城市污水處理工藝方案的優(yōu)化選擇 (Optimum Selection of municipal Wastewater Treatment Processes) 周軍1，胡志榮2, 郝二成1，O Schrra 2, 王洪臣1, 甘一萍1 1北京城市排水集團(tuán)有限責(zé)任公司 2加拿大海曼迪環(huán)境咨詢顧問公司 Hydromantis Inc., 1685 Main St. West, Suit 302, Hamilton, Ontario, Canada 摘要: 污水處理工藝方案的優(yōu)化選擇是城市水污染控制規(guī)劃階段的一項(xiàng)重要工作。這篇文章介紹了一種在規(guī)劃階段用以設(shè)計(jì)一個(gè)污水處理工藝方案和計(jì)算它的費(fèi)用的工程工具-CapdetWorks電腦軟件并給出一個(gè)實(shí)際的例子說明如何應(yīng)用。借助于這個(gè)工具, 能快速而有效地設(shè)計(jì)各種污水處理方案和計(jì)算它們相應(yīng)的費(fèi)用以比較和確定最優(yōu)的污水處理方案。 Abstract: This paper introduces an approach for design and costing of a wastewater treatment process by using Capdetworks software in the planning phase. A case study is presented to demonstrate how to use this approach for optimizing municipal wastewater treatment processes. 關(guān)鍵詞: 污水處理; 工藝方案; 優(yōu)化選擇; CapdetWorks Key words: wastewater treatment; process; optimum selection, CapdetWorks 1 簡述 隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活質(zhì)量的提高對水環(huán)境的管理提出了越來越高的要求，按照中國《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十個(gè)五年計(jì)劃綱要》和《“十五”城鎮(zhèn)化發(fā)展重點(diǎn)專項(xiàng)規(guī)劃》“十五”期間要新增城市污水日處理能力2600萬立方米, 使城市污水集中處理率在2005年達(dá)到45%，50萬人口以上的城市達(dá)到60%以上。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)需要興建大量的污水處理設(shè)施，投入大量的資金。很顯然，一個(gè)既經(jīng)濟(jì)又有效的污水處理方案是我們追求的目標(biāo)。在污水處理設(shè)施的規(guī)劃階段, 在污水處理設(shè)施的要求 (即需要處理的污水量和處理的程度) 確定以后，我們所要解決的問題是：設(shè)計(jì)一個(gè)什么樣的污水處理設(shè)施既能滿足規(guī)劃的要求, 建造和運(yùn)行的費(fèi)用又最少？這就是污水處理設(shè)施在規(guī)劃階段需要解決的重要問題-污水處理工藝方案的優(yōu)化選擇問題。
污水處理方案的優(yōu)化選擇取決于許多因素如：工藝處理效果的可靠性和穩(wěn)定性；工藝實(shí)施的可行性；工藝運(yùn)行和維護(hù)管理的方便性以及工藝的經(jīng)濟(jì)可行性。其中經(jīng)濟(jì)可行性是一個(gè)主要的考慮因素。在經(jīng)濟(jì)可行性研究中, 工藝工程師給出各種可行的方案, 然后進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上估算每一種方案所需的費(fèi)用，最后通過比較確定一個(gè)最好的方案。因此這個(gè)階段的大量工作是給出各種選定的比較方案的初步設(shè)計(jì)和估算每一個(gè)方案的費(fèi)用。傳統(tǒng)的方法是各種手工計(jì)算工具和一些數(shù)據(jù)處理軟件，這種方法的彈性比較小, 而且當(dāng)你如果要改變和修改設(shè)計(jì)時(shí)，則相當(dāng)費(fèi)時(shí)。這篇文章介紹了一種能在規(guī)劃階段快速設(shè)計(jì)一個(gè)污水處理方案和計(jì)算它的費(fèi)用的工程工具- CapdetWorks電腦軟件。在給定了所要處理的污水特征(包括水質(zhì)和水量) 和出流的標(biāo)準(zhǔn)以后，就可利用該軟件很快地給出各種可能的替代方案的初步設(shè)計(jì)，評價(jià)每種方案的處理效果 (即給出每種處理方案出流的結(jié)果如出流的SS，COD或BOD濃度) 以及每種方案的費(fèi)用 (包括建設(shè)、運(yùn)行和管理的費(fèi)用)。在下面的各節(jié)中先介紹CapdetWorks電腦軟件的開發(fā), 工作原理和使用方法，然后給出一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的例子說明如何應(yīng)用CapdetWorks。至於每一工藝單元設(shè)計(jì)的算法和費(fèi)用估計(jì)算法讀者可以參考有關(guān)的技術(shù)手冊[1]。 2 CapdetWorks電腦軟件 2.1 CapdetWorks電腦軟件的開發(fā)
1973年美國陸軍工程師團(tuán)為美國環(huán)境保護(hù)署開發(fā)了建立在污水處理設(shè)施的使用壽命和所提供的處理程度的基礎(chǔ)之上的用于評價(jià)各種污水處理替代方案的CAPDET模型。該模型利用普遍接受的工藝設(shè)計(jì)技術(shù)和相應(yīng)的費(fèi)用計(jì)算方法設(shè)計(jì)各種污水處理方案和計(jì)算各方案的費(fèi)用。但是由于CAPDET模型所使用的模型不能更新，難以反映費(fèi)用在地區(qū)上的差別，以及不能考慮特別場地的設(shè)計(jì)要求, 其應(yīng)用受到了很大的限制。為了改善CAPDET模型的精度和可使用性，加拿大海曼迪 (Hydromantis, Inc) 環(huán)境咨詢顧問公司修訂了Capdet模型開發(fā)出了CapdetWorks電腦軟件。在開發(fā)CapdetWorks時(shí)對各種設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了評價(jià)，開發(fā)出了通用化的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在費(fèi)用估算上CapdetWorks使用了參數(shù)法和單元費(fèi)用法二種不同的方法。該軟件于1985年在PC機(jī)上實(shí)施, 隨后在2000年升級為完全視窗操作的商業(yè)化的電腦軟件。
2.2 CapdetWorks軟件的工作原理
CapdetWorks主窗口的二個(gè)重要的組成部分是單元工藝表和圖板。CapdetWorks是建立在下面的原理的基礎(chǔ)之上：每一種污水處理方案都由各種單元處理工藝構(gòu)成; 每一種單元處理工藝由主窗口的單元工藝表中的一種圖標(biāo)表示; 每一個(gè)單元工藝圖標(biāo)并不是一個(gè)單純的符號，其工藝的設(shè)計(jì)算法和費(fèi)用的估算法都包含該圖標(biāo)中; 單元工藝的設(shè)計(jì)算法和費(fèi)用的估算法所要求的參數(shù)可以通過點(diǎn)擊該單元工藝圖標(biāo)打開數(shù)據(jù)對話框, 然后輸入所要求的參數(shù)數(shù)值; 不同的單元工藝其對話框中的數(shù)據(jù)輸入表有所不同。對於任何污水處理方案只要通過簡單的拖放其組成的單元工藝的圖標(biāo)和連接上這些單元工藝即可在主窗口圖板上設(shè)計(jì)出該污水處理方案的工藝流程圖。圖1, 圖2分別是完全混合的活性污泥污水處理方案和生物滴濾池污水處理方案的工藝流程圖。 
圖 1: CapdetWorks主窗口圖板上的完全混合活性污泥的污水處理方案工藝流程圖 
圖 2: CapdetWorks主窗口圖板上的生物滴濾池的污水處理方案工藝流程圖 在軟件的單元工藝表中有十大類66個(gè)單元處理工藝(這種分類僅僅是為了使用的方便), 幾乎包括了目前所使用的所有污水處理工藝技術(shù)，利用這些單元處理工藝幾乎可以組成任何一種污水處理方案,包括生物脫氮除磷工藝。在圖1、圖2中位於工藝流程圖左邊的即為單元工藝表。點(diǎn)擊每一類工藝的名稱條即展示該類單元工藝中所包括的所有單元處理工藝。圖中顯示的是第一大類預(yù)處理和初步處理中所包括的七種單元處理工藝。其它的如表1。 表 1: CapdetWorks中的十大處理單元工藝 | 1 | 預(yù)處理和初步處理 | 包括污水流、污水泵站、預(yù)處理(濾網(wǎng)、格柵、沉砂池)、微濾網(wǎng)、調(diào)節(jié)池、氣浮池和初沉池七種處理單元工藝。 | | 2 | 化學(xué)處理 | 包括陽離子交換、陰離子交換、中和、絮凝、碳吸附和二段石灰處理六種處理單元工藝。 | | 3 | 懸浮介質(zhì)的生物處理 | 包括普通穩(wěn)定塘和曝氣穩(wěn)定塘、完全混合活性污泥、普通的推流式活性污泥、建立在泥齡基礎(chǔ)上的推流式活性污泥、接觸穩(wěn)定活性污泥、延遲曝氣、高速率的活性污泥、氧化溝、階梯曝氣、純氧活性污泥和序批式活性污泥十四種單元處理工藝。 | | 4 | 生物脫氮除磷 | 包括生物除氮、生物除氮和磷。 | | 5 | 固定介質(zhì)的生物處理 | 包括普通滴濾池、硝化滴濾池、普通旋轉(zhuǎn)生物接觸池、硝化的旋轉(zhuǎn)生物接觸池和反硝化的固定介質(zhì)反應(yīng)池五種單元處理工藝。 | | 6 | 各種液體的處理工藝 | 包括了反流脫氨、錯(cuò)流脫氨、土地快滲處理、土地慢滲處理、土地漫流處理、過濾、后置曝氣、二沉池和用戶自定義的單元處理工藝八種單元處理工藝. | | 7 | 消毒: | 包括氯消毒、縶外消毒二種單元處理工藝。 | | 8 | 污泥處理 | 包括污泥流、好氧消化、厭氧消化、濕熱氧化和用戶自定義的污泥處理工藝三種單元處理工藝。 | | 9 | 污泥濃縮和脫水 | 包括重力濃縮、污泥氣浮濃縮、皮帶過濾、壓縮過濾、真空過濾、離心法、干化床和干化池。 | | 10 | 污泥處置 | 包括運(yùn)輸、土地填埋和焚燒。 |
如果有新的單元工藝出現(xiàn)的話，可以很容易地加進(jìn)到軟件的單元工藝表中。同樣對已有的單元工藝如有新的進(jìn)展，這些信息也很容易地包括進(jìn)該單元工藝中。
CapdetWorks電腦軟件是建立在各種廣泛接受的設(shè)計(jì)算法如推流式的活性污泥工藝設(shè)計(jì)包括了傳統(tǒng)的污泥負(fù)荷法和建立在開普敦大學(xué)模型基礎(chǔ)上的泥齡法和單元工藝費(fèi)用的估算技術(shù)之上。CapdetWorks可以給出一個(gè)污水設(shè)計(jì)方案中每個(gè)單元工藝的尺寸和計(jì)算出包括建造，運(yùn)行和維護(hù)的所有費(fèi)用, 或者跳過設(shè)計(jì)計(jì)算而使用已有的的設(shè)計(jì)結(jié)果，然后核算給出設(shè)計(jì)的費(fèi)用。估算設(shè)備費(fèi)用的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整。CapdetWorks電腦軟件能夠輸出任何用戶定義的貨幣費(fèi)用的結(jié)果，用戶只要簡單地輸入對應(yīng)的貨幣轉(zhuǎn)換率。CapdetWorks電腦軟件能把設(shè)計(jì)的結(jié)果直接輸出到GPS-X電腦模擬軟件 (GPS-X是Hydromantis公司的污水處理廠動(dòng)態(tài)模擬軟件), 這個(gè)功能提供了這兩個(gè)軟件的直接聯(lián)系。 3 CapdetWorks電腦軟件的使用方法 CapdetWorks軟件的使用大致可分為三步: (i) 建立一個(gè)給定的污水處理方案的工藝流程圖; (ii) 工藝流程圖中單元工藝設(shè)計(jì)模型和費(fèi)用計(jì)算模型中參數(shù)的確定; (iii) 計(jì)算和輸出結(jié)果。
(i) 建立污水處理方案的工藝流程圖
在給定了一個(gè)污水處理方案以后, 該方案就可以在在軟件的圖板上以工藝流程圖的形式實(shí)施。這是通過簡單的拖放組成這個(gè)污水處理方案的單元工藝圖標(biāo)在圖板上和連接這些圖標(biāo)而實(shí)現(xiàn)的。圖1是一個(gè)完全混合活性污泥污水處理方案的工藝流程圖, 圖2是一個(gè)生物滴濾池污水處理方案的工藝流程圖。這二個(gè)處理方案除了完全混合活性污泥和生物滴濾池單元工藝不同以外, 都包括了污水流、預(yù)處理、初沉池、二沉池、氯消毒、污泥氣浮濃縮、污泥厭氧消化, 污泥干化床, 污泥運(yùn)輸和土地填埋單元處理工藝。需要指出的是污水流并不是一個(gè)單元處理工藝, 但它是工藝流程圖中一個(gè)不可缺少的單元, 所有的污水特徵數(shù)據(jù)都包含這個(gè)單元中。在這二個(gè)工藝流程圖中污水經(jīng)預(yù)處理進(jìn)入預(yù)處理單元, 然后通過初沉池, 在經(jīng)初沉池后污水進(jìn)入生物處理單元 (活性污泥污或者生物滴濾池), 在經(jīng)生物處理后, 混合液經(jīng)二沉池分離, 出流經(jīng)氯消毒后, 最后排入接受水體。從二沉池中排出的剩余污泥經(jīng)氣浮濃縮后與來自初沉池的泥污進(jìn)入?yún)捬跸? 厭氧消化后的污泥經(jīng)干化床處理后最后運(yùn)走進(jìn)行土地填埋處理。來自厭氧消化池的上清液又返回到生物處理單元進(jìn)行處理。
(ii)工藝流程圖中單元工藝設(shè)計(jì)模型和費(fèi)用計(jì)算模型中參數(shù)的確定
在建立了污水處理方案的流程圖以后, 就需要確定工藝流程圖中每一個(gè)單元工藝的設(shè)計(jì)模型和費(fèi)用計(jì)算模型中的參數(shù)通常所稱的模型校正。參數(shù)的確定是使用該軟件的關(guān)鍵。雖然軟件中所有單元工藝設(shè)計(jì)模型和費(fèi)用計(jì)算模型中參數(shù)都賦予了典型的缺省值, 但是在使用時(shí)有些參數(shù)需要調(diào)整特別是污水流和工藝設(shè)計(jì)參數(shù), 在每個(gè)處理方案中都不同。為了調(diào)整參數(shù), 只需把鼠標(biāo)指向所需單元工藝圖標(biāo)然后右擊鼠標(biāo)彈出參數(shù)對話框。不同的單元有不同的設(shè)計(jì)方法，因此所需要得參數(shù)也不一樣。除污水流以外， 一般包括四個(gè)菜單即:
· 工藝設(shè)計(jì)參數(shù)菜單: 列出了該單元工藝設(shè)計(jì)所要求參數(shù)包括入流量，入流污染物的濃度, 污染物去除率或出流污染物的濃度。
· 工藝設(shè)計(jì)參數(shù)忽略菜單: 用戶不需要軟件得出設(shè)計(jì)結(jié)果而只需要給出設(shè)計(jì)的費(fèi)用估算, 在這種情況下用戶需要輸入該單元工藝設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)。
· 設(shè)備費(fèi)用忽略菜單: 用戶不用軟件中設(shè)備費(fèi)用數(shù)據(jù)庫中的缺省值, 在這種情況下用戶自己需要輸入該單元工藝設(shè)備費(fèi)用的數(shù)據(jù)。
· 設(shè)備的使用壽命菜單: 各種設(shè)備需要更新的年限。
對於污水流單元, 三個(gè)菜單分別給出了常用的污水特徵參數(shù)，一般參數(shù)和溫度參數(shù) (圖3)。 
圖3: 污水流單元三個(gè)菜單中的一般污水特徵參數(shù)菜單 (iii) 計(jì)算和輸出結(jié)果
在確定了一個(gè)污水處理方案的各種單元工藝設(shè)計(jì)模型和各種設(shè)備的費(fèi)用計(jì)算模型的數(shù)據(jù)以后,軟件就能計(jì)算出用戶所需要的污水處理方案的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以及建造，運(yùn)行和維護(hù)這個(gè)廠所需的費(fèi)用。計(jì)算可分二種情況：
· 需要軟件同時(shí)得出設(shè)計(jì)和費(fèi)用的二種結(jié)果；
· 用戶給定設(shè)計(jì)即不需要軟件得出設(shè)計(jì)結(jié)果而只需要給出設(shè)計(jì)的費(fèi)用估算。
這一步非常簡單，只要按下相關(guān)的按鈕即可。軟件即可按照給定的污水流及污水特征計(jì)算出每一個(gè)單元工藝的設(shè)計(jì)參數(shù)以及相關(guān)的建造，運(yùn)行和維護(hù)所需的費(fèi)用。因此，你可以迅速地評估大量的設(shè)計(jì)方案和比較它們的費(fèi)用。輸出結(jié)果將在應(yīng)用實(shí)例一節(jié)中進(jìn)一步討論。 4 應(yīng)用實(shí)例 在這一節(jié)中通過對一個(gè)污水處理廠的兩個(gè)不同的工藝方案的設(shè)計(jì)費(fèi)用計(jì)算說明CapdetWorks在污水方案比較和選擇中的應(yīng)用。該廠的污水流量為 37900方/天, 懸浮固體濃度 = 220 毫克/升; 五日生化耗氧量 (BOD5) = 220毫克/升。出流懸浮固體濃度 = 20 毫克/升; 出流五日生化耗氧量 (BOD5) = 10毫克/升(如圖3所示)。二個(gè)處理方案一個(gè)完全混合活性污泥污水處理方案, 另一個(gè)生物滴濾池污水處理方案。
4.1 污水處理方案工藝流程圖的建立
完全混合活性污泥污水處理方案和生物滴濾池污水處理方案的工藝流程圖如圖1和2 所示。其工藝組成已經(jīng)在前面作過討論。
4.2 單元工藝設(shè)計(jì)模型和費(fèi)用計(jì)算模型參數(shù)的確定
這個(gè)應(yīng)用實(shí)例的目的是理解CapdetWorks的原理和使用方法, 因此設(shè)計(jì)模型和費(fèi)用計(jì)算模型中的參數(shù)使用模型中典型的默認(rèn)值。
4.3 計(jì)算和輸出結(jié)果
設(shè)計(jì)模型和費(fèi)用計(jì)算模型計(jì)算所需時(shí)間很短。計(jì)算結(jié)果可以以詳細(xì)的打印和可輸出的報(bào)告以及圖， 表的形式給出。由于篇幅的限制不能給出詳細(xì)的輸出報(bào)告。下面僅給出圖表的結(jié)果。費(fèi)用單位以人民幣 (RMB) 計(jì)。
表2 列出了二個(gè)處理方案總費(fèi)用的現(xiàn)值以及各子項(xiàng)的費(fèi)用如基建費(fèi)， 運(yùn)行費(fèi)， 維護(hù)費(fèi)等; 圖4則以圖的形式給出了二個(gè)處理方案總費(fèi)用的現(xiàn)值和能源費(fèi)用的例子。 表2: 二個(gè)處理方案總費(fèi)用的現(xiàn)值以及各子項(xiàng)的費(fèi)用 
 
圖4: 二個(gè)處理方案總費(fèi)用的現(xiàn)值和能源費(fèi)用 表3a 列出了二個(gè)處理方案總費(fèi)用的現(xiàn)值以及各子項(xiàng)的費(fèi)用如基建費(fèi)，運(yùn)行費(fèi)，維護(hù)費(fèi)等。 表3a: 完全混合活性污泥污水處理方案總費(fèi)用的現(xiàn)值以及各子項(xiàng)的費(fèi)用如基建費(fèi) 
表3b: 生物滴濾池污水處理方案總費(fèi)用的現(xiàn)值以及各子項(xiàng)的費(fèi)用如基建費(fèi)  為了考慮費(fèi)用算法中費(fèi)用在時(shí)間上的變化， 使用了許多與設(shè)備相關(guān)的費(fèi)用指數(shù), 以便把費(fèi)用調(diào)整到現(xiàn)值。所用的指數(shù)包括: 工藝費(fèi)用 (施工費(fèi)用，開挖費(fèi)用，混凝土墻壁，板), 勞力費(fèi)用, 化學(xué)品費(fèi)用, 管線費(fèi)用, 財(cái)政費(fèi)用 (利率，施工期，運(yùn)行壽命), 其它費(fèi)用 (公程計(jì)費(fèi)，各項(xiàng)雜費(fèi)，管理費(fèi)，監(jiān)理費(fèi)，利潤和間接費(fèi)用)。
為了比較各種污水處理方案, CapedetWorks 還具有各主要設(shè)計(jì)參數(shù)與各種費(fèi)用之間的敏感性分析功能，圖5表明了污水平均流量與各種費(fèi)用之間的關(guān)系。 
圖 5: 污水平均流量與各種費(fèi)用之間的關(guān)系 5 結(jié)語 使用Capdetworks電腦軟件能大大改善你的規(guī)劃階段的污水處理廠的設(shè)計(jì)和費(fèi)用核算, 幫助你更好地進(jìn)行工程決策。雖然, Capdetworks模型大大擴(kuò)展了它的能力和改善了規(guī)劃階段的設(shè)計(jì)和費(fèi)用估計(jì)方法的精度。使用者仍需對一般化的模型方法的限制方面引起注意，因?yàn)槿魏瓮ㄓ没挠?jì)算方法必需包括簡化的假設(shè)如工程的設(shè)備設(shè)計(jì)限制，場地的限制，規(guī)則規(guī)范的可靠性和可維持性標(biāo)準(zhǔn)都進(jìn)入算法之中。
“國家高科技研究發(fā)展專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助” 課題編號：2004AA601010
城市污水A2O處理設(shè)備成套化研究
基金項(xiàng)目：北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（8052011） | 
