一種基于水質(zhì)模型的低污染水生態(tài)凈化效果評估方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種基于水質(zhì)模型的低污染水生態(tài)凈化效果評估方法，通過小試實驗得到各個凈化單元針對需要考察水質(zhì)指標的降解參數(shù)；根據(jù)選定低污染尾水河道的調(diào)查和監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立該河道的QUAL2K模型，并進行驗證；將小試實驗參數(shù)輸入已建立的模型中，運行模型可得尾水河道的出水水質(zhì)，從而進行不同生態(tài)凈化技術(shù)組合方案的效果預(yù)先評估和篩選。該方法利用的水質(zhì)模型為QUAL2K模型，該模型適用于寬深比不大的中小型河道污染物遷移轉(zhuǎn)化，而尾水河道一般河長遠遠大于河寬及河深，污染物在水體中沿橫向和垂向較易混合均勻，但縱向變化顯著，其主要靠縱向遷移向下游輸送，符合一維穩(wěn)態(tài)模型模擬條件。
【專利說明】一種基于水質(zhì)模型的低污染水生態(tài)凈化效果評估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明適用于低污染尾水河道生態(tài)凈化效果的預(yù)評估，是一種基于水質(zhì)模型的效果評估方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著太湖流域經(jīng)濟快速發(fā)展和人口的高度集聚,污染負荷加劇。大量達標的污染濃度較低的水排入地表水體，其水質(zhì)已達到出水標準，但某些重要指標卻低于地表水V類水的標準，難以與地表水水質(zhì)相銜接，造成河網(wǎng)湖蕩水體的生態(tài)系統(tǒng)退化嚴重，河網(wǎng)水環(huán)境容量下降，其原有的環(huán)境功能已基本喪失，水體環(huán)境受到嚴重損害，一些地方甚至出現(xiàn)了水體發(fā)黑發(fā)臭，藍藻、水花生、水葫蘆瘋長覆蓋水面，特別是對于一些中小河道上述問題更加突出，嚴重影響了防洪、景觀和人們生活環(huán)境。
[0003]太湖地區(qū)低污染水來源的種類多樣，主要包括農(nóng)業(yè)面源、污水處理廠尾水、降雨徑流和低污染生活污水(主要包括盥洗用水、洗澡水、洗水果蔬菜用水等較清潔水)等，代表性的城鎮(zhèn)污水處理廠二級出水即污水廠尾水以及養(yǎng)殖廠的廢水對環(huán)境的二次污染問題也逐漸引起人們的廣泛重視，開展對其深度處理與回用也逐漸成為人們關(guān)注的焦點。
[0004]生態(tài)處理方法是國外近年來發(fā)展很快的一種新技術(shù)，它是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)化及降解作用，從而使水體得到凈化的技術(shù)，主要包括投加菌種法、曝氣復(fù)氧法、生物膜法、水生動物凈化技術(shù)、水生植物凈化法和組合技術(shù)等。其具有處理效果好、工程造價相對較低、不需耗能或低耗能、運行成本低廉等優(yōu)點，被廣泛運用在各類處理水量較大，污染物濃度較低的污水處理中。但是生態(tài)凈化也存在一些明顯的缺點，例如:技術(shù)效果最終隨著地理位置、生物品種的差別存在較大的不確定性；施用過程中由于氣候條件、環(huán)境變化對生態(tài)凈化效果不穩(wěn)定性的影響，因此需要一種定量化評估方法來評估生態(tài)凈化的效果。
[0005]傳統(tǒng)通過實驗的研究方法不僅耗時、耗力，并且很難綜合環(huán)境中的各個因素得到較為切合實際可靠的結(jié)論。相反，數(shù)學(xué)模型擁有龐大的數(shù)據(jù)庫，以及綜合性的程序框架，通過對生態(tài)凈化技術(shù)在水環(huán)境中的效果進行模擬，可以高效地解決上述問題。不僅如此，模型還可以進一步在合理范圍內(nèi)改變技術(shù)布置并得到較為可靠的凈化效果，從而在設(shè)定的各種可行方案中有效地模擬出最優(yōu)的生態(tài)凈化布置方式。從而，可以在長期政策制定、管理以及規(guī)劃的過程中起到預(yù)估、預(yù)警的作用。
[0006]該方法利用的水質(zhì)模型為QUAL2K模型，它是一種靈活的河流水質(zhì)模型，該模型適用于寬深比不大的中小型河道污染物遷移轉(zhuǎn)化，而尾水河道一般河長遠遠大于河寬及河深，污染物在水體中沿橫向和垂向較易混合均勻，但縱向變化顯著，其主要靠縱向遷移向下游輸送，符合一維穩(wěn)態(tài)模型模擬條件。因此，利用QUAL2K模型進行生態(tài)凈化組合比選、確定生態(tài)凈化方案組合以及進行效果的預(yù)評估，具有重要的實踐意義。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明的目的是提供一種生態(tài)凈化技術(shù)效果評估的方法。該方法是針對低污染水污染的河道，設(shè)計不同的生態(tài)凈化方案，再利用QUAL2K模型，調(diào)整水質(zhì)指標的降解參數(shù)，來模擬不同生態(tài)凈化方案的出水效果。該發(fā)明可以解決枝狀污染河道中生態(tài)凈化方案效果預(yù)評估的問題。
[0008]本發(fā)明的原理如下:
[0009]根據(jù)河道低污染水的類型和所處的氣候區(qū)類型，選擇合適的生態(tài)凈化單元(包括:挺水植物、沉水植物、浮水植物和生物接觸凈化技術(shù)),污水流經(jīng)生態(tài)凈化單元的時候，大量的SS被填料和植物根系阻擋截留，有機污染物則通過接觸材料和植物根區(qū)形成的生物膜通過吸收、同化及異化作用而被除去。另外，植物根系對氧的傳遞釋放，使其周圍的環(huán)境中依次出現(xiàn)好氧、缺氧、厭氧狀態(tài)，保證了廢水中的氮磷不僅能通過植物和微生物作為營養(yǎng)吸收，而且還可以通過硝化、反硝化作用將其除去。但是生態(tài)凈化的技術(shù)效果最終隨著地理位置、生物品種的差別存在較大的不確定性；施用過程中由于氣候條件、環(huán)境變化對生態(tài)凈化效果不穩(wěn)定性的影響，因此對于生態(tài)凈化的效果我們通過一種綜合性的模型方法來進行評估。QUAL2K模型擁有龐大的數(shù)據(jù)庫，以及綜合性的程序框架，通過調(diào)整水質(zhì)指標的降解參數(shù)，對生態(tài)凈化技術(shù)在水環(huán)境中的效果進行模擬，可以對整個生態(tài)凈化組合方案的效果進行預(yù)先評估。從而，可以在長期政策制定、管理以及規(guī)劃的過程中起到預(yù)估、預(yù)警的作用。QUAL2K模型的水質(zhì)基本方程是一維平流-擴散物質(zhì)遷移方程，該方程考慮了平流擴散、稀釋、物質(zhì)組分的自身反應(yīng)，水質(zhì)組分間的相互作用以及組分的外部源和漏對組分濃度的影響。其水質(zhì)組分平衡方程如下:
[0010]
【權(quán)利要求】
1.一種基于水質(zhì)模型的低污染水生態(tài)凈化效果評估方法，其特征在于:針對低污染尾水河道，設(shè)計生態(tài)凈化單元，通過小試實驗得到各個生態(tài)凈化單元針對需要考察水質(zhì)指標的降解參數(shù)；根據(jù)選定低污染尾水河道的調(diào)查和監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立該河道的QUAL2K水質(zhì)模型，并進行驗證；將小試實驗參數(shù)輸入已建立的模型中，運行模型可得尾水河道的出水水質(zhì)，從而進行挺水植物單元、沉水植物單元、浮水植物單元或生物接觸氧化工藝單元中的一種或者一種以上的任意組合的方案的效果預(yù)先評估和篩選。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于水質(zhì)模型的低污染水生態(tài)凈化效果評估方法，其特征在于，所述低污染水是指水體的富營養(yǎng)化指標:溶解氧(DO)、生化需氧量(BOD)、氨氮(NH3-N)、有機氮、硝氮、總磷(TP)，上述指標濃度低于城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準而高于地表水環(huán)境質(zhì)量標準V類水標準的各種排放水；低污染水主要包括農(nóng)業(yè)面源、污水處理廠尾水、降雨徑流和低污染生活污水。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于水質(zhì)模型的低污染水生態(tài)凈化效果評估方法，其特征在于:獲取生態(tài)凈化單元的小試凈化參數(shù)，輸入已建立的水質(zhì)模型，即得低污染水河道出水的水質(zhì)指標，從而可以進行生態(tài)凈化的效果評估。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于水質(zhì)模型的低污染水生態(tài)凈化效果評估方法，其特征在于，所述生態(tài)凈化單元包括:挺水植物單元、沉水植物單元、浮水植物單元和生物接觸氧化工藝單元； 其步驟為: A)針對低污染尾水河道特征和當?shù)貧夂驐l件，設(shè)計不同的生態(tài)凈化單元； B)通過小試實驗得到各個生態(tài)凈化單元針對需要考察水質(zhì)指標的降解參數(shù)； C)根據(jù)選定低污染尾水河道的調(diào)查和監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立該河道的QUAL2K水質(zhì)模型，并進行驗證； D)將小試實驗參數(shù)輸入已建立的模型中，運行模型可得尾水河道的出水水質(zhì)，從而進行不同生態(tài)凈化技術(shù)組合方案的效果預(yù)先評估和篩選。
5.一種基于水質(zhì)模型的低污染水生態(tài)凈化效果評估方法，其特征在于:針對低污染尾水河道，設(shè)計生態(tài)凈化單元，通過小試實驗得到各個生態(tài)凈化單元針對需要考察水質(zhì)指標的降解參數(shù)；根據(jù)選定低污染尾水河道的調(diào)查和監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立該河道的QUAL2K水質(zhì)模型，并進行驗證；將小試實驗參數(shù)輸入已建立的模型中，運行模型可得尾水河道的出水水質(zhì)，從而進行不同生態(tài)凈化技術(shù)組合方案的效果預(yù)先評估和篩選； 所述水質(zhì)模型采用QUAL2K模型的水質(zhì)基本方程是一維平流-擴散物質(zhì)遷移方程，該方程考慮了平流擴散、稀釋、物質(zhì)組分的自身反應(yīng)，水質(zhì)組分間的相互作用以及組分的外部源和漏對組分濃度的影響；其水質(zhì)組分平衡方程如下:
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于水質(zhì)模型的低污染水生態(tài)凈化效果評估方法，其特征在于:對于所述溶解氧(DO)，河水中溶解氧的增加來自水生植物的光合作用，溶解氧的減少是快速反應(yīng)的CBOD氧化、反硝化和水生植物呼吸作用的結(jié)果；另外根據(jù)河水中溶解氧的飽和程度,溶解氧濃度會通過復(fù)氧作用相應(yīng)增加和減少； (1)溶解氧濃度變化方程:
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于水質(zhì)模型的低污染水生態(tài)凈化效果評估方法，其特征在于:對于所述生化需氧量(BOD)， 在QUAL2K模型中，河水中BOD主要是指含碳有機化合物的生化需氧量(CBOD)，其中又分為慢速反應(yīng)的CBOD(Cs)和快速反應(yīng)的CBOD(Cf)； (I)慢速反應(yīng)的CBOD(Cs)河水中非生命形式顆粒有機物的分解會引起Cs含量的增加，而其隨自身的水解作用而減少:
Scs= (1-Ff) rod DetrDi ss-S1wCHydr-S1wCOxi d
其中:SlowCHydr=khc (T) cs, SlowCOxid=Foxckdcs (T) cs
式中:kh。(T)-水溫T條件下CBOD的水解速率(/ d); Ff-碎屑溶解到快速反應(yīng)CBOD的分數(shù)(無量綱)； Cs-慢速反應(yīng)的CBOD濃度(mgO2 / L)； (2)快速反應(yīng)的CBOD (Cf) Cs的水解會引起Cf含量的增加，氧化和反硝化作用會使Cf含量減少:
Scf=Ffrod DetrDiss+SlowCHydr-FastC0xid-rOIldnDenitr
其中:FastC0xid=Foxckdc (T) cf 式中:kd。(T)-水溫T條件下快速反應(yīng)的CBOD的氧化速率(/ d); Foxc-低溶解氧條件下快速反應(yīng)的CBOD衰減速率(無量綱); rondn-硝酸鹽反硝化的氧消耗當量速率； Dentir-反硝化速率(ugN / L / d)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于水質(zhì)模型的低污染水生態(tài)凈化效果評估方法，其特征在于:對于所述氨氮(NH3-N)， 有機氮水解和水生植物的呼吸作用可以增加氨氮含量，而反硝化作用和水生植物的光合作用可以引起氨氮含量的減少，其計算方程如下:
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于水質(zhì)模型的低污染水生態(tài)凈化效果評估方法，其特征在于:對于所述有機氮， 植物的死亡導(dǎo)致了有機氮增加，它通過水解和沉降作用降低；

10..根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于水質(zhì)模型的低污染水生態(tài)凈化效果評估方法，其特征在于:對于所述硝氮， 硝氮的增加是由于氨的硝化作用，它通過反硝化作用和植物吸收作用減少。
【文檔編號】G06F19/00GK103745121SQ201410030115
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月23日
【發(fā)明者】錢新, 朱文婷, 張瑞斌, 高海龍 申請人:南京大學(xué)