一种优化评估河道污水生态净化方案的方法
【专利摘要】本发明公开了一种优化评估河道污水生态净化方案的方法，属于水污染控制领域。其步骤为：(1)应用QUAL2K模型模拟河道水动力与水质，对模型参数进行校准与验证；(2)设计现场实验，采用挺水植物、浮叶植物、沉水植物、漂浮植物四个生态处理单元分别处理河水；(3)通过生态处理现场实验数据，计算得出挺水植物、浮叶植物、沉水植物、漂浮植物四个生态处理单元的降解系数；(4)由挺水植物、浮叶植物、沉水植物、漂浮植物四个单元排列组合为24种生态净化方案，采用现场实验得到的降解系数，通过QUAL2K模型模拟24种不同的生态净化方案；(5)计算各种方案末端出水的污染物去除率，采用层次分析法综合评估得到最优生态净化方案。通过本发明的运用，可以有效解决生态净化方案优化选择的问题，为环境管理部门提供决策支持。
【专利说明】一种优化评估河道污水生态净化方案的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及河道污水生态净化方案的优化评估方法，具体地说是一种利用模型模拟法对河道污水生态净化方案进行优化评估的方法。
【背景技术】
[0002]污水处理技术主要分为物理、化学和生态三类。过去几十年，物理、化学方法在国内外应用广泛，取得了较好的水质净化效果。物理方法虽然工艺设备简单、易于操作，处理效果十分明显，但往往治标不治本；化学方法虽然具有操作简单，用量少的优点，治理见效快，一般作为应急方案，但成本较高，容易引起二次污染。因此，近年来生态处理方法得到极大关注与广泛应用。
[0003]污水的生态处理是依赖水、土壤、细菌、高等植物和阳光基本的自然要素，利用土壤-微生物-植物系统的自我调控机制和综合自净能力，完成污水的深度处理，同时通过对污水中水分和营养物的综合利用，实现尾水无害化和资源化再利用。污水生态处理广泛应用于原污水、河道污水，或尾水深度二级处理甚至三级处理的研究和实践。污水的生态处理技术是近年发展起来的一种废水处理技术，具有出水水质好、投资少、结构简单、操作管理便利及运行费用低的特点。
[0004]20世纪末，国内外学者开始研究污水处理技术的综合评估，其方法主要包括层次分析法评价、灰色系统评价、模糊综合评价、效益评价指数模型评价。近几年，国外学者就生态环境问题进行了全方位、多角度、多方面、定量化的评价研究。国内针对污水处理效果的综合评价理论和应用研究大多是采用层次分析法和模糊综合评价。这些研究均是针对污水处理效果的后评价，忽略了污水处理工程实施前的评估，在环境管理实践中缺乏实用性与前瞻性。
[0005]目前的生态处理技术评估主要是针对单项处理技术或者某项处理方案效果的评估，忽略了污水处理工程实施前的优化评估，而且对于污水生态净化方案的定量优化评估研究目前尚未有报道。因此，亟需发明出实用可靠的污水生态净化技术方案定量优化评估方法，为污水生态净化方案的优化选择与效果评估提供依据。近年来，美国环保局研发的一维河流水质模型QUAL2K模型在河流、流域水质模拟预测中应用广泛，该模型能够较全面的反映污水中氮、磷、微生物、藻类的迁移转化，可以准确反映污水的水质水动力过程。因此，本发明采用QUAL2K模型，对河道污水生态净化技术方案进行优化评估，为环境管理部门水污染防治的提供一种新的思路和评估方法。
【发明内容】
[0006]1.发明要解决的技术问题
[0007]本发明的目的是提供一种利用模型模拟法对河道污水生态净化方案进行优化评估的方法。采用水质模型模拟多个生态处理单元排列组合的各种生态净化方案，通过层析分析法综合评估筛选出效果最优方案，为环境管理部门提供决策支持，该方法可以有效解决生态江湖方案优化选择的问题。
[0008]2.技术方案
[0009]一种优化评估河道污水生态净化方案的方法，其步骤为:(I)应用QUAL2K模型模拟河道水动力与水质，对模型参数进行校准与验证；(2)设计现场实验，采用挺水植物、浮叶植物、沉水植物、漂浮植物四个生态处理单元分别处理河水；(3)通过生态处理现场实验数据，计算得出挺水植物、浮叶植物、沉水植物、漂浮植物四个生态处理单元的降解系数；
(4)由挺水植物、浮叶植物、沉水植物、漂浮植物四个单元排列组合为24种生态净化方案，采用现场实验得到的降解系数，通过QUAL2K模型模拟24种不同的生态净化方案；(5)计算各种方案末端出水的污染物去除率，采用层次分析法综合评估得到最优生态净化方案。通过本发明的运用，可以有效解决生态净化方案优化选择的问题，为环境管理部门提供决策支持。
[0010]I)通过实地调查与资料收集，完成河道模拟所需的数据，包括河道宽度、河道深度、流速、流量水动力水文数据，化学需氧量(C0D)、硝氮(NO3-N)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)水质数据，点源、面源污染源数据，应用QUAL2K模型模拟尾水河道的水动力与水质数据，并与实测数据进行对比分析，进行河道模型参数的校准与验证。
[0011]2)设计现场实验，采用挺水植物、浮叶植物、沉水植物、漂浮植物四个生态处理单元分别处理河水。实验安排在气温变化不大、植物生长旺盛、微生物增殖较快的春夏季节。控制实验装置中的水流流量、流速与河道相同，采样后现场对每个单元进、出水水质进行监测。
[0012]3)通过生态处理现场实验，得到4个单元对C0D、N03-N、NH3-N、无机磷、有机氮、有机磷的处理结果数据，采用一级动力学反应方程计算得出各生态处理单元对污水中主要水质指标的降解系数，包括COD氧化速率、硝氮反消化速率、氨氮硝化速率、无机磷吸收速率、有机氮水解速率、有机磷水解速率。由于实验用水为污染河道现场取水，实验设计流速与河道流速一致，因此水质状况相同、水动力状况相似，计算得到的参数应用于河道生态净化技术模拟是合理可靠的。
[0013]一级动力学反应方程，即C = CQe_Kt，由式可得降解系数K = flnQ/C，式中:t为反应时间，d ；K为氨氮降解系数，1/d ；c为t时刻测定的污染物浓度，mg/L ；C0为污染物的初始浓度，mg/L。
[0014]4)在不同河段设置不同单元的降解系数，能够模拟不同的生态处理单元对污水的净化过程。将河道划分为4个河段，把各生态处理单元的降解系数输入水质模型中对应河段，代表模拟各种不同的方案。挺水植物、浮叶植物、沉水植物、漂浮植物可排列组合为24种生态净化方案。根据现场实验得到的降解系数设定各河段主要水质参数，采用QUAL2K模型模拟24种生态净化方案分别在河道中的实施。QUAL2K模型是美国环保局研发的一个综合性、多样化的河流水质模型，适用于模拟完全混合的枝状河流水质。
[0015]5)由模拟结果计算得出各种方案对主要水质指标的去除率，采用COD、NO3-N,nh3-n、无机磷、有机氮、有机磷主要水质指标建立生态净化方案效果评估指标体系，然后采用比率标度法计算得出各水质因子的权重系数，最后通过层次分析法综合评估得到最优生态净化方案。
[0016]层次分析法是指将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统，将目标分解为多个目标或准则，进而分解为多指标的若干层次，通过定性指标模糊量化方法算出层次单排序(权数)和总排序，以作为目标(多指标)、多方案优化决策的系统方法。比率标度法主要用于人们估计事物的质量区别，一般可以用5种判别很好地表示出来，当需要更高的精度时，还可以在相临判别之间做出比较，从而形成9种判别，用数量表示就是9个标度。
[0017]根据比率标度法，得到各种指标的成对比较判断优选矩阵，计算得到初始权重系数，然后归一化权重系数。将归一化权重系数代入综合评价公式Ai =
=1,2......24, m= 1,2......)，得到各方案污染物去除效果的综合评价指数值。其中:
Ai为第i个方案污染物去除效果综合评价指数值，m为水质因子个数，R为子各水质因子去除率，W为各水质因子权重系数。
[0018]3.本发明的有益效果
[0019]通过本发明的运用，能在多种生态净化技术的众多组合方案中得到效果最优方案，有效解决生态净化方案优化选择的问题，提供环境管理部门决策参考，避免效果不佳或不能达到预期目标的设计方案得以实施，节约人力、物力、财力，使社会、经济、环境效益最大化。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1-本发明的技术流程框图。
[0021]图2-生态处理现场实验设计示意图，其中I代表进水，2代表挺水植物，3代表浮叶植物，4代表沉水植物，5代表漂浮植物，6代表出水。
【具体实施方式】
[0022]以太湖流域官林污水处理厂为例，应用本发明方法对出水河道尾水进行了生态净化方案的优化评估。官林镇污水处理厂位于积梅河北侧工业区，出水流经300米的出水河道流入涌湖支流孟津河。应用QUAL2K模型模拟出水河道的水动力与水质，进行参数校验。
[0023]对官林污水处理厂尾水设计生态净化实验设计见图2。采用浮叶植物圆币草、漂浮植物睡莲、沉水植物狐尾藻、挺水植物鸢尾分别对尾水进行处理。每个生态净化单元长80米,宽20米,设计的水深40cm,出流流量使每个单元的水力停留时间是I天。尾水首先进入集水池，初沉后流入圆币草、睡莲、狐尾藻、鸢尾四个单元中。圆币草种植于长20m，宽2m的浮床上，垂直于水流方向放置8个；睡莲直接栽植于生态净化单元中，种植密度为I株/m2狐尾藻布置密度为0.3kg/m3 ;鸢尾植株高度范围在20-30em，种植横纵间隔均为10em。
[0024]通过实验监测的进水浓度和出水浓度，采用一级动力学反应方程计算得到各生态处理单元的主要水质降解系数，包括COD氧化速率、硝氮反消化速率、氨氮硝化速率、无机磷吸收速率、有机氮水解速率、有机磷水解速率。由圆币草、睡莲、狐尾藻、鸢尾四个单元排列组合为24种方案。将官林污水处理厂出水河道划分为四段，每段75m。根据现场实验得到的降解系数设定各河段主要水质参数，主要降解系数分别为COD氧化速率、硝氮反硝化速率、氨氮硝化速率、无机磷吸收速率、有机氮水解速率、有机磷水解速率。采用QUAL2K模拟六种生态净化方案，得到各方案的水质指标出水浓度。根据生态净化方案模拟结果与河道末端出水浓度，计算得到各方案主要水质因子的去除率。
[0025]采用C0D、N03-N、NH3-N、无机磷、有机氮、有机磷6个水质指标建立生态净化方案效果评估指标体系。采用比率标度法，计算得到COD、NO3-N, NH3-N、无机磷、有机氮、有机磷的权重系数分别为0.19,0.27,0.21,0.12,0.13,0.08。将权重系数代入综合评价公式得到24种方案的污染物去除效果评价指数值。结果表明，依次设计漂浮植物、沉水植物、浮叶植物、挺水植物的方案对尾水污染物去除效果最佳。
[0026]以上所述，仅是本发明的实施案例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
【权利要求】
1.一种优化评估河道污水生态净化方案的方法，其步骤为:(1)应用QUAL2K模型模拟河道水动力与水质，对模型参数进行校准与验证；(2)设计现场实验，采用挺水植物、浮叶植物、沉水植物、漂浮植物四个生态处理单元分别处理河水；(3)通过生态处理现场实验数据，计算得出挺水植物、浮叶植物、沉水植物、漂浮植物四个生态处理单元的降解系数；(4)由挺水植物、浮叶植物、沉水植物、漂浮植物四个单元排列组合为24种生态净化方案，采用现场实验得到的降解系数，通过QUAL2K模型模拟24种不同的生态净化方案；(5)计算各种方案末端出水的污染物去除率，采用层次分析法综合评估得到最优生态净化方案。
2.根据权利要求1所述的一种优化评估河道污水生态净化方案的方法，其特征在于将生态处理单元现场实验得到的降解系数输入水质模型，采用QUAL2K模型模拟各单元组合的生态净化方案。
3.根据权利要求1所述的一种优化评估河道污水生态净化方案的方法，其特征在于挺水植物、浮叶植物、沉水植物、漂浮植物四个生态处理单元的降解系数通过现场实验实测数据计算获得。
4.根据权利要求1所述的一种优化评估河道污水生态净化方案的方法，其特征在于通过水质模型模拟方法对生态净化方案进行优化评估。
5.根据权利要求1所述的一种优化评估河道污水生态净化方案的方法，其特征在于通过该方法的运用，能在多种生态净化技术的众多组合方案中得到效果最优方案，有效解决生态净化方案优化选择的问题，为环境管理部门提供决策支持。
【文档编号】G06Q10/04GK104318335SQ201410645160
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月15日 优先权日:2014年11月15日
【发明者】张瑞斌, 钱新, 高海龙, 朱文婷 申请人:南京大学