1、 1 1.绪言 水是人们生活和生产活动的重要资源之一，但由于自然界的水资源是有限的，分布也很不均匀。近几十年来，随着工业和城市建设的发展，我国城市的环境污染特别是水污染问题日趋严重，我国是一个人均水资源占有量匮乏的国家，仅为世界人均的四分之一，而且时空分布不均，开发利用难度大，许多地区和城市严重缺水，与此同时，全国排污量为 350 亿立方米，但城市污水集中处理率仅为 7%， 80%的污水未经有效处理就排入江河湖海，使我国水污染情况十分严重，并进一步加剧了水资源的短缺。可以说水污染严重和水资源的短缺成为严重制约我国社会经 济持续发展、危害生态环境、影响人民生活和身体健康的突出问题，迫切需要加以解
2、决。 1.1 课程 设计任务和内容 1.1.1 概论 课程设计是高等工科院校培养具有创新精神和实践能力的高级专业人才不可缺少的重要实践教学环节，是教学计划的重要组成部分，是对学生进行综合训练的重要阶段。通过课程设计，能够培养学生综合运用专业知识及相关知识的能力和工程实践能力，使学生受到工程师的基本训练，在查阅中外文献资料收集及调查研究计算机编程及应用工程设计及图纸绘制设计计算说明书的撰写等方面的能力得到一定的提高，进而提高学 生适应实际工作需要的能力。 1.1.1.1环境工程学课程设计基本要求 主要任务：学生应在教师指导下独立完成一项给定的设计任务，主要包括绘制一定数量的设计图纸，编写出符合要
3、求的设计计算说明书。 知识要求：学生在课程设计工作中，应能综合运用工程学科的基本理论、基本知识和基本技能，去分析和解决水污染控制工程实际问题；能够进行设计计算说明和绘图。 能力培养要求：学生应学会依据课程设计任务，进行资料调研收集加工和整理，能够正确运用工具书；培养学生掌握水污染控制工程设计程序方法和技术规范，提高水污 染控制工程设计计算图表绘制设计计算说明书编写的能力。不仅能够绘图，而且能独立进行设计计算。 综合素质要求：通过课程设计，应使学生树立正确的设计思想，培养学生严肃认真的科学态度和严谨求实的科学作风，能遵守纪律，善于与他人合作和敬业精神，树立正确的工程观点生产观点经济观点和全局观点
4、。 1.1.1.2 环境工程学课程设计题目的内容及来源 水处理单元构筑物工艺流程的设计计算题目有些来源于工程建设的实际课2 题，有些是有明确工程背景和实际意义的模拟课题。 1.1.1.3 环境工程学课程设计的阶段划分 及应该达到的深度。 见课程设计指定参考书 “给水排水工程专业毕业设计指南 ”，李亚峰，尹士君主编，化学工业出版社环境科学与工程出版中心出版；张林生主编，环境工程专业毕业设计指南，中国水利水电出版社， 2002 年参考书。 1.1.1.4 环境工程学课程设计所需的基础资料 有关的水质、水量由指导教师根据课程设计分组以及具体分组的内容区分分别提供给各组学生。（其余见课程设计指定参考书
5、 “给水排水工程专业毕业设计指南 ”，李亚峰，尹士君主编，化学工业出版社环境科学与工程出版中心出版；张林生主编，环境工程专业毕业设计指 南，中国水利水电出版社， 2002 年参考书）。 1.1.1.5 环境工程学课程设计所需的参考资料 见课程设计指定参考书 “给水排水工程专业毕业设计指南 ”，李亚峰，尹士君主编，化学工业出版社环境科学与工程出版中心出版；张林生主编，环境工程专业毕业设计指南，中国水利水电出版社， 2002 年参考书。 1.1.2 环境工程学课程设计选题 环境工程学课程设计选题应面向工程实际，并结合课程设计的特点，使学生能够获得综合性的训练，同时确保学生在安排的两周时间内完成设计
6、任务。环境工程学课程设计题目主要有以下两种类型 : 初级沉淀池、二次沉淀池的工艺设计。 氧化沟的工艺设计。 1.1.3 环境工程学课程设计主要内容及要求 环境工程学课程设计主要内容有初级沉淀池、二次沉淀池的工艺设计和氧化沟的工艺设计，要求接受任务的学生在规定的时间撰写好设计计算说明书和要求的图纸。 1.2 基本资料 1.2.1 酿酒的基础知识 3 酿酒是利用微生物发酵生产含一定浓度酒精饮料的过程。 由于酿酒用的原料不同，所用的微生物和酿造过程也不一样。以白酒、啤酒、葡萄酒为例加以说明： 白酒：多以含淀粉物质为原料，如高粱、玉米、大麦、小 麦、大米、碗豆等，其酿造过程大体分为两步：首先是用米曲霉
7、、黑曲霉、黄曲霉等将淀粉分解成糖类，称为糖化过程；第 2 步由酵母菌再将葡萄糖发酵产生酒精。白酒中的香味浓，主要是在发酵过程中还产生较多的酯类、高级酯类、挥发性游离酸、乙醛和糠醛等。白酒的酒精含量一般在 60 度以上。 啤酒：以大麦为原料，啤酒花为香料，经过麦芽糖化和啤酒酵母酒精发酵制成。含有丰富的 CO2 和少量酒精。由于发酵工艺与一般酒精生产不同，啤酒中保留了一部分未分解的营养物，从而增加了啤酒的香味。啤酒中酒精含量一般为15 度，或更低。 葡萄酒：以葡萄汁为 原料，经葡萄酒酵母发酵制成。其酒精含量较低（约 910）较多的保留着果品中原有的营养成分，并带有特产名果的独特香味。在工艺上葡萄酒
8、的酿制要经过主发酵和后发酵阶段，后发酵就是在上述主阶段酿成后要贮藏 1 年以上继续发酵的过程。 酒曲。 知道酿酒一定要加入酒曲， 但一直不知道曲蘖的本质所在。现代科学才解开其中的奥秘。酿酒加曲，是因为酒曲上生长有大量的微生物，还有微生物所分泌的酶 (淀粉酶、糖化酶和蛋白酶等 )，酶具有生物催化作用，可以加速将谷物中的淀粉，蛋白质等转变成糖、氨基酸。糖分在酵母菌的酶的作用下，分解成乙醇，即酒精。蘖也含有许多这样的酶，具有糖化作用。可以将蘖本身中的淀粉转变成糖分，在酵母菌的作用下再转变成乙醇。同时 , 酒曲本身含有淀粉和蛋白质等 ,也是酿酒原料。 酒曲酿酒是中国酿酒的精华所在。酒曲中所生长的微生物
9、主要是霉菌。 对霉菌的利用是中国人的一大发明创造。日本有位著名的微生物学家坂口谨一郎教授认为这甚至可与中国古代的四大发明相媲美，这显然是从生物工程技术在当今科学技术的重要地位推断出来的。随着时代的发展，我国古代人民所创立的方法将日益显示其重要的作用。 酒曲的种类。 酒曲的起源已不可考，关于酒曲的最早文 字可能就是周朝著作 中的 “若作酒醴 ,尔惟曲蘖 “。从科学原理加以分析， 酒曲实际上是从发霉的谷物演变来的。酒曲的生产技术在北魏时代的 中第一次得到全面总结，在宋代已达到极高的水平。主要表现在 :酒曲品种齐全，工艺技术完善， 酒曲尤其是南方的小曲糖化发酵力都很高。现代酒曲仍广泛用于黄酒，白酒等
10、的酿造。在生产技术上，由于对微生物及酿酒理论知识的掌握，酒曲的发展跃上了一个新台阶。 原始的酒曲是发霉或发芽的谷物，人们加以改良，就制成了适于酿酒的酒曲。由于所采用的原料及制作方法不同，生产 地区的自然条件有异，酒曲的品种丰富多彩。大致在宋代，中国酒曲的种类和制造技术基本上定型。后世在此基础上还有一些改进。以下是中国酒曲的种类： （ 1）酒曲的分类体系 按制曲原料来分主要有小麦和稻米。故分别称为麦曲和米曲。用稻米制的曲，种类也很多，如用米粉制成的小曲，用蒸熟的米饭制成的红曲或乌衣红曲，米曲4 （米曲霉）。 按原料是否熟化处理可分为生麦曲和熟麦曲。 按曲中的添加物来分，又有很多种类，如加入中草药
11、的称为药曲， 加入豆类原料的称为豆曲（碗豆，绿豆等）。 按曲的形体可分为大曲（草包曲，砖曲，挂曲）和小曲（ 饼曲），散曲。 按酒曲中微生物的来源， 分为传统酒曲（微生物的天然接种）和纯种酒曲（如米曲霉接种的米曲，根霉菌接种的根霉曲，黑曲霉接种的酒曲）。 （ 2）酒曲的分类 现代大致将酒曲分为五大类，分别用于不同的酒。它们是： 麦曲，主要用于黄酒的酿造； 小曲，主要用于黄酒和小曲白酒的酿造； 红曲，主要用于红曲酒的酿造（红曲酒是黄酒的一个品种）； 大曲，用于蒸馏酒的酿造。 麸曲，这是现代才发展起来的，用纯种霉菌接种以麸皮为原料的培养物。可用于代替部分大曲或小曲。目前麸曲法白酒是我国白酒生产的主要
12、操作法之一。其白酒产 量占总产量的 70%以上。 玉米酿酒是把玉米里面的“淀粉”转化成酒糟萃取酒精的。 1.2.2 工业废水 工业废水（ industrial wastewater ）包括生产废水和生产污水，是指 工业生产 过程中产生的 废水 和废液，其中含有随水流失的工 业生产用料、中间产物、 副产品 以及生产过程中产生的 污染物 。 按工业废水中所含主要污染物的化学性质分类，分为：含 无机污染物 为主的无机废水 、含有 机污染物为主的 有机废水 、兼含有机物和无机物的混合废水、 重金属废水 、含 放射性物质的废水和仅受热污染的冷却水。例如 电镀废水 和矿物加工过程的废水是无机废水，食品或石
13、油加工过程的废水是有机废水，印染行业生产过程中的是混合废水 ,不同的行业排除的废水含有的成分不一样。 按 工业企业 的产品和加工对象可分为 造纸废水 、纺织废水、 制革废水 、农药废水、 冶金 废水、炼油废水等。 按废水中所含污染物的主要成分可分为 酸性 废水、 碱性 废水、含 酚 废水、含铬 废水、含有机磷废水和 放射性 废水等。 1.2.3 玉米酿酒废水 玉米废水主要污染源为发酵液蒸馏后的残余液体，其成份复杂。 COD、 BOD、SS 含量极高，水温很高，且 PH 呈酸性，属于非常难处理水的一种。至于生产工艺中产生其他的废水（如生活污水，冷却水）可作为蒸馏废液的稀释剂用，其本身污染并不高，
14、由于国内酿酒行业生产工艺传统，生产一吨食用酒精，大约 产生 12-15m3 的废液。有机物含量如此高，且排放量大的废水若不加以治理，势必引起周围生态系统的瘫痪。 5 1.2.4 水污染及其危害 尽管地球上的水很丰富，但由于淡水资源数量有限，分布又不均匀，加上人口急骤增长和工农业用水量不断增加，许多地区缺水的现象仍十分严重。尽管地球上的水是可再生和不断循环的，但由于环境污染日趋严重，水质日益恶化。全球性的水资源危机给人类带来了极大的危害。已引起人类的普遍关注。 水污染对人体的危害 人体在新陈代谢的过程中，随着饮水和食物，把水中的各种元素通过消 化道进入人体的各个部分。当水中缺乏某些或某种人体生命
15、过程所必需的元素时，都会影响人体健康。例如，有些地区水中缺碘，长期饮用这种水，就会导致 “大脖子病 ”，就是医学上所称的 “地方性甲状腺肿 ”。当水中含有有害物质时，对人体的危害更大。致癌物质可以通过食用受污染的食物（粮食、蔬菜、鱼肉等），带入人体，还可以通过饮水进入人体。据调查，饮用受污染水的人，患肝癌和胃癌等癌症的发病率，要比饮用清洁水的高出 61.5%左右。当污水中含有汞、镉等元素排入河流和湖泊时，水生植物就把汞、镉等元素吸收和富集起来，鱼吃水生植物后，又在 其体内进一步富集，人吃了中毒的鱼后，汞、镉等元素在人体内富集，使人体患病而死亡。这样，从水生植物 水生小动物 小鱼 大鱼 人体，形
16、成了一条食物链。人体最后成了汞、镉等元素的 “落脚点 ”。 水污染对水生生物的危害 水中生活着各种各样的水生动物和植物。生物与水、生物与生物之间进行着复杂的物质和能量的交换，从数量上保持着一种动态的平衡关系。但在人类活动的影响下，这种平衡遭到了破坏。当人类向水中排放污染物时，一些有益的水生生物会中毒死亡，而一些耐污的水生生物会加剧繁殖，大量消耗溶解在水中的 氧气，使有益的水生生物因缺氧被迫迁栖他处，或者死亡。特别是有些有毒元素，既难溶于水又易在生物体内累积，对人类造成极大的伤害。如汞在水中的含量是很低的，但在水生生物体内的含量却很高，在鱼体内的含量又高得出奇。假定水体中汞的浓度为 1，水生生物
17、中的底栖生物（指生活在水体底泥中的小生物）体内汞的浓度为 700，而鱼体内汞的浓度高达 860。由此可见，当水体被污染后，一方面导致生物与水、生物与生物之间的平衡受到破坏，另一方面一些有毒物质不断转移和富集，最后危及人类自身的健康和生命。 水污染对工农业生产的影响 工 农业生产不仅需要有足够的水量，而且对水质也有一定的要求。否则，对工农业会造成很大的损失，特别是工农业生产过程中使用了被污染了的水后，对人类有着极大的危害。一是使工业设备受到破坏，严重影响产品质量。二是使土壤的化学成分改变，肥力下降，导致农作物减产和严重污染。三是使城市增加生活用水和工业用水的污水处理费用。 2、设计原则 1. 由
18、于原水水质复杂、流量大，寻找合适的工艺组合，使出水保证达标，是应该最先保证的原则； 2. 最大限度利用当地已有基础设施，减少一次性投资； 6 3. 工艺衔接紧凑，具有连贯性，模块性 ； 4. 技术具有先进性，成熟性； 5. 设备选型合理，采用进口与国产接合，寻找性价比最高的设备； 6. 设计安装周期短； 7. 运行费用低，能回收利用能源，弥补运行过程中消耗的药剂费、电费、人工费以及设备折旧费和土建折旧费。 3、 设计范围 本方案设计包括从原水预质池出水进入设计工艺系统起至工艺最后出水排放口止，整个工艺系统过程中的工艺、土建、电气、安装、调试、设备选型、投资估算。 4、 工艺概况 我们发现原水
19、BOD、 COD 比值高，可生化性很好，应采取以生物处理为核心的处理工艺。 生物处理包括厌 氧处理和好氧处理。厌氧由于其不耗能，污泥产量少，进水负荷高，允许进水浓度高，且能回收大量能源，在现今污水处理行业里应用非常迅速。尤其与好氧联合处理难降解有机废水，高浓度有机废水已是公认最有前途的处理工艺。但厌氧本身出水不能达标，需要接后续物化或生物处理工艺，加上各公司厌氧技术封锁，实际处理效率非常好的高效厌氧反应器并不多见。厌氧技术里被公认最有前途的反应器为 Lettinga 于 70 年代发明的 UASB（上流式厌氧污泥反应器）和由此发展起来的 EGSB（膨胀式颗粒污泥反应器）。最高进水浓度达 120
20、gCOD/L，处理 负荷在 25 3/kgC OD m d 情况， COD 稳定去除达 90%以上，回用沼气用于全厂的供热，每天产生沼气量相当于 8t 标准煤的产热量，为全厂节约大量能源。此项厌氧技术是去除酿酒蒸馏废液大部分 COD 的有效保证。 好氧技术由于出水水质满足达标排放要求，效果稳定，是各种废水处理中应用最多的二级处理工艺。好氧发展至今包括活性污泥和生物膜法，活性污泥至今应用最为广泛的为 SBR 和氧化沟技术。 SBR 由于其采用时间的序列对进水 COD缓冲能力大，抗冲击负荷高，可通过对泥水比的调整，容许普通好氧不能 允许的进液浓度；氧化沟技术以其独有的脱 N 除 P 工艺在大型城市
21、生活污水里应用十分广泛，但在工业废水（尤其高浓度工业废水）里尚且少见。生物膜法首推淹没式生物滤池（生物接触氧化），由于其实现了生物固定技术极大提高了污泥停留时间，增加生物量，且不会发生污泥膨胀问题，已是目前和 SBR 同样广泛应用的处理工艺之一。 另外原水中 SS 含量也很高（ 2-3%），相当于城市污水处理厂浓缩污泥含固量，若不加以处理，直接进入厌氧处理系统，会造成假的高生物量现象，长时间运行会导致整个处理工艺的最终失败。去除如此高 SS 用传统的加药气浮或沉 淀已显得有些无能为力，现今有几种特殊的方法来处理它： 一为离心分离，利用离心分离机高速旋转使污泥浓缩而去除，但此种方法耗7 能高，且
22、微小悬浮性固体去除率很低，实践证明不是最为理想的办法。通过试验发现用污泥处理的带式压滤机和板框压滤机用于去除 SS 效果非常理想，但二者相比之下，由于带压机在工作时跑泥，有漏点，在几个实际工程的比较中，采用板框压滤机最为理想。通过造粒机和板框压滤机后， SS 级降低 80%， COD 能降低 50%，溶解性固体能降低 90%。 在酿酒工艺糖化单元中产生大量色素，使最终出水色度成为一大难题，去除色度方 法很多，但就其一次性投资和去除效果而言，推荐三种处理方法。加药脱色气浮，臭氧氧化以及最新的膜处理技术，加药脱色气浮投资较其他两种省，但由于需要优秀的脱色絮凝剂，运行费用很高，臭氧氧化效果稳定时对不
23、生物降解COD 去除率也有高，是一种新型的处理单元，但一直因为其设备使用稳定性和价格原因一直未能得到有效推广。膜处理用于工业废水是最近几年发展起来的，由于它是一种微孔径机械过滤，所以对去除色度和 COD 有着其他工艺不可比拟的优势。但由于膜本身易被污染的原因一直未能真正得到有效推广。现我公司经过中试以及其他水处理行业实践 ，可采用错流操作，外压式中空纤维超滤膜处理。采用不易降解聚砜膜，允许通过分子量为 6000。 5、 工艺改进 针对各种处理单元的特点，对各工艺单元作出如下改进： 在厌氧出水末端设置单元气浮装置，去除厌氧浮渣和一些微生物残体。为了降低好氧进水水温，采用最后处理单元回流稀释办法，
24、并且在厌氧末端气浮出水后，混合酒厂其他低浓度水一齐进入好氧池。 好氧池采用生物接触氧化工艺。 6、 污水处理工艺流程 考虑到处理后水质指标达国家现行污水综合排放标准 GB8979-1996 中的一级排放标准，本次课程设计采用厌氧污泥床 +好 氧接触氧化工艺，工艺流程图 6-1如图所示。 8 图 6-1 玉米酿酒废水处理流程 7、进出水水质 7.1 进水水质 ： CODCr 40000 mg/l； BOD5 20000mg/l； SS 25000mg/l； pH=3-5；水温T=65。 7.2 出水水质 ： 8、 主要构筑物设计计算 8.1 格栅 提升泵房 UASB 池 气浮池 接触氧化池 污泥
25、泵房 污泥浓缩池 带式压滤机 鼓风机房 泥饼外运 格栅 调节池 9 本设计选用两道细格栅，一用一备。 格栅设计主要确定格栅形式、栅渠尺寸（ B， H， L）等；水力计算（确定栅后跌水高度）；渣量计算等。 （ 1） 栅渠 尺寸（ B， H， L）等 栅渠宽度 B ( 1)B s n bn 取 栅条宽度 s=0.01m 栅条间隙数 n=4 栅格间隙 b=0.008m 则 B=0.01 （ 4+1） +0.008 4 =0.082m 栅条间隙数 n m ax si nQn bhv 式中 maxQ 最大设计流量， 3ms； S 栅条宽度， m； b 栅条间隙宽度， m； v 过栅速度， ms； 格栅倾
26、角，（ ） 取 栅前水深 h=0.75m 过栅流速 v=0.8 /ms 栅格间隙 b=0.008m 栅条宽度 s=0.01m 格栅安装倾角 75 最大设计流量 33m a x 1 5 0 0 0 . 0 1 7 3 6Q m d m s 则 0 .0 1 7 3 6 sin 7 50 .0 0 8 0 .7 5 0 .8n =3.49 取 n=4.0 （ 2） 进水渠道渐宽部分长度： 设进水渠道宽 1B =0.05m，其渐宽部分展开角 1 20 10 则 11 2tan20BBL 0.044m （ 3） 栅槽与出水渠道连接处渐宽部分长度： 12 0 . 0 4 4 0 . 0 2 222LLm
27、 （ 4） 水力计算（确定栅后跌水高度） 格栅水头损失 1h 10h kh 4 230 ( ) sin2svh bg式中 0h 计算水头损失， m； k 格栅受到堵塞时水头损失增大倍数，一般取 3； 栅条形状阻力系数。 取 栅条形状阻力系数 1.79 则 104 2330 . 0 1 0 . 83 1 . 7 9 ( ) sin 7 50 . 0 0 8 2 9 . 80 . 2 2 8 6hhm （ 5） 栅槽总高 H 12H h h h =0.75+0.2286+0.5 =1.48m （ 6） 栅槽总长度： 1 . 4 80 . 0 4 4 0 . 0 2 2 0 . 5 1 . 0 t a n 7 5L =1.96m （ 3） 渣量计算（确定每天的产渣量） 栅渣量按下式计算 取 细格栅 3 3 30 0.10 10W m m
