一種利用水質(zhì)模型模擬優(yōu)選水質(zhì)改善方案的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用水質(zhì)模型模擬優(yōu)選水質(zhì)改善方案的方法，屬于水污染控制領(lǐng)域。其步驟為：(1)應(yīng)用QUAL2K模型模擬河流水動力與水質(zhì)，對模型參數(shù)進行校準(zhǔn)與驗證；(2)在河流岸邊采用挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物繩三種水處理技術(shù)分別處理河水；(3)通過水處理現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)，計算得出挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物繩三種水處理技術(shù)的降解系數(shù)；(4)由挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物繩三種技術(shù)排列組合為六種水質(zhì)改善方案，采用現(xiàn)場實驗得到的降解系數(shù)，通過QUAL2K模型模擬六種不同的水處理技術(shù)組合方案；(5)計算各種方案末端出水的負荷削減率，采用層次分析法綜合評價選取最優(yōu)組合方案。通過本發(fā)明的運用，可以有效解決水質(zhì)改善方案優(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】一種利用水質(zhì)模型模擬優(yōu)選水質(zhì)改善方案的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及污染河流水質(zhì)改善方案的優(yōu)化選擇方法，具體地說是一種利用水質(zhì)模型模擬方法對水質(zhì)改善方案進行優(yōu)化選擇的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]污水處理技術(shù)根據(jù)處理原理的不同，分為物理方法、化學(xué)方法和生態(tài)方法三大類。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，處理效果明顯，但往往治標(biāo)不治本；化學(xué)方法雖然操作簡單，用量少，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]生態(tài)處理方法是國內(nèi)外近年來發(fā)展很快的一種新技術(shù)，它利用培育的植物或培養(yǎng)、接種的微生物的生命活動，對水中污染物進行轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化及降解，從而使水體得到凈化，具有處理效果好、工程造價相對較低、能耗低、運行成本低廉的優(yōu)點。生態(tài)處理法主要包括投加菌種法、曝氣復(fù)氧法、生物膜法、水生植物凈化法、人工濕地技術(shù)、生態(tài)浮床。
[0004]20世紀(jì)末，國內(nèi)外學(xué)者開始研究污水處理技術(shù)的綜合評價，其方法主要包括:灰色系統(tǒng)評價、層次分析法評價、效益評價指數(shù)模型評價、模糊綜合評價及多種方法耦合應(yīng)用。近幾年，國外學(xué)者就生態(tài)環(huán)境問題進行了多方面、多角度、全方位、定量化的評價研究。學(xué)者一般從經(jīng)濟、社會、環(huán)境三個方面選擇具有代表性的多項綜合評估指標(biāo)，根據(jù)層次分析法確定各項指標(biāo)的權(quán)重，再采用灰色評估法建立了城市污水處理工程綜合評估模型。國內(nèi)針對污水處理效果的綜合評價和應(yīng)用大多是采用層次分析法和模糊綜合評價，而且均是針對污水處理工程實施后的效果評價，忽略了污水處理工程實施前的優(yōu)選評估，在環(huán)境管理實踐中缺乏實用性與前瞻性。
[0005]目前的水處理效果評價方法主要是針對單項技術(shù)或者某項方案處理效果的評價，或者多種技術(shù)處理效果的比較，忽略了污水處理工程實施前的優(yōu)選評估，而且對于多種技術(shù)不同排列組合方案的優(yōu)選評估方法目前尚未有報道。因此，亟需發(fā)明出實用有效的多種技術(shù)不同組合方案的定量優(yōu)選評估方法，為河流水質(zhì)改善技術(shù)組合方案的優(yōu)選評估提供依據(jù)。
[0006]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，QUAL2K模型能夠較全面的反映污水中氮、磷、藻類、微生物的遷移轉(zhuǎn)化，用于模擬低污染水的水動力水質(zhì)變化過程是準(zhǔn)確可靠的。因此，本發(fā)明采用QUAL2K模型，對河流水質(zhì)改善方案進行模擬優(yōu)選，為環(huán)境管理部門水污染治理方案的選擇提供一種新的方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]1.發(fā)明要解決的技術(shù)問題
[0008]本發(fā)明的目的是提供一種利用水質(zhì)模型優(yōu)化選擇河流水質(zhì)改善方案的方法。采用水質(zhì)模型模擬多種水處理技術(shù)排列組合的各種水質(zhì)改善方案，通過層析分析法綜合評價篩選出效果最優(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水質(zhì)改善方案優(yōu)化選擇的問題。
[0009]2.技術(shù)方案
[0010]一種利用水質(zhì)模型模擬優(yōu)選水質(zhì)改善方案的方法，其步驟為:(I)應(yīng)用QUAL2K模型模擬河流水動力與水質(zhì)，對模型參數(shù)進行校準(zhǔn)與驗證；(2)在河流岸邊采用挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物繩三種水處理技術(shù)分別處理河水；(3)通過水處理現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)，計算得出挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物繩三種水處理技術(shù)的降解系數(shù)；(4)由挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物繩三種技術(shù)排列組合為六種水質(zhì)改善方案，采用現(xiàn)場實驗得到的降解系數(shù)，通過QUAL2K模型模擬六種不同的水處理技術(shù)組合方案；(5)計算各種方案末端出水的負荷削減率，采用層次分析法綜合評價選取最優(yōu)組合方案。通過本發(fā)明的運用，可以有效解決水質(zhì)改善方案優(yōu)化選擇的問題，為環(huán)境管理部門提供決策支持。
[0011]I)通過實地調(diào)查與資料收集，獲取河流模擬所需的水動力水質(zhì)數(shù)據(jù)，包括流量、流速、河寬、河深、生化需氧量(BOD)、氨氮(NH3-N)、硝氮(NO3-N)、總氮(TN)、無機磷、總磷(TP)。應(yīng)用QUAL2K模型對河流的水動力與水質(zhì)進行模擬，并與實測數(shù)據(jù)進行對比分析，進行河流水質(zhì)模型參數(shù)的校準(zhǔn)與驗證。
[0012]2)在河流岸邊采用挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物繩三種水處理技術(shù)分別處理河水。實驗裝置采用有機玻璃水箱，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)。挺水植物采用真空塑料水面浮床種植于有機玻璃水箱，沉水植物使用塑料篩固定于水箱中，生物繩橫縱間隔一定距離懸掛并固定在水箱中。通過恒流泵控制實驗裝置中的水流流量，使流速與河流平均流速相同，采樣后現(xiàn)場對每個技術(shù)單元進、出水水質(zhì)進行監(jiān)測。
[0013]3)通過水處理現(xiàn)場實驗，得到3種技術(shù)對B0D、NH3-N、N03-N、有機氮、有機磷、無機磷的處理結(jié)果數(shù)據(jù)，采用一級動力學(xué)反應(yīng)方程計算得出各水處理技術(shù)對污水處理廠尾水中主要水質(zhì)指標(biāo)的降解系數(shù)，包括BOD氧化速率、氨氮硝化速率、硝氮反消化速率、有機氮水解速率、有機磷水解速率、無機磷吸收速率。由于實驗用水為河流現(xiàn)場取水，實驗設(shè)計流速與河流流速一致，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)用于河流水處理技術(shù)模擬是合理可靠的。
[0014]一級動力學(xué)反應(yīng)方程，即C = CQe_Kt，式中:t為反應(yīng)時間，d ；K為氨氮降解系數(shù)，I/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。由式可得降解系數(shù)K = flnQ/C。根據(jù)初始濃度與測定結(jié)果濃度比值的自然對數(shù)與時間(天)線性回歸，得到降解方程，斜率為降解系數(shù)。
[0015]4)在不同河段設(shè)置不同技術(shù)的降解系數(shù)，代表模擬不同的水處理技術(shù)。將河流劃分為3個河段，把各水處理技術(shù)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組合方案。挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物繩可排列組合為6種水質(zhì)改善方案。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6種水質(zhì)改善方案分別在河流中的實施。
[0016]QUAL2K模型是美國環(huán)保局研發(fā)的QUAL系列水質(zhì)模型的最新版本，是一個綜合性、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)。該模型可用于模擬流域枝狀河網(wǎng)，它既可以用作為穩(wěn)態(tài)模型，也可以用作為時變的動態(tài)模型。
[0017]5)由模擬結(jié)果計算得出各種方案對主要水質(zhì)指標(biāo)的負荷削減率，選取B0D、NH3-N、no3-n、有機氮、有機磷、無機磷主要水質(zhì)指標(biāo)建立水質(zhì)改善方案效果評估指標(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價選取最優(yōu)水質(zhì)改善方案。
[0018]層次分析法是用系統(tǒng)分析的方法，對評價對象依評價目的所確定的總評價目標(biāo)進行連續(xù)性分解，得到各級(各層)評價目標(biāo)，并以最下層指標(biāo)作為衡量目標(biāo)達到程度的評價指標(biāo)。然后依據(jù)這些指標(biāo)計算出一個綜合評分指數(shù)對評價對象的總評價目標(biāo)進行評價，依其大小來確定評價對象的優(yōu)劣等級。
[0019]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)量表不就是9個標(biāo)度(參見表1)。
[0020]表1標(biāo)度及其含義
[0021]

【權(quán)利要求】
1.一種利用水質(zhì)模型模擬優(yōu)選水質(zhì)改善方案的方法，其步驟為:(1)應(yīng)用QUAL2K模型模擬河流水動力與水質(zhì)，對模型參數(shù)進行校準(zhǔn)與驗證；(2)在河流岸邊采用挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物繩三種水處理技術(shù)分別處理河水；(3)通過水處理現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)，計算得出挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物繩三種水處理技術(shù)的降解系數(shù)；(4)由挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物繩三種技術(shù)排列組合為六種水質(zhì)改善方案，采用現(xiàn)場實驗得到的降解系數(shù)，通過QUAL2K模型模擬六種不同的水處理技術(shù)組合方案；(5)計算各種方案末端出水的負荷削減率，采用層次分析法綜合評價選取最優(yōu)組合方案。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用水質(zhì)模型模擬優(yōu)選水質(zhì)改善方案的方法，其特征在于將水處理技術(shù)現(xiàn)場實驗得到的降解系數(shù)輸入水質(zhì)模型，采用QUAL2K模型模擬水質(zhì)改善方案。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用水質(zhì)模型模擬優(yōu)選水質(zhì)改善方案的方法，其特征在于沉水植物沉床、挺水 植物浮床、生物繩三種水處理技術(shù)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所述的一種利用水質(zhì)模型模擬優(yōu)選水質(zhì)改善方案的方法，其特征在于通過水質(zhì)模型模擬方法對水質(zhì)改善方案進行優(yōu)化選擇。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用水質(zhì)模型模擬優(yōu)選水質(zhì)改善方案的方法，其特征在于通過該方法的運用，能在多種水處理技術(shù)的眾多組合方案中優(yōu)選出效果最優(yōu)方案，有效解決水質(zhì)改善方案優(yōu)化選擇的問題，為環(huán)境管理部門提供決策支持。
6.一種利用水質(zhì)模型模擬優(yōu)選水質(zhì)改善方案的方法，其步驟為:(I)應(yīng)用QUAL2K模型模擬河流水動力與水質(zhì)，對模型參數(shù)進行校準(zhǔn)與驗證；(2)在河流岸邊采用挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物繩三種水處理技術(shù)分別處理河水；(3)通過水處理現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)，計算得出挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物繩三種水處理技術(shù)的降解系數(shù)；(4)由挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物繩三種技術(shù)排列組合為六種水質(zhì)改善方案，采用現(xiàn)場實驗得到的降解系數(shù)，通過QUAL2K模型模擬六種不同的水處理技術(shù)組合方案；(5)計算各種方案末端出水的負荷削減率，采用層次分析法綜合評價選取最優(yōu)組合方案； 上述步驟(1)-(5)具體優(yōu)選步驟如下: 1)通過實地調(diào)查與資料收集，獲取河流模擬所需的水動力水質(zhì)數(shù)據(jù)，包括流量、流速、河寬、河深、生化需氧量(BOD)、氨氮(NH3-N)、硝氮(NO3-N)、總氮(TN)、無機磷、總磷(TP)。應(yīng)用QUAL2K模型對河流的水動力與水質(zhì)進行模擬，并與實測數(shù)據(jù)進行對比分析，進行河流水質(zhì)模型參數(shù)的校準(zhǔn)與驗證； 2)在河流岸邊采用挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物繩三種水處理技術(shù)分別處理河水。實驗裝置采用有機玻璃水箱，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)。挺水植物采用真空塑料水面浮床種植于有機玻璃水箱，沉水植物使用塑料篩固定于水箱中，生物繩橫縱間隔一定距離懸掛并固定在水箱中。通過恒流泵控制實驗裝置中的水流流量，使流速與河流平均流速相同，采樣后現(xiàn)場對每個技術(shù)單元進、出水水質(zhì)進行監(jiān)測； 3)通過水處理現(xiàn)場實驗，得到3種技術(shù)對800、順3-隊勵3-隊有機氮、有機磷、無機磷的處理結(jié)果數(shù)據(jù)，采用一級動力學(xué)反應(yīng)方程計算得出各水處理技術(shù)對污水處理廠尾水中主要水質(zhì)指標(biāo)的降解系數(shù)，包括BOD氧化速率、氨氮硝化速率、硝氮反消化速率、有機氮水解速率、有機磷水解速率、無機磷吸收速率。由于實驗用水為河流現(xiàn)場取水，實驗設(shè)計流速與河流流速一致，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)用于河流水處理技術(shù)模擬是合理可靠的； 一級動力學(xué)反應(yīng)方程，即c = C0e-Kt,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。由式可得降解系數(shù)K =flnQ/C。根據(jù)初始濃度與測定結(jié)果濃度比值的自然對數(shù)與時間(天)線性回歸，得到降解方程，斜率為降解系數(shù)； 4)在不同河段設(shè)置不同技術(shù)的降解系數(shù)，代表模擬不同的水處理技術(shù)。將河流劃分為3個河段，把各水處理技術(shù)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組合方案。挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物繩可排列組合為6種水質(zhì)改善方案。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6種水質(zhì)改善方案分別在河流中的實施； QUAL2K模型是美國環(huán)保局研發(fā)的QUAL系列水質(zhì)模型的最新版本，是一個綜合性、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)。該模型可用于模擬流域枝狀河網(wǎng)，它既可以用作為穩(wěn)態(tài)模型，也可以用作為時變的動態(tài)模型。 5)由模擬結(jié)果計算得出各種方案對主要水質(zhì)指標(biāo)的負荷削減率，選取BOD、NH3-N,Ν03-Ν、有機氮、有機磷、無機磷主要水質(zhì)指標(biāo)建立水質(zhì)改善方案效果評估指標(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價選取最優(yōu)水質(zhì)改善方 案。
【文檔編號】G06F19/00GK104077487SQ201410315149
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月4日
【發(fā)明者】張瑞斌, 錢新, 高海龍, 朱文婷 申請人:南京大學(xué)