材料科学与工程学院毕业论文（设计） 1 前言 施长期超负荷承载。全国绝大多数城市的污水处理能力远远满足不了实际需要。
有鉴于城市污水处理的重要意义和深远影响，为促使经济建设、城乡建设与环境建设同步规划、同步实施、同步发展，以实现经济效益、社会效益和环境效益的统一，J市拟规划建设一座日处理量10 万吨的城市生活污水处理厂。
目前J市城区供水由自来水和自备水源两部分组成，自来水公司主要提供给居民生活用水及部分用水量较小的工厂生产用水，而大部分工厂企业生产用水由自备水源解决。城区现在状水厂设计供水量能力为60 万吨/日。现状排水为分流制排水体制，城市生活污水未经处理直接排入城区排水沟，现状排放量为：8万吨/日。拟定建成一座日处理量10万吨的城市生活污水处理厂，占地面积100亩，污水排放水质达到以下排放要求：CODcr≤20 mg/L，BOD5≤15 mg/L, pH=6-9 ，SS≤20 mg/L,NH3-N（10℃）≤5 mg/L,TN≤12 mg/L(10℃)。
污水处理厂采用卡鲁塞尔2000 氧化沟工艺。建成的污水处理厂机构实行一体化管理，分工明确，管理严密。运营具有可持持续性，预算和收入清晰，有承担能力。设计结果表明：污水处理厂处理后的出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中的一级B标准。
2 文献综述
2.1 我国污水处理现状
我国城市污水处理事业开始于1921 年,上海首先建立了北区污水处理厂。近年来随着经济的发展,水污染控制所面临的问题愈加严重,同时污水处理能力的建设也取得了一定的成就。“十一五”期间，我国城镇污水处
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材料科学与工程学院毕业论文（设计） 2文献综述 理厂数量年均增长8%，截至2010年9月底，全国建成2630座城镇污水处理厂，日污水处理能力达到1.22亿立方米，在建污水处理厂1849座，日污水处理能力4900万立方米。“十一五”期间我国城镇水务事业快速发展，城镇污水处理量每年以10%的速率增长，2009年城市污水集中处理率达到73%，较“十五”末提高21%。截至2010年9月，“十一五”COD削减450万吨。此外，“十一五”期间我国城镇供水能力不断提高，2010年城镇公共供水服务人口达到4.74亿，比2000年增加了1.26亿。虽然取得了以上成就，但同先进国家相比,我国城市污水处理事业从数量、规模、普及率以及机械化、自动化程度上,还都存在着较大的差距。按照《城市污水污染控制技术政策》要求,城区人口达50 万以上的城市,必须建立污水处理设施;在重点流域和水资源保护区,城区人口在50 万以下的中小城市及村镇,应依据当地水污染控制要求,建设污水处理设施。 2.2 我国城市污水处理工艺
目前,城市污水处理主要采用生物活性污泥法。生物活性污泥法有多种处理工艺,城市二级污水处理厂常用的工艺方法有:普通曝气法、A - B 法(二段曝气法)、A / O 除磷工艺、A / O 脱氮工艺、A2 / O 除磷脱氮工艺、氧化沟工艺等。已有的生物除磷脱氮工艺可分成A / O系列、氧化沟系列和序批式反应器(SBR) 系列等。随着各个系列不断地发展和改进,形成了目前的较典型的工艺,如A / O 工艺、A2 /O 工艺、改良A2 / O、倒置A2 / O 工艺、Carrousel 氧化沟工艺、百乐克工艺等[1]。 2.3 污水处理厂优化设计研究
在传统的城市污水处理厂设计中, 工程设计人员都是根据自己有限的工程经验和直觉来进行设计，这种设计通常只能产生少数几个设计方案可供分析和评估。这样, 许多好的方案可能被忽略掉了。怎样产生多个可以相互替代的方案, 并且从中选出最好的设计方案, 一直是工程设计人员追求的目标。也就是城市污水处理厂的优化设计问题。 2.3.1 历史回顾
对城市污水处理厂优化设计理论的研究,始于上世纪60 年代。1962 年，Lynn 等人试图用系统分析的方法来选择污水处理厂的优化处理链，并
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材料科学与工程学院毕业论文（设计） 2文献综述 建立了线性规划模型进行优化，以实现系统的最小总费用。
但是,人们很快就发现线性规划对于处理过程的优化是不充分的，因为污水处理过程的相互关系，无论是在推理上还是在经验上，通常都是非线性的。这样, 动态规划就得到了普遍流行,最明显的证据是Chia 和krishman (1969)，Evenson 等( 1969)，Chia 和DeFilippi ( 1970)等人的工作。
在以后的研究中,Middleton 和Lawrence (1976)、Bowden 等( 1976)， Lauria 等( 1977)，Craig 等( 1978) ，Rossman (1980)，Narbaitz 等( 1980) ，Dick ( 1984)等用的都是非线性规划模型。而在Rossman 和以后的研究者中,模型的发展能够用来比较优化了的处理方案,这项工作的成功是因为了他们引入了0～1决策变量, 因此,就成为一个非线性混合整数规划模型。
在城市污水处理厂化化设计理论发展的初始阶段,许多研究都用来优化一些特殊的单元或一些小规模的单元，而对于整个污水处理厂的优化设计则很少。1981 年,Danial Tyteca 建立了非线性规划模型,对整个城市污水处理厂进行了优化设计,把城市污水处理厂的优化设计理论推进了一大步。1987年,Tang 等人又建立了较为完善的活性污泥污水处理系统的优化设计模型。在这之后,U bdr 等(1991)，Kao ，J.J 等( 1993) 以及Alderman 等(1994,1998) 都对城市污水处理厂的优化设计理论的发展作出了一定的贡献,使城市污水处理厂优化设计理论的实际应用成为了可能。 2.3.2 模型发展
城市污水处理厂优化设计理论发展至今,已经建立了一些相对比较完善的系统模型,在不同的发展时期,有以下几个较为代表性的模型:
（1）Paul M. Berthouex 等建立的污水处理系统模型； （2）Tyteca 等建立的城市污水处理厂非线性规划模型； （3）U ber 等建立的污水处理厂稳定优化设计模型。 2.3.3 存在的问题
城市污水处理厂优化设计理论经过几十年的发展, 在系统模型的整体结构方面, 已趋于成熟, 但要具体应用于实际, 如下几个问题还需进一步研究:
（1）模型中的经验公式
在城市污水处理厂优化设计理论发展的各个系统模型中, 都含有不少经验公式, 其中有些公式是在二十世纪六、七十年代发展的, 这些公式都有一定的适用条件 ,而今在应用于新的系统模型时, 这些系统模型在某些
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材料科学与工程学院毕业论文（设计） 2文献综述 假定条件下可能与公式的适用条件相符合, 但具体应用于实际, 其适用性需进一步研究。
（2）模型中的参数
在现今发展的系统模型中, 参数变量较多, 其中大部分参数是经验上的或实验室中的数据, 在具体应用时, 其可靠性需进一步研究。
（3）不确定性因素的影响
在城市污水处理厂优化设计理论研究中, 不确定性因素对整个系统的优化影响很大, 这种不确定性不仅仅表现在一些参数的不确定性上, 更重要的是自然条件、政治和经济的发展等不确定性因素的存在。如何在实际应用中把这些不确定性因素综合考虑进去, 以使系统模型理论上的最优解在实际应用中也趋于最优, 是亟需解决的问题[2]。 2.4 Carrousel氧化沟工艺
2.4.1 概述
图1 卡鲁塞尔氧化沟
Figure 1 Carrousel oxidation ditch
卡鲁赛尔(Carrousel)氧化沟简称循环折流式氧化沟，采用表面曝气机曝气，如曝气转刷、曝气转蝶、倒伞曝气机等。随着污水处理中对脱氮除磷的要求，carrousel 氧化沟自1967年由荷兰DHV公司发明的第一代的普通的carrousel 氧化沟发展为具有脱氮除磷功能的carrousel 2000型氧化沟，后又发展为第三代的carrousel 3000型氧化沟。国内许多污水处理厂使用的情况证明，氧化沟工艺是一种工艺流程简单、管理方便、投资省、运行费用低、工艺稳定性高的污水处理技术。至今世界上已有850多座carrousel氧化沟和carrousel 2000系统正在运行。
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材料科学与工程学院毕业论文（设计） 2文献综述 2.4.2 Carrousel氧化沟的结构和原理
Carrousel氧化沟使用定向控制的曝气和搅动装置，向混合液传递水平速度，从而使被搅动的混合液在氧化沟闭合渠道内循环流动。因此氧化沟具有特殊的水力学流态，既有完全混合式反应器的特点，又有推流式反应器的特点，沟内存在明显的溶解氧浓度梯度。氧化沟断面为矩形或梯形，平面形状多为椭圆形，沟内水深一般为2.5～4.5m，宽深比为2:1，亦有水深达7m的，沟中水流平均速度为0.3m/s。氧化沟曝气混合设备有表面曝气机、曝气转刷或转盘、射流曝气器、导管式曝气器和提升管式曝气机等，近年来配合使用的还有水下推动器。
最初的普通carrousel氧化沟的工艺中污水直接与回流污泥一起进入氧化沟系统。表面曝气机使混合液中溶解氧DO的浓度增加到大约2～3mg/L。在这种充分掺氧的条件下，微生物得到足够的溶解氧来去除BOD5；同时，氨也被氧化成硝酸盐和亚硝酸盐，此时，混合液处于有氧状态。在曝气机下游，水流由曝气区的湍流状态变成之后的平流状态，水流维持在最小流速，保证活性污泥处于悬浮状态（平均流速>0.3m/s）。微生物的氧化过程消耗了水中溶解氧，直到DO值降为零，混合液呈缺氧状态。经过缺氧区的反硝化作用，混合液进入有氧区，完成一次循环。该系统中，BOD5降解是一个连续过程，硝化作用和反硝化作用发生在同一池中。由于结构的限制，这种氧化沟虽然可以有效的去处BOD5，但除磷脱氮的能力有限。为了取得更好的除磷脱氮的效果，Carrousel 2000系统在普通Carrousel氧化沟前增加了一个厌氧区和绝氧区（又称前反硝化区）。全部回流污泥和10-30%的污水进入厌氧区，可将回流污泥中的残留硝酸氮在缺氧和10-30%碳源条件下完成反硝化，为以后的绝氧池创造绝氧条件。同时，厌氧区中的兼性细菌将可溶性BOD5转化成VFA，聚磷菌获得VFA将其同化成PHB，所需能量来源于聚磷的水解并导致磷酸盐的释放。厌氧区出水进入内部安装有搅拌器的绝氧区，所谓绝氧就是池内混合液既无分子氧，也无化合物氧（硝酸根），在此绝氧环境下，70-90%的污水可提供足够的碳源，使聚磷菌能充分释磷。绝氧区后接普通Carrousel氧化沟系统，进一步完成去除BOD5、脱氮和除磷。最后，混合液在氧化沟富氧区排出，在富氧环境下聚磷菌过量吸磷，将磷从水中转移到污泥中，随剩余污泥排出系统。这样，在Carrousel 2000系统内，较好的同时完成了去除BOD5、COD和脱氮除磷。
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