基于物質(zhì)流分析的我國(guó)污水系統(tǒng)靜態(tài)物質(zhì)流分析模型

0城市污水系統(tǒng)的輸入污水處理廠是連接城市水和城市水環(huán)境的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)。收集并處理所有用戶的廢水，排放環(huán)境。城市污水系統(tǒng)是城市水環(huán)境質(zhì)量的基本保障,是決定城市可持續(xù)性的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施之一。城市污水系統(tǒng)由污水管網(wǎng)子系統(tǒng)和污水處理子系統(tǒng)兩部分組成,城市用水用戶的排水是系統(tǒng)的輸入,進(jìn)入系統(tǒng)的物質(zhì)在系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)一系列的物理化學(xué)過(guò)程,最終進(jìn)入環(huán)境介質(zhì)。部分物質(zhì)隨著污水處理廠的尾水進(jìn)入水體,部分物質(zhì)隨著輸送和處理過(guò)程中產(chǎn)生的污泥排出系統(tǒng),還有部分物質(zhì)在處理過(guò)程中轉(zhuǎn)化成氣態(tài)物質(zhì)排入大氣,例如污水中的COD通過(guò)生物氧化轉(zhuǎn)化成CO2,NH3—N通過(guò)硝化和反硝化轉(zhuǎn)化為N2。城市污水系統(tǒng)的主要輸入是城市生活污水。根據(jù)水質(zhì)差異,城市生活污水可以分為三類:尿液及其沖洗水即黃水(YellowWater,Y),糞便及其沖洗水即褐水(BrownWater,B)和其他的生活排水即灰水(GreyWater,G)。這三類污水的排放方式不同,會(huì)影響到城市污水系統(tǒng)的輸入,進(jìn)而影響污水收集和處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和運(yùn)行,這些將最終導(dǎo)致系統(tǒng)不同的環(huán)境影響。這一點(diǎn)正是造成不同城市污水系統(tǒng)之間差異的根本原因。1城市污水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)目前,不論是在發(fā)達(dá)國(guó)家還是在我國(guó),大多數(shù)城市的污水系統(tǒng)都沿用了起源于19世紀(jì)歐洲的傳統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)城市污水系統(tǒng)中,以水沖廁所為代表的室內(nèi)排水設(shè)施將用戶產(chǎn)生的黃水、褐水及灰水混合后排出用戶,經(jīng)過(guò)污水管網(wǎng)收集進(jìn)入污水處理廠進(jìn)行處理。進(jìn)入系統(tǒng)的物質(zhì)在系統(tǒng)中發(fā)生遷移和轉(zhuǎn)化,以出水、氣體、污泥三種不同形式進(jìn)入水體、大氣和土壤三種環(huán)境介質(zhì)當(dāng)中。在污水處理過(guò)程中,污泥處理單元通過(guò)厭氧穩(wěn)定剩余污泥可以產(chǎn)生一定量的沼氣(見(jiàn)圖1)。傳統(tǒng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)之所以長(zhǎng)期被人們所認(rèn)可,除了它與系統(tǒng)輸入形式相適應(yīng)外,還受到系統(tǒng)功能定位的影響。從城市中排除污染物,保證城市的衛(wèi)生安全是傳統(tǒng)城市污水系統(tǒng)的主要功能。近些年來(lái),由于城市水資源短缺、水環(huán)境惡化,可持續(xù)發(fā)展對(duì)城市污水系統(tǒng)的功能提出了更高要求。城市污水系統(tǒng)不僅要能從城市中排除污染物,還要能保障城市的水環(huán)境質(zhì)量,同時(shí)盡可能地節(jié)約和回用進(jìn)入城市系統(tǒng)的資源。另外,迅速發(fā)展的材料技術(shù)、管道技術(shù)和水處理技術(shù)為用戶排水設(shè)施、管網(wǎng)子系統(tǒng)和污水處理子系統(tǒng)的革新提供了技術(shù)基礎(chǔ)。功能要求的提高和相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步促使區(qū)別于傳統(tǒng)系統(tǒng)的源分離城市污水系統(tǒng)開(kāi)始出現(xiàn)。源分離形式的城市污水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在源分離系統(tǒng)中,城市污水系統(tǒng)的輸入由傳統(tǒng)的一支混合污水變?yōu)槿?。黃水和褐水收集系統(tǒng)通常為重力流系統(tǒng)或者負(fù)壓系統(tǒng),灰水收集通常采用重力收集。收集后的污水分別由黃水處理單元、褐水處理單元和灰水處理單元進(jìn)行處理。黃水通過(guò)儲(chǔ)存進(jìn)行衛(wèi)生穩(wěn)定或者直接進(jìn)行化學(xué)沉降和汽提的方法被處理作為肥料用于農(nóng)業(yè)。褐水經(jīng)過(guò)固液分離后,固體部分通過(guò)堆肥處理,作為肥料用于農(nóng)業(yè);液體部分進(jìn)入灰水處理系統(tǒng)與灰水共同進(jìn)行處理。根據(jù)目前主要應(yīng)用的灰水處理技術(shù),可以將灰水處理單元分為兩大類:一類基于人工處理技術(shù),該類單元多采用SBR技術(shù)對(duì)灰水進(jìn)行處理;另一類基于自然處理,該類單元采用濕地對(duì)灰水進(jìn)行處理,處理過(guò)程中濕地生長(zhǎng)的蘆葦與褐水一起堆肥,作為農(nóng)用肥料。與傳統(tǒng)系統(tǒng)相同,物質(zhì)經(jīng)過(guò)源分離系統(tǒng)的傳輸和處理,最終排入水體、大氣和土壤。從系統(tǒng)與外部環(huán)境的關(guān)系來(lái)看,源分離系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的輸入和輸出的物質(zhì)總量是相同的,系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的物質(zhì)均是來(lái)自用戶各個(gè)用水器具或設(shè)施的排水,最終以出水、氣體和污泥的形式輸出到水體、大氣和土壤三種環(huán)境介質(zhì)當(dāng)中。但這兩種系統(tǒng)的輸入方式和內(nèi)部組成不同,這種結(jié)構(gòu)性的差異將定量地影響城市污水系統(tǒng)的物質(zhì)輸出和運(yùn)行性能。為了定量地評(píng)價(jià)這種差異,本研究構(gòu)建了城市污水系統(tǒng)的靜態(tài)物質(zhì)流分析模型。2物質(zhì)關(guān)聯(lián)模型城市污水系統(tǒng)的靜態(tài)物質(zhì)流分析模型以物質(zhì)流分析過(guò)程為結(jié)構(gòu)框架,定量描述城市排水、污水系統(tǒng)與環(huán)境介質(zhì)之間的物質(zhì)關(guān)聯(lián),追蹤物質(zhì)在污水系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與環(huán)境之間的遷移和轉(zhuǎn)化途徑,識(shí)別系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)的流向并量化其強(qiáng)度。該模型可以用于評(píng)價(jià)城市污水系統(tǒng)對(duì)城市環(huán)境的影響?？紤]到城市水環(huán)境質(zhì)量關(guān)注的水質(zhì)指標(biāo),可持續(xù)性城市排水系統(tǒng)的要求以及數(shù)據(jù)的可獲得性,本文以COD-C、TN-N、TP-P(以下簡(jiǎn)稱C、N和P)三種物質(zhì)為例構(gòu)建該模型。2.1城市污水系統(tǒng)輸入模型該模型的輸入即為城市用水用戶排出的C、N和P的總量Li(i=C、N、P)?？紤]到用戶排水方式的多樣性,該模型給出了各種物質(zhì)在黃水、褐水和灰水中的含量YLi、BLi和GLi,這樣可以通過(guò)YLi、BLi和GLi的不同組合來(lái)模擬不同形式的城市污水系統(tǒng)輸入。Li可以通過(guò)系統(tǒng)服務(wù)區(qū)域內(nèi)的人均C、N和P排放量Lpi和系統(tǒng)服務(wù)人口數(shù)Pop進(jìn)行計(jì)算。YLi、BLi和GLi則通過(guò)黃水、褐水和灰水中C、N和P的比例pYi、pBi、和pGi(見(jiàn)表1)進(jìn)行折算。C、N和P進(jìn)入系統(tǒng)后經(jīng)過(guò)管網(wǎng)和處理子系統(tǒng)最終的流向是系統(tǒng)的出水(W)、污泥(S)、大氣(A)和系統(tǒng)的產(chǎn)物[沼氣(G)或者肥料(F)]。各流向下的物質(zhì)輸出強(qiáng)度OUTKi(K=W、S、A、G、F)即為該模型的輸出。綜上所述,城市污水系統(tǒng)靜態(tài)物質(zhì)流分析模型的輸入和出入如表2所示。2.2數(shù)據(jù)分析過(guò)程系統(tǒng)的物質(zhì)流分析是城市污水系統(tǒng)靜態(tài)物質(zhì)流分析模型的核心,其過(guò)程依次可分解為以下四個(gè)步驟:系統(tǒng)單元?jiǎng)澐?、單元物質(zhì)流分析、單元組合和系統(tǒng)物質(zhì)流分析、系統(tǒng)的資源環(huán)境影響分析。2.2.1不同技術(shù)單元的組合模型系統(tǒng)單元?jiǎng)澐质菍⒄麄€(gè)城市污水系統(tǒng)劃分具有獨(dú)立功能的單元,包括:污水管網(wǎng)、灰水管網(wǎng)、黃水收集單元、褐水收集單元、污水處理單元、灰水處理單元、黃水處理單元、褐水處理單元等。對(duì)于同一單元,實(shí)現(xiàn)同樣的功能可以采用不同的技術(shù),這將影響物質(zhì)在單元內(nèi)的遷移特征,因此,模型對(duì)于采用不同技術(shù)的同一單元需要進(jìn)行區(qū)分。在一定的約束條件下,各單元進(jìn)行不同的組合,便可以構(gòu)成采用不同技術(shù)、不同結(jié)構(gòu)的城市污水系統(tǒng)。系統(tǒng)單元?jiǎng)澐謱⒊鞘形鬯到y(tǒng)模塊化,便于模型拓展,也使得模型具有一定的普適性。2.2.2黃水處理單元和級(jí)堆肥成料的可靠性單元物質(zhì)流分析是系統(tǒng)物質(zhì)流分析的基礎(chǔ),其目的是量化物質(zhì)在單元內(nèi)的遷移。單元的物質(zhì)流分析采用年平均值,因?yàn)檩^長(zhǎng)的時(shí)間尺度方便在分析過(guò)程中對(duì)各單元進(jìn)行簡(jiǎn)化。本研究將通過(guò)確定各單元中物質(zhì)的遷移系數(shù),利用簡(jiǎn)化的線性輸入輸出關(guān)系對(duì)單元內(nèi)的物質(zhì)遷移分配進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果可以在系統(tǒng)規(guī)劃層面進(jìn)行使用,具有一定的可靠性。例如,圖3和圖4分別是采用儲(chǔ)存衛(wèi)生穩(wěn)定技術(shù)的黃水處理單元和采用強(qiáng)化-露天兩級(jí)堆肥技術(shù)的褐水處理單元的物質(zhì)流分析結(jié)果。儲(chǔ)存衛(wèi)生穩(wěn)定技術(shù)是目前最常用的黃水處理技術(shù),它將黃水儲(chǔ)存6個(gè)月以上進(jìn)行衛(wèi)生穩(wěn)定,然后作為肥料用于農(nóng)業(yè)。這種技術(shù)在瑞典和德國(guó)已經(jīng)進(jìn)行了工程案例研究,可靠性較高8]。在整個(gè)處理過(guò)程中,除N外,黃水中的C和P都全部遷移進(jìn)肥料。由于黃水中N的組成具有揮發(fā)成分,儲(chǔ)存過(guò)程中,將有1%的N揮發(fā)進(jìn)入大氣9],其余也將遷移進(jìn)入肥料。在對(duì)褐水進(jìn)行堆肥之前,處理單元將對(duì)進(jìn)水進(jìn)行固液分離,分離出的液體部分進(jìn)入灰水處理單元進(jìn)行處理,固體部分直接進(jìn)行堆肥。在固液分離的過(guò)程中,褐水中的C將有20%以液體的形式進(jìn)入灰水處理單元,其他物質(zhì)都將隨固體部分進(jìn)行堆肥9]。堆肥將褐水中有效的干物質(zhì)高效、可靠地轉(zhuǎn)化成肥料或土壤調(diào)節(jié)劑。在此過(guò)程中,C、N和P主要遷移進(jìn)入肥料和大氣10]當(dāng)中,極少部分遷移進(jìn)入堆肥過(guò)程中產(chǎn)生的滲濾液,該部分可忽略不計(jì)。2.2.3物質(zhì)流分析子系統(tǒng)根據(jù)不同城市污水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),選取模型中相關(guān)的單元,將各單元的物質(zhì)流分析結(jié)果進(jìn)行輸出和輸入的串聯(lián),便可以得到整個(gè)污水處理子系統(tǒng)的物質(zhì)流分析。圖5是經(jīng)過(guò)單元組合后形成的采用SBR處理灰水的源分離城市污水系統(tǒng)的物質(zhì)流分析結(jié)果,其中IWJi(I=Y、B、G,J=A、F、S、W,i=C、N、P)為各單元的物質(zhì)遷移系數(shù),為本模型的重要參數(shù),通過(guò)相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)和文獻(xiàn)調(diào)研獲得。2.2.4資源回收能力分析利用上述城市污水系統(tǒng)物質(zhì)流分析的結(jié)果,可以分析系統(tǒng)中物質(zhì)遷移的途徑與強(qiáng)度。對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),用系統(tǒng)排入環(huán)境的C、N和P總量與進(jìn)入系統(tǒng)量的比值表征系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響(SEI),用進(jìn)入肥料和進(jìn)入沼氣的C、N和P總量與進(jìn)入系統(tǒng)量的比值表征系統(tǒng)對(duì)資源的回收能力(SRR)。利用模型給出的SEI值和SRR值可以分析城市污水系統(tǒng)的資源環(huán)境影響,能夠?yàn)槌鞘形鬯到y(tǒng)的規(guī)劃提供系統(tǒng)選擇的決策支持。3污水系統(tǒng)物質(zhì)流分析本文以北京市大興區(qū)新城地區(qū)為案例研究區(qū)域。大興新城位于北京市南郊的大興區(qū)北部,是大興區(qū)的行政、文化中心,也是北京市規(guī)劃的具有生態(tài)特色的宜居新城。大興新城的總體規(guī)劃中要求,到2020年,大興新城的總?cè)丝跒?0萬(wàn)人,新城范圍內(nèi)污水處理率達(dá)到90%,污水回用率達(dá)到60%。本研究假設(shè)未來(lái)大興新城區(qū)域滿足一般人居的排污特性。由于數(shù)據(jù)缺乏,利用北京市的多年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定該區(qū)域的人均COD-C、TN-N、TP-P排放量,分別為56.11g/(人·d)、12.23g/(人·d)、1.68g/(人·d)。根據(jù)大興新城的特征數(shù)據(jù),利用城市污水系統(tǒng)靜態(tài)物質(zhì)流分析模型,傳統(tǒng)系統(tǒng)(T-S,采用具有脫氮除磷效果的活性污泥法和化學(xué)除磷技術(shù)處理污水)和源分離系統(tǒng)(SBR-SS,采用SBR處理灰水,儲(chǔ)存衛(wèi)生穩(wěn)定技術(shù)處理黃水,強(qiáng)化-露天兩級(jí)堆肥技術(shù)處理褐水)在大興新城的物質(zhì)流分析結(jié)果如圖6、圖7所示。由于大興新城規(guī)劃了大量的集中綠地,具有建設(shè)濕地的可能,因此,本文對(duì)采用濕地處理灰水的源分離系統(tǒng)(WL-SS,采用濕地處理灰水)也進(jìn)行了物質(zhì)流分析,見(jiàn)圖8。對(duì)于源分離系統(tǒng),需要用戶安裝可以分離黃水和褐水的廁所,瑞典示范工程的經(jīng)驗(yàn)表明該種廁所的分離效率為60%～90%11]。因此,本研究假設(shè)分離廁所的分離效率為75%,即黃水收集系統(tǒng)只能收集用戶產(chǎn)生的75%的黃水,而剩余25%的黃水將與褐水一起排入褐水收集系統(tǒng)。圖9是大興新城三種污水系統(tǒng)物質(zhì)流分析的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從圖中可以看出,不論哪種系統(tǒng),進(jìn)入城市污水系統(tǒng)的C主要出路是進(jìn)入大氣,其中WL-SS系統(tǒng)的大氣排放量最多,占進(jìn)入系統(tǒng)總量的56%。在T-S系統(tǒng)中,約23%的C以污泥形式排出系統(tǒng),而在源分離的SBR-SS和WL-SS系統(tǒng)中,這個(gè)比例將下降到15%和7%。不論是傳統(tǒng)系統(tǒng)還是源分離系統(tǒng),三者排入水體中的C量相當(dāng),約占總量的11%。在T-S系統(tǒng)中,22%的C最終進(jìn)入沼氣被回收利用,而在SBR-SS和WL-SS系統(tǒng)中,有相當(dāng)量的C以肥料形式被回收利用。除此之外,還有少量的C跟隨回用水返回到用戶。與C不同,只有在T-S系統(tǒng)中,N的主要遷移途徑才是排入大氣,占進(jìn)入系統(tǒng)N總量的63%;而在SBR-SS和WL-SS系統(tǒng)中,N的主要遷移途徑是進(jìn)入肥料,此比例可達(dá)到N總量的65%。在WL-SS、SBR-SS和T-S系統(tǒng)中,以污泥的形式排出系統(tǒng)的N量依次增多,而進(jìn)入水體的量則相當(dāng)。與前兩種物質(zhì)不同,P不以氣體的形式排入大氣,在T-S系統(tǒng)中,85%的P進(jìn)入污泥,而在WL-SS和SBR-SS系統(tǒng)中,70%的P被回收進(jìn)入肥料。比較三種系統(tǒng),進(jìn)入水體的P量相當(dāng)。分別統(tǒng)計(jì)三種污水系統(tǒng)的SEI和SRR,如圖10。從C來(lái)看,三種系統(tǒng)向環(huán)境的排入量和回收量相當(dāng),三者差別不大。但從N和P來(lái)看,T～S系統(tǒng)沒(méi)有物質(zhì)回收的能力,而SBR-SS系統(tǒng)和WL-SS系統(tǒng)則將進(jìn)入系統(tǒng)60%的N和70%的P進(jìn)行了回收,減少了排入環(huán)境中的N和P的量,既回收了資源,又減少了系統(tǒng)的環(huán)境影響。圖9表明,對(duì)于三種系統(tǒng)來(lái)說(shuō),排入水體中的C、N和P差別不大。排入水體中的C、N和P是由污水處理子系統(tǒng)排入和未處理的污水直接排入兩部分組成,如圖11所示。從圖中可以看出,進(jìn)入大興新城水環(huán)境中的污染負(fù)荷主要由未處理的污水直排導(dǎo)致的,如果要進(jìn)一步改善大興新城的水環(huán)境質(zhì)量,需要進(jìn)一步提高該區(qū)域的污水處理率。如果只考慮城市污水處理子系統(tǒng)的排水,從圖中可以看出,除了WL-SS系統(tǒng)的N排放量外,兩種源分離系統(tǒng)的排放量均小于傳統(tǒng)系統(tǒng)的排放量,有助于保障該區(qū)域的水環(huán)境質(zhì)量。綜上所述,如果單從環(huán)境的角度考慮,可以認(rèn)為源分離系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)具有優(yōu)勢(shì),它更符合可持續(xù)性城市污水系統(tǒng)回收利用資源和保障城市水環(huán)境質(zhì)量的要求。以上分析將為大興新城地區(qū)城市水系統(tǒng)規(guī)劃的模式選擇提供決策依據(jù)。4在資源環(huán)境綜合評(píng)價(jià)中利用物質(zhì)流分析模型進(jìn)行城市水系統(tǒng)規(guī)劃(1)運(yùn)用物質(zhì)流分析的方法,本文基于系統(tǒng)單元?jiǎng)澐?、單元物質(zhì)流分析、單元組合與系統(tǒng)物質(zhì)流分析及系統(tǒng)的資源環(huán)境影響分析四個(gè)步驟構(gòu)建了具有一定普適性的模塊化城市污水系統(tǒng)靜態(tài)物質(zhì)流分析模型。該模型可以定量地分析不同結(jié)構(gòu)城市污水處理系統(tǒng)中C、N和P的遷移,并利用分析結(jié)果的統(tǒng)計(jì),評(píng)價(jià)城市污水系統(tǒng)的資源環(huán)境影響。城市污水系統(tǒng)的物質(zhì)流分析模型是可持