科学设计污水处理站

格栅的设计计算  

一、格栅设计一般规定

1、栅隙

(1)水泵前格栅栅条间隙应根据水泵要求确定。

(2) 废水处理系统前格栅栅条间隙，应符合下列要求：最大间隙40mm，其中人工清除25~40mm，机械清除16~25mm。废水处理厂亦可设置粗、细两道格栅，粗格栅栅条间隙50~100mm。

(3) 大型废水处理厂可设置粗、中、细三道格栅。

(4) 如泵前格栅间隙不大于25mm，废水处理系统前可不再设置格栅。

2、栅渣

(1) 栅渣量与多种因素有关，在无当地运行资料时，可以采用以下资料。

格栅间隙16~25mm；0.10~0.05m3/103m ³  (栅渣/废水）。

格栅间隙30~50mm；0.03~0.01m3/103m ³  (栅渣/废水）。

(2) 栅渣的含水率一般为80%，容重约为960kg/m ³ 。

(3) 在大型废水处理厂或泵站前的大型格栅（每日栅渣量大于0.2m ³ )，一般应采用机械清渣。

3、其他参数

(1) 过栅流速一般采用0.6~1.0m/s。

(2) 格栅前渠道内水流速度一般采用0.4~0.9m/s。

(3) 格栅倾角一般采用45°~75°，小角度较省力，但占地面积大。

(4) 机械格栅的动力装置一般宜设在室内，或采取其他保护设备的措施。

(5) 设置格栅装置的构筑物，必须考虑设有良好的通风设施。

(6) 大中型格栅间内应安装吊运设备，以进行设备的检修和栅渣的日常清除。

二、格栅的设计计算  

1、平面格栅设计计算

(1) 栅槽宽度B

式中，S为栅条宽度，m；n为栅条间隙数，个；b为栅条间隙，m；为最大设计流量，m3/s；a为格栅倾角，（°); h为栅前水深，m，不能高于来水管（渠）水深；v为过栅流速，m/s。

(2) 过栅水头损失如

式中，h ₀ 为计箅水头损失，m；k为系数，格栅堵塞时水头损失增大倍数，一般采用3；ζ 为阻力系数，与栅条断而形状有关，按表2-1-1阻力系数ζ计箅公式计算；g为重力加速度，m/s ² 。

(3) 榭后槽总高H

式中，h ₂ 为栅前渠道超高，m，—般采用0.3。

(4) 栅槽总长L

式中，L ₁ 为进水渠道渐宽部分的长度，m；L ₂ 为栅槽与出水渠道连接处的渐窄部分长度；H ₁ 为栅前渠道深，m；B ₁ 为进水渠宽，m；α ₁ 为进水渠道渐宽部分的展开角度，（°)，一般可采用20。

(5)每日栅渣量W

式中，W ₁ 为栅渣量，m ³ /10 ³ m ³ 废水，格栅间隙为16~25mm时，W ₁ =0.10~0.05；格栅间隙为30~50mm时，W ₁  =0.03~0.01；Kz为城市生活污水流量总变化系数。

污泥池计算公式  

(1)水池自重Gc计算

顶板自重G1=180.00 kN

池壁自重G2=446.25kN

底板自重G3=318.75kN

水池结构自重Gc=G1+G2+G3=945.00 kN

(2)池内水重Gw计算

池内水重Gw=721.50 kN

(3)覆土重量计算

池顶覆土重量Gt1= 0 kN

池顶地下水重量Gs1= 0 kN

底板外挑覆土重量Gt2= 279.50 kN

底板外挑地下水重量Gs2= 45.50 kN

基底以上的覆盖土总重量Gt = Gt1 + Gt2 = 279.50 kN

基底以上的地下水总重量Gs = Gs1 + Gs2 = 45.50 kN

(4)活荷载作用Gh

顶板活荷载作用力Gh1= 54.00 kN

地面活荷载作用力Gh2= 65.00 kN

活荷载作用力总和Gh=Gh1+Gh2=119.00 kN

(5)基底压力Pk

基底面积: A=(L+2×t2)×(B+2×t2)=5.000×8.500 = 42.50 m2

基底压强: Pk=(Gc+Gw+Gt+Gs+Gh)/A

=(945.00+721.50+279.50+45.50+119.00)/42.500= 49.66 kN/m2

(1)计算基础底面以上土的加权平均重度rm

rm=[1.000×(20.00-10)+2.000×18.00]/3.000

= 15.33 kN/m3

(2)计算基础底面以下土的重度r

考虑地下水作用，取浮重度，r=20.00-10=10.00kN/m3

(3)根据基础规范的要求，修正地基承载力:

fa = fak + ηb γ(b - 3) + ηdγm(d - 0.5)

= 100.00+0.00×10.00×(5.000-3)+1.00×15.33×(3.000-0.5)

= 138.33 kPa

Pk=49.66 <fa=138.33 kPa, 地基承载力满足要求。

抗浮力Gk=Gc+Gt+Gs=945.00+279.50+45.50=1270.00 kN

浮力F=(4.500+2×0.250)×(8.000+2×0.250)×1.000×10.0×1.00=425.00 kN

Gk/F=1270.00/425.00=2.99 > Kf=1.05, 抗浮满足要求。

池顶板自重荷载标准值：P1=25.00×0.200= 5.00 kN/m2

池顶活荷载标准值：Ph= 1.50 kN/m2

池顶均布荷载基本组合：

Qt = 1.20×P1 + 1.27×Ph= 7.91 kN/m2

池顶均布荷载准永久组合：

Qte = P1 + 0.40×Ph= 5.60 kN/m2

池外荷载： 主动土压力系数Ka= 0.33

侧向土压力荷载组合(kN/m2)：

池内底部水压力： 标准值= 25.00 kN/m2, 基本组合设计值=31.75 kN/m2

水池结构自重标准值Gc=945.00kN

基础底面以上土重标准值Gt=279.50kN

基础底面以上水重标准值Gs=45.50kN

基础底面以上活载标准值Gh=119.00kN

水池底板以上全部竖向压力基本组合：

Qb = (945.00×1.20+279.50×1.27+45.50×1.27+119.00×1.27×0.90)/42.500

= 39.59kN/m2

水池底板以上全部竖向压力准永久组合：

Qbe = (945.00+279.50+45.50×1.00+1.50×36.000×0.40+10.00×6.500×0.40)/42.500

= 31.00kN/m2

板底均布净反力基本组合:

Q = 39.59-0.300×25.00×1.20= 30.59 kN/m2

板底均布净反力准永久组合:

Qe = 31.00-0.300×25.00

= 23.50 kN/m2

水池底板以上全部竖向压力基本组合：

Qb=[4.500×8.000×1.50×1.27+945.00×1.20+(3.900×7.400×2.500)×10.00×1.27]/42.500 
= 49.86kN/m2

板底均布净反力基本组合：

Q = 49.86-(0.300×25.00×1.20+2.500×10.00×1.27) = 9.11kN/m2

水池底板以上全部竖向压力准永久组合：

Qbe=[4.500×8.000×1.50×0.40+945.00+(3.900×7.400×2.500)×10.00]/42.500 

= 39.72kN/m2

板底均布净反力准永久组合：

Qe=39.72-(0.300×25.00+2.500×10.00) 
= 7.22kN/m2 

顶板：下侧受拉为正,上侧受拉为负

池壁：内侧受拉为正,外侧受拉为负

底板：上侧受拉为正,下侧受拉为负

1.池外土压力作用(池内无水，池外填土)

2.池内水压力作用(池内有水，池外无土)

3.池壁温湿度作用(池内外温差=池内温度-池外温度)

顶板内力：

计算跨度: Lx= 4.100 m, Ly= 7.600 m , 四边简支

按双向板计算：

B侧池壁内力：

计算跨度：Lx= 7.700 m, Ly= 2.500 m ,  三边固定,顶边简支

池壁类型：浅池壁,按竖向单向板计算

池外土压力作用角隅处弯矩(kN.m/m)：

基本组合：-8.13， 准永久组合：-5.61

池内水压力作用角隅处弯矩(kN.m/m)：

基本组合：6.95，准永久组合：5.47

基本组合作用弯矩表(kN·m/m)

底板内力：

计算跨度:Lx= 4.200m, Ly= 7.700m , 四边简支+池壁传递弯矩按双向板计算。

1、池外填土，池内无水时，荷载组合作用弯矩表(kN·m/m)

基本组合作用弯矩表：

配筋及裂缝：

配筋计算方法：按单筋受弯构件计算板受拉钢筋。

裂缝计算根据《水池结构规程》附录A公式计算。

按基本组合弯矩计算配筋,按准永久组合弯矩计算裂缝，结果如下：

顶板配筋及裂缝表(弯矩:kN.m/m, 面积:mm2/m, 裂缝:mm)

碳源计算公式  

1、碳源选择

通常反硝化可利用的碳源分为快速碳源(如甲醇、乙酸、乙酸钠等)、慢速碳源(如淀粉、蛋白质、葡萄糖等)和细胞物质。不同的外加碳源对系统的反硝化影响不同，即使外加碳投加量相同，反硝化效果也不同。

与慢速碳源和细胞物质相比，甲醇、乙醇、乙酸、乙酸钠等快速碳源的反硝化速率最快，因此应用较多。表1 对比了四种快速碳源的性能。

2、碳源投加量计算

1）氮平衡

进水总氮和出水总氮均包括各种形态的氮。进水总氮主要是氨氮和有机氮，出水总氮主要是硝态氮和有机氮。

进水总氮进入到生物反应池，一部分通过反硝化作用排入大气，一部分通过同化作用进入活性污泥中，剩余的出水总氮需满足相关水质排放要求。

2）碳源投加量计算

同化作用进入污泥中的氮按BOD5 去除量的5%计，即0.05(Si-Se)，其中Si、Se 分别为进水和出水的BOD5 浓度。

反硝化作用去除的氮与反硝化工艺缺氧池容大小和进水BOD5 浓度有关。

反硝化设计参数的概念，是将其定义为反硝化的硝态氮浓度与进水BOD5 浓度之比， 表示为Kde(kgNO3--N/kgBOD5)。

由此可算出反硝化去除的硝态氮

[NO3--N]=KdeSi。

从理论上讲，反硝化1kg 硝态氮消耗2.86kgBOD5，即：

Kde=1/2.86(kg NO3--N/kgBOD5)

=0.35(kg NO3--N/kgBOD5)

污水处理厂需消耗外加碳源对应氮量的计算公式为：

N=Ne 计 - NsNe 计=Ni - KdeSi - 0.05(Si-Se)

式中：

N—需消耗外加碳源对应氮量，mg/L；

Ne 计—根据设计的污水水质和设计的工艺参数计算出能达到的出水总氮，mg/L；

Ns— 二沉池出水总氮排放标准， mg/L； 

Kde—0.35，kg

NO3--N/kgBOD5；

Si—进水BOD5 浓度，mg/L；

Se—出水BOD5 浓度，mg/L；

Ne 计需通过建立氮平衡方程计算，生化反应系统的氮平衡见图1。

通过计算出的氮量，折算成需消耗的碳量。

1、除磷药剂投加量的计算

国内较常用的是铁盐或铝盐，它们与磷的化学反应如式(1)?(2)?

Al3++PO3-4→AlPO4↓(1)

Fe3++PO3-4→FePO4↓(2)

与沉淀反应相竞争的反应是金属离子与OH-的反应，反应式如式(3)?(4)?

Al3++3OH-→Al(OH)3↓(3)

Fe3++3OH-→Fe(OH)3↓(4)

由式 (1) 和式 (2) 可知去除 1mol 的磷酸盐，需要 1mol 的铁离子或铝离子?

由于在实际工程中，反应并不是 100% 有效进行的，加之 OH ^- 会参与竞争，与金属离子反应，生成相应的氢氧化物，如式 (3)  和式 (4) ，所以实际化学沉淀药剂一般需要超量投加，以保证达到所需要的出水  P 浓度?

《给水排水设计手册》第 5 册和德国设计规范中都提到了同步沉淀化学除磷可按 1mol 磷需投加 1.5mol 的铝盐  ( 或铁盐 ) 来考虑?

为了计算方便，实际计算中将摩尔换算成质量单位? 如 ：

1molFe=56gFe ， 1 molAl=27gAl ， 1molP=31gP ；

也就是说去除1kg 磷，当采用铁盐时需要投加:1.5×(56/31)=2.7 kgFe/kgP；

当采用铝盐时需投加:1.5×(27/31)= 1.3kgAl/kgP?

2、需要辅助化学除磷去除的磷量计算

同步沉淀化学除磷系统中，想要计算出除磷药剂的投加量，关键是先求得需要辅助化学除磷去除的磷量?对于已经运行的污水处理厂及设计中的污水处理厂其算法有所不同?

1） 已经运行的污水处理厂  PPrec=PEST-PER 

(5)  式中  

PPrec—— 需要辅助化学除磷去除的磷量， mg/L ；
PEST—— 二沉池出水总磷实测浓度， mg/L ；
PER—— 污水处理厂出水允许总磷浓度， mg/L ?  

2） 设计中的污水处理厂

根据磷的物料平衡可得 : PPrec=PIAT-PER-PBM -PBioP 

(6)  式中  

PIAT—— 生化系统进水中总磷设计浓度， mg/L ；  
PBM —— 通过生物合成去除的磷量， PBM= 0.01CBOD ， IAT ， mg/L ；
CBOD ， IAT—— 生化系统进水中  BOD5  实测浓度，  mg/L ；  
PBioP—— 通过生物过量吸附去除的磷量， mg/L ?

PBioP 值与多种因素有关，德国  ATV-A131 标准中推荐 PBioP 的取值可根据如下几种情况进行估算 ：

(1) 当生化系统中设有前置厌氧池时 ，
PBioP 可按 (0.01~0.015)CBOD ， IAT 进行估算?  

(2) 当水温较低?出水中硝态氮浓度≥ 15mg/L ，即使设有前置厌氧池，生物除磷的效果也将受到一定的影响，
PBioP 可按  (0.005~0.01)CBOD ， IAT  进行估算?  

(3) 当生化系统中设有前置反硝化或多级反硝化池，但未设厌氧池时，
PBioP 可按≤ 0.005CBOD ， IAT 进行估算?

(4) 当水温较低，回流至反硝化区的内回流混合液部分回流至厌氧池时 ( 此时为改善反硝化效果将厌氧池作为缺氧池使用 ) ，
PBioP 可按≤ 0.005CBOD ， IAT 进行估算?  

水泵计算公式  

泵的扬程计算是选择泵的重要依据，这是由管网系统的安装和操作条件决定的。计算前应首先绘制流程草图，平、立面布置图，计算出管线的长度、管径及管件型式和数量。

一般管网如下图所示，（更多图例可参考化工工艺设计手册）。

D——排出几何高度，m；

取值：高于泵入口中心线：为正；低于泵入口中心线：为负；

S——吸入几何高度，m；

取值：高于泵入口中心线：为负；低于泵入口中心线：为正；

Pd、Ps——容器内操作压力，m液柱（表压）；

取值：以表压正负为准

Hf1——直管阻力损失，m液柱；

Hf2——管件阻力损失，m液柱；

Hf3——进出口局部阻力损失，m液柱；

h ——泵的扬程，m液柱

h＝D+S+hf1+hf2+h3+Pd－Ps

h= D－S+hf1+hf2+hf3+Pd－Ps

h= D＋S+hf1+hf2+hf3+Pd－Ps

计算式中各参数符号的意义↓

某些工业管材的ε约值见下表 ↓

 管网局部阻力计算  ↓

常用管件和阀件底局部阻力系数ζ ↓

1、设计基准

可能分离的油的最小粒径：d≥15μm;

油的密度：ρ=0.92～0.95g/cm3;

隔油池水平流速：v≤0.9m/min，且不大于油滴上浮速度的15倍;

池子的尺寸范围：深度0.9～2.4m；宽度1.8～6.1m；深度/宽度0.3～0.5；安全系数k=1.6。

2、计算

过水断面积A：A=Q/v，m2 （1）

式中：

Q——处理水量，m3/min;

v——水平流速，m/min;

v≤15u （2）

式中  

G——重力加速度，980cm/s2

ρ油——油的密度，g/cm3

ρ水——水的密度，g/cm3

d——油滴粒径，一般取0.015cm

μ——动力粘度系数，(g·s)/cm2，当水温为20℃时μ=0.0102

u——油滴上浮速度，m/min

池子宽度B和有效水深h1，按设计基准取下限值，然后校核Bh1≥A，否则重新设定B、h1值。

池总长度 L=L1+L2+L3+L4

式中  

L1——布水槽宽度，一般取0.5～0.8m;

L2——油水分离区有效长度，m;

L2＝kvt，m (3-5-39)

式中  

t——沉淀时间，min

t=h1/u (3-5-40)

其他符号同前

L3——集水槽宽度，一般取0.8m;

L4——吸水井宽度，m。

吸水井有效容积大于排水泵5min排水量。

3、浮上油的处置

浮油经撇油管收集，自流出水外。在浮油量不 大，来水比较稳定时，可在池外用油桶接受，否则 需设贮油坑，坑顶面高度与隔油池顶相平。对温度 低时粘度较大的浮油，贮油坑里可设蒸汽加热。

1—料斗；2—定量给料器；3—溶解溶液桶；

 4—搅拌机；5—计量泵；6—Y型过滤器。