一种基于水质模型的低污染水生态净化效果评估方法
【专利摘要】本发明是一种基于水质模型的低污染水生态净化效果评估方法，通过小试实验得到各个净化单元针对需要考察水质指标的降解参数；根据选定低污染尾水河道的调查和监测数据，建立该河道的QUAL2K模型，并进行验证；将小试实验参数输入已建立的模型中，运行模型可得尾水河道的出水水质，从而进行不同生态净化技术组合方案的效果预先评估和筛选。该方法利用的水质模型为QUAL2K模型，该模型适用于宽深比不大的中小型河道污染物迁移转化，而尾水河道一般河长远远大于河宽及河深，污染物在水体中沿横向和垂向较易混合均匀，但纵向变化显著，其主要靠纵向迁移向下游输送，符合一维稳态模型模拟条件。
【专利说明】一种基于水质模型的低污染水生态净化效果评估方法
【技术领域】
[0001]本发明适用于低污染尾水河道生态净化效果的预评估，是一种基于水质模型的效果评估方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着太湖流域经济快速发展和人口的高度集聚,污染负荷加剧。大量达标的污染浓度较低的水排入地表水体，其水质已达到出水标准，但某些重要指标却低于地表水V类水的标准，难以与地表水水质相衔接，造成河网湖荡水体的生态系统退化严重，河网水环境容量下降，其原有的环境功能已基本丧失，水体环境受到严重损害，一些地方甚至出现了水体发黑发臭，蓝藻、水花生、水葫芦疯长覆盖水面，特别是对于一些中小河道上述问题更加突出，严重影响了防洪、景观和人们生活环境。
[0003]太湖地区低污染水来源的种类多样，主要包括农业面源、污水处理厂尾水、降雨径流和低污染生活污水(主要包括盥洗用水、洗澡水、洗水果蔬菜用水等较清洁水)等，代表性的城镇污水处理厂二级出水即污水厂尾水以及养殖厂的废水对环境的二次污染问题也逐渐引起人们的广泛重视，开展对其深度处理与回用也逐渐成为人们关注的焦点。
[0004]生态处理方法是国外近年来发展很快的一种新技术，它是利用培育的植物或培养、接种的微生物的生命活动，对水中污染物进行转移、转化及降解作用，从而使水体得到净化的技术，主要包括投加菌种法、曝气复氧法、生物膜法、水生动物净化技术、水生植物净化法和组合技术等。其具有处理效果好、工程造价相对较低、不需耗能或低耗能、运行成本低廉等优点，被广泛运用在各类处理水量较大，污染物浓度较低的污水处理中。但是生态净化也存在一些明显的缺点，例如:技术效果最终随着地理位置、生物品种的差别存在较大的不确定性；施用过程中由于气候条件、环境变化对生态净化效果不稳定性的影响，因此需要一种定量化评估方法来评估生态净化的效果。
[0005]传统通过实验的研究方法不仅耗时、耗力，并且很难综合环境中的各个因素得到较为切合实际可靠的结论。相反，数学模型拥有庞大的数据库，以及综合性的程序框架，通过对生态净化技术在水环境中的效果进行模拟，可以高效地解决上述问题。不仅如此，模型还可以进一步在合理范围内改变技术布置并得到较为可靠的净化效果，从而在设定的各种可行方案中有效地模拟出最优的生态净化布置方式。从而，可以在长期政策制定、管理以及规划的过程中起到预估、预警的作用。
[0006]该方法利用的水质模型为QUAL2K模型，它是一种灵活的河流水质模型，该模型适用于宽深比不大的中小型河道污染物迁移转化，而尾水河道一般河长远远大于河宽及河深，污染物在水体中沿横向和垂向较易混合均匀，但纵向变化显著，其主要靠纵向迁移向下游输送，符合一维稳态模型模拟条件。因此，利用QUAL2K模型进行生态净化组合比选、确定生态净化方案组合以及进行效果的预评估，具有重要的实践意义。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种生态净化技术效果评估的方法。该方法是针对低污染水污染的河道，设计不同的生态净化方案，再利用QUAL2K模型，调整水质指标的降解参数，来模拟不同生态净化方案的出水效果。该发明可以解决枝状污染河道中生态净化方案效果预评估的问题。
[0008]本发明的原理如下:
[0009]根据河道低污染水的类型和所处的气候区类型，选择合适的生态净化单元(包括:挺水植物、沉水植物、浮水植物和生物接触净化技术),污水流经生态净化单元的时候，大量的SS被填料和植物根系阻挡截留，有机污染物则通过接触材料和植物根区形成的生物膜通过吸收、同化及异化作用而被除去。另外，植物根系对氧的传递释放，使其周围的环境中依次出现好氧、缺氧、厌氧状态，保证了废水中的氮磷不仅能通过植物和微生物作为营养吸收，而且还可以通过硝化、反硝化作用将其除去。但是生态净化的技术效果最终随着地理位置、生物品种的差别存在较大的不确定性；施用过程中由于气候条件、环境变化对生态净化效果不稳定性的影响，因此对于生态净化的效果我们通过一种综合性的模型方法来进行评估。QUAL2K模型拥有庞大的数据库，以及综合性的程序框架，通过调整水质指标的降解参数，对生态净化技术在水环境中的效果进行模拟，可以对整个生态净化组合方案的效果进行预先评估。从而，可以在长期政策制定、管理以及规划的过程中起到预估、预警的作用。QUAL2K模型的水质基本方程是一维平流-扩散物质迁移方程，该方程考虑了平流扩散、稀释、物质组分的自身反应，水质组分间的相互作用以及组分的外部源和漏对组分浓度的影响。其水质组分平衡方程如下:
[0010]
【权利要求】
1.一种基于水质模型的低污染水生态净化效果评估方法，其特征在于:针对低污染尾水河道，设计生态净化单元，通过小试实验得到各个生态净化单元针对需要考察水质指标的降解参数；根据选定低污染尾水河道的调查和监测数据，建立该河道的QUAL2K水质模型，并进行验证；将小试实验参数输入已建立的模型中，运行模型可得尾水河道的出水水质，从而进行挺水植物单元、沉水植物单元、浮水植物单元或生物接触氧化工艺单元中的一种或者一种以上的任意组合的方案的效果预先评估和筛选。
2.根据权利要求1所述的一种基于水质模型的低污染水生态净化效果评估方法，其特征在于，所述低污染水是指水体的富营养化指标:溶解氧(DO)、生化需氧量(BOD)、氨氮(NH3-N)、有机氮、硝氮、总磷(TP)，上述指标浓度低于城镇污水处理厂污染物排放标准而高于地表水环境质量标准V类水标准的各种排放水；低污染水主要包括农业面源、污水处理厂尾水、降雨径流和低污染生活污水。
3.根据权利要求1所述的一种基于水质模型的低污染水生态净化效果评估方法，其特征在于:获取生态净化单元的小试净化参数，输入已建立的水质模型，即得低污染水河道出水的水质指标，从而可以进行生态净化的效果评估。
4.根据权利要求1所述的一种基于水质模型的低污染水生态净化效果评估方法，其特征在于，所述生态净化单元包括:挺水植物单元、沉水植物单元、浮水植物单元和生物接触氧化工艺单元； 其步骤为: A)针对低污染尾水河道特征和当地气候条件，设计不同的生态净化单元； B)通过小试实验得到各个生态净化单元针对需要考察水质指标的降解参数； C)根据选定低污染尾水河道的调查和监测数据，建立该河道的QUAL2K水质模型，并进行验证； D)将小试实验参数输入已建立的模型中，运行模型可得尾水河道的出水水质，从而进行不同生态净化技术组合方案的效果预先评估和筛选。
5.一种基于水质模型的低污染水生态净化效果评估方法，其特征在于:针对低污染尾水河道，设计生态净化单元，通过小试实验得到各个生态净化单元针对需要考察水质指标的降解参数；根据选定低污染尾水河道的调查和监测数据，建立该河道的QUAL2K水质模型，并进行验证；将小试实验参数输入已建立的模型中，运行模型可得尾水河道的出水水质，从而进行不同生态净化技术组合方案的效果预先评估和筛选； 所述水质模型采用QUAL2K模型的水质基本方程是一维平流-扩散物质迁移方程，该方程考虑了平流扩散、稀释、物质组分的自身反应，水质组分间的相互作用以及组分的外部源和漏对组分浓度的影响；其水质组分平衡方程如下:
6.根据权利要求2所述的一种基于水质模型的低污染水生态净化效果评估方法，其特征在于:对于所述溶解氧(DO)，河水中溶解氧的增加来自水生植物的光合作用，溶解氧的减少是快速反应的CBOD氧化、反硝化和水生植物呼吸作用的结果；另外根据河水中溶解氧的饱和程度,溶解氧浓度会通过复氧作用相应增加和减少； (1)溶解氧浓度变化方程:
7.根据权利要求2所述的一种基于水质模型的低污染水生态净化效果评估方法，其特征在于:对于所述生化需氧量(BOD)， 在QUAL2K模型中，河水中BOD主要是指含碳有机化合物的生化需氧量(CBOD)，其中又分为慢速反应的CBOD(Cs)和快速反应的CBOD(Cf)； (I)慢速反应的CBOD(Cs)河水中非生命形式颗粒有机物的分解会引起Cs含量的增加，而其随自身的水解作用而减少:
Scs= (1-Ff) rod DetrDi ss-S1wCHydr-S1wCOxi d
其中:SlowCHydr=khc (T) cs, SlowCOxid=Foxckdcs (T) cs
式中:kh。(T)-水温T条件下CBOD的水解速率(/ d); Ff-碎屑溶解到快速反应CBOD的分数(无量纲)； Cs-慢速反应的CBOD浓度(mgO2 / L)； (2)快速反应的CBOD (Cf) Cs的水解会引起Cf含量的增加，氧化和反硝化作用会使Cf含量减少:
Scf=Ffrod DetrDiss+SlowCHydr-FastC0xid-rOIldnDenitr
其中:FastC0xid=Foxckdc (T) cf 式中:kd。(T)-水温T条件下快速反应的CBOD的氧化速率(/ d); Foxc-低溶解氧条件下快速反应的CBOD衰减速率(无量纲); rondn-硝酸盐反硝化的氧消耗当量速率； Dentir-反硝化速率(ugN / L / d)。
8.根据权利要求2所述的一种基于水质模型的低污染水生态净化效果评估方法，其特征在于:对于所述氨氮(NH3-N)， 有机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减少，其计算方程如下:
9.根据权利要求2所述的一种基于水质模型的低污染水生态净化效果评估方法，其特征在于:对于所述有机氮， 植物的死亡导致了有机氮增加，它通过水解和沉降作用降低；
10..根据权利要求2所述的一种基于水质模型的低污染水生态净化效果评估方法，其特征在于:对于所述硝氮， 硝氮的增加是由于氨的硝化作用，它通过反硝化作用和植物吸收作用减少。
【文档编号】G06F19/00GK103745121SQ201410030115
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月23日 优先权日:2014年1月23日
【发明者】钱新, 朱文婷, 张瑞斌, 高海龙 申请人:南京大学