一种基于排放量与纳污能力均衡调控网络的污水处理系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于排放量与纳污能力均衡调控网络的污水处理系统，排放侧由产污节点、减污节点以及排污节点，受纳侧为受纳水体；产污节点产生的污水经减污节点处理后，再经由排污节点排至受纳水体中，产污节点、减污节点、排污节点以及受纳水体的数量皆为复数个；本发明在确保不破坏污染物从产生到排放全过程水力联系的基础上，可根据实际情况对产污、减污、排污节点进行概化和整合，基于污染物排放量和水体纳污能力的均衡调控网络，优化不同的调控手段，合理分配不同的污染负荷，从而实现源头控制、过程控制和末端治理三者相结合的分布式水污染控制网络系统，对流域水体的纳污能力分析更加准确，合理有效调控水体污染。
【专利说明】
一种基于排放量与纳污能力均衡调控网络的污水处理系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种污水处理网络，尤其是涉及一种基于排放量与纳污能力均衡调控 网络的污水处理优化系统。
【背景技术】
[0002] 污水处理(wastewater treatment):为使污水达到排水某一水体或再次使用的水 质要求对其进行净化的过程。污水处理一般分为生产污水处理和生活污水处理。污水处理 已经被广泛应用于工业、农业，交通、能源、环保、等各个领域，也越来越多地走进寻常百姓 的日常生活。
[0003] 面对日益短缺的水资源，水污染负荷急剧增加，导致水安全问题日益突出。大量的 工业和生活污水未经处理直接排入水中，农业生产中化肥和农药的大量使用，使得部分水 体污染相当严重。水污染不仅加剧了水资源的短缺，同时，成为粮食生产用水的重要控制因 素，而且直接影响到饮用水安全、粮食生产安全和流域生态环境安全，在这一背景下，污水 处理和污水再利用越来越备受社会各界的普遍关注。污水的排放往往涉及到多个行业和多 种途径，仅仅依靠一次污水处理或者单一行业污水处理很难达到污水利用和排放水质目 标。特别是当前，在一区域内，污水处理未能构建各产污、减污、排污节点和受纳水体之间的 水力联系，也未能实现排放量与纳污能力的均衡调控，造成有些区域的排污能力闲置，而有 些区域的排污能力的不足，也能从一定程度上缓解水资源短缺的程度。同时，现有的研究仅 计算入河污染物的排污量，依靠末端治理，很难实现污染物的减排和水环境的治理。相对而 言，水污染物的过程控制有助于在污染物产生的过程中进行利用、转化，从而消除末端污染 物的排放量。
[0004] 基于此，本发明的目标是如何在一区域内实现污染物的排污量与受纳水体的纳污 能力的均衡调控，合理地利用水资源，减少环境污染。
【发明内容】
[0005] 本发明设计了一种基于排放量与纳污能力均衡调控网络的污水处理优化系统，其 解决的技术问题是污水处理未能构建各产污、减污、排污节点和受纳水体之间的水力联系， 也未能实现排放量与纳污能力的均衡调控，造成有些区域的排污能力闲置，而有些区域的 排污能力的不足。
[0006] 为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：
[0007] -种基于排放量与纳污能力均衡调控网络的污水处理系统，包括排放侧和受纳 侧，所述排放侧由产污节点、减污节点以及排污节点，所述受纳侧为受纳水体;产污节点产 生的污水经减污节点处理后，再经由排污节点排至受纳水体中，其特征在于:产污节点、减 污节点、排污节点以及受纳水体的数量皆为复数个;其中，任何一个产污节点选择使用任何 一个减污节点进行污水处理，任何一个减污节点处理后的水可以选择经过任意一个排污节 点排出，并且可以选择进入任何一个受纳水体。
[0008] 进一步，所述产污节点产生的污水为企业生产过程排放污水、农田灌溉排放污水、 农村居民点排放污水以及城镇生活小区排放污水中的一种或多种。
[0009] 进一步，所述减污节点为污水处理站、农田退水处理系统、湿地污水处理系统以及 土地污水处理系统中的一种或多种。
[0010] 进一步，所述排污节点为各类入河排污口。
[0011] 进一步，所述受纳水体为具有接收排污功能的河流湖泊水体。
[0012] -种排放量与纳污能力均衡调控网络制定的减排方法，包括以下步骤:在每个受 纳水体中设置监测点，根据监测结果与设定的河流水质目标进行比对，从而倒逼减排目标， 以制定合理化的各个产污节点减排方案以及各个减污节点处理污水方案并实现最优减排 路径。
[0013] 进一步，所述的均衡网络中每一个节点均设置为该网络系统的监测点，对其进行 实时监测，并且根据监测结果的变化对应调整最优减排路径。当排放侧中到达排污节点的 污染物排放量大于受纳侧的纳污能力时候，需要重新选择污染物的排放路径或者同一排放 路径下污染物的减少量;反之亦然。该排放量与纳污能力均衡调控网络及排污方法具有以 下有益效果：
[0014] (1)本发明在确保不破坏污染物从产生到排放全过程水力联系的基础上，可根据 实际情况对产污、减污、排污节点进行概化和整合，基于污染物排放量和水体纳污能力的均 衡调控网络，优化不同的调控手段，合理分配不同的污染负荷，从而实现源头控制、过程控 制和末端治理三者相结合的分布式水污染控制网络系统，对流域水体的纳污能力分析更加 准确，合理有效调控水体污染。
[0015] (2)本发明可以根据河流水质目标倒逼减排目标，以便于制定合理化区域减排方 案。
[0016] (3)本发明可以寻找最优的减排路径，最大化地实现经济、环境效益。
[0017] (4)本发明可以根据最优减排方案，提高水资源利用效率，强化行业用水定额管理 和水功能区限制纳污三条红线，有助于合理地解决最严格水资源管理制度下的用水效率控 制，实现分布式地减污分配的路径，使得对水环境的影响最小化。
[0018] (5)本发明计算分析每一产污节点对于受纳水体的污染物的贡献量，从而可以对 产污节点进行控制。
[0019] (6)本发明有助于实现在最优减排路径下的污染物的实时监控系统。
【附图说明】
[0020] 图1:本发明排放量与纳污能力均衡调控网络方框示意图。
[0021] 图2:本发明中实现水功能区达标率的方框流程示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图及【具体实施方式】对本发明作进一步的说明：
[0023]如图1所示，区域或流域内，一种排放量与纳污能力均衡调控网络，包括排放侧和 受纳侧，所述排放侧由产污节点、减污节点以及排污节点，所述受纳侧为受纳水体;产污节 点产生的污水经减污节点处理后，再经由排污节点排至受纳水体中。存在m个受纳水体、η个 排污节点、i个减污节点的污染物以及j个产污节点的污染物。
[0024] 本发明涉及到排污优化系统，这种系统是一个互反馈过程。污染物排放量，指的是 污染源自身排放出的污染物的数量，以t/a计算。
[0025] 污染物的入河量，指的是直接或者通过沟、渠、管道等设施进入河流湖(库）的污染 物数量，通常以t/a计。
[0026] 水域纳污能力指的是在设计水文条件下，某种污染物满足水功能区水质目标要求 下所能容纳的该污染物的最大数量。
[0027]本实例中考虑工业生产、农田灌溉和居民生活不同类型用水户污染物排放的不同 特征，采用调查统计法和估算法相结合的方法，按照上述原则和方法，计算每一排污侧的产 污节点排放到节污节点的污染物排放量，采用用水、耗水和排水的相关公式：
[0028]其中，工业生产过程的排水，计算过程中要减去生产过程中循环再利用的水量，最 终到节污节点的污染物排放量。调查区域内企业地理位置、生产工艺、工业产值、万元工业 产值污染物排放系数、污染物排放方式、去向和排放规律，估算区域内工业污染物排放量； 同时结合实时监测的每一重点行业的监测污染物的产生量、排放量和排放系数，最终确定 企业污染物的排放量。主要公式为：
[0030]
式中，W(industr, y)i为第i行业工业点源产污染量，单位为t;⑶Pi为 i行业工业增加值，单位为万元;Loadi为i行业单位工业增加值的污染负荷，单位为t/万元。 [0031] 农田灌溉污水排水量R往往需要考虑农田灌溉面积S(hm2)，农作物在单位灌溉面 积上的肥料施用量Q(kg/hm 2);监测和实验当地不同农作物的污染物地表流失系数K，单位 为％〇
[0033]城镇(农村)生活点源污染物产生量估算，需要调研该区域的用水人口、单位人口 的排污量等。具体公式为：
[0035]式中，W(urban,i)为i区内城镇(农村)生活点源产生量;单位为吨t;P为i区域内城镇 (农村)生活人口，单位为万人;U为i区域单位城镇(农村)的污染物负荷，单位为t吨/万人。 [0036]对于节污点，均通过排污点所到的污染物排放量W经过污水处理系统（污水处理 站、农田退水处理系统、湿地污水处理系统和土地污水处理系统)后得到输送到排污节点的 污染物入河量。这些系统中污染物的排放物经过沿程损失、污水处理、植被拦截作用后，进 入河道对河流造成的污染物的量。后三者系统的污水处理是污水资源化的重要途径，即在 人工控制下降污水适配到土地、农田和湿地中，利用土壤-植被-微生物陆地生态系统的自 我调节控制机制和对污染物的综合净化功能，使得水质得到不同程度地改善，实现水资源 化的生态系统工程。
[0037] 其中，这些计算公式可以概化为：
[0038] w节=￥/**!(
[0039] 其中，W节为减污节点的污染物排放量;W产为产污节点产生的污染物排放量;K为经 过减污节点后的污水处理率；
[0040] 在计算污染物排污节点到收纳水体，考虑污染物在路面进入到河道的自然衰减和 污水处理的效应，入河污染物负荷进一步计算为：
[0041] W姻=W节*C节*θ (3-91)
[0042] 式中：W节为直接排入污水污染物的入河量（t) ;C节为直排污水的某种污染物浓度 (mg/L)，Θ为城镇生活/工业直排污水入河系数。
[0043] 对于一维水质模型，对水功能区纳污能力计算公式如下：
[0044] M = 31.5(Cs-Co)exp(-kL/u)exp(kx/u)Qr
[0045] 式中，Μ为污染物的纳污能力(t/a);
[0046] Cs为水功能区下断面水质目标控制因子浓度(mg/L);
[0047] Co为河流上断面水质目标控制因子浓度(mg/L);
[0048] K为污染物综合衰减系数(1/s);
[0049] L为某一河段的长度(m);
[0050] X为排污口下游断面距离河流下游断面纵向距离(m);
[0051 ] U为设计流量下的平均流速(m/s);
[0052] Qr为设计流量(m3/s);
[0053]其中，任何一个产污节点选择使用任何一个减污节点进行污水处理，任何一个减 污节点处理后的水可以选择经过任意一个排污节点排出，并且可以选择进入任何一个受纳 水体。多个减污节点、多个排污节点以及多个受纳水体在污水处理和排污上进行合理配置， 避免某个减污节点、某个排污节点以及某个受纳水体压力过大，而同时存在其他某个减污 节点、某个排污节点以及某个受纳水体闲置的问题。
[0054]其工作原理如下：假设，产污节点mnil产生污水经过减污节点mnl处理，并通过排 污节点ml排放至受纳水体1中。受纳水体1中监测点发现污染物值过高时，说明产污节点 mni 1污染物的贡献量过大以及减污节点mn 1处理效率有限。此时，发现减污节点mn i、受纳水 体m以及排污节点mn污染物数值远低于设定值，此时可以将产污节点mnil产生污水全部或 部分转移至减污节点mni处理，并通过排污节点mn排放至受纳水体m中。
[0055] 污染物排放优化控制目标函数和约束条件如下：
[0056] 目标函数为:Max(排污量W肖喊)；约束条件为:排污量Wam彡排污量_示。
[0057] 如图2所示，当受纳水体m的污染值上升并超过其他受纳水体的污染物平均值时， 将重复上述步骤，寻找低污染值的受纳水体，并通过重新建立排污通道，将受纳水体m的污 染值降至合理数值。
[0058]通过污染负荷入河量水功能区纳污能力对比分析水功能区达标状况，如果水功能 区达标率不能实现，则回到排污侧的产污节点，依次按照产污节点-减污节点-排污节点，一 步一步地调整，是否有可以削减的污染物，重新进行计算，直至实现水功能区达标率，则结 束过程。
[0059]上述平衡是个动态过程，其将根据各个监测点的数值进行自动调整。
[0060]上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式 的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明 的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种基于排放量与纳污能力均衡调控网络的污水处理系统，其特征在于，所述系统 包括排放侧和受纳侧，排放侧主要由产污节点、减污节点以及排污节点组成;所述受纳侧为 受纳水体;产污节点产生的污水经减污节点处理后，再经由排污节点排至受纳水体中，其特 征在于:产污节点、减污节点、排污节点以及受纳水体的数量皆为复数个;其中，任何一个产 污节点选择使用任何一个减污节点进行污水处理，任何一个减污节点处理后的水可以选择 经过任意一个排污节点排出，并且可以选择进入任何一个受纳水体。2. 根据权利要求1所述基于排放量与纳污能力均衡调控网络的污水处理系统，其特征 在于:所述产污节点产生的污水为企业生产过程排放污水、农田灌溉排放污水、农村居民点 排放污水以及城镇居民生活小区排放污水中的一种或多种。3. 根据权利要求1或2所述基于排放量与纳污能力均衡调控网络的污水处理系统，其特 征在于:所述减污节点为污水处理站、农田退水处理系统、湿地污水处理系统以及土地污水 处理系统中的一种或多种。4. 根据权利要求1、2或3所述基于排放量与纳污能力均衡调控网络的污水处理系统，其 特征在于:所述排污节点为各类入河排污口。5. 根据权利要求1、2、3或4所基于排放量与纳污能力均衡调控网络的污水处理系统，其 特征在于:所述受纳水体为具有接收排污功能的河流湖泊水体。6. 根据权利要求1、2、3或4所述基于排放量与纳污能力均衡调控网络系统，其特征在 于： 行业企业污染物的排放量，式中，W(industr,y)1为第i行业工业点源产污染量，单位为t;⑶PAi行业 i=l 工业增加值，单位为万元;Loadi为i行业单位工业增加值的污染负荷，单位为t/万元； 农田灌溉污水排水量：农田灌溉污水排水量R往往需要考虑农田灌溉面积S (hm2 )，农作物在单位灌溉面积上的 肥料施用量Q(kg/hm2);监测和实验当地不同农作物的污染物地表流失系数K，单位为％ ; 城镇(农村)生活点源污染物排放量具体公式为：城镇(农村)生活点源污染物排放量产生量估算，需要调研该区域的用水人口、单位人 口的排污量等;式中，为i区内城镇(农村)生活点源产生量;单位为吨t;P为i区域内 城镇(农村)生活人口，单位为万人;区域单位城镇(农村）的污染物负荷，单位为t吨/ 万人。7. -种根据权利要求1-6中任何一项所述基于排放量与纳污能力均衡调控网络系统制 定的减排方法，包括以下步骤:在每个受纳水体中设置监测点，根据监测结果与设定的河流 水质目标进行比对，从而倒逼减排目标，以制定合理化的各个产污节点减排方案以及各个 减污节点处理污水方案并实现最优减排路径。8. 根据权利要求7所述的减排方法，其特征在于:所述监测结果与设定的河流水质目标 进行比对是通过污染负荷入河量水功能区纳污能力对比分析水功能区达标状况，如果水功 能区达标率不能实现，则回到排污侧的产污节点，依次按照产污节点一减污节点一排污节 点，一步一步地进行调整，是否有可以削减的污染物，重新进行计算，直至实现水功能区达 标率，则结束过程。9. 根据权利要求7所述的减排方法，其特征在于:所述 在计算污染物排污节点到收纳水体，考虑污染物在路地进入到河道的自然衰减和污水 处理的效应，所述入河污染物负荷进一步计算为： 可=W节*C节*θ 式中：W节为直接排入污水污染物的入河量(t) ;C节为直排污水的某种污染物浓度(mg/ L)，Θ为城镇生活/工业直排污水入河系数。10. 根据权利要求7所述的减排方法，其特征在于:对于一维水质模型，对所述水功能区 纳污能力计算公式如下： M=31.5(Cs-C〇)exp(-kL/u)exp(kx/u)Qr 式中，Μ为污染物的纳污能力(t/a); Cs为水功能区下断面水质目标控制因子浓度(mg/L); Co为河流上断面水质目标控制因子浓度(mg/L); K为污染物综合衰减系数(1/s); L为某一河段的长度(m); X为排污口下游断面距离河流下游断面纵向距离(m); U为设计流量下的平均流速(m/s); Qr为设计流量(m3/s)。
【文档编号】G05B13/04GK105867124SQ201610212705
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月6日
【发明人】严登华, 史婉丽, 王浩, 翁白莎, 秦天玲, 杨志勇, 李传哲, 刘佳, 冯健, 付意成, 任洪玉
【申请人】中国水利水电科学研究院