城鎮(zhèn)污水處理效果評(píng)價(jià)研究

商克洋

（山東省聊城市茌平區(qū)綜合行政執(zhí)法局，山東 聊城 252100）

引言

大多數(shù)廢水污染物與有機(jī)物顆粒有關(guān)[1]，懸浮物、有機(jī)微污染物、細(xì)菌、重金屬和其他污染物也可能沉淀，而單靠化學(xué)處理就能大幅去除這些污染物。引入生物降解和化學(xué)高級(jí)氧化進(jìn)行生物處理，通過應(yīng)用生命周期評(píng)估（LCA）技術(shù)評(píng)估二氧化碳排放、空間供暖和熱水供應(yīng)成本[2]。評(píng)估基于生命周期評(píng)估（LCA）的化學(xué)強(qiáng)化處理的可行性，目的是改善水質(zhì)，減少二氧化碳排放，與傳統(tǒng)和創(chuàng)新的城市污水管理相比，提高成本效益。比較不同管理方案的效果，包括傳統(tǒng)方法[3]如安裝儲(chǔ)水罐（DT）、優(yōu)化固體停留時(shí)間（SRT）、優(yōu)化生活污水（SC）和減少不透水面積（RIA），以及基于創(chuàng)新技術(shù)的方法，如使用絮凝劑（FT）等。從優(yōu)化處理水的質(zhì)量、對(duì)二氧化碳排放的影響和總體成本的角度出發(fā)，使用絮凝劑進(jìn)行化學(xué)強(qiáng)化處理的效果，以減少曝氣能量需求和二氧化碳排放。

1 評(píng)價(jià)方法

計(jì)算子集水區(qū)（單位網(wǎng)格）的洪水、枯水、流量變化和水質(zhì)的影響，并進(jìn)行了綜合評(píng)估，以確定廢水處理對(duì)水質(zhì)的影響。隨后，統(tǒng)一了整個(gè)網(wǎng)格的結(jié)果，并評(píng)估了集水區(qū)規(guī)模效應(yīng)。此外，評(píng)估的一個(gè)目標(biāo)是確定處理廢水過程中排放的二氧化碳量，這是一個(gè)代表環(huán)境影響的重要衡量指標(biāo)，最大限度地提高水質(zhì)，并最大限度地減少廢水處理系統(tǒng)的能耗（二氧化碳排放）。

1.1 生命周期評(píng)價(jià)方法

生命周期方法是檢查現(xiàn)場修復(fù)活動(dòng)并在一致的框架內(nèi)考慮多種選擇的有效手段。生命周期方法允許系統(tǒng)地審查與受污染場地直接相關(guān)的潛在影響之外的潛在影響，能夠考慮潛在的影響，是一種簡化的環(huán)境活動(dòng)結(jié)構(gòu)和概念化方法。環(huán)境與經(jīng)濟(jì)使用LCA 和生命周期成本法（LCC）對(duì)包括分布式和終端污水處理廠在內(nèi)的整個(gè)污水處理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了評(píng)估。這些方法可以擴(kuò)展到對(duì)二氧化碳排放和水質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估，作為分析城市下水道系統(tǒng)生命周期的綜合方法。使用LCA 技術(shù)假設(shè)整個(gè)廢水處理系統(tǒng)的CO2排放量。生命周期評(píng)價(jià)用于評(píng)估污水處理廠產(chǎn)品和工藝在污水處理系統(tǒng)壽命期內(nèi)的二氧化碳排放量，旨在將這些排放量降至最低。在考慮成本效益的同時(shí)，還使用LCA 技術(shù)對(duì)整個(gè)污水系統(tǒng)的水質(zhì)和CO2排放流量進(jìn)行了綜合評(píng)估。

1.2 城市污水系統(tǒng)子模型

建立了包含兩種有機(jī)基質(zhì)和硝化作用的復(fù)雜活性污泥模型[3]，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。ASM1 被用于改善污水處理廠的出水水質(zhì)。使用優(yōu)化技術(shù)校準(zhǔn)ASM，并估計(jì)模型參數(shù)，包括異養(yǎng)生物的最大比生長速率、異養(yǎng)生物的底物半飽和常數(shù)、水解速率常數(shù)、異養(yǎng)生物的產(chǎn)量系數(shù)等。模擬活性污泥過程的廢水和廢水用COD 和氮表示。根據(jù)城市河流急性水污染的關(guān)鍵參數(shù)氧和氨濃度，對(duì)城市地區(qū)的急性水污染進(jìn)行了評(píng)估，并對(duì)這兩個(gè)非生物參數(shù)在歷史降雨系列中進(jìn)行了分析。

分別計(jì)算雨水和廢水作為自然外力和人工外力處理廢水的效果。通過使用ASM 對(duì)廢水處理進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，計(jì)算進(jìn)水量和水質(zhì)隨時(shí)間的變化。研究了自然系統(tǒng)對(duì)輸入條件的響應(yīng)，即水量、洪水流量和排水率、水質(zhì)的時(shí)間響應(yīng)以及水質(zhì)模型。認(rèn)為，在干燥天氣條件下重現(xiàn)廢水處理過程結(jié)果是可能的，并且估計(jì)值與過去的觀察結(jié)果基本一致。異養(yǎng)微生物對(duì)有機(jī)物的去除被定義為與微生物的繁殖率成正比。因此，如果原則上確定倍增率，則可以確定有機(jī)物去除速度。因此，設(shè)置曝氣器停留時(shí)間以最大限度地去除有機(jī)物。最終處理水中的主要COD 成分反映了存在難以生物降解的物質(zhì)。

2 結(jié)果和討論

排水系統(tǒng)管理的效果采用綜合方法進(jìn)行評(píng)估，目的是改善水質(zhì)，減少二氧化碳排放，并最大限度地提高成本效益。開發(fā)了集水區(qū)模擬器和數(shù)值模型，并將其應(yīng)用于實(shí)際集水區(qū)。對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，包括暴雨事件和枯水期的評(píng)估。在模擬程序的幫助下，建立了包括兩種有機(jī)基質(zhì)和硝化作用的復(fù)雜活性污泥模型，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。將該模型應(yīng)用于主要污水干管中獲得的數(shù)據(jù)。驗(yàn)證后，能夠預(yù)測主污水干管內(nèi)的污水濃度分布（圖1）。大多數(shù)以前開發(fā)的城市雨水水質(zhì)模型都是以方程組的形式開發(fā)的，每個(gè)方程或方程子集都被視為整個(gè)過程的一部分，并作為一系列連續(xù)步驟或子過程進(jìn)行分析。

圖1 廢水質(zhì)量濃度曲線的驗(yàn)證

將基于LCA 技術(shù)的模型應(yīng)用于廢水處理系統(tǒng)，得出了與污水處理廠和泵站的建設(shè)和運(yùn)行相關(guān)的二氧化碳排放數(shù)據(jù)。施工階段的數(shù)據(jù)基于從年度下水道統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中累積的能源消耗基本單位。使用污水處理廠的年電力和燃料消耗數(shù)據(jù)計(jì)算運(yùn)行階段的年能耗。二氧化碳排放量的計(jì)算基于燃料使用率。產(chǎn)生的約30%的二氧化碳與管道施工有關(guān)。

圖2 顯示了整個(gè)污水系統(tǒng)每年的水質(zhì)和CO2排放流量。減少污水處理廠的進(jìn)水量會(huì)極大地影響能耗和二氧化碳排放。用于改善水質(zhì)的大部分能源消耗于污水處理廠系統(tǒng)反應(yīng)容器中的曝氣；因此，能耗與污水處理廠進(jìn)水量成正比。在干燥和潮濕天氣下，懸浮液中的主要顆粒直徑約為40 μm，可主要?dú)w因于固體廢棄物。污水合流管中的大部分懸浮顆粒物為有機(jī)物（90%），具有高比表面積（即具有顯著吸附各種微污染物能力的生化活性顆粒）。當(dāng)在水流橫截面上整合時(shí)，輸送懸浮顆粒的水的相對(duì)體積使得較低的質(zhì)量濃度（250 mg/L）與近床物質(zhì)（3 500 mg/L）相比，仍然會(huì)導(dǎo)致更大的總質(zhì)量通量。通常，約12%的固體（按質(zhì)量計(jì)）在床層附近移動(dòng)的材料中輸送。在這種綜合方法中，驗(yàn)證首先進(jìn)行模型試驗(yàn)。對(duì)自然集水區(qū)和城市地區(qū)的污水處理廠分別進(jìn)行了計(jì)算，并將集水區(qū)的出水量和水質(zhì)作為輸入數(shù)據(jù)依次輸入到污水處理廠水質(zhì)模型中。污水處理廠水質(zhì)模型考慮了4 個(gè)方面：水解產(chǎn)生的氨和微生物增殖、自溶產(chǎn)生的有機(jī)物，以及有機(jī)氮。此外，通過對(duì)與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和化學(xué)計(jì)量相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，自養(yǎng)微生物（硝化細(xì)菌）的生長物被確定為污水處理廠水質(zhì)模型中的一個(gè)重要參數(shù)，并與氨氮的去除密切相關(guān)。

圖2 系統(tǒng)邊界內(nèi)水質(zhì)和二氧化碳排放的綜合流程圖

如圖3 所示。圖中顯示了11 個(gè)情景結(jié)果。然而，對(duì)于城市污水系統(tǒng)的傳統(tǒng)管理，如DT1、DT2、SRT、SC和RIA 方法，以及它們在綜合場景中的使用，幾乎沒有觀察到數(shù)據(jù)傳播。

圖3 總有機(jī)碳研究結(jié)果

3 結(jié)論

在本研究中，采用綜合方法評(píng)估了排水系統(tǒng)管理的效果，目的是改善水質(zhì)和減少二氧化碳排放。進(jìn)行了如下研究：

1）預(yù)測城市污水系統(tǒng)中水循環(huán)系統(tǒng)水量和水質(zhì)的技術(shù)。污水處理廠水質(zhì)模型考慮了四個(gè)方面：水解產(chǎn)生的氨和微生物增殖、自溶產(chǎn)生的有機(jī)物，以及有機(jī)氮。自養(yǎng)微生物（硝化細(xì)菌）的生長速率（a）被確定為污水處理廠水質(zhì)模型中的重要參數(shù)，并與氨氮的去除密切相關(guān)。

2）對(duì)整個(gè)污水系統(tǒng)的水質(zhì)和二氧化碳排放流量進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)的技術(shù)。污水處理廠系統(tǒng)反應(yīng)容器中的曝氣消耗了用于改善水質(zhì)的大部分能源。因此，能耗與污水處理廠進(jìn)水量成正比。大約30%的能源消耗和二氧化碳排放來自污水處理廠的運(yùn)行階段。減少污水處理廠的進(jìn)水量極大地影響了能耗和二氧化碳排放。通過減少二氧化碳排放、維持或改善凈化水的質(zhì)量，有助于緩解氣候變化，這將對(duì)社會(huì)具有重大價(jià)值。