一、工程概述
城市污水处理厂的设计工作一般分为两个阶段，即初步设计和施工图设计。
城市污水处理厂的设计工作内容包括确定厂址、选择合理的工艺流程、确定污水处理厂平面与高程的布置、计算建（构）筑物等。
1、设计资料的收集与调查
（1）建设单位的设计任务书
包括设计规模（处理水量）、处理程度要求、占地要求、投资情况等。
（2）收集相关资料
包括原水水质资料、当地气象资料（温度、风向、日照情况等）、水文地质资料（地下水位、土壤承载力、受纳水体流量、最高水位等）、地形资料、城市规划情况等。
（3）必要的现场调查
当缺乏某些重要的设计资料时，则现场的调查是必需的。
2、厂址选择
城市污水处理厂厂址选择是城市污水处理厂设计的前提，应根据选址条件和要求综合考虑，选出适用的、系统优化、工程造价低、施工及管理方便的厂址。
二、处理流程选择：
污水处理厂的工艺流程是指在达到所要求的处理程度的前提下，污水处理各单元的有机组合，以满足污水处理的要求。
1、污水处理流程的选择原则：
经济节省性原则；
运行可靠性原则；
技术先进性原则。
2、应考虑的其他一些重要因素：
充分考虑业主的需求；
考虑实际操作管理人员的水平。
本次设计采用生物好氧处理法。好氧生物处理BOD5去除率高，可达90%~95%，稳定性较强，系统启动时间短，一般为2~4周，很少产生臭气，不产生沼气，对污水的碱度要求低。
污水处理工艺流程图如下：
平面图:
三、污水处理工程设计计算：
（一）、设计水量，水质及处理程度：
平均流量：5万吨/天，变化系数1.4；
进水：COD：400 mg/L，BOD：300 mg/L，SS：350 mg/L；
出水：COD： 60 mg/L，BOD： 20 mg/L，SS： 20 mg/L；
处理程度计算：COD：（400-60）/400=85% ；
BOD：（300-20）/300=93.3% ；
SS：（350-20）/350=94.3% 。
（二）、格栅及其设计：
格栅是由一组平行的金属栅条制成，斜置在污水流经的渠道上或水泵前集水井处，用以截留污水中的大块悬浮杂质，以免后续处理单元的水泵或构筑物造成损害。
设计中取二组格栅，N=2组，安装角度α=60°
Q 设计水量=平均流量×变化系数=0.810 m3/s
2、格栅槽宽度：
B=S(n－1)+bn
式中： B——格栅槽宽度（m）；
S——每根格栅条的宽度（m）。
设计中取S=0.015m，则计算得B=0.93m。
3、进水渠道渐宽部分的长度：
4、出水渠道渐窄部分的长度：
5、通过格栅的水头损失：
6、栅后明渠的总高度：
H=h+h1+h2
式中： H——栅后明渠的总高度(m)；
h2——明渠超高（m），一般采用0.3-0.5m
设计中取h2 =0.30m，得到H=1.28m。
7、栅槽总长度：
8、每日栅渣量计算：
采用机械除渣及皮带输送机或无轴输送机输送栅渣，采用机械栅渣打包机将栅渣打包，汽车运走。
9、进水与出水渠道：
城市污水通过DN1200mm的管道送入进水渠道，设计中取进水渠道宽度B1 =0.9m，进水水深h1=h=0.8m，出水渠道B2=B1=0.9m，出水水深h2=h1=0.8m。
（三）、沉砂池及其设计：
沉砂池是借助于污水中的颗粒与水的比重不同，使大颗粒的沙粒、石子、煤渣等无机颗粒沉降，减少大颗粒物质在输水管内沉积和消化池内沉积。
沉砂池按照运行方式不同可分为平流式沉砂池，竖流式沉砂池，曝气式沉砂池，涡流式沉砂池。
设计中采用曝气沉砂池，沉砂池设2组，N=2组，每组设计流量0.4051m3/s
1、沉砂池有效容积：
式中： V——沉砂池有效容积（m3）;
Q——设计流量（m3/s）；
t——停留时间（min），一般采用1-3min。
设计中取t=2min，Q=0.4051m3/s，得到V=48.61m3。
出水堰后自由跌落0.15m，出水流入出水槽，出水槽宽度B2=0.8m，出水槽水深h2=0.35m，水流流速v2=0.89m/s。采用出水管道在出水槽中部与出水槽连接，出水管道采用钢管。管径DN2=800mm，管内流速v2=0.99m/s，水力坡度i=1.46‰。
12、排砂装置：
采用吸砂泵排砂，吸砂泵设置在沉砂斗内，借助空气提升将沉砂排出沉砂池，吸砂泵管径DN=200mm。
（四）、初沉池及其设计：
初次沉淀池是借助于污水中的悬浮物质在重力的作用下可以下沉，从而与污水分离，初次沉淀池去除悬浮物40%~60%，去除BOD20%~30%。
初次沉淀池按照运行方式不同可分为平流沉淀池、竖流沉淀池、辐流沉淀池、斜板沉淀池。
设计中采用平流沉淀池，平流沉淀池是利用污水从沉淀池一端流入，按水平方向沿沉淀池长度从另一端流出，污水在沉淀池内水平流动时，污水中的悬浮物在重力作用下沉淀，与污水分离。平流沉淀池由进水装置、出水装置、沉淀区、缓冲层、污泥区及排泥装置组成。
沉淀池设2组，N=2组，每组设计流量Q=0.4051m3/s。
10、沉淀池总高度：
H=h1+h2+h3+h4
式中：h1——沉淀池超高（m），一般采用0.3-0.5；
h3——缓冲层高度（m），一般采用0.3m；
h4——污泥部分高度（m），一般采用污泥斗高度与池底坡底i=1‰的高度之和。
设计中取h1=0.3m，h3=0.3m，得h4=3.94m，得到H=7.54m。
15、出水渠道：
沉淀池出水端设出水渠道，出水管与出水渠道连接，将污水送至集水井。
式中： v3——出水渠道水流流速（m/s），一般采用v3≥0.4m/s；
B3——出水渠道宽度（m）；
H3——出水渠道水深（m），一般采用0.5-2.0。
设计中取B3=1.0M，H3=0.8m，得到v3=0.51m/s>0.4m/s。
出水管道采用钢管，管径DN=1000mm，管内流速为v=0.51m/s,水力坡降i=0.479‰。
16、进水挡板、出水挡板：
沉淀池设进水挡板和出水挡板，进水挡板距进水穿孔花墙0.5m，挡板高出水面0.3m, 伸入水下0.8m。出水挡板距出水堰0.5m，挡板高出水面0.3m，伸入水下0.5m。在出水挡板处设一个浮渣收集装置，用来收集拦截的浮渣。
17、排泥管：
沉淀池采用重力排泥，排泥管直径DN300mm，排泥时间t4=20min，排泥管流速v4=0.82m/s，排泥管伸入污泥斗底部。排泥管上端高出水面0.3m，便于清通和排气。排泥静水压头采用1.2m。
18、刮泥装置：
沉淀池采用行车式刮泥机，刮泥机设于池顶，刮板伸入池底，刮泥机行走时将污泥推入污泥斗内。
（五）、曝气池及其设计：
设计中采用传统活性污泥法。传统活性污泥法，又称普通活性污泥法，污水从池子首端进入池内，二沉池回流的污泥也同步进入，废水在池内呈推流形式流至池子末端，其池型为多廊道式，污水流出池外进入二次沉淀池，进行泥水分离。污水在推流过程中，有机物在微生物的作用下得到降解，浓度逐渐降低。传统活性污泥法对污水处理效率高，BOD去除率可达到90%以上，是较早开始使用并沿用至今的一种运行方式
7、曝气池总高度：
H总=H+h
式中： H总——曝气池总高度（m）；
h——曝气池超高（m），一般取0.3—0.5m。
设计中取 h=0.5m，则 H=4.7m。
10、管道设计：
①中位管：
曝气池中部设中位管，在活性污泥培养驯化时排放上清液。中位管管径为600mm。
②放空管：
曝气池在检修时，需要将水放空，因此应在曝气池底部设放空管，放空管管径为500mm。
④消泡管
在曝气池隔墙上设置消泡水管，管径为DN25mm，管上设阀门。消泡管是用来消除曝气池在运行初期和运行过程中产生的泡沫。
⑤空气管
曝气池内需设置空气管路，并设置空气扩散设备，起到充氧和搅拌混合的作用。
11、曝气池需氧量计算：
依照气水比5：1进行计算，Q=14580m3/h。
12、鼓风机选择：
空气扩散装置安装在距离池底0.2m处，曝气池有效水深为4.2m，空气管路内的水头损失按1.0m计，则空压机所需压力为：
P=（4.2-0.2+1.0）×9.8=49kPa
鼓风机供气量：
Gsmax=14580m3/h=243m3/min。
根据所需压力及空气量，选择RE-250型罗茨鼓风机，共5台，该鼓风机风压49kPa，风量75.8m3/min。正常条件下，3台工作，2台备用；高负荷时，4台工作，1台备用
（六）、二沉池及其设计：
二沉池一般可分为平流式、辐流式、竖流式和斜板（管）等几类。
平流式沉淀池可用于大、中、小型污水处理厂，但一般多用于初沉池，作为二沉池比较少见。平流式沉淀池配水不易均匀，排泥设施复杂，不易管理。
辐流式沉淀池一般采用对称布置，配水采用集配水井，这样各池之间配水均匀，结构紧凑。辐流式沉淀池排泥机械已定型化，运行效果好，管理方便。辐流式沉淀池适用于大、中型污水处理厂。
竖流式沉淀池一般用于小型污水处理厂以及中小型污水厂的污泥浓缩池。该池型的占地面积小、运行管理简单，但埋深较大，施工困难，耐冲击负荷差。
斜管（板）沉淀池具有沉淀效率高、停留时间短、占地少等优点。一般常用于小型污水处理厂或工业企业内的小型污水处理站。斜管（板）沉淀池处理效果不稳定，容易形成污泥堵塞，维护管理不便。
设计中选用辐流沉淀池，沉淀池设2组，N=2组，每组设计流量0.405m3/s。
3、沉淀池有效水深：
h2=q′×t
式中: h2——沉淀池有效水深（m）；
t——沉淀时间（h），一般采用1—3h。
设计中取 t=2.5h，得到 h2=3.5m。
4、径深比：
D/h2=10.4，满足6-12之间的要求。
5、污泥部分所需容积：
式中： Q0——平均流量（m3/s）；
R——污泥回流比（%）；
X——污泥浓度(mg/L)；
Xr——二沉池排泥浓度(mg/L)。
设计中取Q0=0.579 m3/s，R=50%，
，
SVI——污泥容积指数，一般采用70-150；
r——系数，一般采用1.2。
设计中取SVI=100，r=1.2，得到Xr=1.2×104mg/L，X=4000mg/L。
经计算得到 V1=1563.3m3。应采用连续排泥方式。
6、沉淀池的进、出水管道设计：
进水管：流量应为设计流量+回流量，管径计算为900mm
出水管：管径计算为800mm
排泥管：管径为500mm
7、出水堰计算：
堰上负荷的校核。规定堰上负荷范围1.5-2.9L/m.s之间。
8、沉淀池总高度：
H=h1+h2+h3+h4+h5
式中：H——沉淀池总高度（m）;
h1——沉淀池超高（m），一般采用0.3-0.5m；
h2——沉淀池有效水深（m）；
h3——沉淀池缓冲层高度（m），一般采用0.3m；
h4——沉淀池底部圆锥体高度（m）；
h5——沉淀池污泥区高度（m）。
设计中取h1=0.3m，h3=0.3m，h2=3.5m.
根据污泥部分容积过大及二沉池污泥的特点，采用机械刮吸泥机连续排泥，池底坡度为0.05。
h4=(r-r1)×i
式中：r——沉淀池半径（m）；
r1——沉淀池进水竖井半径（m），一般采用1.0m；
i——沉淀池池底坡度。
设计中取r1=1.0m，i=0.05，得到h4=0.86m。
式中：V1——污泥部分所需容积（m3）；
V2——沉淀池底部圆锥体容积（m3）；
F——沉淀池表面积（m2）。
计算可得 =315.4m3，则h5=1.20m。
得到H=6.16m。
（七）、消毒接触池及其设计：
污水经过以上构筑物处理后，虽然水质得到了改善，细菌数量也大幅减少，但是细菌的绝对值依然十分客观，并有存在病原菌的可能，因此，污水在排放水体前，应进行消毒处理。
设计中采用平流式消毒接触池，消毒接触池设2组，每组3廊道。
1、消毒接触池容积：
V=Qt
式中： Q——单池污水设计流量（m3/s）；
t——消毒接触时间（min），一般采用30min。
设计中取t=30min，得每组消毒接触池的容积为729m3。
2、消毒接触池表面积：
F=V/h2
式中：h2——消毒池有效水深，设计中取为2.5m。
设计中取h2=2.5m，得到F=291.6m2。
3、消毒接触池池长：
L′=F/B
式中：B——消毒池宽度(m)，设计中取为5m。
设计中取B=5m，计算得 L=58.32m。每廊道长为19.44m，设计中取为20m。
校核长宽比：L′/B=11.7>10，合乎要求。
4、消毒接触池池高：
H=h1+h2
式中：h1——消毒池超高(m)，一般采用0.3m；
设计中取h1=0.3m，计算得 H=2.8m。
5、进水部分：
每个消毒接触池的进水管管径D=800mm，v=1.0m/s。
6、混合：
采用管道混合的方式，加氯管线直接接入消毒接触池进水管，为增强混合效果，加氯点后接D=800mm的静态混合器。
（八）、污泥浓缩池及其设计：
污泥浓缩的对象是颗粒间的空隙水，浓缩的目的是在于缩小污泥的体积，便于后续污泥处理，常用污泥浓缩池分为竖流浓缩池和辐流浓缩池2种。二沉池排出的剩余污泥含水率高，污泥数量较大，需要进行浓缩处理；初沉污泥含水量较低，可以不采用浓缩处理。设计中一般采用浓缩池处理剩余活性污泥。浓缩前污泥含水率99%，浓缩后污泥含水率97%。
13、溢流堰：
浓缩池溢流出水经过溢流堰进入出水槽，然后汇入出水管排出。出水槽流量q=0.0015m3/s，设出水槽宽b=0.15m，水深0.05m，则水流速为0.2m/s，溢流堰周长：
c=π(D-2b)
计算得到c=15.86m。
溢流堰采用单侧90°三角形出水堰，三角堰顶宽0.16m，深0.08m，每格沉淀池有110个三角堰，三角堰流量q0为：
Q1=0.0015/110=0.0000136m3/s
h′=0.7q02/5
式中： q0——每个三角堰流量（m3/s）；
h′——三角堰堰水深（m）。
计算得到h′=0.0079m。
三角堰后自由跌落0.10m，则出水堰水头损失为0.1079m