城市污水處理行業(yè)污染物減排與CO2協(xié)同控制研究

李 薇 ,湯 燁 ,徐 毅 ,解玉磊 ,賈杰林 (.華北電力大學(xué)區(qū)域能源系統(tǒng)優(yōu)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京006；.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境規(guī)劃院,北京 000)

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,以及區(qū)域經(jīng)濟(jì)帶的迅速發(fā)展,我國城鎮(zhèn)污水排放量逐年增加.2010年全國廢水排放總量為617.3億 t,相比2009年增加4.7%;城市污水處理率達(dá)到了77.4%,比2005年提高了25%[1].從節(jié)能減排的角度來看,污水處理造成的 CO2排放量在總碳排放量中的比例越來越大,呈逐年上升趨勢.

污水處理過程中的 CO2排放可分為直接排放和間接排放 2種方式,其中直接排放主要是由COD去除過程產(chǎn)生的[2-5].因此必須明確污水處理中 COD去除量與 CO2排放的關(guān)系,力求提高COD 去除率的同時減少 CO2排放量.目前,對污水處理廠節(jié)能減排的研究主要集中于曝氣、回流、污水提升等處理工藝環(huán)節(jié),以及CO2排放核算研究[6-12].從系統(tǒng)的宏觀角度對在水質(zhì)水量動態(tài)變化下的污水處理廠節(jié)能減排的研究相對比較匱乏[13-14].本研究以系統(tǒng)費(fèi)用最小化為目標(biāo),污水日處理量和回用水量為系統(tǒng)變量,建立城市典型污水處理系統(tǒng)規(guī)劃模型.在滿足污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)和二氧化碳排放限值的條件下,使城市典型污水處理系統(tǒng)中各污水廠之間的日處理量和回用水量得到有效地分配,實(shí)現(xiàn)城市污水處理系統(tǒng)資源最佳利用和系統(tǒng)費(fèi)用最小,同時對比不同COD排放標(biāo)準(zhǔn)下的CO2排放量以及污水運(yùn)營情況,剖析污水處理中COD去除率與CO2排放之間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)城市污水處理系統(tǒng)節(jié)能減排目的.模型運(yùn)算結(jié)果,可為城市污水處理系統(tǒng)的管理者提供合理的調(diào)控方案.

1 模型構(gòu)建

基于城市典型污水處理系統(tǒng)全流程分析,本研究構(gòu)建城鎮(zhèn)污水處理費(fèi)用函數(shù),包括污水處理廠成本及再生水回用效益[15-16].其中,污水廠成本包括工業(yè)污水廠成本、市政污水廠成本和中水廠成本.中水處理廠的成本又可以分為5個部分:固定資產(chǎn)折舊費(fèi)、電費(fèi)、大修和維護(hù)費(fèi)用、藥劑費(fèi)和其他費(fèi)用.以城市典型污水處理系統(tǒng)年費(fèi)用最小化為目標(biāo),各個污水廠的污水處理量和回用流量分配為系統(tǒng)變量,建立城市典型污水處理系統(tǒng)規(guī)劃模型.

(1) 目標(biāo)函數(shù):城市污水廠處理系統(tǒng)費(fèi)用最小

1) 污水處理廠費(fèi)用函數(shù):

工業(yè)污水處理廠費(fèi)用:

市政污水處理廠費(fèi)用:

其中,iQ為第i個城市工業(yè)污水廠的污水日處理量;萬m3/d;MQi為第j個城市市政污水廠的污水日處理量,萬m3/d;iη為第i個城市工業(yè)污水廠的BOD去除效率,萬m3/d;jη為第j個城市市政污水廠的BOD去除效率;根據(jù)城市污水BOD與COD的比例關(guān)系:BOD5=KCOD[17],本文將 BOD 的去除效率等同于COD的去除效率計(jì)算.

2) 中水處理廠費(fèi)用函數(shù):

A. 中水廠固定資產(chǎn)折舊費(fèi)用(ZC):

其中,γj為第j個固定資產(chǎn)的平均折舊率,參照給水工程和污水工程平均綜合基本折舊率,平均折舊率下約為 4.36%～5.33%[18-19];中水廠中水處理的費(fèi)用為,中水廠擴(kuò)建的費(fèi)用為;w

j為第j個市政污水廠的中水回用率.

B. 電費(fèi)(EC)

中水處理廠的電費(fèi)主要是泵站的電費(fèi):

其中,λ為以泵站電動機(jī)為基礎(chǔ)的廠內(nèi)其它用電設(shè)備所用電量的比例,一般取 5%;σ表示城市的電費(fèi)電價,元/(kW·h);ρ為水的密度,1000kg/m3;g為重力加速度,g=9.81m/s2;PH為泵站全揚(yáng)程,包括一級泵房、二級泵房和增壓泵房的全部揚(yáng)程,單位為m;θ為泵站效率.

C. 中水處理藥劑費(fèi)(DC)

中水處理藥劑費(fèi)包括混凝劑、絮凝劑、消毒劑費(fèi)用.

其中,ka為藥劑的投加量,萬 m3/d;kb為藥劑的價格,元/t.

D. 中水廠的大修和維護(hù)費(fèi)用(MC):

其中,jμ表示中水廠處理工藝設(shè)施的大修和維護(hù)費(fèi)用系數(shù),它的取值按照全國各業(yè)大修折舊率和維護(hù)費(fèi)率取定,取值范圍在2.5 %～2.7%之間.

E. 中水廠其他費(fèi)用(OC):

其他費(fèi)用包括工人的工資、保險費(fèi)、福利等,按照下式計(jì)算:

其中,jε為第j個中水廠中其他費(fèi)用的費(fèi)用系數(shù).

3) 收益:

工業(yè)污水廠回用:

市政污水廠經(jīng)中水廠處理后輸送到工業(yè)污水廠:

市政污水廠經(jīng)中水廠處理后輸送到市政管網(wǎng):

從日常生活實(shí)踐特別是交流實(shí)踐方式的角度來研究中國文化傳統(tǒng)與其他文化傳統(tǒng)的同與異，研究中國社會獨(dú)特的發(fā)展歷史，標(biāo)志著中國民俗學(xué)的學(xué)術(shù)思想與研究范式發(fā)生了某種重要的變革。這個角度其實(shí)是把廣大民眾真正視為了歷史的主人，而不是只把他們作為贊揚(yáng)和浪漫移情的對象。因?yàn)橹挥袕倪@個角度才能看清廣大民眾怎樣在日常生活中構(gòu)建和發(fā)展自己的社會，創(chuàng)造、傳承、享用著自身的文化。這個角度強(qiáng)調(diào)了普通老百姓是生活實(shí)踐的主體，這與借口“傳統(tǒng)的發(fā)明”或“民俗主義”等理論而去關(guān)注各種操弄民俗現(xiàn)象的研究角度是根本不同的。

其中,IQi為第i個工業(yè)污水廠處理后回用于工業(yè)的水量,萬m3/d;IBi為第i個工業(yè)污水廠每萬m3水量用于工業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益;GQj為第j個市政污水廠輸送到市政管網(wǎng)的水量,萬 m3/d.GBj為第j個市政污水廠每萬 m3水用于市政的經(jīng)濟(jì)效益;OQij為第j個市政污水廠輸送到第i個工業(yè)污水廠的水量,萬m3/d.

(2) 約束條件

1) 污水廠處理規(guī)模約束

其中,miniQ為第i工業(yè)污水處理廠日最小處理水量,單位是萬 t/d;maxiQ為工業(yè)污水處理廠日最大處理水量,單位是萬t/d.

2) 水量分配約束

其中, I Qmini為第i個工業(yè)污水處理廠處理后回用于工業(yè)的最小水量,萬t/d;I Qmaxi為第i個工業(yè)污水處理廠處理后回用于工業(yè)的最大水量;GQminj為第j個市政污水處理廠處理后回用于生活服務(wù)的最低水量; G Qmaxj為第j個市政污水處理廠處理后回用于生活服務(wù)的最高水量;是第j個市政污水處理廠處理后回用于工業(yè)的最低水量;O Qmaxj為第j個市政污水處理廠處理后回用于工業(yè)的最高水量; N Qminij為第i個工業(yè)污水廠處理后輸送給第j個市政污水廠處理的最低水量;N Qmaxij為第i個工業(yè)污水廠處理后輸送給第j個市政污水廠處理的最高水量;為第i個工業(yè)污水廠處理后輸送給第j個市政污水廠處理的水量.

3) 水量平衡約束

4) COD去除效率約束

5) CO2排放限制

其中,為第i個工業(yè)污水廠城市管理者所允許排放的最大 CO2量;為第j個市政污水廠城市管理者所允許排放的最大CO2量;為第i個工業(yè)污水廠的CO2排放量,tCO2/a;為第j個市政污水廠的 CO2排放量,tCO2/a;為第i個工業(yè)污水廠的出水 COD濃度,mg/L;為第j個市政污水廠的出水COD濃度,mg/L;K為污水處理廠CO2排放量估算系數(shù).

2 案例研究

2.1 模型應(yīng)用

擬將該模型應(yīng)用于一個城市典型污水處理系統(tǒng)(圖1).該城市污水處理系統(tǒng)包含2個工業(yè)污水廠和3個市政污水廠.其中,市政污水廠1處理效率略低于廠2,廠2處理效率又略低于廠3(η1＜η2＜η3).工業(yè)污水處理廠出水,部分回用于工業(yè),或經(jīng)過管道輸送到市政污水廠,或部分排入附近的河流中.市政污水廠處理的污水主要來自于城市污水和工業(yè)污水廠處理后的污水,市政污水廠處理的污水經(jīng)深度處理后回用于工業(yè)或市政用水.排入河流的處理水,COD必須達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)限值要求,污水處理過程中的CO2排放也應(yīng)在限定值范圍內(nèi).

圖1 城市污水處理系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of sewage treatment system

表1 工業(yè)污水處理廠相關(guān)參數(shù)Table 1 Parameters of Industrial sewage treatment plant

表2 市政污水處理廠相關(guān)參數(shù)Table 2 Parameters of municipal sewage treatment plant

為實(shí)現(xiàn)污水廠節(jié)能減排和處理費(fèi)用最小化的目標(biāo),管理者需要合理調(diào)控不同污水處理廠之間的水量分配,基于此,構(gòu)建了城市典型污水處理系統(tǒng)規(guī)劃模型.以系統(tǒng)費(fèi)用(各污水廠的運(yùn)行管理費(fèi)用)最小化為目標(biāo),約束條件為水量平衡約束、水量分配約束、COD去除效率約束等,基于節(jié)能減排的要求,還重點(diǎn)考慮了污水廠 CO2排放要符合排放總量要求.相關(guān)模型參數(shù)如表1～表4所示.

表3 中水處理廠相關(guān)參數(shù)Table 3 Parameters of reclaimed water plant

表4 回用效益相關(guān)參數(shù)Table 4 Parameters of wastewater reuse benefits

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 污水處理分配過程 表 5給出了污水水量優(yōu)化分配結(jié)果.其中,目標(biāo)值fopt是通過模型運(yùn)算求得的最優(yōu)解,即系統(tǒng)最小費(fèi)用.由于各個污水廠的運(yùn)行費(fèi)用以及處理后的污水回用于工業(yè)、市政的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益各不相同,為了得到系統(tǒng)最小費(fèi)用值,工業(yè)污水廠和市政污水廠的日處理量和回用水量都不相同.對于工業(yè)污水廠而言,工業(yè)污水廠1的日處理量(75.5萬t)大于工業(yè)污水廠2的處理量(64.5萬t),這主要是由于工業(yè)污水廠1的工業(yè)用水回用效益3.05元/t大于工業(yè)污水廠2的工業(yè)用水回用效益2.85元/t.而且工業(yè)污水廠 1的進(jìn)水 COD小于工業(yè)污水廠 2的進(jìn)水COD,因此每處理1t污水所排放的二氧化碳也小于工業(yè)污水廠2.

表5 模型求解結(jié)果Table 5 Solutions obtained from model

2.2.2 不同 COD排放標(biāo)準(zhǔn)對污水日處理量和CO2排放的影響 由公式(2)可知,污水的 COD去除率與運(yùn)行費(fèi)用成正相關(guān),因此,可依據(jù) COD排放標(biāo)準(zhǔn)的不同適當(dāng)調(diào)節(jié)污水廠的COD去除率,而獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益.將本案例中的市政污水廠的COD排放標(biāo)準(zhǔn)分別設(shè)定為二級、一級B、一級 A[20].將不同排放標(biāo)準(zhǔn)下的進(jìn)出水 COD及COD去除效率代入模型中,模型運(yùn)算所得到的CO2排放量和污水日處理量如圖 2所示.由圖 2可知,廠1在二級、一級A、一級B的日處理量均大于廠2和廠3的日處理量.這是由廠1的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益兩方面的原因所導(dǎo)致的.廠 1處理后的污水回用的效益大于廠2的回用效益,與廠3的回用效益相同.而且 廠1的進(jìn)水COD均小于廠2和廠3,出水COD均大于廠2和廠3,每處理1t污水的CO2排放量最小.

對比圖2中二級COD排放標(biāo)準(zhǔn)下廠2和廠3的日處理量(MQ2=55.6萬 t,MQ3=79.7萬t)可知,在滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的條件下,為了實(shí)現(xiàn)費(fèi)用最小,綜合考慮模型中與費(fèi)用相關(guān)的各個參數(shù),選擇廠3處理更高的污水量.而在一級B的COD排放標(biāo)準(zhǔn)下,雖然廠2的經(jīng)濟(jì)效益略低于廠3,但是其COD處理率和 CO2排放量低于廠 3,運(yùn)行費(fèi)用較小且環(huán)境效益較高.因此,廠 2獲得了更多的日處理量.

由圖 3可知,提高排放標(biāo)準(zhǔn),增大 COD去除率的同時,CO2排放量也在增加,由此可知,COD去除率與CO2排放量存在著正相關(guān)關(guān)系.

圖3 不同COD排放標(biāo)準(zhǔn)下市政污水廠的總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排放限制對污水運(yùn)營的影響 CO2排放限值的大小對污水廠運(yùn)營情況也會造成一定的影響,從表6-8可以看出,隨著各污水廠CO2限值的降低,系統(tǒng)總費(fèi)用逐漸增加.相比而言,在減排200,400,600t時,單位CO2降低所帶來的系統(tǒng)花費(fèi)分別為0.41,0.87,1.04萬元,隨著排放限值的加大,單位 CO2減排所帶來的系統(tǒng)花費(fèi)逐漸增加.各個污水廠的運(yùn)營情況也隨著 CO2排放限值的不同而變化.對于市政污水處理廠而言,隨著CO2排放限值的降低,市政污水廠1的日處理量不變,廠2的日處理量增加,廠3的日處理量減少.這是由于廠 1的市政用水效益較高(GB1=GB3>GB2),而且每處理1t污水的CO2排放量最小,因此廠1的日處理為80萬t,達(dá)到最高日處理量.廠2的市政用水效益雖然低于廠3的市政用水效益,但是其每處理1t污水的CO2排放量小于廠3,因此當(dāng)CO2排放限值降低時,廠2的日處理量逐漸增加,相反廠3的日處理量逐漸減少.

廠 3應(yīng)該及時改造,增加預(yù)處理設(shè)施降低進(jìn)水COD,或是引進(jìn)先進(jìn)污水處理技術(shù)減少污水處理過程中間接排放的CO2.

表6 各污水廠CO2排放限值降低200t的模型運(yùn)算結(jié)果Table 6 Solutions obtained from model when CO2-emission constraints of sewage plants decrease by 200 t

表7 各污水廠CO2排放限值降低400t的模型運(yùn)算結(jié)果Table 7 Solutions obtained from model when CO2-emission constraints of sewage plants decrease by 400 t

對于工業(yè)污水處理廠,隨著CO2排放限值的降低,廠1的日處理量減少,廠2的日處理量增加.這是由于廠1的運(yùn)行費(fèi)用要高于廠2(k11>k12,k21>k22),環(huán)境效益雖略好于廠 2(C1進(jìn)＜C2進(jìn)，C1出=C2出),因此在 CO2排放限值降低的情況下仍選擇增加廠2的日處理量.

表8 各污水廠二氧化碳CO2排放限制值降低600t的模型運(yùn)算結(jié)果Table 8 Solutions obtained from model when CO2-emission constraints of sewage plants decrease by 600 t

3 結(jié)論

3.1 綜合考慮了污水處理過程中的 COD排放和 CO2排放問題,構(gòu)建了城市典型污水處理系統(tǒng)規(guī)劃模型,利用模型對城市污水處理系統(tǒng)進(jìn)行綜合規(guī)劃,使系統(tǒng)布局合理化.在達(dá)標(biāo)排放的前提下,能夠最大限度地降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用和CO2排放,有效利用水資源、減少污水排放量、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益最大.

3.2 通過調(diào)節(jié)模型目標(biāo)的COD排放量、去除率和約束條件中的 COD標(biāo)準(zhǔn),模型運(yùn)算結(jié)果可有效調(diào)控城市污水廠在不同 COD標(biāo)準(zhǔn)下的運(yùn)營,將所求得的污水廠日處理量計(jì)算可獲得每個污水廠處理過程中的 CO2排放量.COD去除率與CO2排放量成正相關(guān)關(guān)系.

3.3 改變 CO2排放限值,可以得到每個污水廠在不同CO2排放限值下的污水運(yùn)營情況.通過分析污水量的分配過程,可以獲知污水處理廠污水運(yùn)營的問題所在.

[1]環(huán)境保護(hù)部.中國環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)(第一版) [R]. 北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2012.

[2]郝曉地,涂 明,蔡正清,等.污水處理低碳運(yùn)行策略與技術(shù)導(dǎo)向[J]. 中國給水排水, 2010,26(24):1-6.

[3]Sahely H R, MacLean H L, Monteith H D, et al. Comparison of on-site and upstream greenhouse gas emissions from Canadian municipal wastewater treatment facilities [J]. Journal of Environmental Engineering and Science, 2006,5(5):405-415.

[4]謝 淘,汪誠文.污水處理廠溫室氣體排放評估 [J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2012,52(4):473-477.

[5]Keller J, Hartley K. Greenhouse gas production in wastewater treatment: process selection is the major factor [J]. Water Science and Technology, 2003,47(12):43-48.

[6]朱五星,舒錦瓊.城市污水處理廠能量優(yōu)化策略研究 [J]. 給水排水, 2005,31(12):31-33.

[7]劉禮祥,張金松,施漢昌,等.城市污水處理廠全流程節(jié)能降耗優(yōu)化運(yùn)行策略 [J]. 中國給水排水, 2009,25(16):11-15.

[8]Kapshe M, Kuriakose P N, Srivastava G, et al. Analysing the co-benefits: case of municipal sewage management at Surat,India [J]. Journal of Cleaner Production, 2013,58:51-60.

[9]Corominas L, Foley J, Guest J S, et al. Life cycle assessment applied to wastewater treatment: state of the art [J]. Water Research, 2013,47(15):5480-5492.

[10]Kleme? J J, Stehlík P, Worrell E. Waste treatment to improve recycling and minimise environmental impact [J]. Resources,Conservation and Recycling, 2010,54(5):267-270.

[11]馬 欣.中國城鎮(zhèn)生活污水處理廠溫室氣體排放研究 [D]. 北京:北京林業(yè)大學(xué), 2011:11-14.

[12]龍騰銳,高 旭.污水生物處理單元能量平衡與分析方法研究與應(yīng)用 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2002,22(5):683-688.

[13]Qin X S, Huang G H, Zeng G M, et al. An interval-parameter fuzzy nonlinear optimization model for stream water quality management under uncertainty [J]. European Journal of Operational Research, 2007,180(3):1331-1357.

[14]Basson M S, Van Rooyen J A. Practical application of probabilistic approaches to the management of water resource systems [J]. Journal of Hydrology, 2001,241(1):53-61.

[15]Gillot S, De Clercq B, Defour D, et al. Optimization of wastewater treatment plant design and operation using simulation and cost analysis [C]//Proceedings of 72nd Annual WEF Conference and Exposition, New Orleans, USA. 1999:9-13.

[16]Vanrolleghem P A, Jeppsson U, Carstensen J, et al. Integration of wastewater treatment plant design and operation—a systematic approach using cost functions [J]. Water Science and Technology,1996,34(3):159-171.

[17]郭勁松,龍騰銳.城市污水BOD與COD關(guān)系的探討 [J]. 中國給水排水, 1994,10(4):17-20.

[18]劉小梅.城市污水回用系統(tǒng)分析與優(yōu)化 [D]. 北京:華北電力大學(xué), 2008:32-33.

[19]王曦溪,李振山.1998-2008年我國廢水污水處理的碳排量估算[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2012,32(7):1764-1776.

[20]GB18918-2002 城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn) [S].