水質(zhì)工程課程設(shè)計計算實例水質(zhì)工程課程設(shè)計是連接理論知識與工程實踐的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它要求我們綜合運用水力學(xué)、水化學(xué)、微生物學(xué)以及水處理工藝等多方面的知識，解決實際的水質(zhì)凈化或污水處理問題。本文將通過一個簡化的城鎮(zhèn)污水處理廠設(shè)計計算實例，闡述課程設(shè)計中常見的思考路徑與計算方法，希望能為同學(xué)們提供一些有益的參考。一、設(shè)計背景與基礎(chǔ)資料在著手任何設(shè)計之前，詳盡的基礎(chǔ)資料收集與分析是必不可少的。這包括了設(shè)計區(qū)域的用水或排污情況、原水或污水的水質(zhì)特性、處理后水的排放標(biāo)準(zhǔn)、場地條件、氣候因素以及可利用的資源等。假設(shè)我們本次的課程設(shè)計任務(wù)是為某小型城鎮(zhèn)設(shè)計一座污水處理廠。*設(shè)計規(guī)模：根據(jù)該城鎮(zhèn)的人口規(guī)模、人均用水量以及污水排放系數(shù)，初步確定污水處理廠的設(shè)計流量。例如，若城鎮(zhèn)人口約為若干千人，人均日生活用水量為某百升，污水排放系數(shù)取零點八左右，則生活污水量可估算為每日若干立方米。同時，考慮到工業(yè)廢水的混入以及一定的發(fā)展預(yù)留，設(shè)計總規(guī)模可在生活污水量基礎(chǔ)上增加一定比例，比如百分之二十至三十，作為總變化系數(shù)和工業(yè)廢水的貢獻(xiàn)。最終，我們將設(shè)計規(guī)模確定為每日處理污水若干百立方米。*設(shè)計水質(zhì)：通過對該城鎮(zhèn)現(xiàn)有污水管網(wǎng)的代表性取樣分析，并參考類似城鎮(zhèn)的污水水質(zhì)數(shù)據(jù)，我們確定了進(jìn)廠污水的主要水質(zhì)指標(biāo)。例如，COD濃度在某百到某百毫克每升之間，BOD5約為COD的一半左右，懸浮物濃度亦在某百毫克每升上下，氨氮和總磷也有相應(yīng)的范圍值。*處理要求：處理后出水需達(dá)到國家相關(guān)的城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中的一級A標(biāo)準(zhǔn)，這意味著對各項污染物的去除率都有較高的要求。二、處理工藝流程選擇基于上述水質(zhì)水量特征和處理要求，我們需要選擇合適的處理工藝流程。一般而言，城鎮(zhèn)污水處理的核心在于有機(jī)物的去除和氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的脫除?？紤]到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)對氮磷的嚴(yán)格要求，傳統(tǒng)的活性污泥法可能需要輔以深度處理單元。經(jīng)過對多種工藝的比選，如普通活性污泥法、SBR法、A/O法等，我們綜合考慮了處理效率、運行穩(wěn)定性、操作管理難度、占地面積以及建設(shè)和運行成本等因素。對于本設(shè)計規(guī)模和水質(zhì)特點，A/O（缺氧/好氧）生物脫氮工藝因其在去除有機(jī)物的同時能有效進(jìn)行生物脫氮，且流程相對簡單、運行費用適中，被認(rèn)為是較為適宜的選擇。后續(xù)再輔以必要的沉淀、消毒等單元，確保出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。因此，初步擬定的工藝流程為：進(jìn)水→格柵→沉砂池→初沉池→A/O生物反應(yīng)池→二沉池→接觸消毒池→出水三、主要處理單元設(shè)計計算接下來，我們將對工藝流程中幾個關(guān)鍵的處理單元進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計計算。（一）格柵格柵的主要作用是去除污水中較大的懸浮或漂浮物，保護(hù)后續(xù)處理構(gòu)筑物的設(shè)備不受損壞。1.設(shè)計參數(shù)選擇：*設(shè)計流量：按最大時流量計算。已知日處理量為若干百立方米，假設(shè)總變化系數(shù)Kz為1.5，則最大時流量Qmax=(若干百m3/d)/24h*Kz。*柵條間隙：考慮到是城鎮(zhèn)污水，選用中格柵，柵條間隙e取10-20mm，此處取15mm。*過柵流速v：一般采用0.6-1.0m/s，此處取0.8m/s。*格柵安裝角度α：60°-90°，此處取60°，以提高截留效果并便于清渣。*柵前水深h：0.4-1.0m，此處取0.6m。2.計算：*格柵寬度B：單柵條寬度s取10mm。柵條間隙數(shù)n可由下式計算：n=Qmax/(e*h*v*3600)代入數(shù)據(jù)：n=Qmax(m3/h)/(0.015m*0.8m*0.8m/s*3600s/h)計算可得n的數(shù)值，向上取整為整數(shù)根。則格柵總寬度B=(n-1)*s+n*e。將s和e的單位換算為米代入計算。*格柵渠寬度：考慮到安裝和維護(hù)空間，格柵渠寬度應(yīng)略大于格柵寬度B，此處取B+0.2m。*柵槽有效長度L1：L1=h1/tanα，其中h1為柵前渠道深，此處即柵前水深h=0.6m。*格柵總長度L：L=L1+L2+L3，其中L2為格柵前的保護(hù)段長度（一般取0.5-1.0m），L3為格柵后渠道漸寬部分的長度或工作臺長度。*柵渣量：根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，柵渣量一般為0.1-0.01m3/1000m3污水，取較小值估算，以確定格柵清渣方式（人工或機(jī)械）。對于本設(shè)計規(guī)模，若柵渣量較小，可采用人工清渣，每日清渣1-2次。（二）A/O生物反應(yīng)池A/O生物反應(yīng)池是本工藝的核心處理單元，主要功能是去除有機(jī)物和進(jìn)行生物脫氮。1.設(shè)計參數(shù)選擇：*設(shè)計流量：Q=若干百m3/d，平均時流量q=Q/24。*進(jìn)水水質(zhì)（假設(shè)）：BOD5=L0=某十mg/L，TN=N0=某十mg/L，NH3-N=某數(shù)值mg/L，MLSS=X=3000mg/L（一般2500-4000mg/L），MLVSS/MLSS=f=0.7-0.8，取0.75。*出水水質(zhì)要求：BOD5=Le=某數(shù)值mg/L，TN=Ne=某數(shù)值mg/L。*污泥齡θc：對于脫氮工藝，θc一般取10-25d，此處取15d。*污泥產(chǎn)率系數(shù)Y：取0.5-0.8kgVSS/kgBOD5，此處取0.6。*衰減系數(shù)Kd：取0.05-0.1d?1，此處取0.08d?1。*BOD5去除負(fù)荷率Ns：一般0.1-0.4kgBOD5/(kgMLVSS·d)，可用于校核。*水力停留時間HRT：A/O工藝總HRT一般為8-16h，其中缺氧段HRT約為1-2h，好氧段HRT約為6-14h。2.好氧段容積計算（按污泥齡法）：好氧段容積V好=(Y*Q*(L0-Le)*θc)/(Xv*(1+Kd*θc))其中Xv=X*f=3000mg/L*0.75=2250mg/L=2.25kg/m3。將各參數(shù)代入：V好=(0.6*Q*(L0-Le)*15)/(2.25*(1+0.08*15))計算得出好氧區(qū)的體積。3.缺氧段容積計算（按水力停留時間或脫氮需求）：若按水力停留時間，設(shè)缺氧段HRT為2h，則V缺=q*2。也可根據(jù)所需脫氮量計算。每日需脫氮量=Q*(N0-Ne)/1000。假設(shè)反硝化速率為某數(shù)值kgNO3?-N/(kgMLVSS·d)，則所需缺氧區(qū)容積V缺=脫氮量/(Xv*反硝化速率)。兩種方法可相互校核。此處暫按HRT法計算。4.A/O池總?cè)莘e：V總=V好+V缺。5.校核BOD5負(fù)荷：Ns=Q*(L0-Le)/(V總*Xv)，計算結(jié)果應(yīng)在0.1-0.4kgBOD5/(kgMLVSS·d)的合理范圍內(nèi)。6.回流比：*污泥回流比R：一般20%-100%，取50%。*混合液回流比R內(nèi)：為保證脫氮效果，混合液回流比通常較大，一般100%-400%，取200%。7.反應(yīng)池主要尺寸：假設(shè)采用2座（或1座2格）反應(yīng)池，每座有效容積V單=V總/2。設(shè)有效水深H=4.0m，超高0.5m，則總水深為4.5m。單座反應(yīng)池面積A單=V單/H。若采用推流式，設(shè)池長L與池寬B之比為5-10，取L/B=8。則B=√(A單/8)，L=8B。由此可確定反應(yīng)池的長、寬、深尺寸，并進(jìn)行分格。（三）二沉池二沉池的作用是將A/O生物反應(yīng)池出水中的活性污泥進(jìn)行分離沉淀，澄清水質(zhì)，并將部分沉淀污泥回流至生物反應(yīng)池，剩余污泥則排出系統(tǒng)。二沉池的設(shè)計通常有平流式、輻流式和豎流式等形式。對于中小型污水處理廠，輻流式二沉池應(yīng)用較為廣泛。此處按輻流式沉淀池（中心進(jìn)水，周邊出水）進(jìn)行設(shè)計。1.設(shè)計參數(shù)選擇：*設(shè)計流量：Qmax=最大時流量（考慮回流污泥后的流量，Q總=Qmax+R*Qmax）。*表面水力負(fù)荷q：一般取0.8-1.5m3/(m2·h)，對于活性污泥法后的二沉池，宜取下限，此處取1.0m3/(m2·h)。*沉淀時間t：一般1.5-3.0h，此處取2.0h。*有效水深H：H=q*t=1.0m3/(m2·h)*2.0h=2.0m。加上緩沖層、污泥斗高度等，總水深會更大。2.計算：*沉淀池表面積A：A=Q總/q。*池子直徑D：采用圓形輻流池，A=πD2/4，則D=√(4A/π)。直徑D應(yīng)圓整至0.5m的倍數(shù)。*校核堰口負(fù)荷：周邊出水堰的堰口負(fù)荷q堰=Q總/(πD)，應(yīng)小于等于2.9L/(s·m)（或10m3/(m·h)）。若不滿足，可考慮增設(shè)出水槽。四、設(shè)計計算小結(jié)與后續(xù)工作通過以上對格柵、A/O生物反應(yīng)池和二沉池等主要單元的設(shè)計計算，我們初步確定了這些構(gòu)筑物的關(guān)鍵尺寸和運行參數(shù)。當(dāng)然，一個完整的課程設(shè)計還遠(yuǎn)不止這些，還需要對沉砂池、初沉池、接觸消毒池等其他處理單元進(jìn)行同樣細(xì)致的設(shè)計計算。同時，還需考慮各單元之間的管路連接、高程布置、設(shè)備選型（如格柵除污機(jī)、刮泥機(jī)、曝氣設(shè)備、回流泵等）、電氣與自控、輔助建筑物（如綜合樓、維修間、污泥處理處置設(shè)施等）以及環(huán)境保護(hù)與勞動安全等方面的內(nèi)容。在設(shè)計過程中，我們需要不斷查閱相關(guān)的設(shè)計手冊、規(guī)范和資料，如《室外排水設(shè)計規(guī)范》(GB____)、《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB____)等，確保設(shè)計的合規(guī)性和科學(xué)性。同時，設(shè)計不是一成不變的，需要根據(jù)計算結(jié)果和實際情況進(jìn)行反復(fù)的調(diào)整和優(yōu)化，比如當(dāng)某個參數(shù)計算結(jié)果超出合理范圍時，要回溯檢查設(shè)計參數(shù)的選取是否恰當(dāng)，計算過程是否有誤，并進(jìn)行修正。五、結(jié)語水質(zhì)工程課程設(shè)計是一個系統(tǒng)性的實踐