一種優化評估河道污水生態凈化方案的方法
【專利摘要】本發明公開了一種優化評估河道污水生態凈化方案的方法，屬于水污染控制領域。其步驟為：(1)應用QUAL2K模型模擬河道水動力與水質，對模型參數進行校準與驗證；(2)設計現場實驗，采用挺水植物、浮葉植物、沉水植物、漂浮植物四個生態處理單元分別處理河水；(3)通過生態處理現場實驗數據，計算得出挺水植物、浮葉植物、沉水植物、漂浮植物四個生態處理單元的降解系數；(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種生態凈化方案，采用現場實驗得到的降解系數，通過QUAL2K模型模擬24種不同的生態凈化方案；(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生態凈化方案。通過本發明的運用，可以有效解決生態凈化方案優化選擇的問題，為環境管理部門提供決策支持。
【專利說明】一種優化評估河道污水生態凈化方案的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及河道污水生態凈化方案的優化評估方法，具體地說是一種利用模型模擬法對河道污水生態凈化方案進行優化評估的方法。
【背景技術】
[0002]污水處理技術主要分為物理、化學和生態三類。過去幾十年，物理、化學方法在國內外應用廣泛，取得了較好的水質凈化效果。物理方法雖然工藝設備簡單、易于操作，處理效果十分明顯，但往往治標不治本；化學方法雖然具有操作簡單，用量少的優點，治理見效快，一般作為應急方案，但成本較高，容易引起二次污染。因此，近年來生態處理方法得到極大關注與廣泛應用。
[0003]污水的生態處理是依賴水、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-植物系統的自我調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物的綜合利用，實現尾水無害化和資源化再利用。污水生態處理廣泛應用于原污水、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。污水的生態處理技術是近年發展起來的一種廢水處理技術，具有出水水質好、投資少、結構簡單、操作管理便利及運行費用低的特點。
[0004]20世紀末，國內外學者開始研究污水處理技術的綜合評估，其方法主要包括層次分析法評價、灰色系統評價、模糊綜合評價、效益評價指數模型評價。近幾年，國外學者就生態環境問題進行了全方位、多角度、多方面、定量化的評價研究。國內針對污水處理效果的綜合評價理論和應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，在環境管理實踐中缺乏實用性與前瞻性。
[0005]目前的生態處理技術評估主要是針對單項處理技術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化評估，而且對于污水生態凈化方案的定量優化評估研究目前尚未有報道。因此，亟需發明出實用可靠的污水生態凈化技術方案定量優化評估方法，為污水生態凈化方案的優化選擇與效果評估提供依據。近年來，美國環保局研發的一維河流水質模型QUAL2K模型在河流、流域水質模擬預測中應用廣泛，該模型能夠較全面的反映污水中氮、磷、微生物、藻類的遷移轉化，可以準確反映污水的水質水動力過程。因此，本發明采用QUAL2K模型，對河道污水生態凈化技術方案進行優化評估，為環境管理部門水污染防治的提供一種新的思路和評估方法。
【發明內容】
[0006]1.發明要解決的技術問題
[0007]本發明的目的是提供一種利用模型模擬法對河道污水生態凈化方案進行優化評估的方法。采用水質模型模擬多個生態處理單元排列組合的各種生態凈化方案，通過層析分析法綜合評估篩選出效果最優方案，為環境管理部門提供決策支持，該方法可以有效解決生態江湖方案優化選擇的問題。
[0008]2.技術方案
[0009]一種優化評估河道污水生態凈化方案的方法，其步驟為:(I)應用QUAL2K模型模擬河道水動力與水質，對模型參數進行校準與驗證；(2)設計現場實驗，采用挺水植物、浮葉植物、沉水植物、漂浮植物四個生態處理單元分別處理河水；(3)通過生態處理現場實驗數據，計算得出挺水植物、浮葉植物、沉水植物、漂浮植物四個生態處理單元的降解系數；
(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種生態凈化方案，采用現場實驗得到的降解系數，通過QUAL2K模型模擬24種不同的生態凈化方案；(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生態凈化方案。通過本發明的運用，可以有效解決生態凈化方案優化選擇的問題，為環境管理部門提供決策支持。
[0010]I)通過實地調查與資料收集，完成河道模擬所需的數據，包括河道寬度、河道深度、流速、流量水動力水文數據，化學需氧量(C0D)、硝氮(NO3-N)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)水質數據，點源、面源污染源數據，應用QUAL2K模型模擬尾水河道的水動力與水質數據，并與實測數據進行對比分析，進行河道模型參數的校準與驗證。
[0011]2)設計現場實驗，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。控制實驗裝置中的水流流量、流速與河道相同，采樣后現場對每個單元進、出水水質進行監測。
[0012]3)通過生態處理現場實驗，得到4個單元對C0D、N03-N、NH3-N、無機磷、有機氮、有機磷的處理結果數據，采用一級動力學反應方程計算得出各生態處理單元對污水中主要水質指標的降解系數，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場取水，實驗設計流速與河道流速一致，因此水質狀況相同、水動力狀況相似，計算得到的參數應用于河道生態凈化技術模擬是合理可靠的。
[0013]一級動力學反應方程，即C = CQe_Kt，由式可得降解系數K = flnQ/C，式中:t為反應時間，d ；K為氨氮降解系數，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)在不同河段設置不同單元的降解系數，能夠模擬不同的生態處理單元對污水的凈化過程。將河道劃分為4個河段，把各生態處理單元的降解系數輸入水質模型中對應河段，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種生態凈化方案。根據現場實驗得到的降解系數設定各河段主要水質參數，采用QUAL2K模型模擬24種生態凈化方案分別在河道中的實施。QUAL2K模型是美國環保局研發的一個綜合性、多樣化的河流水質模型，適用于模擬完全混合的枝狀河流水質。
[0015]5)由模擬結果計算得出各種方案對主要水質指標的去除率，采用COD、NO3-N,nh3-n、無機磷、有機氮、有機磷主要水質指標建立生態凈化方案效果評估指標體系，然后采用比率標度法計算得出各水質因子的權重系數，最后通過層次分析法綜合評估得到最優生態凈化方案。
[0016]層次分析法是指將一個復雜的多目標決策問題作為一個系統，將目標分解為多個目標或準則，進而分解為多指標的若干層次，通過定性指標模糊量化方法算出層次單排序(權數)和總排序，以作為目標(多指標)、多方案優化決策的系統方法。比率標度法主要用于人們估計事物的質量區別，一般可以用5種判別很好地表示出來，當需要更高的精度時，還可以在相臨判別之間做出比較，從而形成9種判別，用數量表示就是9個標度。
[0017]根據比率標度法，得到各種指標的成對比較判斷優選矩陣，計算得到初始權重系數，然后歸一化權重系數。將歸一化權重系數代入綜合評價公式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值。其中:
Ai為第i個方案污染物去除效果綜合評價指數值，m為水質因子個數，R為子各水質因子去除率，W為各水質因子權重系數。
[0018]3.本發明的有益效果
[0019]通過本發明的運用，能在多種生態凈化技術的眾多組合方案中得到效果最優方案，有效解決生態凈化方案優化選擇的問題，提供環境管理部門決策參考，避免效果不佳或不能達到預期目標的設計方案得以實施，節約人力、物力、財力，使社會、經濟、環境效益最大化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1-本發明的技術流程框圖。
[0021]圖2-生態處理現場實驗設計示意圖，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，應用本發明方法對出水河道尾水進行了生態凈化方案的優化評估。官林鎮污水處理廠位于積梅河北側工業區，出水流經300米的出水河道流入涌湖支流孟津河。應用QUAL2K模型模擬出水河道的水動力與水質，進行參數校驗。
[0023]對官林污水處理廠尾水設計生態凈化實驗設計見圖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。每個生態凈化單元長80米,寬20米,設計的水深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]通過實驗監測的進水濃度和出水濃度，采用一級動力學反應方程計算得到各生態處理單元的主要水質降解系數，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。根據現場實驗得到的降解系數設定各河段主要水質參數，主要降解系數分別為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模擬六種生態凈化方案，得到各方案的水質指標出水濃度。根據生態凈化方案模擬結果與河道末端出水濃度，計算得到各方案主要水質因子的去除率。
[0025]采用C0D、N03-N、NH3-N、無機磷、有機氮、有機磷6個水質指標建立生態凈化方案效果評估指標體系。采用比率標度法，計算得到COD、NO3-N, NH3-N、無機磷、有機氮、有機磷的權重系數分別為0.19,0.27,0.21,0.12,0.13,0.08。將權重系數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值。結果表明，依次設計漂浮植物、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，僅是本發明的實施案例而已，并非是對本發明作其它形式的限制，任何熟悉本專業的技術人員可能利用上述揭示的技術內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明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發明技術方案的保護范圍。
【權利要求】
1.一種優化評估河道污水生態凈化方案的方法，其步驟為:(1)應用QUAL2K模型模擬河道水動力與水質，對模型參數進行校準與驗證；(2)設計現場實驗，采用挺水植物、浮葉植物、沉水植物、漂浮植物四個生態處理單元分別處理河水；(3)通過生態處理現場實驗數據，計算得出挺水植物、浮葉植物、沉水植物、漂浮植物四個生態處理單元的降解系數；(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種生態凈化方案，采用現場實驗得到的降解系數，通過QUAL2K模型模擬24種不同的生態凈化方案；(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生態凈化方案。
2.根據權利要求1所述的一種優化評估河道污水生態凈化方案的方法，其特征在于將生態處理單元現場實驗得到的降解系數輸入水質模型，采用QUAL2K模型模擬各單元組合的生態凈化方案。
3.根據權利要求1所述的一種優化評估河道污水生態凈化方案的方法，其特征在于挺水植物、浮葉植物、沉水植物、漂浮植物四個生態處理單元的降解系數通過現場實驗實測數據計算獲得。
4.根據權利要求1所述的一種優化評估河道污水生態凈化方案的方法，其特征在于通過水質模型模擬方法對生態凈化方案進行優化評估。
5.根據權利要求1所述的一種優化評估河道污水生態凈化方案的方法，其特征在于通過該方法的運用，能在多種生態凈化技術的眾多組合方案中得到效果最優方案，有效解決生態凈化方案優化選擇的問題，為環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 優先權日:2014年11月15日
【發明者】張瑞斌, 錢新, 高海龍, 朱文婷 申請人:南京大學