城市污水处理行业污染物减排与CO2协同控制研究

李 薇 ,汤 烨 ,徐 毅 ,解玉磊 ,贾杰林 (.华北电力大学区域能源系统优化教育部重点实验室,北京006；.环境保护部环境规划院,北京 000)

随着我国城镇化进程的加快,以及区域经济带的迅速发展,我国城镇污水排放量逐年增加.2010年全国废水排放总量为617.3亿 t,相比2009年增加4.7%;城市污水处理率达到了77.4%,比2005年提高了25%[1].从节能减排的角度来看,污水处理造成的 CO2排放量在总碳排放量中的比例越来越大,呈逐年上升趋势.

污水处理过程中的 CO2排放可分为直接排放和间接排放 2种方式,其中直接排放主要是由COD去除过程产生的[2-5].因此必须明确污水处理中 COD去除量与 CO2排放的关系,力求提高COD 去除率的同时减少 CO2排放量.目前,对污水处理厂节能减排的研究主要集中于曝气、回流、污水提升等处理工艺环节,以及CO2排放核算研究[6-12].从系统的宏观角度对在水质水量动态变化下的污水处理厂节能减排的研究相对比较匮乏[13-14].本研究以系统费用最小化为目标,污水日处理量和回用水量为系统变量,建立城市典型污水处理系统规划模型.在满足污水综合排放标准和二氧化碳排放限值的条件下,使城市典型污水处理系统中各污水厂之间的日处理量和回用水量得到有效地分配,实现城市污水处理系统资源最佳利用和系统费用最小,同时对比不同COD排放标准下的CO2排放量以及污水运营情况,剖析污水处理中COD去除率与CO2排放之间的关系,实现城市污水处理系统节能减排目的.模型运算结果,可为城市污水处理系统的管理者提供合理的调控方案.

1 模型构建

基于城市典型污水处理系统全流程分析,本研究构建城镇污水处理费用函数,包括污水处理厂成本及再生水回用效益[15-16].其中,污水厂成本包括工业污水厂成本、市政污水厂成本和中水厂成本.中水处理厂的成本又可以分为5个部分:固定资产折旧费、电费、大修和维护费用、药剂费和其他费用.以城市典型污水处理系统年费用最小化为目标,各个污水厂的污水处理量和回用流量分配为系统变量,建立城市典型污水处理系统规划模型.

(1) 目标函数:城市污水厂处理系统费用最小

1) 污水处理厂费用函数:

工业污水处理厂费用:

市政污水处理厂费用:

其中,iQ为第i个城市工业污水厂的污水日处理量;万m3/d;MQi为第j个城市市政污水厂的污水日处理量,万m3/d;iη为第i个城市工业污水厂的BOD去除效率,万m3/d;jη为第j个城市市政污水厂的BOD去除效率;根据城市污水BOD与COD的比例关系:BOD5=KCOD[17],本文将 BOD 的去除效率等同于COD的去除效率计算.

2) 中水处理厂费用函数:

A. 中水厂固定资产折旧费用(ZC):

其中,γj为第j个固定资产的平均折旧率,参照给水工程和污水工程平均综合基本折旧率,平均折旧率下约为 4.36%～5.33%[18-19];中水厂中水处理的费用为,中水厂扩建的费用为;w

j为第j个市政污水厂的中水回用率.

B. 电费(EC)

中水处理厂的电费主要是泵站的电费:

其中,λ为以泵站电动机为基础的厂内其它用电设备所用电量的比例,一般取 5%;σ表示城市的电费电价,元/(kW·h);ρ为水的密度,1000kg/m3;g为重力加速度,g=9.81m/s2;PH为泵站全扬程,包括一级泵房、二级泵房和增压泵房的全部扬程,单位为m;θ为泵站效率.

C. 中水处理药剂费(DC)

中水处理药剂费包括混凝剂、絮凝剂、消毒剂费用.

其中,ka为药剂的投加量,万 m3/d;kb为药剂的价格,元/t.

D. 中水厂的大修和维护费用(MC):

其中,jμ表示中水厂处理工艺设施的大修和维护费用系数,它的取值按照全国各业大修折旧率和维护费率取定,取值范围在2.5 %～2.7%之间.

E. 中水厂其他费用(OC):

其他费用包括工人的工资、保险费、福利等,按照下式计算:

其中,jε为第j个中水厂中其他费用的费用系数.

3) 收益:

工业污水厂回用:

市政污水厂经中水厂处理后输送到工业污水厂:

市政污水厂经中水厂处理后输送到市政管网:

从日常生活实践特别是交流实践方式的角度来研究中国文化传统与其他文化传统的同与异，研究中国社会独特的发展历史，标志着中国民俗学的学术思想与研究范式发生了某种重要的变革。这个角度其实是把广大民众真正视为了历史的主人，而不是只把他们作为赞扬和浪漫移情的对象。因为只有从这个角度才能看清广大民众怎样在日常生活中构建和发展自己的社会，创造、传承、享用着自身的文化。这个角度强调了普通老百姓是生活实践的主体，这与借口“传统的发明”或“民俗主义”等理论而去关注各种操弄民俗现象的研究角度是根本不同的。

其中,IQi为第i个工业污水厂处理后回用于工业的水量,万m3/d;IBi为第i个工业污水厂每万m3水量用于工业的经济效益;GQj为第j个市政污水厂输送到市政管网的水量,万 m3/d.GBj为第j个市政污水厂每万 m3水用于市政的经济效益;OQij为第j个市政污水厂输送到第i个工业污水厂的水量,万m3/d.

(2) 约束条件

1) 污水厂处理规模约束

其中,miniQ为第i工业污水处理厂日最小处理水量,单位是万 t/d;maxiQ为工业污水处理厂日最大处理水量,单位是万t/d.

2) 水量分配约束

其中, I Qmini为第i个工业污水处理厂处理后回用于工业的最小水量,万t/d;I Qmaxi为第i个工业污水处理厂处理后回用于工业的最大水量;GQminj为第j个市政污水处理厂处理后回用于生活服务的最低水量; G Qmaxj为第j个市政污水处理厂处理后回用于生活服务的最高水量;是第j个市政污水处理厂处理后回用于工业的最低水量;O Qmaxj为第j个市政污水处理厂处理后回用于工业的最高水量; N Qminij为第i个工业污水厂处理后输送给第j个市政污水厂处理的最低水量;N Qmaxij为第i个工业污水厂处理后输送给第j个市政污水厂处理的最高水量;为第i个工业污水厂处理后输送给第j个市政污水厂处理的水量.

3) 水量平衡约束

4) COD去除效率约束

5) CO2排放限制

其中,为第i个工业污水厂城市管理者所允许排放的最大 CO2量;为第j个市政污水厂城市管理者所允许排放的最大CO2量;为第i个工业污水厂的CO2排放量,tCO2/a;为第j个市政污水厂的 CO2排放量,tCO2/a;为第i个工业污水厂的出水 COD浓度,mg/L;为第j个市政污水厂的出水COD浓度,mg/L;K为污水处理厂CO2排放量估算系数.

2 案例研究

2.1 模型应用

拟将该模型应用于一个城市典型污水处理系统(图1).该城市污水处理系统包含2个工业污水厂和3个市政污水厂.其中,市政污水厂1处理效率略低于厂2,厂2处理效率又略低于厂3(η1＜η2＜η3).工业污水处理厂出水,部分回用于工业,或经过管道输送到市政污水厂,或部分排入附近的河流中.市政污水厂处理的污水主要来自于城市污水和工业污水厂处理后的污水,市政污水厂处理的污水经深度处理后回用于工业或市政用水.排入河流的处理水,COD必须达到标准限值要求,污水处理过程中的CO2排放也应在限定值范围内.

图1 城市污水处理系统示意Fig.1 Schematic diagram of sewage treatment system

表1 工业污水处理厂相关参数Table 1 Parameters of Industrial sewage treatment plant

表2 市政污水处理厂相关参数Table 2 Parameters of municipal sewage treatment plant

为实现污水厂节能减排和处理费用最小化的目标,管理者需要合理调控不同污水处理厂之间的水量分配,基于此,构建了城市典型污水处理系统规划模型.以系统费用(各污水厂的运行管理费用)最小化为目标,约束条件为水量平衡约束、水量分配约束、COD去除效率约束等,基于节能减排的要求,还重点考虑了污水厂 CO2排放要符合排放总量要求.相关模型参数如表1～表4所示.

表3 中水处理厂相关参数Table 3 Parameters of reclaimed water plant

表4 回用效益相关参数Table 4 Parameters of wastewater reuse benefits

2.2 结果分析

2.2.1 污水处理分配过程 表 5给出了污水水量优化分配结果.其中,目标值fopt是通过模型运算求得的最优解,即系统最小费用.由于各个污水厂的运行费用以及处理后的污水回用于工业、市政的经济效益和环境效益各不相同,为了得到系统最小费用值,工业污水厂和市政污水厂的日处理量和回用水量都不相同.对于工业污水厂而言,工业污水厂1的日处理量(75.5万t)大于工业污水厂2的处理量(64.5万t),这主要是由于工业污水厂1的工业用水回用效益3.05元/t大于工业污水厂2的工业用水回用效益2.85元/t.而且工业污水厂 1的进水 COD小于工业污水厂 2的进水COD,因此每处理1t污水所排放的二氧化碳也小于工业污水厂2.

表5 模型求解结果Table 5 Solutions obtained from model

2.2.2 不同 COD排放标准对污水日处理量和CO2排放的影响 由公式(2)可知,污水的 COD去除率与运行费用成正相关,因此,可依据 COD排放标准的不同适当调节污水厂的COD去除率,而获得更好的经济效益.将本案例中的市政污水厂的COD排放标准分别设定为二级、一级B、一级 A[20].将不同排放标准下的进出水 COD及COD去除效率代入模型中,模型运算所得到的CO2排放量和污水日处理量如图 2所示.由图 2可知,厂1在二级、一级A、一级B的日处理量均大于厂2和厂3的日处理量.这是由厂1的经济效益和环境效益两方面的原因所导致的.厂 1处理后的污水回用的效益大于厂2的回用效益,与厂3的回用效益相同.而且 厂1的进水COD均小于厂2和厂3,出水COD均大于厂2和厂3,每处理1t污水的CO2排放量最小.

对比图2中二级COD排放标准下厂2和厂3的日处理量(MQ2=55.6万 t,MQ3=79.7万t)可知,在满足排放标准的条件下,为了实现费用最小,综合考虑模型中与费用相关的各个参数,选择厂3处理更高的污水量.而在一级B的COD排放标准下,虽然厂2的经济效益略低于厂3,但是其COD处理率和 CO2排放量低于厂 3,运行费用较小且环境效益较高.因此,厂 2获得了更多的日处理量.

由图 3可知,提高排放标准,增大 COD去除率的同时,CO2排放量也在增加,由此可知,COD去除率与CO2排放量存在着正相关关系.

图3 不同COD排放标准下市政污水厂的总CO2排放量Fig.3 The total CO2-emission of municipal sewage plant under different COD discharge standard

2.2.3 不同 CO2排放限制对污水运营的影响 CO2排放限值的大小对污水厂运营情况也会造成一定的影响,从表6-8可以看出,随着各污水厂CO2限值的降低,系统总费用逐渐增加.相比而言,在减排200,400,600t时,单位CO2降低所带来的系统花费分别为0.41,0.87,1.04万元,随着排放限值的加大,单位 CO2减排所带来的系统花费逐渐增加.各个污水厂的运营情况也随着 CO2排放限值的不同而变化.对于市政污水处理厂而言,随着CO2排放限值的降低,市政污水厂1的日处理量不变,厂2的日处理量增加,厂3的日处理量减少.这是由于厂 1的市政用水效益较高(GB1=GB3>GB2),而且每处理1t污水的CO2排放量最小,因此厂1的日处理为80万t,达到最高日处理量.厂2的市政用水效益虽然低于厂3的市政用水效益,但是其每处理1t污水的CO2排放量小于厂3,因此当CO2排放限值降低时,厂2的日处理量逐渐增加,相反厂3的日处理量逐渐减少.

厂 3应该及时改造,增加预处理设施降低进水COD,或是引进先进污水处理技术减少污水处理过程中间接排放的CO2.

表6 各污水厂CO2排放限值降低200t的模型运算结果Table 6 Solutions obtained from model when CO2-emission constraints of sewage plants decrease by 200 t

表7 各污水厂CO2排放限值降低400t的模型运算结果Table 7 Solutions obtained from model when CO2-emission constraints of sewage plants decrease by 400 t

对于工业污水处理厂,随着CO2排放限值的降低,厂1的日处理量减少,厂2的日处理量增加.这是由于厂1的运行费用要高于厂2(k11>k12,k21>k22),环境效益虽略好于厂 2(C1进＜C2进，C1出=C2出),因此在 CO2排放限值降低的情况下仍选择增加厂2的日处理量.

表8 各污水厂二氧化碳CO2排放限制值降低600t的模型运算结果Table 8 Solutions obtained from model when CO2-emission constraints of sewage plants decrease by 600 t

3 结论

3.1 综合考虑了污水处理过程中的 COD排放和 CO2排放问题,构建了城市典型污水处理系统规划模型,利用模型对城市污水处理系统进行综合规划,使系统布局合理化.在达标排放的前提下,能够最大限度地降低系统运行费用和CO2排放,有效利用水资源、减少污水排放量、实现经济效益和环境效益最大.

3.2 通过调节模型目标的COD排放量、去除率和约束条件中的 COD标准,模型运算结果可有效调控城市污水厂在不同 COD标准下的运营,将所求得的污水厂日处理量计算可获得每个污水厂处理过程中的 CO2排放量.COD去除率与CO2排放量成正相关关系.

3.3 改变 CO2排放限值,可以得到每个污水厂在不同CO2排放限值下的污水运营情况.通过分析污水量的分配过程,可以获知污水处理厂污水运营的问题所在.

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