一種優(yōu)化評估河道污水生態(tài)凈化方案的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種優(yōu)化評估河道污水生態(tài)凈化方案的方法，屬于水污染控制領(lǐng)域。其步驟為：(1)應(yīng)用QUAL2K模型模擬河道水動力與水質(zhì)，對模型參數(shù)進行校準(zhǔn)與驗證；(2)設(shè)計現(xiàn)場實驗，采用挺水植物、浮葉植物、沉水植物、漂浮植物四個生態(tài)處理單元分別處理河水；(3)通過生態(tài)處理現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)，計算得出挺水植物、浮葉植物、沉水植物、漂浮植物四個生態(tài)處理單元的降解系數(shù)；(4)由挺水植物、浮葉植物、沉水植物、漂浮植物四個單元排列組合為24種生態(tài)凈化方案，采用現(xiàn)場實驗得到的降解系數(shù)，通過QUAL2K模型模擬24種不同的生態(tài)凈化方案；(5)計算各種方案末端出水的污染物去除率，采用層次分析法綜合評估得到最優(yōu)生態(tài)凈化方案。通過本發(fā)明的運用，可以有效解決生態(tài)凈化方案優(yōu)化選擇的問題，為環(huán)境管理部門提供決策支持。
【專利說明】一種優(yōu)化評估河道污水生態(tài)凈化方案的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及河道污水生態(tài)凈化方案的優(yōu)化評估方法，具體地說是一種利用模型模擬法對河道污水生態(tài)凈化方案進行優(yōu)化評估的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]污水處理技術(shù)主要分為物理、化學(xué)和生態(tài)三類。過去幾十年，物理、化學(xué)方法在國內(nèi)外應(yīng)用廣泛，取得了較好的水質(zhì)凈化效果。物理方法雖然工藝設(shè)備簡單、易于操作，處理效果十分明顯，但往往治標(biāo)不治本；化學(xué)方法雖然具有操作簡單，用量少的優(yōu)點，治理見效快，一般作為應(yīng)急方案，但成本較高，容易引起二次污染。因此，近年來生態(tài)處理方法得到極大關(guān)注與廣泛應(yīng)用。
[0003]污水的生態(tài)處理是依賴水、土壤、細菌、高等植物和陽光基本的自然要素，利用土壤-微生物-植物系統(tǒng)的自我調(diào)控機制和綜合自凈能力，完成污水的深度處理，同時通過對污水中水分和營養(yǎng)物的綜合利用，實現(xiàn)尾水無害化和資源化再利用。污水生態(tài)處理廣泛應(yīng)用于原污水、河道污水，或尾水深度二級處理甚至三級處理的研究和實踐。污水的生態(tài)處理技術(shù)是近年發(fā)展起來的一種廢水處理技術(shù)，具有出水水質(zhì)好、投資少、結(jié)構(gòu)簡單、操作管理便利及運行費用低的特點。
[0004]20世紀(jì)末，國內(nèi)外學(xué)者開始研究污水處理技術(shù)的綜合評估，其方法主要包括層次分析法評價、灰色系統(tǒng)評價、模糊綜合評價、效益評價指數(shù)模型評價。近幾年，國外學(xué)者就生態(tài)環(huán)境問題進行了全方位、多角度、多方面、定量化的評價研究。國內(nèi)針對污水處理效果的綜合評價理論和應(yīng)用研究大多是采用層次分析法和模糊綜合評價。這些研究均是針對污水處理效果的后評價，忽略了污水處理工程實施前的評估，在環(huán)境管理實踐中缺乏實用性與前瞻性。
[0005]目前的生態(tài)處理技術(shù)評估主要是針對單項處理技術(shù)或者某項處理方案效果的評估，忽略了污水處理工程實施前的優(yōu)化評估，而且對于污水生態(tài)凈化方案的定量優(yōu)化評估研究目前尚未有報道。因此，亟需發(fā)明出實用可靠的污水生態(tài)凈化技術(shù)方案定量優(yōu)化評估方法，為污水生態(tài)凈化方案的優(yōu)化選擇與效果評估提供依據(jù)。近年來，美國環(huán)保局研發(fā)的一維河流水質(zhì)模型QUAL2K模型在河流、流域水質(zhì)模擬預(yù)測中應(yīng)用廣泛，該模型能夠較全面的反映污水中氮、磷、微生物、藻類的遷移轉(zhuǎn)化，可以準(zhǔn)確反映污水的水質(zhì)水動力過程。因此，本發(fā)明采用QUAL2K模型，對河道污水生態(tài)凈化技術(shù)方案進行優(yōu)化評估，為環(huán)境管理部門水污染防治的提供一種新的思路和評估方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]1.發(fā)明要解決的技術(shù)問題
[0007]本發(fā)明的目的是提供一種利用模型模擬法對河道污水生態(tài)凈化方案進行優(yōu)化評估的方法。采用水質(zhì)模型模擬多個生態(tài)處理單元排列組合的各種生態(tài)凈化方案，通過層析分析法綜合評估篩選出效果最優(yōu)方案，為環(huán)境管理部門提供決策支持，該方法可以有效解決生態(tài)江湖方案優(yōu)化選擇的問題。
[0008]2.技術(shù)方案
[0009]一種優(yōu)化評估河道污水生態(tài)凈化方案的方法，其步驟為:(I)應(yīng)用QUAL2K模型模擬河道水動力與水質(zhì)，對模型參數(shù)進行校準(zhǔn)與驗證；(2)設(shè)計現(xiàn)場實驗，采用挺水植物、浮葉植物、沉水植物、漂浮植物四個生態(tài)處理單元分別處理河水；(3)通過生態(tài)處理現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)，計算得出挺水植物、浮葉植物、沉水植物、漂浮植物四個生態(tài)處理單元的降解系數(shù)；
(4)由挺水植物、浮葉植物、沉水植物、漂浮植物四個單元排列組合為24種生態(tài)凈化方案，采用現(xiàn)場實驗得到的降解系數(shù)，通過QUAL2K模型模擬24種不同的生態(tài)凈化方案；(5)計算各種方案末端出水的污染物去除率，采用層次分析法綜合評估得到最優(yōu)生態(tài)凈化方案。通過本發(fā)明的運用，可以有效解決生態(tài)凈化方案優(yōu)化選擇的問題，為環(huán)境管理部門提供決策支持。
[0010]I)通過實地調(diào)查與資料收集，完成河道模擬所需的數(shù)據(jù)，包括河道寬度、河道深度、流速、流量水動力水文數(shù)據(jù)，化學(xué)需氧量(C0D)、硝氮(NO3-N)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)水質(zhì)數(shù)據(jù)，點源、面源污染源數(shù)據(jù)，應(yīng)用QUAL2K模型模擬尾水河道的水動力與水質(zhì)數(shù)據(jù)，并與實測數(shù)據(jù)進行對比分析，進行河道模型參數(shù)的校準(zhǔn)與驗證。
[0011]2)設(shè)計現(xiàn)場實驗，采用挺水植物、浮葉植物、沉水植物、漂浮植物四個生態(tài)處理單元分別處理河水。實驗安排在氣溫變化不大、植物生長旺盛、微生物增殖較快的春夏季節(jié)?？刂茖嶒炑b置中的水流流量、流速與河道相同，采樣后現(xiàn)場對每個單元進、出水水質(zhì)進行監(jiān)測。
[0012]3)通過生態(tài)處理現(xiàn)場實驗，得到4個單元對C0D、N03-N、NH3-N、無機磷、有機氮、有機磷的處理結(jié)果數(shù)據(jù)，采用一級動力學(xué)反應(yīng)方程計算得出各生態(tài)處理單元對污水中主要水質(zhì)指標(biāo)的降解系數(shù)，包括COD氧化速率、硝氮反消化速率、氨氮硝化速率、無機磷吸收速率、有機氮水解速率、有機磷水解速率。由于實驗用水為污染河道現(xiàn)場取水，實驗設(shè)計流速與河道流速一致，因此水質(zhì)狀況相同、水動力狀況相似，計算得到的參數(shù)應(yīng)用于河道生態(tài)凈化技術(shù)模擬是合理可靠的。
[0013]一級動力學(xué)反應(yīng)方程，即C = CQe_Kt，由式可得降解系數(shù)K = flnQ/C，式中:t為反應(yīng)時間，d ；K為氨氮降解系數(shù)，1/d ；c為t時刻測定的污染物濃度，mg/L ；C0為污染物的初始濃度，mg/L。
[0014]4)在不同河段設(shè)置不同單元的降解系數(shù)，能夠模擬不同的生態(tài)處理單元對污水的凈化過程。將河道劃分為4個河段，把各生態(tài)處理單元的降解系數(shù)輸入水質(zhì)模型中對應(yīng)河段，代表模擬各種不同的方案。挺水植物、浮葉植物、沉水植物、漂浮植物可排列組合為24種生態(tài)凈化方案。根據(jù)現(xiàn)場實驗得到的降解系數(shù)設(shè)定各河段主要水質(zhì)參數(shù)，采用QUAL2K模型模擬24種生態(tài)凈化方案分別在河道中的實施。QUAL2K模型是美國環(huán)保局研發(fā)的一個綜合性、多樣化的河流水質(zhì)模型，適用于模擬完全混合的枝狀河流水質(zhì)。
[0015]5)由模擬結(jié)果計算得出各種方案對主要水質(zhì)指標(biāo)的去除率，采用COD、NO3-N,nh3-n、無機磷、有機氮、有機磷主要水質(zhì)指標(biāo)建立生態(tài)凈化方案效果評估指標(biāo)體系，然后采用比率標(biāo)度法計算得出各水質(zhì)因子的權(quán)重系數(shù)，最后通過層次分析法綜合評估得到最優(yōu)生態(tài)凈化方案。
[0016]層次分析法是指將一個復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題作為一個系統(tǒng)，將目標(biāo)分解為多個目標(biāo)或準(zhǔn)則，進而分解為多指標(biāo)的若干層次，通過定性指標(biāo)模糊量化方法算出層次單排序(權(quán)數(shù))和總排序，以作為目標(biāo)(多指標(biāo))、多方案優(yōu)化決策的系統(tǒng)方法。比率標(biāo)度法主要用于人們估計事物的質(zhì)量區(qū)別，一般可以用5種判別很好地表示出來，當(dāng)需要更高的精度時，還可以在相臨判別之間做出比較，從而形成9種判別，用數(shù)量表示就是9個標(biāo)度。
[0017]根據(jù)比率標(biāo)度法，得到各種指標(biāo)的成對比較判斷優(yōu)選矩陣，計算得到初始權(quán)重系數(shù)，然后歸一化權(quán)重系數(shù)。將歸一化權(quán)重系數(shù)代入綜合評價公式Ai =
=1,2......24, m= 1,2......)，得到各方案污染物去除效果的綜合評價指數(shù)值。其中:
Ai為第i個方案污染物去除效果綜合評價指數(shù)值，m為水質(zhì)因子個數(shù)，R為子各水質(zhì)因子去除率，W為各水質(zhì)因子權(quán)重系數(shù)。
[0018]3.本發(fā)明的有益效果
[0019]通過本發(fā)明的運用，能在多種生態(tài)凈化技術(shù)的眾多組合方案中得到效果最優(yōu)方案，有效解決生態(tài)凈化方案優(yōu)化選擇的問題，提供環(huán)境管理部門決策參考，避免效果不佳或不能達到預(yù)期目標(biāo)的設(shè)計方案得以實施，節(jié)約人力、物力、財力，使社會、經(jīng)濟、環(huán)境效益最大化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1-本發(fā)明的技術(shù)流程框圖。
[0021]圖2-生態(tài)處理現(xiàn)場實驗設(shè)計示意圖，其中I代表進水，2代表挺水植物，3代表浮葉植物，4代表沉水植物，5代表漂浮植物，6代表出水。

【具體實施方式】
[0022]以太湖流域官林污水處理廠為例，應(yīng)用本發(fā)明方法對出水河道尾水進行了生態(tài)凈化方案的優(yōu)化評估。官林鎮(zhèn)污水處理廠位于積梅河北側(cè)工業(yè)區(qū)，出水流經(jīng)300米的出水河道流入涌湖支流孟津河。應(yīng)用QUAL2K模型模擬出水河道的水動力與水質(zhì)，進行參數(shù)校驗。
[0023]對官林污水處理廠尾水設(shè)計生態(tài)凈化實驗設(shè)計見圖2。采用浮葉植物圓幣草、漂浮植物睡蓮、沉水植物狐尾藻、挺水植物鳶尾分別對尾水進行處理。每個生態(tài)凈化單元長80米,寬20米,設(shè)計的水深40cm,出流流量使每個單元的水力停留時間是I天。尾水首先進入集水池，初沉后流入圓幣草、睡蓮、狐尾藻、鳶尾四個單元中。圓幣草種植于長20m，寬2m的浮床上，垂直于水流方向放置8個；睡蓮直接栽植于生態(tài)凈化單元中，種植密度為I株/m2狐尾藻布置密度為0.3kg/m3 ;鳶尾植株高度范圍在20-30em，種植橫縱間隔均為10em。
[0024]通過實驗監(jiān)測的進水濃度和出水濃度，采用一級動力學(xué)反應(yīng)方程計算得到各生態(tài)處理單元的主要水質(zhì)降解系數(shù)，包括COD氧化速率、硝氮反消化速率、氨氮硝化速率、無機磷吸收速率、有機氮水解速率、有機磷水解速率。由圓幣草、睡蓮、狐尾藻、鳶尾四個單元排列組合為24種方案。將官林污水處理廠出水河道劃分為四段，每段75m。根據(jù)現(xiàn)場實驗得到的降解系數(shù)設(shè)定各河段主要水質(zhì)參數(shù)，主要降解系數(shù)分別為COD氧化速率、硝氮反硝化速率、氨氮硝化速率、無機磷吸收速率、有機氮水解速率、有機磷水解速率。采用QUAL2K模擬六種生態(tài)凈化方案，得到各方案的水質(zhì)指標(biāo)出水濃度。根據(jù)生態(tài)凈化方案模擬結(jié)果與河道末端出水濃度，計算得到各方案主要水質(zhì)因子的去除率。
[0025]采用C0D、N03-N、NH3-N、無機磷、有機氮、有機磷6個水質(zhì)指標(biāo)建立生態(tài)凈化方案效果評估指標(biāo)體系。采用比率標(biāo)度法，計算得到COD、NO3-N, NH3-N、無機磷、有機氮、有機磷的權(quán)重系數(shù)分別為0.19,0.27,0.21,0.12,0.13,0.08。將權(quán)重系數(shù)代入綜合評價公式得到24種方案的污染物去除效果評價指數(shù)值。結(jié)果表明，依次設(shè)計漂浮植物、沉水植物、浮葉植物、挺水植物的方案對尾水污染物去除效果最佳。
[0026]以上所述，僅是本發(fā)明的實施案例而已，并非是對本發(fā)明作其它形式的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或改型為等同變化的等效實施例。但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種優(yōu)化評估河道污水生態(tài)凈化方案的方法，其步驟為:(1)應(yīng)用QUAL2K模型模擬河道水動力與水質(zhì)，對模型參數(shù)進行校準(zhǔn)與驗證；(2)設(shè)計現(xiàn)場實驗，采用挺水植物、浮葉植物、沉水植物、漂浮植物四個生態(tài)處理單元分別處理河水；(3)通過生態(tài)處理現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)，計算得出挺水植物、浮葉植物、沉水植物、漂浮植物四個生態(tài)處理單元的降解系數(shù)；(4)由挺水植物、浮葉植物、沉水植物、漂浮植物四個單元排列組合為24種生態(tài)凈化方案，采用現(xiàn)場實驗得到的降解系數(shù)，通過QUAL2K模型模擬24種不同的生態(tài)凈化方案；(5)計算各種方案末端出水的污染物去除率，采用層次分析法綜合評估得到最優(yōu)生態(tài)凈化方案。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化評估河道污水生態(tài)凈化方案的方法，其特征在于將生態(tài)處理單元現(xiàn)場實驗得到的降解系數(shù)輸入水質(zhì)模型，采用QUAL2K模型模擬各單元組合的生態(tài)凈化方案。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化評估河道污水生態(tài)凈化方案的方法，其特征在于挺水植物、浮葉植物、沉水植物、漂浮植物四個生態(tài)處理單元的降解系數(shù)通過現(xiàn)場實驗實測數(shù)據(jù)計算獲得。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化評估河道污水生態(tài)凈化方案的方法，其特征在于通過水質(zhì)模型模擬方法對生態(tài)凈化方案進行優(yōu)化評估。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化評估河道污水生態(tài)凈化方案的方法，其特征在于通過該方法的運用，能在多種生態(tài)凈化技術(shù)的眾多組合方案中得到效果最優(yōu)方案，有效解決生態(tài)凈化方案優(yōu)化選擇的問題，為環(huán)境管理部門提供決策支持。
【文檔編號】G06Q10/04GK104318335SQ201410645160
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月15日
【發(fā)明者】張瑞斌, 錢新, 高海龍, 朱文婷 申請人:南京大學(xué)