青岛理工大学学位论文独创性声明
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研究生签名：宋亚星 日期：2013.12.15
青岛理工大学学位论文使用授权声明
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研究生签名：宋亚星 导师签名^\"^^日期：2013.12.15
国内图书分类号：X 703.1 国际图书分类号：
硕士学位论文
循环氧化塘工艺处理农村生活污水
的设计研究
硕 士 研 究 生：宋亚星
导 师 姓 名：管锡珺
申请学位级别：工程硕士
学 科、专业：环境工程
所 在 单 位：环境与市政工程学院
答 辩 日 期：2013 年12 月
学位授予单位：青岛理工大学
Classified Index：X 703.1
U.D.C：
Dissertation for the Master Degree in Engineering
STUDY ON DESIGN OF THE CYCLIC OXIDATION POND PROCESS FOR
RURAL DOMESTIC
WASTEWATER TREATMENT Candidate: Song yaxing
Supervisor:Prof. Guan Xijun
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Specialty: Environmental Engineering
Date of Oral Examination: December, 2013
University: Qingdao Technological University
目 录
摘 要 ............................................................................................................................I
Abstract........................................................................................................................III
第 1 章 绪论 .................................................................................................................1
1.1 课题背景及来源..................................................................................................1
1.1.1 我国农村水资源现状...................................................................................1
1.1.2 我国农村水污染现状...................................................................................1
1.1.3 课题来源.......................................................................................................3
1.2 研究目的、意义及内容......................................................................................3
1.2.1 研究目的.......................................................................................................3
1.2.2 研究意义.......................................................................................................4
1.2.3 研究内容.......................................................................................................5
第 2 章 农村污水处理工艺概述 .................................................................................6
2.1 我国农村污水处理工艺......................................................................................6
2.1.1 土地处理系统模式.......................................................................................6
2.1.2 沼气净化池处理模式...................................................................................8
2.1.3 厌氧、好氧生物处理技术及二者组合一体化设备处理模式...................9
2.1.4 稳定塘处理模式.........................................................................................10
2.1.5 氧化沟处理模式.........................................................................................11
2.2 国外农村污水处理工艺....................................................................................12
2.2.1 高效藻类塘处理技术.................................................................................12
2.2.2 非尔脱(FILTER)处理系统.........................................................................13
2.2.3 蚯蚓生态滤池(VBF) ..................................................................................14
2.2.4“LIVING MACHINE”(LM)生态处理系统................................................14
2.2.5 日本农村生活污水处理系统.....................................................................15
2.3 农村污水处理工艺选择原则............................................................................16
第 3 章 设计工艺及进水水质特征 ...........................................................................18
3.1 设计工艺简介....................................................................................................18
3.1.1 工艺流程选择.............................................................................................18
3.1.2 工艺流程说明.............................................................................................20
3.2 污水水质特征....................................................................................................21
第 4 章 工艺流程设计计算 .......................................................................................23
4.1 处理规模及主要构筑物....................................................................................23
4.1.1 处理规模.....................................................................................................23
4.1.2 主要构筑物.................................................................................................23
4.2 设计计算............................................................................................................23
4.2.1 粗格栅设计.................................................................................................24
4.2.2 集水井设计.................................................................................................26
4.2.3 调节沉淀池设计.........................................................................................28
4.2.4 部分曝气塘需氧量计算.............................................................................29
4.2.5 高程计算.....................................................................................................31
4.2.6 溢流通道计算.............................................................................................34
4.2.7 雨水管道计算.............................................................................................35
4.2.8 污水处理系统各工艺阶段处理效果.........................................................38
4.2.9 氧化塘防渗及排洪.....................................................................................39
4.2.10 污泥处理...................................................................................................40
第 5 章 环境与经济分析 ...........................................................................................41
5.1 环境分析............................................................................................................41
5.1.1 污染源分析.................................................................................................41
5.1.2 环保措施及环境绿化.................................................................................42
5.1.3 环境监测.....................................................................................................43
5.2 经济分析............................................................................................................44
5.2.1 经济分析基本数据及依据.........................................................................44
5.2.2 经济财务评价.............................................................................................45
5.2.3 国民经济评价.............................................................................................45
5.2.4 经济分析结论.............................................................................................45
第 6 章 结论与建议 ...................................................................................................46
6.1 结论....................................................................................................................46
6.2 建议....................................................................................................................47
参考文献 .....................................................................................................................48
致谢 .............................................................................................................................53
摘 要
目前，村镇的快速发展及其基础设施的建设是推动社会主义新农村建设的重要途径，而污水处理显然也是基础设施建设的重要组成部分。村镇排水以生活污水为主，具有水量小、排放分散、水量和水质变化大、排放无规律等特点，特别是断流、高浓度和雨季流量大的问题。但是，村镇地区高效的污水处理工艺的技术开发和应用仍然较为滞后，导致这些污水直接流入水体，引起环境的严重污染。因此，研发简单、紧凑、高效、稳定、经济的新型污水处理工艺，使得处理后的污水水质稳定，具有非常重要的现实意义。
本课题针对村镇污水特点，设计研究了“循环氧化塘工艺”处理农村生活污水。“氧化塘”是指以经过人工适当修整的土地为基础，设围堤及防渗层的污水处理池塘。污水在池塘内缓慢的流动及较长时间的停留，通过原污水中存在的微生物的代谢功能和水生植物等多种生物的综合作用，使污水中的有机物降解，从而使污水得到净化。循环氧化塘则是充分考虑农村生活污水的季节性、收集的不完整性、雨水冲刷性等特点，使普通的氧化塘塘内水流在循环状态下实现更好的整体水质，该工艺中因为考虑到污水在系统内的循环流动，故同时也具有氧化沟的特点。本设计课题来源于山东省七级镇污水处理-氧化塘项目。本项目结合了景观设计，拟成为亲水环境，氧化塘和养鱼塘相结合，水体经养鱼塘后才予以回流，形成了立体化的环境系统和生态系统。
本设计以农村生活污水作为处理对象，对污水处理-氧化塘进行设计。本镇具有一个开阔的池塘，完全可以作为污水处理的资源。本设计属于因地制宜，主要设计结果如下：
（1）循环氧化塘工艺占地 15250m2，平均池深 2.5m，有效池容 22650m3，其中核心处理构筑物——部分曝气塘容积为 5300m3，有效池深 3m。该系统考虑远期设计，系统正常运行可使用 20 年以上。
（2）集水井尺寸为 L×B×H＝2m×1.2m×1.8m；简易调节沉淀池尺寸为 L×B×H=12m×10m×3.3m；部分曝气塘为现状池整形护坡，池内设有曝气器；养鱼塘 1、养鱼塘 2、养鱼塘 3、养鱼塘 4 均为现状池整形，四周种植绿化带。
（3）养鱼塘 4 至部分曝气塘之间设有回流管道，回流稀释比 100%，水体循环流动，同时具有氧化沟的特点，在保证出水达标的基础上同时具有脱氮除磷的能力。
（4）该设计工艺以七级镇生活污水为主要处理对象，污水处理能力为 300m3/d，系统对 COD、BOD5的去除率可达到 90%以上，对 NH3-N 的去除率可达83%。
该工艺的设计突破了建设农村生活污水处理设施中存在的经济与技术上的矛盾，充分利用了农村丰富的土地资源，降低了基建及运行成本，同时具有简单、高效、稳定的特点，可为以后该工艺在其他同类地区的实际生产与运行提供参考。
关键词：农村生活污水，循环氧化塘工艺，部分曝气塘，氧化沟，循环流动
Abstract
At present, The rapid development of the village and the construction of infrastructure is an important way to promote socialist new rural construction. And sewage treatment obviously is an important part of the construction of infrastructure.Domestic sewage is a major part of village drainage, which has the characteristics of small quantity, emissions dispersion and irregular, great variation water quantity and quality etc.Especially the problem of cut-off, high concentration and large flow in the rainy season. But in village areas, development of efficient technology and application concerned about wastewater treatment process are still lagging behind. As a result, these wastewater flow into the water bodies directly, causing serious environmental pollution. Therefore, it has a significant practical importance in developing a new wastewater treatment process, which is simple, compact, efficient,stable and economic to maintain the quality of treated wastewater stable.
This topic considering the characteristics of village sewage, and the cyclic oxidation pond process was designed and researched to treat rural domestic wastewater. The oxidation pond process is a sewage treatment pond which is based on the after artificial appropriate modification of land and set the cofferdam and impermeable layer. It is mainly rely on the function of natural biological purification to treat wastewater. The wastewater flows slowly and stay a long time in the pond.The wastewater is purified, with the organic matter in the wastewater being degraded by the microbial and aquatic plants. The cyclic oxidation pond is fully considering the characteristics of rural domestic waste which is include seasonal, imperfection of collection, and the scouring of the rain etc. And make traditional oxidation pond to achieve a better quality. Since this process considering the sewage circulating in the system, therefore also has the characteristics of oxidation ditch. This topic from Sewage treatment – oxidation pond Project of Qiji Town, Shandong Province. This project combined with landscape design and will become the hydrophilic environment.The oxidation pond and fishpond in combination with each other and water backflow after the fishpond. The whole process forms the three-dimensional environment system and ecosystem.
This design with rural domestic sewage as the treatment object and to design the sewage treatment – oxidation pond. Qiji Town has an expansively pond, which is completely used as the resources of the sewage treatment. This design is adjust measures to local conditions and main design results are as follows:
(1) The cyclic oxidation pond process covers an area of 15250 m2, the average pool depth of 2.5m, effective volume is 22650m3. The volume of the facultative aeration pond (the main structure) is 5300m3, and the effective pool depth is 3m. The system considering the forward design, and can be used more than 20 years if the system running normally.
(2) The size of collecting well is L×B×H＝2m×1.2m×1.8m. The size of simple regulation sedimentation tank is L×B×H=12m×10m×3.3m. The facultative aeration pond is existing pond which is changed shape and revetted. And in that setting the aerators. The NO.1 to NO.4 fishpod both are existing pons which are changed shape and revetted. And around them planting green belts.
(3) Between the NO.4 fishpond and the facultative aeration pond sets return piping. Water circulating and the backflow dilution ratio is 100%.It’s also has the characteristics of oxidation ditch. And it has ability of nitrogen and phosphorus on the basis of sewage reaching the effluent standard.
(4) This design with Qiji Town domestic sewage as the treatment object. The capacity of sewage treatment 300 m3/d. System for the removal rate of COD and BOD5 can reach more than 90%. The removal rate of NH3-N can reach more than 83%.
The design of this system break through the contradiction between the economy and technology, which is exist in construction process of domestic sewage treatment facilities. Make full use of the rural rich land resources and reduce the infrastructure and operating costs. It also has the characteristics of simple, efficient and stable at the same time, and can provide the reference for the actual production and operation of the process in other similar areas.
Key words: rural domestic sewage, the cyclic oxidation pond process, the facultative aeration pond, oxidation ditch, circulating 、
第 1 章 绪论
1.1 课题背景及来源 1.1.1 我国农村水资源现状
水，作为人类维系生命与健康所必需的基本物质，是人类的生存与发展、社会的文明与进步的基本保障，是社会存在和发展不可或缺的战略性资源。所谓农村水资源环境是指分布在广大农村或小乡镇地区的地表水体、土壤渗透水和地下水的统称[1,2,3,7]。
我国是一个水资源极其短缺的国家，是联合国列出的 13 个水资源最为短缺的国家之一
[1]。我国是一个农业大国，耕地总面积达
13033 万 hm2，包括 5424万 hm2的有效耕地面
积，这就导致我国年均灌溉总用水量约为 4200 亿 m3，约为全国用水总量的 70%，农村用水总量的 85%左右。长久以来，农村的农业灌溉方式多为传统的粗放灌溉，且灌溉渠道多为土渠，这种方式使得水资源渗漏大、浪费严重，水利用系数极低，造成的水资源浪费是极大的。农村工业用水方面，工业发达的沿海农村城镇民用企业用水量较大，而以手工业、商业为主的内陆农村城镇的工业用水量则较小，但浪费却极其严重，水资源的重复利用率严重不足，个别地区和行业甚至不足 10%，远低于发达国家水平[4,5]。生活用水方面，青岛地区基本实现了村村通，但是排水设施入网率较低。随着社会主义新农村的建设和农村城镇化进程的加快，农村水资源的短缺问题日益严峻。
此外，农村水资源还面临着地表水径流量逐渐减少，地下水位逐渐下降，水资源需求结构不合理等问题[6]。
1.1.2 我国农村水污染现状
水污染是指水中的有害物质在数量上超过该物质在水体中的本底含量和环境容量，从而使水体理化及微生物性质发生变化，导致水体的生态系统和水体功能受到破坏[7]。中国是农业大国，随着社会主义新农村的建设和农村城镇化进程的加快，农村的水污染问题呈现出不断恶化的趋势，河流湖泊、地表水以及地下水的水质都受到了不同程度的污染。总体而言，农村水质的污染主要是由以下三个原因造成的：农业生产方式造成的水质污染，农村生活方式造成的水质污染，村、乡镇企业造成的水质污染[8]。
农业生产方式造成的水质污染。随着我国农业科技的不断发展和应用，传统的农业生产方式也在发生着重大的变化，种植业中的农家肥等有机肥料的使用量在大幅减小，已逐渐被有机农药与有机化肥所取代。自九十年代至今，化肥与农药的使用量逐年增加，远超发达国家的使用水平，我国已逐渐成为化肥农药量的使用大国。化肥农药使用量的过大必然会造成大量流失，流失的化肥与农药被土壤及泥沙带入水体中，造成地表水及地下水的严重污染。此外，畜禽养殖业作为农业生产方式的主要组成部分，其对农村水质的污染也是不可忽视的。随着大批的畜禽养殖场的开发，农村的养殖方式由传统的的分散养殖逐渐向集中养殖演变，由此而带来的畜禽废弃物的处理和污染问题也越来越严重。由于畜禽养殖场主要采用圈养方式，加之污水处理设施的缺乏，养殖场排放的污水未经处理直接排入河道，从而直接造成了
河流与湖泊的污染。
农村生活方式造成的水质污染。农村生活污水一般呈粗放型排放[9]。由于普遍缺乏生活污水处理设施及其配套的排水管道和规定的去向，按照传统的农村生活方式，大部分的农村生活污水未经处理随处排放，排出的污水或在街道漫流，或沿排水明沟流到低洼处、池塘、水库及河流等，而生活污水中含有大量细菌、病毒等，长此以往，地表水就会受到严重污染，继而通过渗透作用影响地下水水源。除此之外，农村生活产生的大量垃圾通常被露天堆放，且未经过集中的处理，利用率也极低，不仅传播病毒和细菌，其渗滤液也会造成地表水和地下水污染，从而威胁饮用水安全。
村、乡镇企业造成的水质污染。新农村的建设及农村城镇化的进程离不开村、乡镇企业的带动与发展，但发展的同时也造成了农村生态环境的污染，尤其是农村水环境的污染。在这些企业中，小型的轻工业企业和小型矿业占一大部分，由于农村外界条件的限制，多数企业技术较落后，设备较陈旧，粗放型的生产模式使得污染物的排放量较大。进入21世纪以来，全国农村乡镇企业的废水排放总量逐年增加，污水的处理并不达标，大量的污水未经有效的处理后直接排入农村的河道及湖泊，继而影响地下水质，这就导致农村水体的大面积污染，严重影响人民的生产与生活健康[8-13]。根据多数资料显示，我国农村及乡镇地区工业废水有效处理率不到45%，与县、市等地区同类废水处理率相比普遍较低；工业废弃物综合利用率为30.9%，比县及县以上同类废弃物综合利用率低12%[14]。
农村水污染的严重直接导致了水环境的急剧恶化，其不仅降低了水体的使用功能，进一步加剧水资源短缺的矛盾，而且严重威胁到居民饮水安全和人民群众的健康。于此同时，水污染也造成了水质性缺水，两者相结合加剧了水环境危机的出现。水危机的出现，将对我国社会主义新农村的建设和农村城镇化的快速进程带来严重的影响。因此，农村水污染的治理已成为我国社会健康发展刻不容缓的任务，也是我国社会水环境可持续发展的关键要素。 1.1.3 课题来源
本课题是受山东省青岛市七级镇政府委托的污水处理-氧化塘项目，是当时青岛即墨市规划建设项目。本论文以该项目为依托，选定“循环氧化塘工艺处理农村生活污水的设计研究”为题，以青岛市七级镇现有地貌及生活污水为研究对象，研究并设计了该循环氧化塘污水处理工程，探讨适合该地区生活污水处理的实用路径。 1.2 研究目的、意义及内容 1.2.1 研究目的
随着农村城镇化进程的加快和社会主义新农村建设的发展，我国经济建设的重点也开始逐渐向农村转移。农村经济发展的同时，也相应的带来了诸多的环境污染问题，在这之中，水环境的污染尤其突出，农村污水的处理显得尤为重要。农村污水处理具有以下特点[15]：
（1）人口密度低、居住分散，水处理规模较小，水质水量变化大，一天内污水量的变化系数较大[16]。
（2）经济欠发达，污水处理设施欠缺，适用的污水处理技术较少。
（3）污水处理厂处理规模较小，运行成本高，运行管理经验较少，缺乏专业的污水处理技术人员。污水处理工艺应用所在地作为镇政府所在地，明显具备农村特征。因此，污水处理工艺不能照搬城市污水处理设施的处理工艺及运行指标，应找到适合在本地区建设的低负荷、低成本污水处理设施，因地制宜，从而解决农村经济发展过程中存在的水资源危机和水污染问题。
该循环氧化塘污水处理工艺在使污水得到净化、达到标准并排放的基础上，同时也可完成即墨市环保局的责任目标，满足当地在推进该地区城镇化进程中对水处理和环境保护的迫切需求。此外，该工艺因地制宜的特点，不但降低了工程总投资，而且还达到了污水处理过程中耗能少、成本低、运行可靠、维护管理方便的目的。
结合养鱼塘设计，实现了主动地污水处理设施维持运行的目标。 1.2.2 研究意义
生物处理方法对废水中的胶体和有机物等污染物具有很好的去除效果，是污水处理方面较为经济和有效的方法，尤其是对 BOD 含量较高的有机废水更为有效[17]。目前，污水处理工艺种类繁多，如 A/O、A2/O、Bardenpho 等，人们可以根据不同的水质和要求选择合适的处理工艺。这些在各具工艺特色的处理系统有一个共同的特点，就是都需要比较繁杂的设备，较高的基建及运行费用，复杂的维护管理操作，更为重要的一点是其对微生物的生存环境十分敏感。按照目前中国农村的现状，很难同时满足上述条件。
虽然农村地区的经济发展水平较低，但农村地区与城市最大的区别是，自然资源相对丰富[18]。本课题研究设计的循环氧化塘污水处理工艺，其最大的特点就是因地制宜，充分利用了乡镇所具有的水塘，以农村丰富的土地资源条件为基础，充分利用农村地区丰富的土地资源，从根本上减少污水处理设施在建设及运行管理上的费用，为设施的建设提供有利条件，扩大农村地区在污水处理设施建设方面的发展空间，以此吸引投资者来增加资金投入，从而解决农村污水处理设施建设资金短缺的问题。
该循环氧化塘工艺设计的建设与运行将对该地区推进社会主义新农村的建设和城镇化的进程产生巨大、深远的环境效益和社会效益，具体表现在以下几个方面：
（1）使该地区的污水处理实现无害化、资源化，促进环境保护行业发展水平的提高，逐步实现新农村地区现代化的污水处理发展战略，加速了该地区向现代化城镇发展的步伐，并可以避免工艺所在地的池塘现状将成为垃圾填埋场的趋势。
（2）改善地区形象，提高环境保护水平
该工艺因地制宜，利用当地原有池塘改造，结合景观设计，使之成为亲水环境，改变该地区过去生活污水横流现象，减少地区环境污染，改善地区形象，提高环境卫生水平，逐步满足建设现代化城镇的需要。
（3）改善投资环境，促进对外投资
该工艺以环境保护为基本出发点，化害为利，提高乡镇环境质量，改善乡镇环保形象，有利于创造良好的投资环境和旅游环境，从而吸引外资，促进新乡镇的对外开放。
（4）解决了水资源短缺的问题。
（5）氧化塘处理后的出水进养鱼塘，经过循环处理，出水完全达到和超过灌溉用水的水质要求，可以补充农用灌溉用水。
因此，循环氧化塘污水处理工程对改变工艺所在地的面貌将起到很大的促进作用，对各项事业的发展具有深远的影响，存在巨大的环境效益和社会效益。同时，为以后该工艺在其他相同地区的实际生产与运行提供参考。 1.2.3 研究内容
通过本循环氧化塘工艺处理农村生活污水的设计研究，考察并找出适合该地区生活污水处理的最佳路径。具体设计内容包括：粗格栅、集水井、简易沉淀池、部分曝气塘、养鱼池 1、养鱼池 2、养鱼池 3、养鱼池 4 等，生活污水进行无害化处理；场地的合理利用及分化，排污去向合理性确定；氧化塘的防渗及防洪考虑。
第 2 章 农村污水处理工艺概述
2.1 我国农村污水处理工艺
我国作为一个农业大国，农村污水的处理显然成为社会经济发展的关键因素。目前，世界上多数国家在农村生活污水处理方面进行了大量的研究并积累了丰富的经验，也逐渐形成了较为成熟的技术和管理体系。结合国内外农村生活污水处理的成功经验和我国农村生活污水的水质特征及排放特点，总结并对比近年来我国部分小城镇及农村的污水处理工程实例，我国农村污水处理的模式主要可分为以下几类：土地处理系统模式、沼气净化池处理模式、厌氧/好氧生化技术及二者组合一体化设备处理模式、稳定塘处理模式、氧化沟处理模式。
2.1.1 土地处理系统模式
土地处理系统属于污水自然处理的范畴，它是指在人工控制的条件下，将污水投配在土地上，通过土壤-植物-微生物复合系统，进行一系列的物化和生化反应，最终使污水得到处理的一种工艺系统[7]。据处理目标和对象的不同，土地处理系统可分为慢速渗滤处理系统、快速渗滤处理系统、地表漫流处理系统、人工湿地处理系统、地下渗滤处理系统。
（1）慢速渗滤处理系统[19]
慢速渗滤处理系统是使投配到种有植物的土地表面的污水缓慢地流经土壤表面并向土壤-植物系统内部渗滤，从而使污水得到净化的土地处理工艺。污水被投配在土壤中，一部分在土地表面被蒸发，另一部分则通过土壤表面的渗滤作用后，直接被植物吸收以满足其生长的需要。本工艺在我国多出现于沈阳、昆明等地，适用于土壤性质为砂质和蒸发量较小、气候较湿润等渗水性能良好的地区。
（2）快速渗滤处理系统
快速渗滤处理系统是有控制地将污水投配到渗滤性能良好的土地表面，污水在重力的作用下向土地下渗滤，在一系列物化反应及生物反应的作用下，最终使污水得到净化的一种处理工艺系统。快速渗滤处理系统具有高效率、低能耗等优点，其在土壤内部形成的厌氧、好氧交替的运行状态对氮、磷的去除具有较好的效果。该系统适用于渗透性较好的砂土、砾石性砂土、砂质土等土壤[20]。
（3）地表漫流处理系统
地表漫流是以喷洒的方式有控制地将污水投配在有植被、坡度相对缓和、渗透性较差的土地上，污水在其上以薄层的形式沿地表流动，得到处理后的出水大部分以地面径流的形式收集或排放。在流动的过程中，污水一部分通过渗滤作用进入土壤，并有小部分蒸发，水中悬浮物则被过滤截留，大部分有机物被存在于土壤中的微生物氧化分解[21]。该系统适用于渗透性较差的黏土、亚黏土土壤，其最佳坡度为2%~8%。
（4）人工湿地处理系统
人工湿地处理系统是上世纪七八十年代发展起来的一种生态型污水处理技术。它是将污水投放在模拟自然生态湿地建造的人工生态系统上，是一种人为建造和控制、类似沼泽地的处理系统，通过系统中的物理、化学和生物三者的协同作用对污水进行处理与净化。按系统内的水流形态可分为地表流人工湿地、垂直流人工湿地和潜流人工湿地。由于系统内的生物具有多样性，且处于人工的监督与控制之下，综合处理能力可人为设计控制，故对污水的处理效果较好。大量资料表明，进水浓度较低时，该系统对BOD、COD的去除效果均可达到80%以上，但对氮、磷的去除效果变化较大。
人工湿地处理系统除能够处理污水外，同时也具有改善环境质量的功能，近几十年来广泛应用于国内外。
（5）地下渗滤处理系统
地下渗滤处理系统是将经过预处理（预处理设施多数为酸化水解池或者化粪池）过的污水通入到距地面约50cm深处的地下渗滤沟内，在土壤的渗滤作用和毛细管作用下向四周扩散，通过过滤、沉淀、吸附和微生物的降解作用，最终使污水得到处理与净化。所以地下渗滤系统的处理方式与污水慢速渗滤系统的处理方式很类似[22]。地下渗滤处理系统是一种以生态原理为基础，节能、污染小、充分利用土地与水资源的小型污水处理工艺，具有低负荷、停留时间长、水质处理效果好、系统运行稳定等特点。该系统目前在国外得到快速发展，在国内尚处于初步发展阶段。
2.1.2 沼气净化池处理模式
在我国小型城镇及农村的污水处理工艺中，最能够将环境效益与社会效益两者有效的结合在一起的污水处理方法是沼气池净化处理模式。沼气净化池处理模式具有灭菌、可获取清洁能源、无耗能运行等优点。它的基本运行原理是结合“多级发酵技术、多种好氧过滤和多层次的净化”逐段降解，为使污水得到高效稳定的净化处理，可根据实际水质的特征确定工艺流程。主要构筑物包括预处理系统、厌氧发酵系统、兼氧发酵系统和后处理好氧过滤系统。最终处理后的出水水质不仅较稳定地达到无害化和污水排放标准，而且可用于农田灌
溉或水产养殖。沼气净化池处理模式可分为分流式和合流式两种工艺流程[23,24]。分流式适用于不同种的生活污水以分流的形式流入池内，如图 2-1 所示。合流式适用于不同种的生活污水以合流的形式流入池内，如图 2-2 所示。
沼气净化池污水处理模式耗能低，基本不耗能，土建及运行成本低，无需专门人员管理，可采用间歇运行，多适用于排水管网设施不健全、经济欠发达的地区。 2.1.3 厌氧、好氧生物处理技术及二者组合一体化设备处理模式
（1）厌氧生物处理技术
厌氧生物处理技术是在厌氧条件下，经过兼性厌氧微生物和厌氧微生物群体的综合作用，
水体中的有机物被转化为甲烷和二氧化碳的过程，该技术又被称为厌氧消化或厌氧发酵[25,26]。污水的厌氧生物处理发展到今天已经有 100 多年的历史，从上世纪 30 年代人们普遍认为的两阶段理论，到 1979 年 M.P.Bryant[27]提出的厌氧消化的三阶段理论（水解发酵阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段），再到现如今被广泛接受的于 1979 年由 J.G.Zeikus[28]等人在第一届国际厌氧会议上提出的的厌氧消化四阶段论（即在三阶段理论的基础上增加了同型产乙酸阶段），厌氧生物处理技术得到了长久与完善的发展。
厌氧生物处理工艺具有设备负荷高、占地面积较小、处理规模灵活、能耗小（约为好氧生物处理工艺的 20%）、污泥产量较低（约为好氧生物处理工艺的1/10~1/6），整个运行过程中对营养物质的需求相对较低等优点[29]。我国学者在早期就开始了用厌氧生物法处理生活污水的研究，也开发了多种低能耗一体化的无动力或微动力污水处理装置。典型的例子就是地埋式无动力生活污水处理装置，该装置主要采用厌氧生物膜处理技术，流程简单、基本不耗能、全部埋设于地面以下、无需人为管理。除此之外，三格式化粪池也是我国农村地区应用最广泛、最基本的厌氧生物处理技术。与好氧生物处理技术相比，厌氧生物处理在生物处理效率方面较低，微生物增殖速度相对较慢，设备启动时间较长，对氮磷的去除效率不高等。
（2）好氧生物处理技术
好氧生物处理技术是农村生活污水处理中应用最基本也是最广泛的一种处理技术。在污水处理工程中，好氧生物处理法主要包括活性污泥法和生物膜法两大类。
好氧生物处理法就是通过鼓风机或潜水曝气机等设备为污水充氧，使菌种和微生物在有氧气存在的条件下进行生物代谢，从而把污水中的有机物降解为无污染的二氧化碳、水等物质，同时小部分合成为细胞自身物质，供其自身生长繁殖，并最终以剩余污泥的形式排出，使污水达到无害化的要求，如SBR法，集曝气、沉淀、排水功能于一体，无传统的污泥回流设备，间歇曝气，大大降低了因连续鼓风曝气造成的高运行成本；A/O法具有脱氮、除磷的功能；此外，还有如生物转盘、生物膜反应器处理工艺等。好氧生物处理技术具有占 地面积小，抗外界影响能力强，微生物处理效率较高，建设地点范围广泛，系统运行稳定。但其缺点是基建及运行成本较高、动力消耗较大。
（3）厌氧/好氧二者组合一体化设备处理技术[23]
厌氧/好氧组合一体化设备是一种既高效又稳定的生化处理设备，它的研究与开发融合了传统生物流化床、活性污泥法和生物接触氧化法三者的优点。设备主要结构组成为厌氧悬浮床、移动循环床和好氧固定床，其核心原理一方面是通过应用悬浮生物载体形成移动床，二是通过投加大量高效微生物优势菌群来充分提高装置中的微生物浓度。该装置可在好氧、缺氧、厌氧环境下运行，继而在流化状态下使悬浮载体与污水实现充分接触，最后通过微生物的生物活性进行有机物的降解、氮的硝化和磷的生物沉淀。沉淀后的出水能达到排放标准，无需采用过滤设施。装置可通过自动控制系统实现全程自动化运行和管理，工艺流程见下图2-3。
该处理技术将厌氧、缺氧、好氧方式有效的结合在一个装置内，实现A2/O工艺流程的运行，污染物去除效率高，处理后的水质稳定且达标，但其缺点为设备购置成本较高，运行管理电能消耗较大，因此该工艺适合于经济较发达，周边无大规模空地但对出水水质要求较高的农村地区，在节省空地的情况下可建于地下。 2.1.4 稳定塘处理模式
稳定塘，又名氧化塘，是一种较古老的污水处理工艺，最早可追溯到 16 世纪的欧洲各国[24]。它是指以经过人工适当修整的土地为基础，设围堤及防渗层的污水处理池塘，主要依靠自然生物的净化功能使污水得到处理。污水在池塘内缓慢的流动及较长时间的停留，通过原污水中存在的微生物的代谢功能和水生植物等多种生物的综合作用，以及相伴的物理、化学、物理化学过程，使污水中的有机物降解，从而使污水得到净化[7]。稳定塘有多种分类形式，通常根据水中微生物优势群体类型和水中的溶解氧工况来分，主要有以下几类：好氧塘、兼性塘、厌氧塘、曝气塘。除此之外，在应用上还存在一种专门用来处理二级处理后出水的深度处理塘。
现阶段针对稳定塘的研究主要集中在以下两方面：一方面是筛选并培育优良的水生净化植物；另一方面是集合曝气、水生植物、水产养殖等多种生物处理单元的功能，建造一体化水生动植物复合生态处理体系[30]。
稳定塘处理技术基建费用低，可充分利用农村地形，通过改造农村或小城镇地区的旧河道、废池塘、沼泽地等修建，且可以综合利用，实现污水的综合化利用，处理后的出水可用于农业灌溉或者水产养殖，形成具有多级食物链的复合生态系统。污水处理耗能小，基本不耗能，运行管理维护方便。但其也存在较多的缺点如：污水处理有机负荷较低，占地面积较大，污水处理效果受外界气候等影响因素较大，滋生的悬浮藻类容易导致出水 COD 升高，处理效果不稳定；如果设计不当极易形成二次污染，散发臭气，污染地下水等[19,20,25,3
1]。近年来，随着研究的深入及科技的进步，逐渐开发出了多种新型稳定塘处理技术或者组合塘工艺，从一定程度上弥补了传统稳定塘工艺的缺点。 2.1.5 氧化沟处理模式
氧化沟，又称循环曝气池，是于上世纪 50 年代由荷兰学者巴斯维尔(Pasveer)开发的一种适合小城镇的污水生物处理技术，属于活性污泥法的一种变法，它的水力流态与传统活性污泥法相比较，差别较大，是一种首尾连接的循环流，一般呈环形沟渠状，平面多为椭圆形或圆形，通常采用延时曝气[32]。氧化沟处理工艺经过几十年不断的研究与发展，在国内外大部分国家都得到了广泛的实践与应用[33]。长期的实践应用表明，氧化沟处理工艺具有工艺流程简单、基建及运行费用低、系统稳定性高、出水水质好的优点，最为突出的优点是，氧化沟工艺具有脱氮除磷功效。目前，国内外常用的氧化沟处理工艺有以下几种：
（1）卡罗塞(Carrousel)氧化沟：该氧化沟系统是于上世界 60 年代由荷兰学者所开发，
系统的主要组成为多沟串联氧化沟、二次沉淀池及污泥回流系统。该系统在世界各国的应用范围较为广泛，规模大小不等。在我国也得到了应用，主要被用来处理城市污水和有机性工业废水。
（2）交替工作氧化沟系统：该系统由丹麦某公司研究开发，存在 2 池和 3池两种交替工作系统，但 3 池交替工作氧化沟应用较为广泛。该系统处理水质较好，污泥也比较稳定。
（3）二次沉淀池交替运行氧化沟系统：系统为连续运行，内部设置两座二沉池并交替运行，交替回流污泥。
（4）奥巴勒(Orbal)型氧化沟系统：该系统由多个呈椭圆形的同心圆沟渠组成，污水从外到内依次流入下一层沟渠，最终从最中心的沟渠流入二沉池。系统多采用 3 层沟渠，容积大小依次减小，分别占总容积的约 60%~70%、20%~30%、10%左右。奥巴勒氧化沟系统在我国也得到了应用，主要用于处理城镇污水与石油化工废水。
（5）曝气-沉淀一体化氧化沟：该系统是将二沉池设置在氧化沟内部，是于上世纪 80 年代由美国学者开发研究出来的，并在国内外迅速发展，后期也出现了多种形式的变体。该系统因为将曝气与沉淀融合在一体，节省了占地面积，无需设置污泥回流系统，但系统的稳定性还有待于进一步的研究。 2.2 国外农村污水处理工艺
与国内农村生活污水处理相比，国外开展对农村生活污水处理的研究相对较早，因此也逐渐形成了多种较为稳定与成熟的污水处理系统，针对农村生活污水污染面广泛、排放分散的特点，国外一些发达国家进行了大量的试验研究与实践。因此，普遍采用的农村生活污水处理方法也存在多种形式[34]。 2.2.1 高效藻类塘处理技术
高效藻类塘处理系统是由美国加州大学伯克利分校的 Oswald 教授研究开发的[35]，其属于传统稳定塘系统的一种改良型。该处理系统最大的特点是，充分利用了菌藻之间的共生关系，使藻类产生的氧气得到最大化利用，系统内的一级降解动力学常数值较大，从而对水中的污染物进行高效降解处理。高效藻类塘系统与传统的稳定塘系统相比具有明显的优点：结构简单，占地面积较小，污水水力停留时间短，基建及运行费用低，维护管理方便，对BOD5、NH3-N、病原体等的去除效果好，系统后面若与高等水生生物塘相连接，不但可以去除藻类，而且对 SS 与氮磷也有一定的去除率。但其也存在一定的缺点：系统的运行受外界因素的影响较大，主要表现在温度、pH 值、光照对它的影响，因此该处理技术多适用于光照充沛、气候温暖的地区。
近年来，高效藻类塘处理技术在国外得到了广泛的应用，法国、美国、德国、新西兰等国家都开展了运用高效藻类塘系统处理小城镇或农村污水的研究与应用，目前该系统在我国尚处于试验研究阶段。国内李旭东等学者[36]利用高效藻类塘系统进行处理太湖地区农村生活污水的试验研究，研究结果表明，系统对 COD、NH3-N、TP 的平均去除率可分别达到 70%、93%和 50%以上。陈广等学者[37]利用水生植物塘-水花生塘作为高效藻类塘的后续处理工艺，考察了系统对出水藻类、SS 和 COD 等的去除效率，结果显示水花生塘可很好的解决高效藻类塘内藻类浓度较高的问题。 2.2.2 非尔脱(FILTER)处理系统
非尔脱(FILTER)污水处理系统是最近几年由澳大利亚科学和工业研究组织(CSIRO)研究开发的一种污水处理系统[38,19]。该系统又被称为“非尔脱”高效、持续性污水灌溉新技术，是将过滤、土地处理与地下暗管排水系统三者有效的结合在一起的一种污水再利用系统。其工艺流程为，首先将待处理的污水投配到种有农作物的土地，用来进行农作物的灌溉，污水通过土壤的过滤与处理后，再由敷设于地下的暗管排水系统收集并排出，同时排水系统内部
设有污水提升泵，可用于调控系统以上的地下水位及处理后的污水排放量。
非尔脱(FILTER)污水处理系统突出的优点在于其对生活污水的处理效果方面，它在满足了农作物对水分和养分的需求，从而降低了农作物的种植成本的同时，对污水中的氮、磷等元素也有较好的去除效果，使污水得到净化，具有良好的环境效益。此外，系统运行管理方便，费用低，尤其适合在土地资源丰富、可以轮作休耕，或是以种植牧草为主的地区推广。但因为污水需要被投配在种有农作物的土地上，所以系统的运行会受到农作物生长周期的限制；另一方面，因为暗管排水系统敷设于地下，且内部需设置提升泵，还需要建造污水泵房，故存在造价较高的问题。
2.2.3 蚯蚓生态滤池(VBF)
蚯蚓生态滤池(VBF)，又称为蚯蚓生物滤池，是 20 世纪末由法国和智利的科学家开发研究的一种针对生活污水的污水处理技术[39]，国际上第一座蚯蚓生态滤池是由法国土壤动物生态学家 Marcel Boucher 于 1995 年建立[40]。蚯蚓属于自然界的分解者，它可以提高土壤通气透水性能和促进有机物质的分解转化，蚯蚓生态滤池就是根据这种生物学功能而设计的。蚯蚓生态滤池的组成主要有三部分：布水装置、生态滤床和排水装置。蚯蚓与系统中其他分解者或微生物共同作用，分解污水的有机物或营养物质，从而使污水得到净化。
因为蚯蚓能吞噬有机物质，故系统基本无需排放剩余污泥；蚯蚓在系统中的正常运动运动也在一定程度上避免了滤池堵塞现象的发生；系统工艺流程简单，运行管理方便，并能承受较强的冲击负荷，因为无需设置污泥处理设施，故运行费用较低。但系统也会在一定程度上受到蚯蚓生活习性的影响。
蚯蚓生态滤池处理技术近年来在国外已开始产业化应用，国外的学者也从不同的方面对其进行了研究与开发。Taylor 等学者[41]通过利用有机固废作为蚯蚓生态滤池滤床来处理生活污水，研究了滤床的高度对各水质指标（COD、BOD5、氨氮等）的去除效果及规律。Li 等学者[42]则利用混有蚯蚓养殖物料和木屑的蚯蚓生态滤池来处理猪场废水，也取得了较好的效果。但蚯蚓生态滤池在国内尚处于中试阶段，上海作为国内最先开始进行中试的城市，对该滤池的研究也取得了一定的成果，中试的结果显示：生态滤池对 COD、BOD5、SS 的 去除效果较好，去除率可达 85%~90%以上；但对氨氮与总磷的去除效果则一般，约为 50%左右；污泥的总产率约为 0~2mg/L[43]。
2.2.4“LIVING MACHINE”(LM)生态处理系统
“LIVING MACHIN”(LM)生态处理系统是近年由美国的 John Todd 博士提出的一种人工污水处理技术，是一种新型的高级生态工程系统(AEES)处理技术[44,45]。在该系统中，设计者将多种类型的动植物集合在一起，并形成一个连续不断反应的密闭循环，反应池内包括从细菌、藻类到植物、蜗牛、鱼类的多种生物类型，这个具有多种生物类型的有机体通过一系列的反应降低污水中的有害物质，并使它们消化在一个连续的食物链中，从而使污水得到净化处理。
近年来，该系统在美国、加拿大、英国、澳大利亚等国家得到了较为广泛的应用，多用于生活污水的处理，是一个发展较为完善的污水生态处理系统。胡小兵等国内学者[45]认为，系统中起主要处理作用的是厌氧反应池，对 COD、BOD5、TSS 和 TP 有较好的去除效果，尤其是对 TSS 和 TP 的去除，去除率可达系统总去除率的 84%和 80%，但磷的去除并非是通过生物途径达到的，主要是依靠污泥的吸收。除此之外，污水中的其他溶解性有机物则主要是在好氧池中降解。该污水处理生态系统具有美观、耐用、容积小、运行成本低等特点。 2.2.5 日本农村生活污水处理系统
作为一个特别重视污水处理的国家，日本在法律上对其具有很严格的规定，要求保持水域的优良水质，减少水体污染。在日本设有专门负责研究乡镇污水处理技术工作的相关部门，
称之为日本农村污水处理协会。该机构开发了多种适应于农村或小城镇地区的污水处理设备，主要通过利用物理、化学与生物三者共同作用处理污水，并取得了良好的效果。这些不同类型的污水处理装置大致上可以分为两类：一类是采用生物膜法处理农村污水，通过微生物附着在塑料制成的滤料表面，对污水进行处理；另一类是利用浮游生物处理污水，通过漂浮在水体中的微生物的氧化作用，使污水得到净化。经过试验研究，这两种污水处理技术对 BOD5
、SS、COD、TN 和 TP 均可达到很好的去除效果。 目前，日本国内多数采用生物膜法处理农村生活污水。日本学者石井勋教授开发研究的“石井法”，就是通过利用使用过的乳酸饮料瓶作为曝气池内的填料。填料表面积越大，生物膜的数量就越多，在其上附着的微生物浓度就越高，但填料之间的空隙若过小，就会影响透气性和水流。纤维球和蜂窝式填料就是利用塑料和化学纤维制成，每立方米填料的表面积大大增加，填料之间的空隙率可提高至 93%~95%。例如，日本的尤尼奇卡公司研究的纤维球滤料使用聚酯纤维制成，密度与充填密度分别为 1.38g/cm3和 50Kg/m3，空隙率为 96%，比表面积可达 300m2/m3，滤料的滤速高，损失小，经过水流的反冲洗后可多次反复使用。
日本自上世纪 70 年代就开始对农村生活污水进行处理，至上世纪末已建立了多达 2000 座的小型污水处理厂，例如日本农村污水处理协会开发研究的污水处理装置占地面积小、运行成本低、维护管理方便，特别适用于农村地区的生活污水处理，且处理之后的水质达标、稳定，可作为灌溉用水循环利用，处理之后的污泥经浓缩后可用于农田肥料[46]。
国外污水处理技术形式多样，除以上几种污水处理系统外，还有早期的荷兰一体化氧化沟处理系统、韩国的湿地污水处理系统。在所有的这些污水处理技术当中，氧化塘工艺以其经济、高效、低碳等特点被世界各国广泛应用。根据近年来的数据统计[47]，美国塘系统最多，用于各类污水处理的氧化塘系统多达 20000 座，法国有 1500 多座，德国有 2000 多座，而且地处寒冷地区的瑞典、俄罗斯、加拿大等国都有较多的应用，其中瑞典有氧化塘 350 多座，加拿大有 230 多座。在经济欠发达的发展中国家，氧化塘工艺也得到了广泛的应用和普及，例如马来西亚国内就运用氧化塘工艺来处理大部分的工业废水，处理的总量占全国污水总量的 40%[48]。
2.3 农村污水处理工艺选择原则
农村地区经济欠发达，污水处理技术薄弱，缺少足够的资金和专业的技术人员，因此农村的生活污水处理工艺不能照搬城市污水处理设施的处理模式及运行指标，应找到适合在农村地区建设的低负荷、低成本污水处理设施。在选择农村生活污水处理方式时，一般应按照以下几方面的原则进行：
（1）因地制宜
农村地区与城市地区最大的区别是，农村地区具有丰富的土地资源，因此农村地区生活污水的处理不能局限于一种或几种污水处理模式，应根据村镇的人口、地形、气候、经济水平等方面，通过经济技术评价与分析，确定简单、经济、有效的处理工艺。例如，在经济发展较好但用地受限的地区，可选择厌氧/好氧组合一体化设备处理模式等；在经济发展相对落后，土地资源丰富、气候适宜的地区，则可选择人工湿地、氧化塘等传统生态处理工艺[49]。
（2）工艺系统稳定、处理效果好
农村污水水质水量变化大，因此所选择的工艺应稳定可靠，调节与抗冲击负荷能力强，具有完整的工艺流程、准确的工艺参数，出水水质稳定且达标，系统接纳的水体不会产生二次污染，最理想的出水方式是可直接回用，例如用于绿化与灌溉用水。
（3）工艺流程简单、维护管理方便、基建与运行费用低 由于我国农村地区相对于城市地区经济较不发达，受到多方面因素的影响，其污水处理设施的资金来源十分有限，缺乏充足的资金与专业的污水处理技术人员，因此其污水处理设
施的规模一般都比较小。在具体选择农村污水处理工艺时，应考虑到这几方面的因素，避免过于复杂的处理工艺及其带来的高投入、高运行费用等问题，尽量选择工艺流程较为简单、运行管理方便、占地面积较小、工艺设备较少的系统，以此降低资金的投入[50]。在人员管理方面，应在保证管理人员数量的基础上，尽量加强管理人员的专业技术培训，或选择对管理人员要求不高的污水处理工艺系统。
（4）卫生条件较好，兼具景观效果
农村污水处理设施一般建在村镇或者住宅小区的内部，由于现阶段我国农村地区多数为小型村落或村镇，故污水处理设施的多数所在地距离居民的生活区域较近，因此在选择合适的污水处理工艺时，应考虑卫生条件较好、臭气少、不易产生二次污染的工艺，以避免污水处理设施影响到居民的正常生活。若处理设施能同时具有生态园林景观的效果，其将更容易被广大农村地区所接受[25]。
第 3 章 设计工艺及进水水质特征
3.1 设计工艺简介 3.1.1 工艺流程选择
七级镇位于即墨市西部大沽河畔，面积78平方公里，其中耕地面积5.6万亩，辖34个行政村3.6万人口，项目所在地地理位置图见图3-1。目前，镇驻地1314户共3936人，同时考虑新建小区480户计1440人，按照青岛市家庭人均用水条件109L/d，生活污水收集率85%计，日产污水498m3/d。随着新农村的建设和经济的发展，七级镇居民生活水平不断提高，但其还是按照传统的生产、生活方式生活，生活污水直排、随处泼洒，渗入地下水；农业生产中使用的化肥、农药等污染物通过农田排水及地表径流等方式进入地表水体，引起地表水体的富营养化。与此同时，七级镇水处理设施欠缺严重影响了横穿七级镇境内的大沽河（青岛的“母亲河”，是青岛地区重要的水源地）、流浩河、小月河等地表水和地下水的水质，如不及时处理将会对该地区的水环境带来长期和潜在的污染问题，从而引发区域水环境的全面退化。近几年来，随着技术进步和对环境质量要求的不断提高，相应国家标准也几经修订完善，同时考虑到七级镇的发展、招商引资软硬件环境的建设和人们对环境要求的不断提高，选择适合该地区的污水处理工艺已迫在眉睫。
选择合适的污水处理方式的基础是了解清楚当地生活污水的成分及其特性。七级镇生活污水可生化性好，可以选择适合的生活污水处理的工艺。考虑到农村或小乡镇基础设施建设资金短缺，且相应的技术与管理水平较低，污水处理工艺应选择既经济又高效，既节能又简
便的处理工艺。而七级镇当地已有足够大的天然池塘，且该池塘地势较低，是本来的汇水地，有利于生活污水的收集。利用已有的天然池塘，稍加改造即可成为用于污水处理的循环氧化塘工艺。这不仅因地制宜，充分利用了当地的地形，解决了占地面积及土石方挖方工程量较大的施工问题，同时氧化塘工艺还具有运行费用低，系统耗能少，管理十分简单，维护容易，无需污泥处理等优点。
经过循环氧化塘处理后的出水水质稳定，回用领域广，可以用于回灌农田、水产养殖或景观，这样也可实现了污水资源化。考虑到该地区以生活污水为主，氧化塘结合养鱼塘，前段主要为氧化塘的污水净化作用，处理后的出水进入后段的养鱼塘，主要利用水体中的自然饵料、藻类及其它浮游植物养殖鱼类。这样也为将来预留了污水处理规模扩大所需的空间。根据资料显示[51]，生活污水经氧化塘处理后水质得到明显改善，养鱼塘养殖的鱼类除体表带有部分细菌外，食用部分的质量与清水池的鱼类并无差异，考虑到熟食、蒸煮后一些细菌均被高温消除，不致危害人体健康，当然养鱼可否外卖应经过相关部门的监测确定。此外，从养鱼塘4回流到部分曝气的水量又在一定程度上起到了稀释的作用，故氧化塘后设置养鱼塘来进行水产养殖是没有问题的，最终的出水也可用于农业灌溉，在一定程度上也解决了系统的后续运行管理问题。
根据以上分析，在即墨市七级镇驻地建立循环氧化塘处理工艺，不仅满足当前污水处理需要，有利于水环境保护，又可以节约投资和运行费用，有利于城镇建设及发展需要和该镇经济的可持续发展。工艺流程图见图3-2。
3.1.2 工艺流程说明
本设计研究采用的工艺流程充分利用地形，在原池改造的基础上建造氧化塘工艺。本循环氧化塘工艺属于稳定塘中的曝气稳定塘，污水经过处理后可回流至部分曝气塘，水流在系统内部形成循环流动，兼具氧化沟工艺的特点，在提供藻类及其他水生植物生长、净化污水的基础上，不但可以用来进行水产养殖，而且具有脱氮除磷的功效。
污水首先经过格栅（放置于集水井进水口），由格栅截留较大的悬浮物或漂浮物；经过格栅的截留后，污水进入简易沉淀池，在池内进行初步分解并沉淀较小的固体悬浮物，污泥排入周边空地干化，简易沉淀池的出水流至部分氧化塘，部分氧化塘采用表面曝气器进行曝气供氧，污水中的有机物经过部分氧化塘内微生物的降解作用，使水质得到净化，水中的活性污泥、大分子有机物及细菌等被截留在池内，多余的污泥将流至养鱼池1，被藻类及鱼类作为食物消化，污水再依次流经养鱼池2、养鱼池3和养鱼池4，出水排入灌溉渠。由于污
水经处理后，从养鱼塘4可回流至部分曝气塘，回流稀释为100%，这种情况下污水在内部形成循环，兼具氧化沟的特点，再加上池面蒸发作用，池体外排水量很小。各池常年沉积，应根据运行情况确定清污工作。本次设计研究针对现有池塘情况，主要改造两个方面，一是进水水质的改善、池水循环；二是部分曝气塘增加曝气设施，以强化污水处理能力。 3.2 污水水质特征
设计所在地七级镇的污水来源主要是生活污水。乡镇的污水没有完整的家庭排水系统，干厕较多，洗浴也很多排到雨水管道的。目前已经有了镇所在地全镇的生活污水排水系统，但接入状况不佳。设计要充分考虑。所建楼座都有化粪池，一定程度上降低了进水水质，本镇几乎没有工业项目，且无重金属污染，处理工艺进水优于城市污水。
生活污水是人类日常生产生活中使用过的水，是水体的主要污染源之一，主要包括人体排泄物、生活废料及生产生活洗涤污水。污水中含有较多的有机物，如蛋白质、脂肪、碳水化合物等，一般不含有毒物质，除此之外也含有植物营养物质如氮、磷，其中 COD（化学需氧量）、BOD（生物需氧量）、TKN（凯氏氮）、TN（总氮）、TP（总磷）也较高；同时，污水中还含有大量无机悬浮物以及病原微生物如细菌、病毒和寄生虫卵等。因此生活污水需要经过处理后才能排入自然水体如河流或地下沟渠、灌溉农田或再利用。生活污水的一般特征主要包括以下几个方面：
（1）有机污染物
生活污水中的有机污染物主要来源于居民生活中所产生的废弃物、人体排泄物及动植物残片等，主要包括蛋白质与尿素、碳水化合物及脂肪和油类。
1）蛋白质与尿素[52]
尿素由于分解速度很快，因此在生活污水中很少发现尿素的存在。蛋白质是由氨基酸以“脱水缩合”的方式组成的多肽链经过盘曲折叠形成的具有一定空间结构的物质。其分子量很大，主要组成元素有碳、氢、氧、氮，其中氮元素约占 16%。蛋白质的稳定性较差，可发生不同形式的分解，属于可生物降解有机物，对微生物无毒害与抑制作用。
2）碳水化合物[53]
碳水化合物亦称糖类化合物，生活污水中的碳水化合物主要包括淀粉、糖、纤维素和木质素等，主要组成元素是碳、氢、氧。所有的碳水化合物均属于可生物降解有机物，对微生物也无毒害与抑制作用。
3）脂肪和油类[54]
脂肪和油类是生活污水中的主要污染物，是乙醇或甘油与脂肪酸反应形成的化合物，主要组成元素是碳、氢、氧。生活污水中的脂肪和油类来源于人体排泄物及洗涤废水，包括动物脂肪和植物脂肪。脂肪比碳水化合物与蛋白质稳定性高，属难生物降解有机物，对微生物无毒害与抑制作用。若污水中脂肪与油类的含量过高，需在处理工艺前设置隔油池。
（2）氮：在生活污水中，氮主要来源于食物中的蛋白质，主要存在形式是有机氮和氨氮，前者含量约占总氮的 60%，后者约占40%。污水中的有机物被生物降解氧化时，将有机氮转化为氨氮。若氨氮不处理直接排入水体中，会导致水体富营养化。同时，氨也是自养菌繁殖的直接供体，当水体中氨氮浓度大于 0.25mg/L 时，硝化菌就可以生长，而由硝化菌和氨释放出来的有机物会也造成嗅味问题[55,56]。氨若形成氯胺，则除嗅味也要消耗大量的氯，不仅增大了氯的用量，而且一定程度上也降低消毒效率。
（3）磷：城市污水中的磷主要来源于人类排泄物、食物残渣与生活洗涤剂，而农村污水中的磷除以上来源外，最大的来源就是农业生产过程中的农药及化肥[57]。污水中的含磷化合物主要分为有机磷与无机磷两类。磷含量超标是水体富营养化的另一个重要原因，其直接后果就是淡水水体发生“水华”，并造成水体质量恶化和水生态环境破坏，进一步影响人类健康[58]。因此，为了防止水体富营养化，必须对生活污水进行除磷。
（4）无机悬浮物：它可以吸附水体中的有毒物质，从而形成更大危害的复合污染物，不但会对水体中的水生动植物产生较大影响，而且也会影响感观[59]。
（5）病原污染物：污水的流入会给水体带来大量的有机物，造成细菌存活的环境，同时带入大量的病原菌、病毒及寄生虫卵等。病原污染物进入水体后，相当一部分病原微生物在相当长时间里会保持传染性[60]，其具有繁殖速度快的特点，也会造成广泛的疾病传播。
本设计研究所针对的污水处理对象为青岛市即墨市七级镇的生活与生产污水，主要针对生活污水。由于原水多来自于农村居民产生的生活污水，故具有一般生活污水的水质特征。
第 4 章 工艺流程设计计算
4.1 处理规模及主要构筑物 4.1.1 处理规模
根据设计课题所在地七级镇现有规模及预测发展的商品房开发，污水处理-氧化塘工艺目前服务于镇驻地 1314 户 3936 人，同时考虑新建小区 480 户计1440 人，按照青岛市家庭人均用水条件 109L/d，生活污水收集率 85%计，根据下列公式计算[61]：
Q=
𝑞×𝑁3
×85%(m⁄𝑑） 1000式中：
Q——生活污水处理量，m3/d；
q——每人每日平均污水量定额，L/(人·d)； 85%——生活污水收集率，按 85%计。
代入数值，可得日产污水量 498m3/d。根据即墨市环保局关于农村水环境综合治理工作部署，镇污水处理率超过 30%为准，经与政府协商后，确定处理规模为 300 m3/d。 4.1.2 主要构筑物
设计工艺流程主要构筑物包括以下几个方面：粗格栅、集水井、简易沉淀池、部分曝气塘及养鱼池 1、养鱼池 2、养鱼池 3、养鱼池 4。根据设计课题所在地七级镇场区的地质地形现状条件及相关资料，将氧化塘范围五个塘体，分别为部分曝气塘、养鱼池 1、养鱼池 2、养鱼池 3、养鱼池 4。氧化塘占地15250m2，池面积为 11325m2，平均池深 2.5m，则有效池容为 22650m3。其中，部分曝气塘池容为 5300m3。
设置曝气氧化塘的目的是，强化处理效果，保证藻类繁殖生长，为养鱼塘提供条件。养鱼塘将来是否曝气，由维护管理方确定 4.2 设计计算 4.2.1 粗格栅设计
格栅是由一组平行的金属栅条或筛网制成，安装在污水的进水渠道上、泵房集水井的进口处或污水处理厂的前端部，用以截留较大的悬浮物或漂浮物。本设计格栅放置在集水井前段，采用粗格栅，人工清渣。
（1）设计参数及要求 《室外排水设计规范》（GB50014-2006）[62]规定如下：
1)格栅间隙宜为 16～25mm，人工清除时为 25～40mm，0.10～0.01m3栅渣/103m3； 2)机械格栅不宜少于两台，如为一台时，应设人工清除格栅备用；
3)过栅流速一般采用 0.6～1.0m/s，最大设计流量时为 0.8～1.0m/s，平均设计流量时为 0.3m/s；
4)人工清除格栅倾角为 30～60°。 （2）设计流量
设计采用一组粗格栅，污水平均日流量 Q=300m3/d=3.47L/s。 根据《室外排水设计规范》（GB50014-2006）提供的居民区生活污水总变化值确定总变化系数。
表4-1生活污水量总变化系数 污水平均日流量/(L/s) 5 15 40 70 100 200 500 ≥1000 总变化2.3 系数KZ 2.0 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3
由 于 Q ＜ 5L/s ， 取 KZ=2.3 ， 故 最 高 日 最 高 时 用 水 量Qmax=KZ×Q=2.3×Q=690m3/d=0.008m3/s。
（3）设计参数 按照《室外排水设计规范》（GB50014-2006）规定，设计参数取以下值：栅条间隙 e=25mm，栅条宽度 S=10mm，过栅流速 0.8m/s，格栅倾角 60°。
（4）设计计算
1）栅前水深：由于进水管径为 800mm，故取 B1=0.8m。
过 栅 面 积A=
𝑄𝑣
=
0.0080.8
=0.01㎡，取 有 效 栅 宽 为 0.8m ， 由A=0.8×h×25=
25
0.32𝑚2得，栅前水深 h=0.02m
2）栅条的间隙数：Qmax=0.008m3/s，栅前水深 h=0.02m，过栅流速v=0.8m/s，栅条间隙 e=25mm，α=60°，则栅条间隙数：
𝑄𝑚𝑎𝑥√sin𝑎0.008×√sin60°n===18.61个
𝑒ℎ𝑣0.025×0.02×0.8 取n=19
3）栅槽宽度：
B=S×(𝑛−1)+𝑛𝑒=0.655𝑚
式中：
S——栅条宽度，取 0.01m e——栅条间隙，m n——栅条间隙数，个 4）过栅水头损失：
因栅条为锐边矩形截面，取 k=3，并将已知数据代入得：
𝑣20.0130.82
ℎ1=𝑘ℎ0=𝑘𝜁sin𝑎=3×2.42×()×sin60°=0.06m
2𝑔0.0252×9.81式中：
h0——计算水头损失；
g——重力加速度，9.81m/s2； k——系数，一般 k=3；
ζ——阻力系数，ζ=β(𝑒)，当为矩形断面时，β=2.42。
考虑到洪峰期雨污混流导致流量变大，格栅进水渠内雨污水可呈满流态流入。 5）栅后槽总高度：
本设计格栅放在进水管渠中，进水管渠渠底距地面高为 3.36 m，故栅后槽总高度为 3.36 m。
6）栅槽总长度：
本设计格栅放在进水管渠中，进水管渠渠底距地面高为 3.36 m，故栅后槽总长度为 3.36/tan60°=1.94 m，取 2m。
7）每日栅渣量：在格栅间隙 25mm 的情况下，设栅渣量为每 1000m3污水产 0.05m3，故：
𝑄𝑚𝑎𝑥×86400×𝑊1
W= 1000×𝐾𝑍
Qmax——污水最大设计流量，m /s3
W1——栅渣量，W1=0.1～0.01m3栅渣/10m3污水，粗格栅用小值，细格栅用大值，中格
𝑠
434
栅用中值，本设计取 W1=0.05 m3栅渣/10m3污水。
Kz——生活污水 Q 总变化系数。 故：W=
0.008×86400×0.05
1000×2.3
=0.015𝑚3⁄𝑑<0.2
由于产生的栅渣量较小，所以宜采用人工清渣。 4.2.2 集水井设计
（1）选泵
在集水井中设置潜污泵，潜污泵的设计流量按最大日最大时流量计算，本设计中，污水平均日流量 Q=300m3/d=12.5m3/h=3.47L/s=0.0035m3/s。KZ=2.3，故 最 高 日 最 高 时 用 水 量 ：𝑄𝑚𝑎𝑥=𝐾𝑍×𝑄=2.3×𝑄=690m³⁄𝑑=28.75m³⁄ℎ=8𝐿⁄𝑠=0.008𝑚3⁄𝑠。
1） 扬程计算：
H=𝐻1+𝐻2+ℎ1+ℎ2+ℎ3
式中：
H1——吸水地形高度，m H2——压水地形高度，m
h1——吸水管水头损失，m，其中：
1
ℎ1=𝜁12𝑔，ζ1为局部阻力系数，v1为吸水管流速（m/s）
𝑣2
h2——压水管水头损失，m，其中：
2ℎ2=𝜁22𝑔，ζ,2为局部阻力系数，v2为吸水管流速（m/s）
𝑣2
h3——安全水头，估计扬程时按 0.5-1.0m 计。
集水池最低水位与最高水位差为 1.5m，集水池最高水位水面标高为19.30m，则最低水位为 19.30-1.5=17.80m，调节池水面标高为 22.23m，故静扬程为 22.23-17.80=4.43 m。
2）管路水头损失计算： 压水管道长取 6m，渐扩管 1 个，弯头 1 个，阀门 1 个，三通 1 个，出水管选用 DN75 铸铁管，
Q=28.75m3/h=0.479m3/min=0.008m3/s。查铸铁管水力计算表得 v=1.3m/s，1000i=53.6，沿程水头损失为：
ℎ𝑖=𝑖𝑙=
局部水头损失为：
𝑣21.32
ℎ𝑗=∑𝜁=(0.05+0.34+0.4+1)×=0.16𝑚
2𝑔2𝑔管路总水头损失为 0.48m，安全水头取 1m，故水泵所需扬程为：H=4.43+0.48+1=5.91m。 选泵：选用 2 台 WQD20-6-0.55 潜水电泵，Q=20m3/h=0.34m3/min=0.0057m3/s。具体参数如下表 4-2：
表4-2潜水泵参数表 型号 WQD20-6-0.55 扬程（m） 6 口径（mm） 50 电机功率（kw） 0.55 流量（m3/h） 20 重量（kg） 24 转速（r/min） 2860 电压频率 220/50 53.6
×6=0.32𝑚 1000正常情况下使用一台水泵，当水位超过最高水位时启动另一台水泵。
（2）集水井设计
集水井容积应不小于一台泵 5 min 的出水量计算，本设计取 10 min，则集水池容积为：
V=0.34×10=3.4𝑚3
设计取有效水深为：h=1.5m，超高 0.3m，则集水池面积为：
𝑉3.4==2.27𝑚2 ℎ1.5取集水池平面尺寸 L×B×H＝2×1.2×1.8m 4.2.3 调节沉淀池设计
（1）日平均流量
Q=300 m3/d=12.5 m3/min。 （2）停留时间 T 取停留时间 T=24h。 （3）池内污水量
池内污水量 Q1=12.5×24=300m3，即调节池的有效容积为 300m3，设计用调节池的实际容积为 V=1.2×300=360 m3。
（4）有效水深 h
取池子的有效水深为 h=3m。 （5）池面积
调节池的平面面积 F=V/h=120m2。 （6）池子的平面尺寸
采用 L×B=12 m×10m，分两格，每格尺寸为 6m×10m。 （7）池子的总高
取调节池超高为 h1=0.3m，故 H=h+h1=3+0.3=3.3m。 （8）池子的几何尺寸
采用 L×B×H=12 m×10 m×3.3 m。 （9）调节池污泥停留时间
污泥含水率按 96%计，日平均流量为 Q=300 m3/d。 污泥量计算如下：
1000𝐶0𝑛𝑄V=3 10(100−𝑝)𝜌A=
式中：
V——污泥量，m3/d； Q——污水流量，m3/d； η——去除率，%；取 50%
C0——进水悬浮物浓度，mg/L；取 200 mg/L
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