城市污水处理工艺方案的优化选择 (Optimum Selection of municipal Wastewater Treatment Processes) 周军1，胡志荣2, 郝二成1，O Schrra 2, 王洪臣1, 甘一萍1 1北京城市排水集团有限责任公司 2加拿大海曼迪环境咨询顾问公司 Hydromantis Inc., 1685 Main St. West, Suit 302, Hamilton, Ontario, Canada 摘要: 污水处理工艺方案的优化选择是城市水污染控制规划阶段的一项重要工作。这篇文章介绍了一种在规划阶段用以设计一个污水处理工艺方案和计算它的费用的工程工具-CapdetWorks电脑软件并给出一个实际的例子说明如何应用。借助于这个工具, 能快速而有效地设计各种污水处理方案和计算它们相应的费用以比较和确定最优的污水处理方案。 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. 关键词: 污水处理; 工艺方案; 优化选择; CapdetWorks Key words: wastewater treatment; process; optimum selection, CapdetWorks 1 简述 随着中国经济的发展和人民生活质量的提高对水环境的管理提出了越来越高的要求，按照中国《国民经济和社会发展第十个五年计划纲要》和《“十五”城镇化发展重点专项规划》“十五”期间要新增城市污水日处理能力2600万立方米, 使城市污水集中处理率在2005年达到45%，50万人口以上的城市达到60%以上。为了实现上述目标需要兴建大量的污水处理设施，投入大量的资金。很显然，一个既经济又有效的污水处理方案是我们追求的目标。在污水处理设施的规划阶段, 在污水处理设施的要求 (即需要处理的污水量和处理的程度) 确定以后，我们所要解决的问题是：设计一个什么样的污水处理设施既能满足规划的要求, 建造和运行的费用又最少？这就是污水处理设施在规划阶段需要解决的重要问题-污水处理工艺方案的优化选择问题。
污水处理方案的优化选择取决于许多因素如：工艺处理效果的可靠性和稳定性；工艺实施的可行性；工艺运行和维护管理的方便性以及工艺的经济可行性。其中经济可行性是一个主要的考虑因素。在经济可行性研究中, 工艺工程师给出各种可行的方案, 然后进行初步设计，在此基础上估算每一种方案所需的费用，最后通过比较确定一个最好的方案。因此这个阶段的大量工作是给出各种选定的比较方案的初步设计和估算每一个方案的费用。传统的方法是各种手工计算工具和一些数据处理软件，这种方法的弹性比较小, 而且当你如果要改变和修改设计时，则相当费时。这篇文章介绍了一种能在规划阶段快速设计一个污水处理方案和计算它的费用的工程工具- CapdetWorks电脑软件。在给定了所要处理的污水特征(包括水质和水量) 和出流的标准以后，就可利用该软件很快地给出各种可能的替代方案的初步设计，评价每种方案的处理效果 (即给出每种处理方案出流的结果如出流的SS，COD或BOD浓度) 以及每种方案的费用 (包括建设、运行和管理的费用)。在下面的各节中先介绍CapdetWorks电脑软件的开发, 工作原理和使用方法，然后给出一个实际应用的例子说明如何应用CapdetWorks。至於每一工艺单元设计的算法和费用估计算法读者可以参考有关的技术手册[1]。 2 CapdetWorks电脑软件 2.1 CapdetWorks电脑软件的开发
1973年美国陆军工程师团为美国环境保护署开发了建立在污水处理设施的使用寿命和所提供的处理程度的基础之上的用于评价各种污水处理替代方案的CAPDET模型。该模型利用普遍接受的工艺设计技术和相应的费用计算方法设计各种污水处理方案和计算各方案的费用。但是由于CAPDET模型所使用的模型不能更新，难以反映费用在地区上的差别，以及不能考虑特别场地的设计要求, 其应用受到了很大的限制。为了改善CAPDET模型的精度和可使用性，加拿大海曼迪 (Hydromantis, Inc) 环境咨询顾问公司修订了Capdet模型开发出了CapdetWorks电脑软件。在开发CapdetWorks时对各种设计标准进行了评价，开发出了通用化的设计标准。在费用估算上CapdetWorks使用了参数法和单元费用法二种不同的方法。该软件于1985年在PC机上实施, 随后在2000年升级为完全视窗操作的商业化的电脑软件。
2.2 CapdetWorks软件的工作原理
CapdetWorks主窗口的二个重要的组成部分是单元工艺表和图板。CapdetWorks是建立在下面的原理的基础之上：每一种污水处理方案都由各种单元处理工艺构成; 每一种单元处理工艺由主窗口的单元工艺表中的一种图标表示; 每一个单元工艺图标并不是一个单纯的符号，其工艺的设计算法和费用的估算法都包含该图标中; 单元工艺的设计算法和费用的估算法所要求的参数可以通过点击该单元工艺图标打开数据对话框, 然后输入所要求的参数数值; 不同的单元工艺其对话框中的数据输入表有所不同。对於任何污水处理方案只要通过简单的拖放其组成的单元工艺的图标和连接上这些单元工艺即可在主窗口图板上设计出该污水处理方案的工艺流程图。图1, 图2分别是完全混合的活性污泥污水处理方案和生物滴滤池污水处理方案的工艺流程图。 
图 1: CapdetWorks主窗口图板上的完全混合活性污泥的污水处理方案工艺流程图 
图 2: CapdetWorks主窗口图板上的生物滴滤池的污水处理方案工艺流程图 在软件的单元工艺表中有十大类66个单元处理工艺(这种分类仅仅是为了使用的方便), 几乎包括了目前所使用的所有污水处理工艺技术，利用这些单元处理工艺几乎可以组成任何一种污水处理方案,包括生物脱氮除磷工艺。在图1、图2中位於工艺流程图左边的即为单元工艺表。点击每一类工艺的名称条即展示该类单元工艺中所包括的所有单元处理工艺。图中显示的是第一大类预处理和初步处理中所包括的七种单元处理工艺。其它的如表1。 表 1: CapdetWorks中的十大处理单元工艺 | 1 | 预处理和初步处理 | 包括污水流、污水泵站、预处理(滤网、格栅、沉砂池)、微滤网、调节池、气浮池和初沉池七种处理单元工艺。 | | 2 | 化学处理 | 包括阳离子交换、阴离子交换、中和、絮凝、碳吸附和二段石灰处理六种处理单元工艺。 | | 3 | 悬浮介质的生物处理 | 包括普通稳定塘和曝气稳定塘、完全混合活性污泥、普通的推流式活性污泥、建立在泥龄基础上的推流式活性污泥、接触稳定活性污泥、延迟曝气、高速率的活性污泥、氧化沟、阶梯曝气、纯氧活性污泥和序批式活性污泥十四种单元处理工艺。 | | 4 | 生物脱氮除磷 | 包括生物除氮、生物除氮和磷。 | | 5 | 固定介质的生物处理 | 包括普通滴滤池、硝化滴滤池、普通旋转生物接触池、硝化的旋转生物接触池和反硝化的固定介质反应池五种单元处理工艺。 | | 6 | 各种液体的处理工艺 | 包括了反流脱氨、错流脱氨、土地快渗处理、土地慢渗处理、土地漫流处理、过滤、后置曝气、二沉池和用户自定义的单元处理工艺八种单元处理工艺. | | 7 | 消毒: | 包括氯消毒、絷外消毒二种单元处理工艺。 | | 8 | 污泥处理 | 包括污泥流、好氧消化、厌氧消化、湿热氧化和用户自定义的污泥处理工艺三种单元处理工艺。 | | 9 | 污泥浓缩和脱水 | 包括重力浓缩、污泥气浮浓缩、皮带过滤、压缩过滤、真空过滤、离心法、干化床和干化池。 | | 10 | 污泥处置 | 包括运输、土地填埋和焚烧。 |
如果有新的单元工艺出现的话，可以很容易地加进到软件的单元工艺表中。同样对已有的单元工艺如有新的进展，这些信息也很容易地包括进该单元工艺中。
CapdetWorks电脑软件是建立在各种广泛接受的设计算法如推流式的活性污泥工艺设计包括了传统的污泥负荷法和建立在开普敦大学模型基础上的泥龄法和单元工艺费用的估算技术之上。CapdetWorks可以给出一个污水设计方案中每个单元工艺的尺寸和计算出包括建造，运行和维护的所有费用, 或者跳过设计计算而使用已有的的设计结果，然后核算给出设计的费用。估算设备费用的经验数据可以根据情况进行调整。CapdetWorks电脑软件能够输出任何用户定义的货币费用的结果，用户只要简单地输入对应的货币转换率。CapdetWorks电脑软件能把设计的结果直接输出到GPS-X电脑模拟软件 (GPS-X是Hydromantis公司的污水处理厂动态模拟软件), 这个功能提供了这两个软件的直接联系。 3 CapdetWorks电脑软件的使用方法 CapdetWorks软件的使用大致可分为三步: (i) 建立一个给定的污水处理方案的工艺流程图; (ii) 工艺流程图中单元工艺设计模型和费用计算模型中参数的确定; (iii) 计算和输出结果。
(i) 建立污水处理方案的工艺流程图
在给定了一个污水处理方案以后, 该方案就可以在在软件的图板上以工艺流程图的形式实施。这是通过简单的拖放组成这个污水处理方案的单元工艺图标在图板上和连接这些图标而实现的。图1是一个完全混合活性污泥污水处理方案的工艺流程图, 图2是一个生物滴滤池污水处理方案的工艺流程图。这二个处理方案除了完全混合活性污泥和生物滴滤池单元工艺不同以外, 都包括了污水流、预处理、初沉池、二沉池、氯消毒、污泥气浮浓缩、污泥厌氧消化, 污泥干化床, 污泥运输和土地填埋单元处理工艺。需要指出的是污水流并不是一个单元处理工艺, 但它是工艺流程图中一个不可缺少的单元, 所有的污水特徵数据都包含这个单元中。在这二个工艺流程图中污水经预处理进入预处理单元, 然后通过初沉池, 在经初沉池后污水进入生物处理单元 (活性污泥污或者生物滴滤池), 在经生物处理后, 混合液经二沉池分离, 出流经氯消毒后, 最后排入接受水体。从二沉池中排出的剩余污泥经气浮浓缩后与来自初沉池的泥污进入厌氧消化池, 厌氧消化后的污泥经干化床处理后最后运走进行土地填埋处理。来自厌氧消化池的上清液又返回到生物处理单元进行处理。
(ii)工艺流程图中单元工艺设计模型和费用计算模型中参数的确定
在建立了污水处理方案的流程图以后, 就需要确定工艺流程图中每一个单元工艺的设计模型和费用计算模型中的参数通常所称的模型校正。参数的确定是使用该软件的关键。虽然软件中所有单元工艺设计模型和费用计算模型中参数都赋予了典型的缺省值, 但是在使用时有些参数需要调整特别是污水流和工艺设计参数, 在每个处理方案中都不同。为了调整参数, 只需把鼠标指向所需单元工艺图标然后右击鼠标弹出参数对话框。不同的单元有不同的设计方法，因此所需要得参数也不一样。除污水流以外， 一般包括四个菜单即:
· 工艺设计参数菜单: 列出了该单元工艺设计所要求参数包括入流量，入流污染物的浓度, 污染物去除率或出流污染物的浓度。
· 工艺设计参数忽略菜单: 用户不需要软件得出设计结果而只需要给出设计的费用估算, 在这种情况下用户需要输入该单元工艺设计的数据。
· 设备费用忽略菜单: 用户不用软件中设备费用数据库中的缺省值, 在这种情况下用户自己需要输入该单元工艺设备费用的数据。
· 设备的使用寿命菜单: 各种设备需要更新的年限。
对於污水流单元, 三个菜单分别给出了常用的污水特徵参数，一般参数和温度参数 (图3)。 
图3: 污水流单元三个菜单中的一般污水特徵参数菜单 (iii) 计算和输出结果
在确定了一个污水处理方案的各种单元工艺设计模型和各种设备的费用计算模型的数据以后,软件就能计算出用户所需要的污水处理方案的设计数据以及建造，运行和维护这个厂所需的费用。计算可分二种情况：
· 需要软件同时得出设计和费用的二种结果；
· 用户给定设计即不需要软件得出设计结果而只需要给出设计的费用估算。
这一步非常简单，只要按下相关的按钮即可。软件即可按照给定的污水流及污水特征计算出每一个单元工艺的设计参数以及相关的建造，运行和维护所需的费用。因此，你可以迅速地评估大量的设计方案和比较它们的费用。输出结果将在应用实例一节中进一步讨论。 4 应用实例 在这一节中通过对一个污水处理厂的两个不同的工艺方案的设计费用计算说明CapdetWorks在污水方案比较和选择中的应用。该厂的污水流量为 37900方/天, 悬浮固体浓度 = 220 毫克/升; 五日生化耗氧量 (BOD5) = 220毫克/升。出流悬浮固体浓度 = 20 毫克/升; 出流五日生化耗氧量 (BOD5) = 10毫克/升(如图3所示)。二个处理方案一个完全混合活性污泥污水处理方案, 另一个生物滴滤池污水处理方案。
4.1 污水处理方案工艺流程图的建立
完全混合活性污泥污水处理方案和生物滴滤池污水处理方案的工艺流程图如图1和2 所示。其工艺组成已经在前面作过讨论。
4.2 单元工艺设计模型和费用计算模型参数的确定
这个应用实例的目的是理解CapdetWorks的原理和使用方法, 因此设计模型和费用计算模型中的参数使用模型中典型的默认值。
4.3 计算和输出结果
设计模型和费用计算模型计算所需时间很短。计算结果可以以详细的打印和可输出的报告以及图， 表的形式给出。由于篇幅的限制不能给出详细的输出报告。下面仅给出图表的结果。费用单位以人民币 (RMB) 计。
表2 列出了二个处理方案总费用的现值以及各子项的费用如基建费， 运行费， 维护费等; 图4则以图的形式给出了二个处理方案总费用的现值和能源费用的例子。 表2: 二个处理方案总费用的现值以及各子项的费用 
 
图4: 二个处理方案总费用的现值和能源费用 表3a 列出了二个处理方案总费用的现值以及各子项的费用如基建费，运行费，维护费等。 表3a: 完全混合活性污泥污水处理方案总费用的现值以及各子项的费用如基建费 
表3b: 生物滴滤池污水处理方案总费用的现值以及各子项的费用如基建费  为了考虑费用算法中费用在时间上的变化， 使用了许多与设备相关的费用指数, 以便把费用调整到现值。所用的指数包括: 工艺费用 (施工费用，开挖费用，混凝土墙壁，板), 劳力费用, 化学品费用, 管线费用, 财政费用 (利率，施工期，运行寿命), 其它费用 (公程计费，各项杂费，管理费，监理费，利润和间接费用)。
为了比较各种污水处理方案, CapedetWorks 还具有各主要设计参数与各种费用之间的敏感性分析功能，图5表明了污水平均流量与各种费用之间的关系。 
图 5: 污水平均流量与各种费用之间的关系 5 结语 使用Capdetworks电脑软件能大大改善你的规划阶段的污水处理厂的设计和费用核算, 帮助你更好地进行工程决策。虽然, Capdetworks模型大大扩展了它的能力和改善了规划阶段的设计和费用估计方法的精度。使用者仍需对一般化的模型方法的限制方面引起注意，因为任何通用化的计算方法必需包括简化的假设如工程的设备设计限制，场地的限制，规则规范的可靠性和可维持性标准都进入算法之中。
“国家高科技研究发展专项经费资助” 课题编号：2004AA601010
城市污水A2O处理设备成套化研究
基金项目：北京市自然科学基金资助项目（8052011） | 
