CN108928928A - 一种分散点源治理的水质改善方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分散点源治理的水质改善方法，应用SWMM模型模拟分散点水源的动力与水质，对模型参数进行校准与验证；在河流岸边采用挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种水处理技术处理河水：通过水处理现场实验数据，计算得出挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳的降解系数；采用现场实验得到的降解系数，通过SWMM模型模拟六种不同组合方案；计算各种方案末端出水的负荷削减率，采用层次分析法综合评价选取最优组合方案。本发明能在多种水处理技术的众多组合方案中优选出效果最优方案，有效解决水质改善方案优化选择的问题，提供环境管理部门决策参考，避免效果不佳或不能达到预期目标的设计方案得以实施，节约人力、物力、财力。

Description

一种分散点源治理的水质改善方法

技术领域

本发明涉及水质改善的技术领域，具体涉及一种分散点源治理的水质改善方法。

背景技术

在农村污水处理中，主要的污染水是来自于分散点源污水。农村分散点源污水的主要特点：(1)农村污水主要为生活污水和以农产品为原料的加工污水的混合体，基本上不含重金属和有毒有害物质，含有一定量的氮和磷，可生化性好，但水质水量变化较大；(2)农村地区人口居住分散，大部分没有排水管网，污水集中收集处理难度较大；(3)污水处理还停留在小型集中处理上，不能满足对农村污水的主要特点——分散点源化的处理。

目前农村污水处理的方法主要有以下几种：(1)自然系统，即利用土壤作为处理和处置的媒体，包括人工湿地、稳定氧化塘等。还有一些污泥处理系统，如干沙床和泻湖。自然系统处理能耗低、处理出水水质好、可起到美观作用、投资成本低；但是占地面积大、处理出水水质不稳定、受到土地征用的限制；(2)传统的生化处理系统，利用厌氧、缺氧、好氧工艺处理污水，处理后出水效果好、工艺成熟，但是适用于大流量污水处理、占地面积大、运行费用相对较高、基建投资高；(3)MBR处理技术，一种将膜分离技术与传统污水生物处理工艺有机结合的新型高效污水处理与回用工艺。随着科学技术的发展，尤其是MBR技术的发展，污水处理设施实现了装置化、小型化，使污水分散处理和回用得以实现。MBR技术占地面积小、出水水质好、不会产生二次污染、处理出水可直接回用；但是投资费用高、操作要求高且运行费用高。

发明内容

本发明提供了一种分散点源治理的水质改善方法，解决了以上所述的技术问题。

本发明解决上述技术问题的方案如下：一种分散点水源治理的水质改善方法，包括：步骤(1)应用SWMM模型模拟分散点水源的动力与水质，对模型参数进行校准与验证；步骤(2)在河流岸边采用挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种水处理技术分别处理河水：步骤(3)通过水处理现场实验数据，计算得出挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种水处理技术的降解系数；步骤(4)由挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种技术排列组合为六种水质改善方案，采用现场实验得到的降解系数，通过SWMM模型模拟六种不同的水处理技术组合方案；步骤(5)计算各种方案末端出水的负荷削减率，采用层次分析法综合评价选取最优组合方案。

本发明能在多种水处理技术的众多组合方案中优选出效果最优方案，有效解决水质改善方案优化选择的问题，提供环境管理部门决策参考，避免效果不佳或不能达到预期目标的设计方案得以实施，节约人力、物力、财力，使社会、经济、环境效益最大化。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，将水处理技术现场实验得到的降解系数输入水质模型，采用SWMM模型模拟水质改善方案。

进一步，沉水植物沉床、挺水植物浮床、生物绳三种水处理技术的降解系数通过现场实验实测数据计算获得。

进一步，上述步骤(1)-(5)具体优选步骤如下：

(1)通过实地调查与资料收集，获取河流模拟所需的水动力水质数据，包括流量、流速、河宽、河深、生化需氧量(BOD)、氨氮(NH3-N)、硝氮(NO3-N)、总氮(TN)、无机磷、总磷(TP)；应用QUAL2K模型对河流的水动力与水质进行模拟，并与实测数据进行对比分析，进行河流水质模型参数的校准与验证；

(2)在河流岸边采用挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种水处理技术分别处理河水；实验装置采用有机玻璃水箱，实验安排在气温变化不大、植物生长旺盛、微生物增殖较快的春夏季节；挺水植物采用真空塑料水面浮床种植于有机玻璃水箱，沉水植物使用塑料筛固定于水箱中，生物绳横纵间隔一定距离悬挂并固定在水箱中。通过恒流泵控制实验装置中的水流流量，使流速与河流平均流速相同，采样后现场对每个技术单元进、出水水质进行监测；

3)通过水处理现场实验，得到3种技术对BOD、NH3-N、NO3-N、有机氮、有机磷、无机磷的处理结果数据，采用一级动力学反应方程计算得出各水处理技术对污水处理厂尾水中主要水质指标的降解系数，包括BOD氧化速率、氨氮硝化速率、硝氮反消化速率、有机氮水解速率、有机磷水解速率、无机磷吸收速率；由于实验用水为河流现场取水，实验设计流速与河流流速一致，因此水质状况相同、水动力状况相似，计算得到的参数应用于河流水处理技术模拟是合理可靠的；

一级动力学反应方程，即C＝C0e-Kt，式中：t为反应时间，d；K为氨氮降解系数，1/d；c为t时刻测定的污染物浓度，mg/L；C0为污染物的初始浓度，mg/L；由式可得降解系数K＝t-1lnC0/C；根据初始浓度与测定结果浓度比值的自然对数与时间(天)线性回归，得到降解方程，斜率为降解系数；

4)在不同河段设置不同技术的降解系数，代表模拟不同的水处理技术；将河流划分为3个河段，把各水处理技术的降解系数输入水质模型中对应河段，代表模拟各种不同的组合方案；挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳可排列组合为6种水质改善方案；根据现场实验得到的降解系数设定各河段主要水质参数，采用SWMM模型模拟6种水质改善方案分别在河流中的实施；

SWMM模型是美国环保局研发的SWMM系列水质模型的最新版本，是一个综合性、多样化的河流水质模型，适用于模拟完全混合的枝状河流水质；该模型可用于模拟流域枝状河网，它既可以用作为稳态模型，也可以用作为时变的动态模型；

5)由模拟结果计算得出各种方案对主要水质指标的负荷削减率，选取BOD、NH3-N、NO3-N、有机氮、有机磷、无机磷主要水质指标建立水质改善方案效果评估指标体系，然后采用比率标度法计算得出各水质因子的权重系数，最后通过层次分析法综合评价选取最优水质改善方案。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的技术流程框图；

图2为本发明的水处理现场实验设计示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

其中：1、水泵；2、初沉池；3、恒流泵；4、入流；5、挺水植物浮床；6、沉水植物沉床；7、生物绳；8、代表出流。

具体实施方式

以下结合附图1-2对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本发明提供了一种分散点水源治理的水质改善方法，包括：步骤(1)应用SWMM模型模拟分散点水源的动力与水质，对模型参数进行校准与验证；步骤(2)在河流岸边采用挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种水处理技术分别处理河水：步骤(3)通过水处理现场实验数据，计算得出挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种水处理技术的降解系数；步骤(4)由挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种技术排列组合为六种水质改善方案，采用现场实验得到的降解系数，通过SWMM模型模拟六种不同的水处理技术组合方案；步骤(5)计算各种方案末端出水的负荷削减率，采用层次分析法综合评价选取最优组合方案。

本发明能在多种水处理技术的众多组合方案中优选出效果最优方案，有效解决水质改善方案优化选择的问题，提供环境管理部门决策参考，避免效果不佳或不能达到预期目标的设计方案得以实施，节约人力、物力、财力，使社会、经济、环境效益最大化。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，将水处理技术现场实验得到的降解系数输入水质模型，采用SWMM模型模拟水质改善方案。

进一步，沉水植物沉床、挺水植物浮床、生物绳三种水处理技术的降解系数通过现场实验实测数据计算获得。

进一步，上述步骤(1)-(5)具体优选步骤如下：

(1)通过实地调查与资料收集，获取河流模拟所需的水动力水质数据，包括流量、流速、河宽、河深、生化需氧量(BOD)、氨氮(NH3-N)、硝氮(NO3-N)、总氮(TN)、无机磷、总磷(TP)；应用QUAL2K模型对河流的水动力与水质进行模拟，并与实测数据进行对比分析，进行河流水质模型参数的校准与验证；

(2)在河流岸边采用挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种水处理技术分别处理河水；实验装置采用有机玻璃水箱，实验安排在气温变化不大、植物生长旺盛、微生物增殖较快的春夏季节；挺水植物采用真空塑料水面浮床种植于有机玻璃水箱，沉水植物使用塑料筛固定于水箱中，生物绳横纵间隔一定距离悬挂并固定在水箱中。通过恒流泵控制实验装置中的水流流量，使流速与河流平均流速相同，采样后现场对每个技术单元进、出水水质进行监测；

3)通过水处理现场实验，得到3种技术对BOD、NH3-N、NO3-N、有机氮、有机磷、无机磷的处理结果数据，采用一级动力学反应方程计算得出各水处理技术对污水处理厂尾水中主要水质指标的降解系数，包括BOD氧化速率、氨氮硝化速率、硝氮反消化速率、有机氮水解速率、有机磷水解速率、无机磷吸收速率；由于实验用水为河流现场取水，实验设计流速与河流流速一致，因此水质状况相同、水动力状况相似，计算得到的参数应用于河流水处理技术模拟是合理可靠的；

一级动力学反应方程，即C＝C0e-Kt，式中：t为反应时间，d；K为氨氮降解系数，1/d；c为t时刻测定的污染物浓度，mg/L；C0为污染物的初始浓度，mg/L；由式可得降解系数K＝t-1lnC0/C；根据初始浓度与测定结果浓度比值的自然对数与时间(天)线性回归，得到降解方程，斜率为降解系数；

4)在不同河段设置不同技术的降解系数，代表模拟不同的水处理技术；将河流划分为3个河段，把各水处理技术的降解系数输入水质模型中对应河段，代表模拟各种不同的组合方案；挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳可排列组合为6种水质改善方案；根据现场实验得到的降解系数设定各河段主要水质参数，采用SWMM模型模拟6种水质改善方案分别在河流中的实施；

SWMM模型是美国环保局研发的SWMM系列水质模型的最新版本，是一个综合性、多样化的河流水质模型，适用于模拟完全混合的枝状河流水质；该模型可用于模拟流域枝状河网，它既可以用作为稳态模型，也可以用作为时变的动态模型；

5)由模拟结果计算得出各种方案对主要水质指标的负荷削减率，选取BOD、NH3-N、NO3-N、有机氮、有机磷、无机磷主要水质指标建立水质改善方案效果评估指标体系，然后采用比率标度法计算得出各水质因子的权重系数，最后通过层次分析法综合评价选取最优水质改善方案。

一种利用水质模型模拟优选水质改善方案的方法，其步骤为：(1)应用SWMM模型模拟河流水动力与水质，对模型参数进行校准与验证；(2)在河流岸边采用挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种水处理技术分别处理河水；(3)通过水处理现场实验数据，计算得出挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种水处理技术的降解系数；(4)由挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种技术排列组合为六种水质改善方案，采用现场实验得到的降解系数，通过SWMM模型模拟六种不同的水处理技术组合方案；(5)计算各种方案末端出水的负荷削减率，采用层次分析法综合评价选取最优组合方案。通过本发明的运用，可以有效解决水质改善方案优化选择的问题，为环境管理部门提供决策支持。

1)通过实地调查与资料收集，获取河流模拟所需的水动力水质数据，包括流量、流速、河宽、河深、生化需氧量(BOD)、氨氮(NH3-N)、硝氮(NO3-N)、总氮(TN)、无机磷、总磷(TP)。应用QUAL2K模型对河流的水动力与水质进行模拟，并与实测数据进行对比分析，进行河流水质模型参数的校准与验证。

2)在河流岸边采用挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种水处理技术分别处理河水。实验装置采用有机玻璃水箱，实验安排在气温变化不大、植物生长旺盛、微生物增殖较快的春夏季节。挺水植物采用真空塑料水面浮床种植于有机玻璃水箱，沉水植物使用塑料筛固定于水箱中，生物绳横纵间隔一定距离悬挂并固定在水箱中。通过恒流泵控制实验装置中的水流流量，使流速与河流平均流速相同，采样后现场对每个技术单元进、出水水质进行监测。

3)通过水处理现场实验，得到3种技术对BOD、NH3-N、NO3-N、有机氮、有机磷、无机磷的处理结果数据，采用一级动力学反应方程计算得出各水处理技术对污水处理厂尾水中主要水质指标的降解系数，包括BOD氧化速率、氨氮硝化速率、硝氮反消化速率、有机氮水解速率、有机磷水解速率、无机磷吸收速率。由于实验用水为河流现场取水，实验设计流速与河流流速一致，因此水质状况相同、水动力状况相似，计算得到的参数应用于河流水处理技术模拟是合理可靠的。

一级动力学反应方程，即C＝C0e-Kt，式中：t为反应时间，d；K为氨氮降解系数，1/d；c为t时刻测定的污染物浓度，mg/L；C0为污染物的初始浓度，mg/L。由式可得降解系数K＝t-1lnC0/C。根据初始浓度与测定结果浓度比值的自然对数与时间(天)线性回归，得到降解方程，斜率为降解系数。

4)在不同河段设置不同技术的降解系数，代表模拟不同的水处理技术。将河流划分为3个河段，把各水处理技术的降解系数输入水质模型中对应河段，代表模拟各种不同的组合方案。挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳可排列组合为6种水质改善方案。根据现场实验得到的降解系数设定各河段主要水质参数，采用SWMM模型模拟6种水质改善方案分别在河流中的实施。

SWMM模型是美国环保局研发的SWMM系列水质模型的最新版本，是一个综合性、多样化的河流水质模型，适用于模拟完全混合的枝状河流水质。该模型可用于模拟流域枝状河网，它既可以用作为稳态模型，也可以用作为时变的动态模型。

5)由模拟结果计算得出各种方案对主要水质指标的负荷削减率，选取BOD、NH3-N、NO3-N、有机氮、有机磷、无机磷主要水质指标建立水质改善方案效果评估指标体系，然后采用比率标度法计算得出各水质因子的权重系数，最后通过层次分析法综合评价选取最优水质改善方案。

层次分析法是用系统分析的方法，对评价对象依评价目的所确定的总评价目标进行连续性分解，得到各级(各层)评价目标，并以最下层指标作为衡量目标达到程度的评价指标。然后依据这些指标计算出一个综合评分指数对评价对象的总评价目标进行评价，依其大小来确定评价对象的优劣等级。

比率标度法主要用于人们估计事物的质量区别，一般可以用5种判别很好地表示出来，当需要更高的精度时，还可以在相临判别之间做出比较，从而形成9种判别，用数量表示就是9个标度(参见表1)。

表1标度及其含义为：

根据比率标度法，得到各种指标的成对比较判断优选矩阵，按公式(1)计算初始权重系数。

<math><mrow><msubsup><mi>W</mi><mi>i</mi><mo>&prime；</mo></msubsup><mo>＝</mo><mroot><mrow><msub><mi>a</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow></msub><msub><mi>a</mi><mrow><mi>i</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><msub><mi>a</mi><mi>im</mi></msub></mrow><mi>m</mi></mroot><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></math>

按公式(2)计算归一化权重系数。

<math><mrow><msub><mi>W</mi><mi>i</mi></msub><mo>＝</mo><msubsup><mi>W</mi><mi>i</mi><mo>&prime；</mo></msubsup><mo>/</mo><munderover><mi>&Sigma；</mi><mrow><mi>i</mi><mo>＝</mo><mn>1</mn></mrow><mi>m</mi></munderover><msubsup><mi>W</mi><mi>i</mi><mo>&prime；</mo></msubsup><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></math>

将公式(2)计算得到的权重系数，代入Ai＝W1R1+W2R2+...+WmRm(i＝1，2......24，m＝1，2......)，得到各方案的负荷削减效果综合评价指数值。其中：Ai为第i个方案负荷削减效果综合评价指数值，m为水质因子个数，R为子各水质因子去除率，W为各水质因子权重系数。

以太湖流域河网地区红旗河为例，应用本发明方法进行了水质改善方案的优化选择。红旗河位于武进区洛阳镇，西起马弛站浜，东入武进港，全长1.68km，河宽平均16m，河深平均1.68m，水流缓慢。应用SWMM模型，模拟红旗河的水动力与水质进行参数校验。

实验设计见图2。在红旗河岸边，采用挺水植物浮床、采用沉水植物沉床、生物绳分别对河水进行处理。实验在长60cm、宽40cm、高50cm的水缸中进行，设计的水深40cm，出流流量使每个装置的水力停留时间是1天。首先用水泵将河水抽入初沉池，沉淀一天，然后流入挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三个实验装置中。挺水植物床种植美人蕉，植株高度范围在20-30cm，设置横纵间隔均为15cm左右，采用真空塑料水面浮床固定于竹制框架上，在水箱中种植12株美人蕉。沉水植物床种植金鱼藻0.6kg，使用塑料筛固定于水箱中。生物绳采用日本TBR株式会社研发的PP+K-45型，生物绳上下两端固定在竹制框架上，设置横纵间隔均为10cm，在水箱中安装长度0.4m的生物绳24根，生物绳设置好后，将竹制框架放置于水箱中。

通过实验监测的进水浓度和出水浓度，采用一级动力学反应方程计算得到各水处理技术的主要水质降解系数，包括BOD氧化速率、氨氮硝化速率、硝氮反消化速率、有机氮水解速率、有机磷水解速率、无机磷吸收速率。由挺水植物浮床、采用沉水植物沉床、生物绳三种技术排列组合为六种方案，见表2所示。

表2三种技术组合的水质改善方案

将河流分划分为上游、中游、下游三段，每段0.5km。根据现场实验得到的降解系数设定各河段主要水质参数，主要降解系数分别为BOD氧化速率、氨氮硝化速率、硝氮反硝化速率、有机氮水解速率、有机磷水解速率、无机磷吸收速率。采用SWMM模拟六种水质改善方案，得到各方案的水质指标出水浓度。根据水质改善方案模拟结果与河流末端出水浓度，计算得到各方案主要水质因子的削减率见表3所示。

表3各方案末段出水主要水质因子的削减率

选取BOD、NH3-N、NO3-N、有机氮、有机磷、无机磷6个水质指标建立水质改善方案效果评估指标体系。采用比率标度法，计算得到BOD、NH3-N、NO3-N、有机氮、有机磷、无机磷的权重系数分别为0.23、0.32、0.10、0.15、0.09、0.11。

将权重系数代入Ai＝W1R1+W2R2+...+WmRm得到方案①、②、③、④、⑤、⑥的负荷削减效果评价指数值分别为0.41，0.40，0.38，0.36，0.37，0.38，六种方案对红旗河的处理效果由强到弱依次为：①、②、③、⑥、⑤、④。方案①依次设计生物绳、挺水植物浮床、沉水植物沉床对红旗河负荷削减效果最佳。而且由①、②处理效果均较强可知，上游设置生物绳技术处理效果较好。

本发明为确定SWMM污染物冲刷模型中地表径流污染物浓度W提供一种便利有效的方法，为确定SWMM污染物冲刷模型中参数S1和S2提供基础数据，为研究当地污染物径流污染特性及确定径流污染物处理设施规模提供依据。

SWMM模型中指数冲刷模型由下式表达：

式中：B为单位面积污染物沉积量(kg/104m2)；W为地表径流污染物浓度(mg/L)；S1为冲刷系数；S2为冲刷指数；q为单位面积径流量(mm/h)。

地表径流污染物浓度W由地表沉积物和受大气污染的天然降雨污染物组成的，通过采样装置获取相同下垫面地表径流水样，根据需要在相同间隔时间段Δt(单位min)下获取不同时间段的地表径流水样并检测其污染物浓度，从而获得不同时间段下的地表径流污染物浓度值；接着根据累积降雨量得到的单位面积径流量对各时段的污染物浓度进行加权平均，得到整场降雨中的平均值，求得污染物的均值浓度，从而获得SWMM水质模型中地表径流污染物浓度W。

(一)地表径流污染物采集及检测方法

地表径流污染物的采集采用已有的自动雨水径流收集器，根据自动雨水径流收集器(见图1)的设计原理，按水质监测方案要求的时间间隔放、取水样，当有一个集水器进水时，则开始计时，其它集水器以此时划分时间间段点，当地表径流收集时间到达规定的间断时间点时放空集水器，将水样引入样品瓶，并贴好标签，对于不到取样时间间隔点时，集水瓶中水面已接近瓶顶，应放水至样品瓶，并记录放水时间，贴好标签，作为加测水样，或作为弃水处理，这样可防止雨水流入空气缓冲瓶，同时也可保证集水瓶中的水样是刚从取样点抽取的最新水样。但在确定的时间间隔点仍要放空所有集水器中的集水,以保证在规定的时间间隔点有采集水样。取水样和弃水时，可手动开启和关闭通气阀和放水阀，将水样放入样品瓶或弃水瓶。

(1)降雨前将雨水传感器的湿度检测探头放置在户外同时将其固定住，防止受到风雨的作用倾斜或倒塌。

(2)将室外取样器放置到位，接着铺好室外输水导管，保证输水通畅，没有折弯死角。

(3)关闭好各放水阀和通气阀，打开抽真空阀。

(4)开启电源及单片机处理器的电源插头。

(5)观察单片机处理器上的屏幕显示器，注意降雨开始记录时间。

(6)观察并记录各室内集水瓶的出流时间。

(7)降雨结束后传感器信号断开，约60s后真空泵自动关闭。此时单片机的显示屏的显示时间即为降雨历时。

(二)污染物检测及数据处理方法

根据中国环境出版社出版的《水和废水监测分析方法》(第四版)采用国标分析方法对目标地表径流污染物进行检测。

根据降雨间隔时间下地表径流水样，经检测获取各时段下的污染物浓度值Wi(i＝1，2，3，…，n；n表示第n次收集样品的编号)。

将自己雨量计得到的整场降雨的累积降雨量转化为降雨强度-时间曲线，其中降雨强度单位为mm/h、时间单位为min，将得到的降雨强度过程线运用水文学原理等流时线法演算得到研究区域出水口的出流流量过程线(流量-时间曲线，其中流量单位为m3/s、时间单位为min)，利用数学积分法结合出水口流量过程线求出每个取样间隔内的流量Qi′(单位m3)，单位面积径流量

式中：Qi为第i个时间间隔内单位面积径流量，mm/h；Qi′i为第i个时间间隔内的流量，m3；A为研究区域的面积，m2；Δt为取样时间间隔，min。

为了获知整场降雨中地表径流污染物的平均浓度，通过EMC法获得W，即场次降雨径流中污染物浓度的加权平均值，即：

式中：W为整场降雨中地表径流污染物浓度(mg/L)；Wi径流过程中单一污染物第i个时间间隔内的浓度，mg/L；Qi为第i个时间间隔内单位面积径流量，mm/h。

具体实施方式：

(1)选定研究区域

选定一块独立的研究区域，在降雨期间该研究区域内地表径流不受外界影响，结合所选研究区域地形资料确定研究区域在降雨期间地表径流的出水口，并标记出水口位置。测量所选区域面积A(单位m2)。

(2)自动雨水径流采样装置的布置

降雨前将自动雨水径流采样装置的采样器固定在所选研究区域出水口位置并固定，检查自动雨水径流采样装置各部分功能保证装置能正常运行。

(3)雨量计布置

将自计雨量计布置在选定的研究区域内。

(4)地表径流水样的采集

降雨开始后，根据自动雨水径流采样装置的操作要求按照相同的时间间隔进行采样，直至所选研究区域内不再产生地表径流，并对所采集水样进行编号。

(5)地表径流水样的检测

根据中国环境出版社出版的《水和废水监测分析方法》(第四版)采用国标分析方法对目标地表径流污染物进行检测。经检测获取各时段下的污染物浓度值Wi(i＝1，2，3，…，n；n表示第n次收集样品的编号)。

(6)计算单位面积径流量Qi

将自己雨量计得到的整场降雨的累积降雨量转化为降雨强度-时间曲线，其中降雨强度单位为mm/h、时间单位为min，将得到的降雨强度过程线运用水文学原理等流时线法演算得到研究区域出水口的出流流量过程线(流量-时间曲线，其中流量单位为m3/s、时间单位为min)，利用数学积分法结合出水口流量过程线求出每个取样间隔内的流量Qi′(单位m3)，单位面积径流量。

(7)计算整场降雨中地表径流污染物浓度W

为了获知整场降雨中地表径流污染物的平均浓度，通过EMC法获得W，即场次降雨径流中污染物浓度的加权平均值，即：

本发明的优势：

1.采用本发明所述的方法，能够直接获取SWMM水质模型中地表径流污染物浓度W，为SWMM水质模型的构建提供依据，同时为确定地表径流污染物处理设施规模提供依据。

2.本专利为SWMM污染物冲刷模型中参数S1、S2的确定提供基础资料。

3.本专利所述方法具有可操作性，只需借助现有设备即可完成，操作简易，容易实现，保证了本专利的可实施性。

效果说明：

以校园道路污染物SS为例说明：

表4污染物SS检测数据

则地表径流污染物浓度：

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种分散点源治理的水质改善方法，其特征在于，包括：步骤(1)应用SWMM模型模拟分散点水源的动力与水质，对模型参数进行校准与验证；步骤(2)在河流岸边采用挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种水处理技术分别处理河水：步骤(3)通过水处理现场实验数据，计算得出挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种水处理技术的降解系数；步骤(4)由挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种技术排列组合为六种水质改善方案，采用现场实验得到的降解系数，通过SWMM模型模拟六种不同的水处理技术组合方案；步骤(5)计算各种方案末端出水的负荷削减率，采用层次分析法综合评价选取最优组合方案。

2.根据权利要求1所述一种分散点源治理的水质改善方法，其特征在于，将水处理技术现场实验得到的降解系数输入水质模型，采用SWMM模型模拟水质改善方案。

3.根据权利要求2所述一种分散点源治理的水质改善方法，其特征在于，沉水植物沉床、挺水植物浮床、生物绳三种水处理技术的降解系数通过现场实验实测数据计算获得。

4.根据权利要求3所述一种分散点源治理的水质改善方法，其特征在于，

上述步骤(1)-(5)具体优选步骤如下：

(1)通过实地调查与资料收集，获取河流模拟所需的水动力水质数据，包括流量、流速、河宽、河深、生化需氧量(BOD)、氨氮(NH3-N)、硝氮(NO3-N)、总氮(TN)、无机磷、总磷(TP)；应用QUAL2K模型对河流的水动力与水质进行模拟，并与实测数据进行对比分析，进行河流水质模型参数的校准与验证；

(2)在河流岸边采用挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种水处理技术分别处理河水；实验装置采用有机玻璃水箱，实验安排在气温变化不大、植物生长旺盛、微生物增殖较快的春夏季节；挺水植物采用真空塑料水面浮床种植于有机玻璃水箱，沉水植物使用塑料筛固定于水箱中，生物绳横纵间隔一定距离悬挂并固定在水箱中；通过恒流泵控制实验装置中的水流流量，使流速与河流平均流速相同，采样后现场对每个技术单元进、出水水质进行监测；

3)通过水处理现场实验，得到3种技术对BOD、NH3-N、NO3-N、有机氮、有机磷、无机磷的处理结果数据，采用一级动力学反应方程计算得出各水处理技术对污水处理厂尾水中主要水质指标的降解系数，包括BOD氧化速率、氨氮硝化速率、硝氮反消化速率、有机氮水解速率、有机磷水解速率、无机磷吸收速率；由于实验用水为河流现场取水，实验设计流速与河流流速一致，因此水质状况相同、水动力状况相似，计算得到的参数应用于河流水处理技术模拟是合理可靠的；

一级动力学反应方程，即C＝C0e-Kt，式中：t为反应时间，d；K为氨氮降解系数，1/d；c为t时刻测定的污染物浓度，mg/L；C0为污染物的初始浓度，mg/L；由式可得降解系数K＝t-1lnC0/C；根据初始浓度与测定结果浓度比值的自然对数与时间(天)线性回归，得到降解方程，斜率为降解系数；

4)在不同河段设置不同技术的降解系数，代表模拟不同的水处理技术；将河流划分为3个河段，把各水处理技术的降解系数输入水质模型中对应河段，代表模拟各种不同的组合方案；挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳可排列组合为6种水质改善方案；根据现场实验得到的降解系数设定各河段主要水质参数，采用SWMM模型模拟6种水质改善方案分别在河流中的实施；

SWMM模型是美国环保局研发的SWMM系列水质模型的最新版本，是一个综合性、多样化的河流水质模型，适用于模拟完全混合的枝状河流水质；该模型可用于模拟流域枝状河网，它既可以用作为稳态模型，也可以用作为时变的动态模型；

5)由模拟结果计算得出各种方案对主要水质指标的负荷削减率，选取BOD、NH3-N、NO3-N、有机氮、有机磷、无机磷主要水质指标建立水质改善方案效果评估指标体系，然后采用比率标度法计算得出各水质因子的权重系数，最后通过层次分析法综合评价选取最优水质改善方案。