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1、西北地区村镇生活污水处理设计研究目录摘要1弓I言2筑合概论211农村生活污水水质水量及产排特点21，国内外农村污水处理技术3i4膜生物法工艺介绍3俄方案确定451设计原始资料4)5工艺比选51工艺确定10：*工艺说明1211预处理123)主处理工艺123.3后处理工艺一一消毒池13战国各设计计算144.1设计参数1445调节池1444反应池设计14d4膜组件设计16d；总需氧量的计算164K剩余污泥量计算1747消毒池18dA一体化MBR设备尺寸19洪五事总结20摘要我国西北地区是全国经济发展水平较低的一个区域，尤其西北乡村地区环保意识落后，污水处理设施及不完善，水污染情况严重。且国内针对西北
2、地区的农村生活污水处理技术研究非常匮乏，缺少针对寒冷地区分散式小规模污水处理装置的研究。本文对西北地区村镇生活用水的产排、污水处理装置进行了调查研究。针对西北地区的气候地貌等特点，设计了地埋式一体化膜生物反应器。本次设计设定五户村民共用一套污水处理装置，并作统一排放，本系统预计埋藏在农户后院闲置土地的冻土层下。一体化膜生物反应器内置调节池、厌氧池、好氧膜池及消毒池，具有能耗低、耐冲击负荷等优点，且无需村民日常维护。本设计处理的生活污水出水水质可以达到城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)一级标准。关键词：农村生活污水、膜生物反应器、一体化污水处理设施、寒冷地区污水治理引言农村
3、生活污水是我国农村地区污染物的主要来源之一。村民生活污水严重危害了水体的安全，不仅影响整个农村的生态环境，与此同时也制约着居民生活水平的提升和农村经济的发展。2021年2月21日，中央发布了中共中央国务院关于全面推进乡村振兴加快农业农村现代化的意见。其中强调了农村污水处理不当，臭水黑水对农村环境的污染危害，要因地制宜的建设污水处理设备，从污染源控制减少。西北地区占全国的三分之一，与之带来的环境问题也是不容小觑的。西北地区的地势以高原和盆地为主，海拔介于397.52806.1米。气候大部分为温带大陆性气候和高寒气候。气温冬寒夏热，是典型的气候变化敏感区，生态环境脆弱。西北地区具有足够的风能、太阳
4、能资源，主要分布在内蒙古、宁夏、新疆等地。西北的地区的冬半年风力强劲，可因地制宜利用自然风能作为污水处理设施的动能。中国西北地区居住在农村的人口占到总人口七成，在全国范围内，经济发展处于较低的水平。近些年西北地区的经济增长较快，但居民的环保意识较欠缺，农村地区水污染严重，污水处理设施不完善。农村污水较城市污水有排放地点分散的特点，所以城市的大型污水污水处理厂并不适用。国内针对西北地区的农村生活污水处理技术资料非常匮乏，有待进一步深入研究。第一童概论11农村生活污水水质水量及产排特点1、污染物浓度低。可生化性较强。农村污水COD浓度日变化波动范围在100到400、BOD浓度范围在50到300oC
5、OD、BOD、NH4+-N.TN和TP浓度随着时间产生了明显波动，在8点一16点出现了高峰，这是因为白天时间段的污染物浓度较高，夜间污染物浓度较低。B0D5比COD数值在0.5左右，生物法处理效果良好。生活污水有两种产生途径。黑水指人的生理废水，含有的氮、磷等营养物质。灰水指日常洗漱洗澡产生的废水或者是厨房做饭产生的废水。其特点是污染物浓度比混合生活污水低。夏季在雨水的稀释下，由于很多地方采用明渠排放，收集的污水中污染物浓度会很低，但泥砂量会增多。此外，人的粪尿中含有大量的细菌病毒，寄生虫等。这部分污染源虽然在冬季对水环境没有什么危害,但是一到雨季和洪水期就会爆发污染，对水体和人类健康造成巨大
6、的困扰。2、水量波动大，且具有时间规律性。在人口密度低的西北村庄，村民生活污水的排放主要集中在白天的三个时间段。早晨六点到八点、中午十一点到下午一点和晚上六点到八点村民用水量和排水量都比较大，这是应为在这几个时间段村民会集中的做饭和清洁。由于大部分农村人口平时会外出打工，节假日才回家，所以节假日水量比平时大，主要集中在春节期间。3、排放情况西北农村人口居住分散无序，大多都无完善的污水收集管网和污水处理设施，多采用合流制沟渠。以排放雨水为主，也承接庭院污水的排放，或经化粪池简单处理后就直接排入河道和农田，对周边环境造成污染。由于农村生活污水日排放量量并不高，建设小型的污水处理设施以及生态技术的应
7、用是较为可行的。1 2国内外农村污水处理技术目前，国内外常用的农村污水处理技术主要有净化槽、膜生物反应器、SBR,厌氧好氧组合工艺、土地利用系统、曝气池、氧化沟等。总体可分为生态处理技术、生物处理技术、组合处理工艺和一体化处理技术。但是西北地区具有气候干旱严寒、经济发展落后的特点，普通的污水处理技术并不能在西北地区发挥最佳的效果，针对西北农村设计的污水处理工艺更为匮乏。膜生物法工艺介绍1. 3.1膜生物法的基本原理和分类膜生物反应器（MBR）技术是将超、微滤膜分离技术与污水处理技术中的生物反应器耦合而形成的一种新兴的污水处理工艺。其中的生物反应相和膜组件这两个部分是MBR工艺的核心组成部分。其
8、原理是污水进入反应器中，微生物将污染物吸附降解，并在一段时间后形成一个更加完整、世代周期更长的微生物降解体系。膜组件的主要功能就是截留微生物和过滤固体污染物。1.2.2 膜生物反应器的特点1、出水水质优质且稳定因为膜具有选择透过性的特点，能够有效的截留活性污泥混合液中的微生物和大分子有机物，悬浮物和浊度接近于零，也能有效的去除细菌和病毒。这样不仅可以延长在反应器中的停留时间，延长了污泥龄,保持污泥的高浓度,提高了生化反应效率。2、占地面积小、容积负荷高、不受场合限制传统的生化处理系统需要较大的二沉池用来沉淀生化处理的污水，甚至还需要增设沉砂池等系统用来保证出水水质达标。而膜生物反应器增设了膜分
9、离装置，不仅实现了优于传统二沉池达到的效果，还省去了建造二沉池的占地面积。特别是以MBR原理为主的一体化污水处理设备，将生物吸收降解和泥水分离在一个反应器内同时进行的目的。MBR工艺的容积负荷可以达到20kg-COD(113d)综上原因，以MBR为主处理工艺的污水处理系统所需占地面积为传统污水处理系统的三分之二。3、造价高、能耗大膜材料价格较高，所以MBR工艺的成本高于传统工艺。而且膜材料极易污染，清洗膜组件也增加了不少的成本。一般会采用膜下曝气等方式克服膜污染，也增加了运行成本和能耗。4、氨氮去除效果较好农村污水普遍有氨氮处理率低的现象，出水总氮往往不能达标。由于膜的截留作用，硝化细菌可以较
10、传统工艺中的微生物更长时间的停留在反应器内。因此提高氨氮的去除率至百分之九十。1.2.3 膜生物反应器的应用研究膜生物反应器起源于美国二十世纪六十年代，采用分置式MBR,COD去除率高达98%o二十世纪七十年代日本引入膜生物反应器，由于国土面积小、地价昂贵，膜分离技术的研发得到了大力支持。早期MBR主要为分置式，单位产水能耗较高，于是研发了浸没式MBR,就是把膜组件设置在曝气池中。我国MBR研究始于二十世纪九十年代。研究范围由早期的生活污水不断拓展到各类工业废水。膜组件类型也不断增加，常用的有中空纤维膜、平板膜和管状膜等。第二章方案确定21设计原始资料西北部分地区经济状况较好，具备抽水马桶、浴
11、室、洗衣机等用水设施，人均用水量较高。部分地区经济条件较差，基本用水设施不够完善、村民基本使用旱厕，人均用水量较少。综合以上情况，取人均用水量80升每天。人均排水量与用水量呈正相关，且排水量与当地村民的经济水平、用设施及污水收集与排放设施水平密切相关。对于给排水设施完善的地区，排水量可按用水量的百分之九十计算。西北部分农村地区给排水系统欠缺，取80%。设定五户村民（每户3到4人）共用一套污水处理设施。经计算，8053.50.9=12601.d=1.26m3d=1.26td得日处理污水量为1260升/天。表2-1西北村镇用水统计用水设施情况每人用水量（1.M）用水设施齐全75-140用水设施不完
12、善50-90无用水设施30-60污水水质如下:表2-2生活污水水质单位:mg/1.CODTPSSBODNH/-NPH1004006100300503003506.58.5出水水质应满足城镇污水处理厂污染物排放标准（GB189182002）中一级排放标准：表2-3出水水质标准单位：mg/1.CODTPBODNH1-NSSPH6012015206922工艺比选生物处理技术是利用微生物的分解作用降低污染物浓度。生态处理技术是利用土地、植物等介质去除污水中的有机物。生物+生态联合处理技术结合了生物处理技术处理效果好和生态处理技术成本能耗低等优势，得到了广泛的应用。根据本设计的处理要求，提出如下三种方案
13、：2. 2.1厌氧+好氧联合处理工艺2.2,1.1概述此工艺在厌氧池中添加生物填料，在去除有机物的同时达到厌氧释磷的条件，然后污水进入曝气生物接触氧化池中。在曝气生物滤池中，生物分解了大部分污染物，聚磷菌吸收磷。西北地区饮食具有高油高盐的特点，所以在反应池前设置隔油池。农村生活污水还具有机物含量高的特点，厌氧消化有利于处理高浓度有机废水，同时达到较好的除磷效果。所以该方案综合以上优点，采用厌氧+好氧联合处理工艺。2.2,1.2工艺流程图2-1厌氧+好氧联合处理工艺流程图表2-4厌氧+好氧联合工艺构筑物去除效率进/出水单位：mg/1.去除率单位：%名称项目CODBODTP氨氮SS格栅进水4003
14、00650300出水400300650210去除率1030名称项目CODBODTP氨氮SS调节池进水400300650210出水400300650210去除率沉砂池进水400300650210出水400300650168去除率1520隔油池进水400300650168出水360270650134.4去除率5105101020厌氧生物滤池进水360270650134.4出水54275.41513.4去除率70857090102060706090生物接触氧化池进水54275.41513.4出水5.42.71.082.256.7去除率80908090708080854050沉淀池进水5.42.71.
15、082.256.7出水4.322.161.082.253.35去除率1020102040502.2.2氧化沟2.2.2.1 概述氧化沟是在传统活性污泥法的基础上，采用了环形沟渠设计。该方法利用延时曝气，在传统活性污泥的基础上增加了水力停留时间，大大减少了有机物浓度。污水经过氧化沟处理后，出水水质可以达到污水排放标准。一体式氧化沟针对农村的经济水平和技术条件比较理想。氧化沟工艺具有以下特点：一、氧化沟工艺的水力停留时间长、运行较稳定、出水水质好；二、采用延时曝气的方法，剩余污泥少；三、污泥龄长，一般在十五到三十天，具有较强的脱氮能力；四、可以不设置初沉池，操作和维护都比较容易；五、小规模氧化沟需
16、要保暖、且单位污水处理费用较高。2.2.2.2 工艺流程结合农村污水特征和技术经济条件，选用生物-生态结合处理技术，工艺流程如下：图2-2氧化沟工艺流程图2.2.2.3 去除效率表2-5辄化沟沿程去除效率进/出水单位：mg/1.去除率单位：%名称项目CODBODTP氨氮SS化粪池进水400300650300出水340255647.5210去除率I(H5I(TI5351030调节池进水340255647.5210出水340255647.5210去除率一体式氧化沟进水340255647.5210出水3425.51.54.742去除率80908095507585957080生态沟进水3425.51.
17、54.742名称项目CODBOD5TP氨氮SS出水13.610.20.61.8812.6去除率60706070607060706070人工湿地进水13.610.20.61.8812.6出水4.083.060.240.7525.04去除率507050704060506050602.2.3一体化膜生物反应器（MBR）2.2.3.1 概述MBR工艺是将生化处理和膜过滤相结合的一种工艺。其中生化处理主要降解污水中的有机物，降低了有机物浓度。膜过滤部分主要分离污水中的悬浮物。由于本设计水量较小，且西北地区气候寒冷,采用一体化地埋式膜生物反应器作为污水处理装置。2.2.3.2工艺流程2.2.3.3去除效率
18、表2-6沿程去除效率进/出水单位：mg/1.去除率单位：%名称项目CODMnB0D5TP氨氮SS格栅进水400300650300名称项目CODMnB0D5TP氨氮SS出水400300650210去除率1030调节池进水400300650210出水400300650210去除率厌氧池进水400300650210出水160105640168去除率60652020好氧膜池进水160105640168出水1610.50.928.4去除率85908090808590959095消毒池进水1610.50.928.4出水1610.50.928.4去除率2，工艺确定表2-7工艺比较工艺流程一体化MBR厌氧+好
19、氧联合处理工艺氧化沟运营难度操作简单曝气槽每月冲洗日常操作简单，无需调整费用建设费用较少建设费用较多，维护费用较少小规模氧化沟的单位污水处理费用较高能耗能耗较少能耗较少较少占地面积占地面积较小占地面积较大占地面积较大工艺确定:氧化沟工艺操作管理简单，处理效果可满足出水要求。但是占地面积较大、构筑物利用率不高、单位污水处理费用较高。农村地区，经济水平不发达，应采用低成本的工艺，此工艺不可行。厌氧+好氧联合处理工艺具有良好的除磷效果，且能处理高浓度粪便污水。但是此工艺占地面积较大，且需要维护人员定期冲洗操作，在偏远的农村地区较难实现,容易出现设备荒废闲置的情况。MBR工艺固液分离效果较好，无需设置
20、二沉池，且一体化装置进一步减少了占地面积。一体化MBR装置操作简单，只需半年一次的维护。西北地区冬季严寒，本设计采用地埋式一体化MBR装置。第三章工艺说明该系统的工艺流程主要包括三个部分，包括预处理、主要处理、后期处理。三个部分共有四个处理池，并列设置，四个池子同高同宽，整体呈现矩形。该一体化装置埋在当地冻土层以下，起到保温作用，不占用地表土地的使用，且美观。设备选用玻璃钢材质，耐腐蚀，抗压能力强。玻璃钢材质虽初次投入成本高，但是维护费用低，长远考虑比较理想。工1预处理3.1.1格栅在生物反应器前应设置超细格栅，避免毛发或尖锐的固体进入膜池，造成膜堵塞和膜损坏。本设计采用中空纤维膜，故应在膜反
21、应器入口处设置8T0mm的细格栅。格栅可布置在每户的排水沟渠中，由于每户日排水量较少，故也可将格栅设置在一体化装置的入口处。3.1.2调节池农村生活污水不会每时每刻均匀排放，水量变化量较大。在生化反应池前可设置蓄水池，起到均匀水量的作用。还可以增加一定的保温措施，减少温度过高或过低对生化反应的影响。本设计需要调节污水水量，采用水量缓冲调节池。W2主处理工艺3.2.1厌氧池污水首先进入厌氧反应池，该池不设置曝气装置，严格控制密封性。该条件下，要严格控制细菌的生存条件，如氧气浓度在O.lmg1.以下，且厌氧菌喜高温条件。在厌氧好氧的交替作用下，达到了污水去除高浓度有机物的目的，也为下一步好氧条件下
22、除磷做准备。3.2.2好氧膜池好氧膜池是将传统的生物反应器和膜过滤工艺相结合，膜单元过滤系统称作膜组件。本设计将膜组件设置在曝气池中，鼓风机上方。污水进入膜池后，绝大部分有机污染物被活性污泥分解，之后再由膜组件过滤出水。以上为工艺的主要处理过程，去除了污水中百分之九十的污染物。其中膜组件可以起到二次沉淀过滤的作用。目的是分离固体微生物和大分子物质，提高污水处理效率。在膜组件下端、反应池底部设置鼓风机等装置。鼓风机的设置不仅能给微生物提供分解有机物的氧气，还能够冲刷一部分沉积在膜表面的污染物。3.2.2.1 膜组件的分类表3-1不同种类膜组件特性比较项目中空纤维膜板式膜管式膜单位投资较低较高较高
23、污染趋势较易较难较难清洗较难较易较易适用规模大、中、小大、中、小中、小优点不易变形、寿命较长易于维护清洗可减少污染缺点预处理要求高占地面积大预处理要求高本设计采用三菱丽阳中空纤维膜。型号为SUR2341.。膜组件设置正在曝气池中间,底部设置膜支架，尺寸为455mmX100OmmX15mm。3.2.2.2 膜组件的选取：膜生物反应器处理生活污水期间，会发生毛发堵塞膜组件，尖锐物滑坡膜组件，污染物污染膜组件等情况。所以在选择膜组件的过程中，膜组件的抗污染性需要特别注意。因为如果膜组件易污染、易损坏，不仅会增加该工艺的运行成本，耗费人力物力，还会影响村民的日常使用，造成污染不能及时处理的后果。此外要
24、考虑以下因素：1、有足够的抗污染性、足够的强度；2、能够保证稳定的出水量；3、制造成本低，易于维护，便于清洗和检修；4、曝气方式节能。3. 3后处理工艺消毒池污水经过生化处理以后，污染物浓度已经明显下降，但是细菌病毒总数依然很大。所以应该增加消毒处理，避免细菌、病毒等微生物进入河流，危害附近村民的身体健康问题。污水消毒措施主要是向污水中添加液氯。液氯具有效果稳定，价格便宜的特点。第四章设计计算4.1设计参数4. 1.1进出水水质表4-1工艺进出水水质单位：mg/1.CODBODTNTP氨氮SS进水IO(T4005030010030035066.58.5出水1610.50.928.4164. 1
25、.2设计流量平均流量：Qa=1.26m3d=12601.d=1.45XI(TSm3。设计流量Q=m3t取流量系数Kz=1.2,贝J:最大设计流量QmaX=1261.2m3d=1.512n3d=1.75X105n3s42调节池设计调节池有效水深1m,且容积应大于水泵出水五分钟的水量即可。水泵出水五分钟的水量：V=1.75IoTm3/s605=5.25X10-3m3故设计调节池为矩形，尺寸为0.3mX1m、池深1.5m4R反应池设计4.3.1反应池容积生化反应池分为两部分。污水先经过厌氧池，再经过曝气膜池。反应池容积指两池总体积。V总哨(47)式中：Q-进水流量。单位r113d,取1.512。So
26、一污水中BOD5的浓度。单位mg/1.,取300。N-BODs污泥负荷。单位KgBOD5/(KgM1.SSd),一般取0.1-0.2,本设计取0.2X-混合液悬浮固体浓度。单位mg/1.,生活污水一般为3000-4000,本设计取3500o根据上式，得：V总=(1.512X300)/(0.IX3500)=1.296泡，故反应池体积取2.25fl!4.3.2S总反应池总面积cV总八S乃=-(4-2)总H总式中：V总得2.25m3H总有效高度取1.5o根据上式，得：S总=1.5m24.3.3反应池总水力停留时间Vt=-(4-3)Q式中：V反应池容积V总=2.25r113Q污水流量，m3d,取1.5
27、12m3d根据上式，得：t=1.5d=36h1.512本设计取水力停留时间6h4.3.4各段水力停留时间和容积本次设计总水力停留时间为3h。且厌氧池时间：好氧池时间=1:2,得:厌氧池水力停留时间：t1=l36=2h厌氧池容积：V2=l32.25=0.75m3好氧池水力停留时间：J=236=4h好氧池容积：V1=2/3X2.25=1.5m34.4膜组件设计4.4.1膜面积膜面积由处理水量和膜平均通量决定。Qmax(4-4)“cp式中：QmaM设计处理水量。单位/113d,取1.5121113d;F膜平均通量，一般在0.4-1.2m7m2.d,本设计取1.2；则膜面积为1.26m2表4-2本设计
28、使用膜组件参数特性名称特性参数材质聚乙烯膜孔平均直径0.4m跨膜压差I(T50KPa耐化学药品性耐酸耐碱性强膜支架尺寸455mm1000mm15mm膜有效面积1.5m2膜通量101.m2h曝气量0.7m3m2.h适用温度15-404.S总需氧量的计算4.5.1生化反应需氧量(4-5)O2=a,QSr+b,VXv其中：。2污水生化反应耗氧量，kgO2d;T活性污泥微生物氧化分解有机物时的需氧百分比。单位kg2kg,生活污水为0.380.55,取0.5；Q处理污水流量。单位m3d,取1.512；Sr有机污染物能过通过生物反应被降解的量。单位kgr3,取289.5；u每一天生物内源代谢氧气消耗量。单
29、位kgo2(gd)；生活污水Iy为0.190.11,取0.15；V曝气池体积。单位11取1.5；XvM1.VSS浓度。单位kgm3o生活污水一般为3000-4000,本设计取3500o由上式得：O2=0.51.512+0.151.5=1.005kgO2d10001000b空气量：29o1.005=1.412n3d161.29/其中：29/16空气的摩尔质量/氧的摩尔质量g/mol；1.29空气的密度kgm3o4.5.2膜吹扫空气量曝气量不仅要满足污泥氧化需要，还要对膜表面起到冲刷的作用，以达到减轻膜污染的目的。本设计采用三菱丽阳中空纤维膜，曝气量为0.7n?/k.h则吹扫膜需空气量为：0.3X
30、24X1.3=9.36m7d由于生化反应需氧量远远小于吹扫膜需氧量，故鼓风机的选型应以9.36m7d作要求，鼓风机可设置在一体化设备上方，池体外侧。46剩余污泥量计算1、降解BOD5生成污泥量W1=Y(Sa-Se)Q(4-6)其中：Y污泥增长系数，取0.5；W1降解B0D5生成污泥量；Se反应池进水BODomg1.,取300mg1.;SC一反应池出水BODomg1.,取10.5mg1.;Q每日污水量，M3d(1.512m3do根据上式，得：W1=0.5X：；：X1.512=0.218Kgd2、内源呼吸分解污泥量：W2=bVX(4-7)其中：b-污泥自身氧化率，取0.05V-好氧池容积，疗,Kl
31、m3X一混合液悬浮固体(M1.SS)浓度，mg1.,取3500mg1.根据上式，得：W2=0.051=0175Sd3、不能生物降解的悬浮物量：W3=b(S1-S2)Q(4-8)其中：S一进水水质SS的浓度，mg1.,取210mg1.S?一出水水质SS的浓度，mg1.,取8.4mg1.根据上式，得：W3=(210-8.4)1/10001.5120.05=0.015Kgd剩余污泥量计算：W=W1-IV2+IV3(4-9)其中：W一剩余污泥量，Wi消除BODs生成污泥量。0.218Kg/d；W2内源呼吸分解污泥量。0.175Kgd;W3不能生物降解的悬浮物量。0.015Kg川。由上式得：W=0.05
32、8Kgd47消毒池4. 7.1消毒池容积接触消毒池容积为：V=Qt(4-10)式中：Q处理水量t接触消毒时间，取30minV=1.75XIOTX30X60=0.0315m3设计消毒池尺寸为0.5mXlm,池深1.5m。4.7.2加氯量的计算本设计使用添加液氯的方法作为出水前的处理。液氯的投加量为8mg1.0则每日投加液氯量为：81.512=12gd4.fl一体化MBR设备尺寸一体化设备尺寸2.55m1m,池体深1.5m。第五章总结现有的村镇生活污水技术只适用于气候温和且人口集中的南方地区，迫切需要解决大西北地区水体污染的技术。西北地区经济发展不能支撑起价格昂贵的先进技术，标准的污水处理设施不能
33、普及，水环境污染已将严重的影响到居民的日常生活和自然环境。为了践行可持续发展的观念，迫切需要研究一套能够解决该地区问题的方案。此外西北地区具有冬季气候严寒的特点，本设计针对以上特点设计了地埋式一体化膜生物反应器,确保了冬季低温不会影响到反应池内的生化反应。反应器主要包括格栅、调节池、厌氧池、好氧膜池、消毒池几个部分。设计具体尺寸为2.55mlm1.5m0本设计适用于三到五户农户每日生活污水的集中处理，可满足西北地区大部分村镇的需求。一体化设备无需村民操作，维护也比较简单，实用性较强。本次设计还有很多不足的地方，对于西北村镇生活污水的研究还有很大的空间。我们还要继续深入学习研究相关的知识，为西北村镇生活污水的研究尽自己的一份力量。
