现状，引起了省、市政府的高度重视，决定 加快污水治理步伐以改善武汉市水环境质量和投资环境，尽快提高城市污水处理率， 保护珍贵的水资源，提高城市居民的生活环境质量和健康水平，同时为了实现国务 院2 0 0 0 年3 6 号文提出的城市污水处理目标，抓住我国加入世贸组织和国家开发中 西部的良好契机，创造优良的投资环境，发挥中心城市的作用，并改善武汉市域内 湖泊和长江武汉段的污染状况，为武汉市的长期、稳定、持久的发展创造一个良好 的生态环境，为把武汉市建设成为具有滨江、滨湖特色的现代化国际性城市奠定坚 实的基础，亚洲开发银行( a d b ) 贷款建设了汉口三金潭污水处理厂及其污水收集 系统工程【2 。】。该污水处理厂是解决影响武汉市汉口东地区饮用水水源和提高城市环 境质量的重点工程，也是确保按时实现武汉市碧水蓝天计划的水环境治理目标的重 大项目。 作为服务于主城汉口东部地区( 以下称“汉口东”地区) 武汉市三金潭污水处理 项目其建成并投入使用必将大大降低汉口东地区生活污水和工业废水对城市水环 境，有效的提高城市的污水处理率，减少各种污染负荷对城市水环境的影响m l 。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 课题的研究内容及目标 传统的污水厂工程方案选型的方法，多是结合经验作定性的分析，而对影响方 案的各种因素缺乏定量的比较评价，故方案比选的结果并无较强的数学依据【“叫。因 此综合考虑各种因素对方案的影响，建立合适的方案比选模型显得尤为重要【1 0 1 2 】。 但由于影响方案的因素较大，各因素对方案的影响程度不同，针对这一问题，本课 题是采用基于最大熵的组合分析评价方法对三金潭污水处理厂的污水处理方案进行 比选以确定合理的方案，为决策和设计部门具体实旌提供可行性的要求。 华中科技大学硕士学位论文 2 熵及最大熵原理 2 1 熵的基本知识 2 1 1 熵的含义 熵1 1 3 】是克劳修斯首先提出的，用以定量地表示热力学第二定律。其后，申农、 维纳( w i e n e r ) 等又提出玻尔兹曼关系式、信息熵等【1 4 - 1 5 1 。 克劳修斯提出系统若经历一个可逆的热循环过程，则有： 妒等，o ( 2 - 1 ) 式中d q 表示系统在该过程中吸热量的变化，t 表示系统吸收该热量时对应的热 力学温度，上式表明系统存在一个状态函数，此状态函数值只与系统的初态和终态 有关，与过程所历经的路径无关。在热可逆反应中有： 嬲：( 孥可逆 ( 2 2 ) 式中s 即为该状态函数，称为熵( e n t r o p y ) 【1 6 】。式( 2 2 ) 表示可逆过程中熵等 于系统吸收的热量d q 与恒温热源温度t 之比。对于不可逆过程，根据卡诺定理可以 证明： 枷卑) 不可逆 ( 2 3 ) 综合公式( 2 2 ) 和( 2 3 ) ，可以得到微过程的热力学第二定律的数学表达式： 嬲( 氅 ( 2 4 ) 式中“= ”适用于可逆过程，“ ”适用于不可逆过程。 对于一个孤立或绝热系统，d q = 0 ，由( 2 - 4 ) 式有：搬2 0 。即当热力学系统从一个 平衡态经绝热过程到达另一个平衡态，它的熵永不减少。如果过程是可逆的，则熵 值不变；如果过程是不可逆的，则熵值增加。对于一个孤立系统来说，它和外界不 发生任何相互作用，它的熵总是不减的。此即所谓的熵增加原理。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 2 熵的统计解释 克劳修斯提出熵的概念后，玻尔兹曼从分子运动的角度研究了熵，发现某一宏 观态所对应的微观态数目w 的对数正好与热力熵s 成正比，提出了著名的玻尔兹曼 关系式： s t k l n ( 2 4 ) 式中，k 为玻尔兹曼常数，其值为1 3 8 1 0 2 3 j k f ”】。该式【1 b 】将熵s 与微观态数 目w 联系起来，既说明了微观态数目w 的物理意义，又给出了熵函数的统计解释 或微观意义，这一统计解释为熵进入其它领域开辟了道路。 熵增原理认为【1 9 】：孤立系统内部的过程向熵增加方向发展，直至封闭的熵最大 为止。玻尔兹曼关系认为：系统向微观态数目增加的方向演变，直到系统微观态数 目最大为止。微观态数目越多的状态出现的几率越大，平衡态是微观态数目最大的 状态。因此，最大熵是平衡的度量。 熵【扯2 1 1 是系统可能拥有微观态数目的量度。系统微观态数目越多，表明系统内 部运动越多样化，越混乱无序，熵越大：反之，系统微观态数目越少，系统内部运 动越单一化，越有序，熵越小。极端情况下，系统只有个微观状态，即w 熵也 就为零，系统处于绝对温度零度时，就是如此。联系到微观状态数，容易看出，微 观状态数的多少就是混乱度无序度的大小，即微观态的多少反映了系统混乱度的大 小 2 2 1 。由玻尔兹曼关系式知，系统某一状态熵的大小，对应于该宏观态所包含的微 观态数目的多少。因此，熵增的过程正是系统无序度增大的过程，熵小即系统无序 度小，熵大就是系统混乱度大。由此不难看出，玻尔兹曼关系式揭示了熵的本质：熵 代表了一个系统的无序程度，也就是说，熵是系统混乱度( 或无序度) 的量度【矧。 微观状态数w 是无序的量度，它的倒数1 、可作为有序的一个量度。由于1 w 的对数等于w 的负对数，即：l n ( 1 ，w ) = 1 n w ，于是可将玻尔兹曼关系式写为： 一s = k i n ( 1 )( 2 - 5 ) 对于这个带负号的熵，常称为负熵。熵既然是系统无序度的度量，负熵就可以 成为系统有序度的度量。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 3 信息熵 信息是对事物状态、存在方式和相互联系进行描述的一组文字、符号、语言、 图像或情态【2 4 1 。信息之间相互联系。信息的特征在于能消除事情的不确定性。即通 过所收集的信息量增多，实现事物从不确定到确定转变i 矧。因此有： i ( 信息量) = 不确定程度的减小量( 2 6 ) 设某随机实验a ( 随机事件) 的可能结果( 独立的) 为x 1 x 2 ，x n ，则出现相应 结果的几率为号，最只，且只- 1 ，一般地有 “= 一驰只 ( 2 7 ) “为a 先验地含有的不确定性的量度，申农将信息熵与统计熵概念相联系，引入 函数： h ；h ( 弓，最只) = 一k 号i n 足 ( 2 8 ) 日为a 先验地含有的不确定性的量度。式中h 为信息熵，也称为申农熵，k 为 常数，p 为系统处于某种状态的几率吲。 由公式( 2 - 6 ) 和( 2 8 ) 可知： i 幅息量) 2 日= 一k 驰弓 ( 2 - 9 ) 若不确定事件可能出现的结果数为彤且相应可能结果出现的几率p 相等，即则 式( 2 9 ) 将成为 日l 一足l n p ( 2 1 0 ) 或h 一足1 1 1 ( 2 1 1 ) 将比例系数k 视为玻尔兹曼常数k ，式( 2 1 1 ) 与式( 2 4 ) ( 热力学熵s 的表达式) 有 完全相同的形式，即信息熵公式( 2 8 ) 或( 2 1 0 ) 已将热力学熵包含于本身之中。 对于连续型随机事件x 设它具有连续分布的密度函数p 0 ) ，则该连续型随机事 件x 的熵值瑚】 华中科技大学硕士学位论文 日 ) ；一七j 二= p ) l n p o ) ( 醯 ( 2 - 1 2 ) 为了进一步理解熵的性质和定义信息量，此处引进条件熵的概念【2 9 1 。设a 、b 两个随机试验，以p a j ) 作为试验a 出现结果a j 的条件下，试验b 出现结果b ，的 概率。根据概率论中条件概率原理直接得出试验a 出现a j 下b 的熵为： h ( b ) = 一p ( 6 f ，n ，) l n p ( 红口，) ( 2 1 3 ) 称平均值： 日一( b ) 2 荔p ( 口，) 抒叶p ) _ k 善p ，) 善p ( 6 l ，口n p 7 口，) ( 2 1 4 ) 为在a 实现下试验b 的条件熵。 2 2 最大熵原理 2 2 1 最大熵原理的含义 申农的信息熵较好地解决了随机事件不确定性程度的度量问题，但没有鼹决随 机事件的概率是如何分配的问题。即对均值、方差等已知的情况下，如何确定随机 事件的概率，简尼斯提出一个选择准则( 当根据部分信息进行推理时，必须选择这 样一组概率分配，它应具有最大的熵，并服从一切己知的信息。这是能够做出的唯 一的无偏分配；使用任何其它分配，就等于对原来没有信息做了随意假定”。并据此 建立了推理准则，即最大熵原理f 3 1 习2 1 。 2 2 2 最大熵原理的数学模型 离散型随机变量的熵公式如下j 3 日一k 只l n 只 ( 2 - 1 5 ) 且 荟号= 1 曰z o( 2 - 1 6 ) 在不知霉值而知日达到极大值，再加上具体的约束条件，就可以把h 求出。一般 情况下，约束条件通常以变量x 的某种函数，o ) 的平均值为已知值得形式出现，再加 华中科技大学硕士学位论文 上必不司少的式( 2 - 1 6 ) 。 假设有m 个约束条件( m n ) ，表示m 个x 的已知函数，o ) ，允0 ) ， 0 ) 都有事先确 定的平均值e ，f 2 ，。，只，即 最= 罗 “) 只 k = 1 ，2 ，m ，且m n( 2 1 7 ) 4 _ 现在问题转化为在满足式( 2 1 6 ) 和式( 2 - 1 7 ) 的约束条件下，p 都取何值恰好使式 ( 2 1 5 ) 的熵达到极大值，为此还可以建立如下规划问题模型： m a x 一驷只 s t e 2 善矗 ) 足 k = 1 ，2 ，m ，且m 当两个影响因子鼍和之间完全正相关时，取n = 1 ，完全负相关时，岛2 1 3 当两个影响因子和j 之间正相关程度比较密切时，取岛2 0 5 ，负相关程度比较 密切时，取成= 一o 5 3 2 2 计算评价指标z 的各阶原点矩 从基于最大熵准则的影响分析模型中可以看出，模型求解的关键在于得知评价 指标z 的各阶原点矩( 一般取前三阶即可满足精度要求，即m l ，m 2 ，m 3 ) 【3 9 4 “。而 根据各专家集体讨论得出的各个影响因子五的三点估计值，再结合三角分布的密度 函数，故可求出各个影响因子t 的各阶原点矩和各阶中心矩。再根据多元随机变量 函数的性质，可以求出评价指标z 的前三阶原点矩。 具体求解步骤如下： 1 评价指标z 的理论数值特征值1 4 2 l 设多元随机变量函数z 。g ( ，x ：，x 。) 的自变量鼍( i ；1 2 ，硼) 的联合概率密 度函数为 ，( z ) = 厂“，屯，) 则其随机变量z 的均值或期望值心为： 心一e z ) 厂产( 一，屯，) ，( 葺，屯，) 如d 也，西 ( 3 6 ) 随机变量x 的方差吒2 为： 吒2 一阮， z 一，以z 一心 2 ，“，屯，) 如出：，癣。；点 z 2 卜绝2 ( 3 7 ) 1 2 华中科技大学硕士学位论文 这里需要指出，虽然在理论上由鼍( f = 1 ，2 ，n ) 的联合分布可以求出评价指标z 的分布及其数字特征值，但具体计算却是非常复杂。因为，在具体计算时与函数 z ；g ( t ，z ：，) 、集合d 及概率分布函数厂“，x ：，以) 的形式有关，一般只有在比 较强的条件下才能得出结果。 2 评价指标z 各阶中心矩的近似求法 由于许多实际问题的z = g “，屯，吆) 是非线性的，且其随机变量z 的概率密度 函数难以获得，因此用式( 3 6 ) 和( 3 7 ) 来计算评价指标z 的数字特征值是非常困难的， 所以有时采用一些近似的计算方法【4 3 1 。近似计算方法包括泰勒展开法和基本函数法， 本论文中采用泰勒展开法。 这种方法是先将随机函数展开为线性或二次函数的泰勒近似式，然后再求它的均 值和方差作为原函数均值和方差的近似值。 设n 个影响因子的均值为如，心，标准差为吒q ：，o i 相关系数矩阵为 岛1p 1 2 p 2 1p 2 2 以l 成2 阢 胁。 - 尸k 将总体影响函数g ( 五，恐，o 。) 在其各个风险因子的均值以( ic 1 ，2 ，件) 处展开成泰 勒级数，即有： ( 肌川+ 蓦( t 一心) 缸+ 三砉砉( t 一心) ( - 一如) k 式中，所有一阶和二阶导数均代入心( f = l2 ，站) 取值。 为了表述方便，将各影响因子鼍的二阶中心矩( 即方差2 ) 记为c ，2 ，相应 的三阶中心矩记为q 3 。 若将上式两边取期望值e k ) ，考虑到占 一如) = o ， e k 一以：) ( x ，一粕) 】= n ，石飞呼，并且忽略高阶项，则可求出也 华中科技大学硕士学位论文 驴g ( 一+ 丢砉辜+ 耋薹去k n ，厅疗 评价指标z 的二阶中心矩定义为： e 2 = e ( z 一心) 2 】。e 【z 2 一心2 c 将z 与如的表达式代入上式，在忽略高阶项以后，其结果为 c ：2 。喜( 等l 。卜+ z 砉蓦( 鲁l 。) ( 寄n ，厅厅+ 砉。) ( 骞| ，。卜3 评价指标z 的三阶中心矩也可以通过类似的方法求得： 哆砉荽3 需要特别指出的是，在用泰勒展开级数表示各阶矩时，由于忽略了鼍的高阶矩 和平方以上的展开项，因此存在一些误差。计算证明，如果各影响因子薯的标准差 厄与均值纠孙m 矧是磁地2 州恪骱矩删燃精确值 的差另u 很j 、。 3 原点矩与中心矩的变换关系 从概率论知，总体影响随机变量z 的一阶原点矩是它的均值，即： m 。= e ( z 1 ) t 咆 二阶原点矩 m ：一e ( z 2 ) = c z 2 + ( 心) 2 三阶原点铕 m ，。e ( z 3 ) i e ( z 一心+ 他) 3 】 = e ( z 一心) 3 + 3 ( z 一口z ) 2 + 3 ( z 一心) ( 绝) 2 + ( 心) 3 = 巴3 + 3 巴2 心+ ( 拖) 3 1 4 华中科技大学硕士学位论文 3 2 3 通过非线性优化计算程序求出最大熵密度函数 由公式( 3 - 5 ) 可知，为了求得评价指标z 的最大熵密度函数，还必须求出系数 口，届，展，岛 根据上一章推导的公式( 2 3 5 ) 与( 2 3 7 ) 有以下方程组成立： 雠啦p 【荟舡卜 ! ：【至竺：j 竺。m ， ，j、 。x p 【荟反j 出 竺挚垩啦 ( 3 8 ) 三个方程三个未知数，可以联立求出，崩，色，岛。为了便于数值求解，将方程组 最：。一! ：【至竺：j 竺二a ；l ：， 。， p 坤【荟舡。卜 般当月墨s 或恨f s 岛，即认为式( 3 8 ) 收敛，f ( 或) 为预先给定的允许偏差。求 仆h 【f e x p ( 塞h 由此，将。，届，反，乜代入式( 3 5 ) 即可得评价指标z 的最大熵密度函数，0 ) 。 华中科技大学硕士学位论文 4 基于经验法的三金潭污水处理工艺方案比选 4 1 设计出水水质及处理程度 4 1 1 设计出水水质的确定 根据武汉市城市总体规划及武汉市环保局有关文件，府河( 武汉段) 按地表 水环境质量标准( g h z b l 1 9 9 9 ) 中的类水体控制，本项目污水处理厂尾水将排 入府河( 下游) ，汇入长江。因此，三金潭污水处理厂出水水质应执行国家污水综 合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 中的二级排放标准，出水水质指标确定如下： b o d 5 ：= 3 0 m g l ；s s ：= 3 0 i n g ，l ； c o d c r ：= 1 2 0 m g l ；n h 4 + 一n ：= 2 5 m g l ；p 0 4 j 一p ：= 1 ( h n l 4 1 2 污水处理程度 根据污水处理厂设计进、出水水质，确定污水处理程度，见表4 1 表4 1污水处理厂进、出水水质及处理程度 4 2 污水处理工艺及比选方案的确定 4 2 1 工艺方案选择的指导思想 污水处理厂工艺选择的指导思想如下： ( 1 ) 工艺先进而且成熟，流程简单，对水质适应性强，出水达标率高，污泥易于处理、 处置； 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 耗电量小，运行费用低，投资省，占地少； ( 3 ) 运行管理方便，设备可靠，易于维护； ( 4 ) 重视环境，控制噪声，防治臭气，创造文明生产条件。 城市污水处理厂处理工艺分为两部分，包括污水处理工艺和污泥处理工艺。 4 2 2 常规二级处理工艺 常规二级处理工艺，采用了传统的活性污泥法技术。 根据我国现行室外排水设计规范( g b j l 4 8 7 ，1 9 9 7 年版) ，污水处理厂的处 理效率见表4 2 表4 2 污水处理厂工艺处理效率 从表4 - 2 可见，活性污泥法工艺的处理效率最高，但常规二级处理工艺仅能有 效地去除b o d 5 、c o d 和s s ，而对氮和磷的去除有一定的限度，仅从剩余污泥中排 除一部分氮和磷，氮的去除率约为2 0 左右，磷的去除率约为1 2 2 0 ，达不到本 工程对磷去除率的要求。本工程( 近期) 对i n 的去除要求不高，但对t p 的去除率 要求7 0 以上，针对本工程设计进、出水水质，采用常规一级处理和常规二级处理 出水水质( 部分水质指标) 无法达到国家二级排放标准，因此，必须选择二级处理 强化除磷工艺。 4 2 3 污水脱氮除磷基本原理 污水脱氮除磷可供选择的处理方法通常有生物处理法及物理化学法两大类。目 前，对城市污水常用生物脱氮除磷技术进行处理瞰】。物化法脱氮主要有折点氯化法、 离子交换法、空气吹脱法等，国内外的实践结果表明，从经济、管理、处理效果等 方面考虑，这几种方法均不适宜在城市污水处理厂中使用。物化法除磷主要是向污 华中科技大学硕士学位论文 水中投加阳离子絮凝剂，与水中溶解性的磷酸盐生成不溶性化合物，同时，污水中 碱性氢氧根存在，产生氢氧化物絮体，使非溶性可沉固体越聚越大，然后从污水中 分离出来，达到除磷的目的。实践表明，单从除磷效果而言，物化法对磷有很高的 去除率，一般可达7 5 9 0 。 ( 1 ) 生物脱氮 污水中的有机氮、氨态氮等在好氧条件下被氨化菌转化为氨氮，而后在硝化菌 的作用下变成硝酸盐氮，此阶段称为好氧硝化。随后污水中的硝酸氮在缺氧条件下， 由反硝化菌作用使硝酸氮还原成氮气从污水中逸出，此阶段称为缺氧反硝化。 按照上述原理，要进行生物脱氮，必须具有缺氧好氧过程，即所谓缺氧好氧 ( a 0 ) 生物脱氮系统。o 生物脱氮系统设计中需要控制的几个主要参数就是要有 足够的污泥龄和进水的碳氨比。 ( 2 ) 生物除磷 生物除磷是利用污水中的聚磷菌( 不动杆菌，a c i n e t o b a c t e r ) 在厌氧条件下，受 到压抑而释放出体内的磷酸盐，产生能量用咀吸收快速降解有机物，并转化为p h b ( 聚b 羟丁酸) 储存起来。当这些聚磷菌进入好氧环境时就降解体内储存的p h b 产 生能量，用于细胞的合成并超量吸收磷，形成含磷量高的污泥，随剩余污泥一起排 出系统，从而达到除磷的目的。 按照上述原理，要进行除磷必须具备厌氧好氧过程，这样就形成a o 系统，即 厌氧一好氧生物除磷系统。a o 生物除磷系统设计中需要控制的几个主要参数就是 要有足够的进水的碳氮比、碳磷比和较短的污泥龄。 若在o ( 厌氧，好氧) 系统中，增设缺氧池，形成州a o 系统，即厌氧一缺氧 好氧生物除磷脱氮系统。 ( 3 ) 化学除磷 污水中磷的存在形式主要有三种：正磷酸盐，聚合磷酸盐和有机磷。 化学除磷主要是向污水中投加药剂，使药剂与水中溶解性磷酸盐形成不溶性磷 酸盐沉淀物，然后通过固液分离将磷从污水中除去。固液分离可单独进行，也可与 二沉污泥的排放相结合。根据工艺流程中化学药剂投加点的位置，磷酸盐沉淀可分 华中科技大学硕士学位论文 成前置沉淀、协同沉淀和后置沉淀三种类型。前置沉淀的药剂投加点是在初沉池之 前，药剂与原污水形成的沉淀物通过初沉污泥一起排除。协同沉淀的药剂投加点包 括初沉淀出水、曝气池出水及二沉池之前的其它位置，形成的沉淀物与剩余污泥一 起排除。后置沉淀的药剂投加点是在二级生物处理的出水中，形成的沉淀物需通过 另设的固液分离设旖( 如澄清池、滤池) 进行分离。 化学除磷的药剂主要包括石灰、铁盐和铝盐等。 a 投加石灰法 向污水中投加石灰，污水中磷酸盐与石灰的化学反应可用下式表示： 主反应：3 h 2 p 0 4 _ + 5 c a 2 + + 7 0 r c a 5 ( o h ) ( p 0 4 ) 3 i + 6 h 2 0 副反应：c a 2 十+ c 0 3 2 。一c a c 0 3 污水碱度所消耗的石灰量通常比形成磷酸钙类沉淀物所需的石灰量大几个数量 级，因此石灰法除磷所需的石灰投加量基本上取决于污水的碱度，而不是污水的含 磷量。满足除磷要求的石灰投加量大致为总碳酸钙碱度的1 5 倍，投加量较大。 石灰法除磷的p h 值通常控制在1 0 以上，由于高的p h 值会破坏污水中微生物 的增殖和活性，所以一般不采用此法。 b 投加铁盐和铝盐 以亚铁离子( 盐) 和三价铁盐、铝盐混凝剂为例，金属盐与水中的磷酸盐沉淀 反应可以表示如下： 亚铁离子( 盐) 混凝：3 f e 2 + + 2 p 0 4 3 = f e 3 ( p 0 4 ) 2 l 三价铁盐、铝盐( 用m e 3 + 表示) 主反应：m c 3 + + h 2 p 0 4 _ m e p 0 4 + 2 h 十； 副反应：m e 3 + + 3 h c 0 3 _ - _ m e ( o h ) 3 + 3 c 0 2 沉淀反应伴随碱度的减少，导致系统中污水p h 值的下降。 可见，铁盐与铝盐均能与磷酸( 氢) 根离子( p 0 4 3 。、h 2 p 0 4 。) 作用生成难溶性 的沉淀物，通过去除这些难溶沉淀物可去除污水中的磷。 化学除磷工艺对t p 有很高的去除率，一般可达7 5 9 0 ，但化学除磷药剂 投加量很大，产泥量将增加很多。 1 9 华中科技大学硕士学位论文 4 2 4 本工程采用生物除磷工艺的可行性 b o d 5 ：n ：p 的比值是影响生物除磷脱氮的重要因素，氮和磷的去除率随着 b o d 5 n 和b o d 5 p 比值的增加而增加。对于生物除磷工艺，要求b o d 5 p = 3 3 1 0 0 ， 且b o d 5 小= 3 本工程进水b o d 5 小= 3 4 ，b o d 5 p = 3 7 5 ，能基本满足生物除磷工艺对 碳源的要求。因此，本工程采用生物除磷工艺是可行的。 实际上生物除磷脱氮对c ：n ：p 的比值要求是指进入曝气池的污水水质，而不是 指原污水水质。因为在设有初沉池情况下，其比值会有所变化。 按照我国现行规范，城市污水处理厂设初次沉淀池的停留时间宜为1 o 2 o h ， 初沉淀池对b o d 5 去除率为2 0 3 0 。德国排水规范( 加na 1 3 1 ) 中给出了不同停 留时间的沉淀池对污染物的去除率，见表4 3 。 表4 1 3 沉淀池对污染物的去除率 项目 停留时间 0 。5 1 0 ho 5 1 。o h 1 5 h b o d 51 6 7 2 5 o 3 3 o c o d 1 6 7 2 5 0 3 3 o s s4 2 9 5 0 o 5 7 1 n 9 1 9 1 9 1 呈 ! ：竺丝! ：q 丝 ! ：q 丝 按照表4 3 的去除率，本工程著设初沉池，则经过初沉后的污水( 即进入曝气 池的污水) 的b o d 5 瓜和b o d 5 p 值见表4 4 ： 表4 _ 4 o 5 1 03 1 5 3 4 1 o 1 5 2 8 3 2 9 6 1 5 2 5 3 2 6 5 将表4 4 中b o d 5 小和b o d 5 伊值与污水厂进水的比值进行比较，可以发现， 对于不同停留时间的初沉池，其出水b o d 5 肘和b o d 归值均下降，初沉池停留时间 2 n 华中科技大学硕士学位论文 越长，比值下降越多。 本工程如初沉池停留时间按o 5 1 o h 计，进入曝气池的b o d 5 = 1 0 0 m 班， c o d c r = 2 0 0 m g ，l ，s s = 9 1 m g l 、t n = 3 1 8 m g l 、t p = 2 9 4 m l ，b o d s n 和b o d 沪 的比值可以满足生物除磷( 脱氮) 的要求。若初沉池停留时间大于1 0 h ，可能导致生 物处理池难以正常运行。因此，本工程若考虑合流污水需设初沉池，其停留时间宜 控制在o 5 1 o h 之内。 4 2 5 污水处理工艺概述 目前用于城市污水处理的生物处理工艺大体上分两大类： ( 1 ) 按空间分割的连续流活性污泥法 连续流活性污泥法指各种处理功能在一定的空间序列( 即一系列不同的处理单 元) 内完成。目前常用且比较成熟的工艺有：氧化沟法、o 法、刖o 法和a b 法等。 ( 2 ) 按时间分割的间歇式活性污泥法 间歇式活性污泥法，又称序批式活性污泥法，近年来，基于s b r 及其改良型工 艺的应用较多，发展很快。目前主要有如下工艺：传统s b r 法、i a 狐s 法、c a s t 法、c a s s 法、d a t 【a t 法、u l l i t a n l 【法和m s b r 法等。 其中：间歇式活性污泥法因管理复杂，自控水平要求较高，对池容及设备的利 用率较低，国内在中、小规模城市污水处理厂中应用较多，在大型城市污水处理厂 工程中应用较少。 当前国内已建规模较大的城市污水处理厂采用二级处理工艺，且满足国家二级 排放标准的，主要有下列几种类型，即：普通曝气法、氧化沟法、o 法，此外针 对现状水质较高或较低的实际情况，城市污水强化一级处理工艺已引起了我国水处 理工程界的重视。 针对本工程，现对上述几种工艺分述如下： a 普通曝气法 普通曝气法又称普遍活性污泥法，是出现最早的处理工艺，因为处理效果稳定， 污泥负荷高，池容小，至今仍有强大的生命力。但普通曝气法主要是去除污水中的 华中科技大学硕士学位论文 b o d 5 、c 0 d 、s s ，不具备除磷脱氮功能，只能作为常规二级处理工艺，对于低浓度 污水仅因生成污泥的需要可去除一部分氮、磷。普通曝气法可适应大的水量，生成 的污泥量( 尤其是初沉泥量) 较多，对于大型污水处理厂，一般建污泥消化设施。传统 的普通曝气法由于多采用表面曝气，氧利用率低，动力效率较低，电耗较大。在近 年的工程实践中，对普通曝气法工艺进行多种形式的改进，如普曝池前设厌氧池， 可以除磷；亦可采用化学法除磷；还可通过降低曝气池容积负荷，达到脱氮的目的， 此外在池型上也有了多种形式。 b 氧化沟法 氧化沟工艺是五十年代初期发展形成的污水处理技术，因其易于管理，设备简 单，很快得到推广。原始的氧化沟属延时曝气，不设初沉池，主要去除b o d 5 、c o d 污水达到硝化阶段，由于污泥龄长，污泥相应得到好氧处理，泥量少且稳定。氧化 沟一般采用转刷( 转碟) 表面曝气，管理简单。原始的氧化沟是间断运转。6 0 年代 发展为连续运转，增设了二沉池的工艺，将曝气和沉淀分开，近年来，氧化沟工艺 不断创新发展，已发展成多种形式。有代表性的有帕式( p a s v e e r ) 单沟式、奥式( o r b a l ) 同心圆式、卡式( c a r r d u s e l ) 折流循环式；近年来国内引进了d e 型双沟式和t 型三 沟式氧化沟。这些工艺能适用各种规模的污水处理厂。 c o ( 厌氧好氧) 法 0 生物除磷系统一般由厌氧段、好氧段组成，以去除b o d 5 、c o d c r 、s s 、p 为主。该工艺是在曝气池前增设厌氧池，污水中的磷在厌氧环境中由聚磷菌释放出 来，在好氧环境中聚磷菌超量吸收磷，并以剩余污泥的形式排出系统，具有较好的 除磷功能。但由于整个系统无缺氧段，因此脱氮效果较差。在a o 生物处理系统中 污泥在好氧、厌氧环境中交替运行，可以抑制丝状菌的过度繁殖，防止污泥膨胀。 采用o ( 厌氧，好氧) 活性污泥法可以在不增加基建投资和运行费用的条件下， 改变运行工况就能增强除磷效果，无论是正建和已运行的污水处理厂都可采用此工 艺，这对减少我国水域的磷污染负荷具有重要的价值。从目前活性污泥法发展及其 利用