城市污水處理工藝方案的優化選擇 (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北京城市排水集團有限責任公司 2加拿大海曼迪環境咨詢顧問公司 Hydromantis Inc., 1685 Main St. West, Suit 302, Hamilton, Ontario, Canada 摘要: 污水處理工藝方案的優化選擇是城市水污染控制規劃階段的一項重要工作。這篇文章介紹了一種在規劃階段用以設計一個污水處理工藝方案和計算它的費用的工程工具-CapdetWorks電腦軟件并給出一個實際的例子說明如何應用。借助于這個工具, 能快速而有效地設計各種污水處理方案和計算它們相應的費用以比較和確定最優的污水處理方案。 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. 關鍵詞: 污水處理; 工藝方案; 優化選擇; CapdetWorks Key words: wastewater treatment; process; optimum selection, CapdetWorks 1 簡述 隨著中國經濟的發展和人民生活質量的提高對水環境的管理提出了越來越高的要求，按照中國《國民經濟和社會發展第十個五年計劃綱要》和《“十五”城鎮化發展重點專項規劃》“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年達到45%，50萬人口以上的城市達到60%以上。為了實現上述目標需要興建大量的污水處理設施，投入大量的資金。很顯然，一個既經濟又有效的污水處理方案是我們追求的目標。在污水處理設施的規劃階段, 在污水處理設施的要求 (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：設計一個什么樣的污水處理設施既能滿足規劃的要求, 建造和運行的費用又最少？這就是污水處理設施在規劃階段需要解決的重要問題-污水處理工藝方案的優化選擇問題。
污水處理方案的優化選擇取決于許多因素如：工藝處理效果的可靠性和穩定性；工藝實施的可行性；工藝運行和維護管理的方便性以及工藝的經濟可行性。其中經濟可行性是一個主要的考慮因素。在經濟可行性研究中, 工藝工程師給出各種可行的方案, 然后進行初步設計，在此基礎上估算每一種方案所需的費用，最后通過比較確定一個最好的方案。因此這個階段的大量工作是給出各種選定的比較方案的初步設計和估算每一個方案的費用。傳統的方法是各種手工計算工具和一些數據處理軟件，這種方法的彈性比較小, 而且當你如果要改變和修改設計時，則相當費時。這篇文章介紹了一種能在規劃階段快速設計一個污水處理方案和計算它的費用的工程工具- CapdetWorks電腦軟件。在給定了所要處理的污水特征(包括水質和水量) 和出流的標準以后，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計，評價每種方案的處理效果 (即給出每種處理方案出流的結果如出流的SS，COD或BOD濃度) 以及每種方案的費用 (包括建設、運行和管理的費用)。在下面的各節中先介紹CapdetWorks電腦軟件的開發, 工作原理和使用方法，然后給出一個實際應用的例子說明如何應用CapdetWorks。至於每一工藝單元設計的算法和費用估計算法讀者可以參考有關的技術手冊[1]。 2 CapdetWorks電腦軟件 2.1 CapdetWorks電腦軟件的開發
1973年美國陸軍工程師團為美國環境保護署開發了建立在污水處理設施的使用壽命和所提供的處理程度的基礎之上的用于評價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計技術和相應的費用計算方法設計各種污水處理方案和計算各方案的費用。但是由于CAPDET模型所使用的模型不能更新，難以反映費用在地區上的差別，以及不能考慮特別場地的設計要求, 其應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) 環境咨詢顧問公司修訂了Capdet模型開發出了CapdetWorks電腦軟件。在開發CapdetWorks時對各種設計標準進行了評價，開發出了通用化的設計標準。在費用估算上CapdetWorks使用了參數法和單元費用法二種不同的方法。該軟件于1985年在PC機上實施, 隨后在2000年升級為完全視窗操作的商業化的電腦軟件。
2.2 CapdetWorks軟件的工作原理
CapdetWorks主窗口的二個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之上：每一種污水處理方案都由各種單元處理工藝構成; 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表示; 每一個單元工藝圖標并不是一個單純的符號，其工藝的設計算法和費用的估算法都包含該圖標中; 單元工藝的設計算法和費用的估算法所要求的參數可以通過點擊該單元工藝圖標打開數據對話框, 然后輸入所要求的參數數值; 不同的單元工藝其對話框中的數據輸入表有所不同。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和連接上這些單元工藝即可在主窗口圖板上設計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，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 | 預處理和初步處理 | 包括污水流、污水泵站、預處理(濾網、格柵、沉砂池)、微濾網、調節池、氣浮池和初沉池七種處理單元工藝。 | | 2 | 化學處理 | 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 | 懸浮介質的生物處理 | 包括普通穩定塘和曝氣穩定塘、完全混合活性污泥、普通的推流式活性污泥、建立在泥齡基礎上的推流式活性污泥、接觸穩定活性污泥、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 | 固定介質的生物處理 | 包括普通滴濾池、硝化滴濾池、普通旋轉生物接觸池、硝化的旋轉生物接觸池和反硝化的固定介質反應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 | 包括運輸、土地填埋和焚燒。 |
如果有新的單元工藝出現的話，可以很容易地加進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展，這些信息也很容易地包括進該單元工藝中。
CapdetWorks電腦軟件是建立在各種廣泛接受的設計算法如推流式的活性污泥工藝設計包括了傳統的污泥負荷法和建立在開普敦大學模型基礎上的泥齡法和單元工藝費用的估算技術之上。CapdetWorks可以給出一個污水設計方案中每個單元工藝的尺寸和計算出包括建造，運行和維護的所有費用, 或者跳過設計計算而使用已有的的設計結果，然后核算給出設計的費用。估算設備費用的經驗數據可以根據情況進行調整。CapdetWorks電腦軟件能夠輸出任何用戶定義的貨幣費用的結果，用戶只要簡單地輸入對應的貨幣轉換率。CapdetWorks電腦軟件能把設計的結果直接輸出到GPS-X電腦模擬軟件 (GPS-X是Hydromantis公司的污水處理廠動態模擬軟件), 這個功能提供了這兩個軟件的直接聯系。 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計模型和費用計算模型中參數的確定; (iii) 計算和輸出結果。
(i) 建立污水處理方案的工藝流程圖
在給定了一個污水處理方案以后, 該方案就可以在在軟件的圖板上以工藝流程圖的形式實施。這是通過簡單的拖放組成這個污水處理方案的單元工藝圖標在圖板上和連接這些圖標而實現的。圖1是一個完全混合活性污泥污水處理方案的工藝流程圖, 圖2是一個生物滴濾池污水處理方案的工藝流程圖。這二個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單元處理工藝, 但它是工藝流程圖中一個不可缺少的單元, 所有的污水特徵數據都包含這個單元中。在這二個工藝流程圖中污水經預處理進入預處理單元, 然后通過初沉池, 在經初沉池后污水進入生物處理單元 (活性污泥污或者生物滴濾池), 在經生物處理后, 混合液經二沉池分離, 出流經氯消毒后, 最后排入接受水體。從二沉池中排出的剩余污泥經氣浮濃縮后與來自初沉池的泥污進入厭氧消化池, 厭氧消化后的污泥經干化床處理后最后運走進行土地填埋處理。來自厭氧消化池的上清液又返回到生物處理單元進行處理。
(ii)工藝流程圖中單元工藝設計模型和費用計算模型中參數的確定
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單元工藝的設計模型和費用計算模型中的參數通常所稱的模型校正。參數的確定是使用該軟件的關鍵。雖然軟件中所有單元工藝設計模型和費用計算模型中參數都賦予了典型的缺省值, 但是在使用時有些參數需要調整特別是污水流和工藝設計參數, 在每個處理方案中都不同。為了調整參數, 只需把鼠標指向所需單元工藝圖標然后右擊鼠標彈出參數對話框。不同的單元有不同的設計方法，因此所需要得參數也不一樣。除污水流以外， 一般包括四個菜單即:
· 工藝設計參數菜單: 列出了該單元工藝設計所要求參數包括入流量，入流污染物的濃度, 污染物去除率或出流污染物的濃度。
· 工藝設計參數忽略菜單: 用戶不需要軟件得出設計結果而只需要給出設計的費用估算, 在這種情況下用戶需要輸入該單元工藝設計的數據。
· 設備費用忽略菜單: 用戶不用軟件中設備費用數據庫中的缺省值, 在這種情況下用戶自己需要輸入該單元工藝設備費用的數據。
· 設備的使用壽命菜單: 各種設備需要更新的年限。
對於污水流單元, 三個菜單分別給出了常用的污水特徵參數，一般參數和溫度參數 (圖3)。 
圖3: 污水流單元三個菜單中的一般污水特徵參數菜單 (iii) 計算和輸出結果
在確定了一個污水處理方案的各種單元工藝設計模型和各種設備的費用計算模型的數據以后,軟件就能計算出用戶所需要的污水處理方案的設計數據以及建造，運行和維護這個廠所需的費用。計算可分二種情況：
· 需要軟件同時得出設計和費用的二種結果；
· 用戶給定設計即不需要軟件得出設計結果而只需要給出設計的費用估算。
這一步非常簡單，只要按下相關的按鈕即可。軟件即可按照給定的污水流及污水特征計算出每一個單元工藝的設計參數以及相關的建造，運行和維護所需的費用。因此，你可以迅速地評估大量的設計方案和比較它們的費用。輸出結果將在應用實例一節中進一步討論。 4 應用實例 在這一節中通過對一個污水處理廠的兩個不同的工藝方案的設計費用計算說明CapdetWorks在污水方案比較和選擇中的應用。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)。二個處理方案一個完全混合活性污泥污水處理方案, 另一個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。其工藝組成已經在前面作過討論。
4.2 單元工藝設計模型和費用計算模型參數的確定
這個應用實例的目的是理解CapdetWorks的原理和使用方法, 因此設計模型和費用計算模型中的參數使用模型中典型的默認值。
4.3 計算和輸出結果
設計模型和費用計算模型計算所需時間很短。計算結果可以以詳細的打印和可輸出的報告以及圖， 表的形式給出。由于篇幅的限制不能給出詳細的輸出報告。下面僅給出圖表的結果。費用單位以人民幣 (RMB) 計。
表2 列出了二個處理方案總費用的現值以及各子項的費用如基建費， 運行費， 維護費等; 圖4則以圖的形式給出了二個處理方案總費用的現值和能源費用的例子。 表2: 二個處理方案總費用的現值以及各子項的費用 
 
圖4: 二個處理方案總費用的現值和能源費用 表3a 列出了二個處理方案總費用的現值以及各子項的費用如基建費，運行費，維護費等。 表3a: 完全混合活性污泥污水處理方案總費用的現值以及各子項的費用如基建費 
表3b: 生物滴濾池污水處理方案總費用的現值以及各子項的費用如基建費  為了考慮費用算法中費用在時間上的變化， 使用了許多與設備相關的費用指數, 以便把費用調整到現值。所用的指數包括: 工藝費用 (施工費用，開挖費用，混凝土墻壁，板), 勞力費用, 化學品費用, 管線費用, 財政費用 (利率，施工期，運行壽命), 其它費用 (公程計費，各項雜費，管理費，監理費，利潤和間接費用)。
為了比較各種污水處理方案, CapedetWorks 還具有各主要設計參數與各種費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用之間的關系。 
圖 5: 污水平均流量與各種費用之間的關系 5 結語 使用Capdetworks電腦軟件能大大改善你的規劃階段的污水處理廠的設計和費用核算, 幫助你更好地進行工程決策。雖然, Capdetworks模型大大擴展了它的能力和改善了規劃階段的設計和費用估計方法的精度。使用者仍需對一般化的模型方法的限制方面引起注意，因為任何通用化的計算方法必需包括簡化的假設如工程的設備設計限制，場地的限制，規則規范的可靠性和可維持性標準都進入算法之中。
“國家高科技研究發展專項經費資助” 課題編號：2004AA601010
城市污水A2O處理設備成套化研究
基金項目：北京市自然科學基金資助項目（8052011） | 
