基于模糊數(shù)學(xué)的沼氣凈化池應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

基于模糊數(shù)學(xué)的沼氣凈化池應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化規(guī)模的擴(kuò)大，生活廢水的排放也在增加。生活廢水中含有大量的污染物，如酒精、蛋白質(zhì)、氨等。例如，人類疾病、細(xì)菌、病毒和其他致病性微生物。如果處理好后大量流入河流和水系，這將對人類生活產(chǎn)生重大影響。不同的污水處理技術(shù)主要分為物理法和生物法。生物法是世界上最流行的生物法技術(shù)，主要包括傳統(tǒng)的生物廢水處理方法、ab法、氧化溝法、sdr及其變形法、空氣濾池法、穩(wěn)定性池和土壤處理法。污水處理廠是城市的主要污水處理設(shè)施，負(fù)責(zé)大部分處理負(fù)荷。然而，在中國，由于許多城市的環(huán)保資金匱乏，許多污水處理廠無法維持正常運(yùn)行。同時(shí)，在生活污水處理廠的初期，中國的許多城市也采用了傳統(tǒng)的廢水處理廠，效果非常有限。因此，考慮到減少廢水處理所需的廢水處理負(fù)荷，可以從生活污水處理廠的第一階段開始，通過改善和改變廢水處理池進(jìn)行。沼氣凈化池作為化糞池的替代工藝,在我國南方地區(qū)的許多中小城鎮(zhèn)已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用,并取得了良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益.但是在大中城市的污水處理中,并沒有得到足夠的重視和應(yīng)用.浙江省金華市自20世紀(jì)90年代初開始在生態(tài)廁所工程中使用沼氣凈化池替代化糞池,至今已在全市范圍內(nèi)推廣了沼氣凈化池技術(shù),并形成了一套獨(dú)特的管理機(jī)制,取得了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益,使金華市在全國生態(tài)城市的建設(shè)當(dāng)中處于領(lǐng)先地位.本文以金華市沼氣凈化池為研究對象,對其多項(xiàng)出水指標(biāo)進(jìn)行分析、評(píng)價(jià),并提出相關(guān)改進(jìn)建議.1材料和方法1.1沼氣凈化池.《生活污水》1991年金華市生態(tài)廁所開始使用沼氣凈化池工藝,至2005年12月金華市區(qū)共有沼氣凈化池4515座,池容111409.6m3,年產(chǎn)沼氣6099677m3,相當(dāng)于7314t的標(biāo)準(zhǔn)煤.金華市沼氣凈化池采用厭氧發(fā)酵和生物濾池綜合處理系統(tǒng),由預(yù)處理池(沉淀池)、沼氣發(fā)酵主池、生物過濾池組成.其主要結(jié)構(gòu)流程參見圖1.由于生活污水的濃度普遍較高,金華市沼氣凈化池都采用二級(jí)以上的厭氧發(fā)酵池和生物濾池系統(tǒng).金華市生態(tài)廁所研究所自1993年在金華市推廣沼氣凈化池通用施工圖至今,針對不同類型的建筑物,根據(jù)其使用人數(shù)及生活污水的規(guī)模和特點(diǎn),已經(jīng)開發(fā)出了多種類型的沼氣凈化池,主要有:(1)自流溢流分離式圓筒形沼氣凈化池;(2)互壓式條形沼氣凈化池;(3)溢流分離式矩形沼氣凈化池;(4)拱形連通式沼氣凈化池;(5)被動(dòng)循環(huán)式沼氣凈化池等等.1.2研究項(xiàng)目與方法根據(jù)污水監(jiān)測采樣技術(shù)規(guī)范,在金華女子監(jiān)獄(自流溢流分離式圓筒形沼氣凈化池),金華15中(互壓式條形沼氣凈化池),新世紀(jì)宿舍(溢流分離式矩形沼氣凈化池)和辦公樓(拱形連通式沼氣凈化池),金華運(yùn)管處(被動(dòng)循環(huán)式沼氣凈化池)的沼氣凈化池出水口共五個(gè)地點(diǎn)平行采樣,于2004年5月～2005年5月每月1日和15日分別取樣,共計(jì)24次.主要監(jiān)測項(xiàng)目為BOD5,CODCr,SS和NH3-N,測定方法參照水和廢水監(jiān)測分析方法進(jìn)行,即BOD5用稀釋與接種法,CODCr用重鉻酸鉀法,SS用重量法,NH3-N用納氏試劑法.1.3模糊數(shù)學(xué)法評(píng)價(jià)由于水質(zhì)狀況是一個(gè)模糊概念,在進(jìn)行水質(zhì)的綜合測評(píng)時(shí)很難給出確切的表達(dá).而模糊綜合評(píng)價(jià)就是由給出的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)測值,經(jīng)過模糊變換,對評(píng)價(jià)對象給出總評(píng)價(jià)的一種方法.此次研究即采用模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)方法.2分析與評(píng)價(jià)結(jié)果2.1數(shù)據(jù)篩選整理全年各項(xiàng)數(shù)據(jù),求得各指標(biāo)的平均值.2.2數(shù)據(jù)分析2.2.1評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的選擇采用國家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(1997年12月31日之前建設(shè)的單位),見表2.2.2.2各因素集u的確定由于評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)分為3個(gè)等級(jí),則評(píng)判集合V={1級(jí),2級(jí),3級(jí)}由于影響各項(xiàng)指標(biāo)的綜合值的因素是所選擇的5個(gè)不同工藝的凈化池,確定評(píng)價(jià)因素集U={U1U2U3U4U5}={金華女監(jiān),金華15中,新世紀(jì)宿舍,新世紀(jì)辦公樓,金華運(yùn)管處}2.2.3各檢測點(diǎn)的隸屬度計(jì)算根據(jù)表3各項(xiàng)污染物分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),建立各項(xiàng)污染物評(píng)價(jià)等級(jí)隸屬函數(shù)計(jì)算式,分別為:1級(jí)隸屬度y1={1xi≤Ⅰxi-ⅡⅠ-ⅡⅠ＜xi＜Ⅱ0xi≥Ⅱy1=???????1xi≤Ⅰxi?ⅡⅠ?ⅡⅠ＜xi＜Ⅱ0xi≥Ⅱ2級(jí)隸屬度y2={1xi≤Ⅱxi-ⅢⅡ-ⅢⅡ＜xi＜Ⅲxi-ⅠⅡ-ⅠⅠ＜xi＜Ⅱ0xi≥Ⅲ,xi≤Ⅰy2=???????????????1xi≤Ⅱxi?ⅢⅡ?ⅢⅡ＜xi＜Ⅲxi?ⅠⅡ?ⅠⅠ＜xi＜Ⅱ0xi≥Ⅲ,xi≤Ⅰ3級(jí)隸屬度y3={1xi≥Ⅲxi-ⅡⅢ-ⅡⅡ＜xi＜Ⅲ0xi≤Ⅱy3=???????1xi≥Ⅲxi?ⅡⅢ?ⅡⅡ＜xi＜Ⅲ0xi≤Ⅱ式中:Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ分別代表評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中各項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值.將得到的各檢測點(diǎn)各指標(biāo)的年均值代入相應(yīng)的公式計(jì)算,得到各指標(biāo)的隸屬度值,見表3.2.3指標(biāo)權(quán)重的確定根據(jù)模糊數(shù)學(xué)取最大值為判斷依據(jù)的原則,從表3隸屬度計(jì)算結(jié)果可以看出:(1)沼氣凈化池各檢測點(diǎn)的SS和CODCr指標(biāo)隸屬度均在各自同一分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi),可以直觀判斷SS達(dá)到污水排放一級(jí)標(biāo)準(zhǔn),CODCr達(dá)到污水排放二級(jí)標(biāo)準(zhǔn);(2)各檢測點(diǎn)的BOD和NH3-N隸屬度分布在不同等級(jí)上,暫不能直觀評(píng)價(jià),需進(jìn)行相關(guān)權(quán)重處理后作進(jìn)一步復(fù)合運(yùn)算.當(dāng)對多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行綜合模糊評(píng)價(jià)時(shí),還要對各個(gè)目標(biāo)分別加權(quán).權(quán)重是衡量因子集中某一因子對水質(zhì)污染程度影響相對大小的量,權(quán)重系數(shù)越大,則該因子對水質(zhì)的影響程度越大.各指標(biāo)的權(quán)重采用公式Wi=Ci/Si計(jì)算,其中Ci為實(shí)測值,Si為污染物二級(jí)標(biāo)準(zhǔn);則BOD5的Si=60,NH3-N的Si=25.經(jīng)計(jì)算并做歸一化處理,結(jié)果見表4.由此可得BOD5的Ai={0.21,0.21,0.19,0.18,0.20},NH3-N的Ai={0.11,0.20,0.25,0.24,0.20},模糊數(shù)學(xué)復(fù)合運(yùn)算Bi=AoR,則BOD5的Bi:Bi=[0.21?0.21?0.19?0.18?0.20][0.470.5300.460.5400.580.4200.630.3700.600.400]=[0.54?0.46?0]使用同樣方法可求得NH3-N的Bi=[0,0.10,0.90].根據(jù)模糊數(shù)學(xué)取最大值為判斷依據(jù)的原則,BOD5的Bi最高值為0.54,因此沼氣凈化池出水中BOD5達(dá)到一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn);NH3-N的Bi最高值為0.90,屬于三級(jí)標(biāo)準(zhǔn),但是由于該指標(biāo)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)使用的是醫(yī)藥化工企業(yè)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),而生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)中該指標(biāo)最低為二級(jí),因此可以判定沼氣凈化池出水中NH3-N沒有達(dá)到二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn).3膜法水處理系統(tǒng)生活污水的處理效果研究結(jié)果表明,金華沼氣凈化池對生活污水的處理效果十分明顯,在檢測的出水口各項(xiàng)指標(biāo)中,BOD5和SS均達(dá)到國家污水綜合排放一級(jí)標(biāo)準(zhǔn),CODCr達(dá)到國家污水綜合排放二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),僅NH3-N沒有達(dá)到國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn).總體來說,金華市沼氣凈化池作為化糞池的替代工藝,對生活污水的處理取得了良好的效果,但同時(shí)也存在著明顯的不足,有待于改進(jìn)和優(yōu)化.3.1對于生和厭氧發(fā)酵池的實(shí)驗(yàn)結(jié)果由于出水口中NH3-N的去除率最低,因此對沼氣凈化池的改進(jìn)首先應(yīng)當(dāng)基于提高NH3-N的去除率.氨是厭氧消化的緩沖劑,具有補(bǔ)償系統(tǒng)pH值降低的作用.NH3-N的產(chǎn)生和厭氧發(fā)酵池中的氨化細(xì)菌和硝化細(xì)菌有關(guān)系,有機(jī)物在這些細(xì)菌的作用下進(jìn)行氨化和反硝化過程,產(chǎn)生的氨與發(fā)酵過程中產(chǎn)生的酸中和,使出水的PH保持在一個(gè)適度的水平.這一系列的過程主要發(fā)生在厭氧發(fā)酵池和生物濾池當(dāng)中,金華沼氣凈化池一般采用多級(jí)厭氧發(fā)酵池.但同時(shí)多級(jí)的厭氧發(fā)酵池也增加了建設(shè)成本和反應(yīng)的復(fù)雜程度.因此對這兩個(gè)環(huán)節(jié)的研究和改進(jìn)是提高出水水質(zhì)的直接手段.也可從發(fā)酵池的結(jié)構(gòu)、接種物、填充物以及發(fā)酵微生物的改造等方面出發(fā),加強(qiáng)沼氣凈化池對各種污染物的去除功能,尤其是COD和氮化物等.3.2微生物的協(xié)同作用從檢測結(jié)果可以看出沼氣凈化池對于氨氮的去除效果最差,而氨氮的去除是依靠硝化菌和亞硝化菌等微生物的作用來實(shí)現(xiàn)的.產(chǎn)氣細(xì)菌和不產(chǎn)氣細(xì)菌都具有生化產(chǎn)物的反饋抑制效應(yīng),但同時(shí),又可以互為對方解除這種抑制效應(yīng).通過改進(jìn)沼氣凈化池中硝化菌和亞硝化菌的生存環(huán)境和生長條件,包括池型設(shè)計(jì)、填料配置等,改善細(xì)菌的生存環(huán)境,促進(jìn)其協(xié)同作用,以提高氨氮的去除率.3.3沼氣凈化池產(chǎn)氣量沼氣凈化池除了有處理污水的功能,還可產(chǎn)生一定量的沼氣作能源使用.根據(jù)金華市環(huán)保局長期監(jiān)測數(shù)據(jù),沼氣凈化池產(chǎn)沼氣量約為0.15m3/(d·m3).提高沼氣凈化池的產(chǎn)氣量也可增加其競爭優(yōu)勢.沼氣是產(chǎn)甲烷菌、產(chǎn)氫菌等微生物的共同作用下產(chǎn)生的.利用現(xiàn)代生物技術(shù),通過改變產(chǎn)氫菌的需光基因等手段,提高產(chǎn)氫菌在暗環(huán)境下的存活率;研究復(fù)合產(chǎn)能菌的使用,提高沼氣中的可燃?xì)怏w含量.另外適當(dāng)補(bǔ)充某些專門的營養(yǎng),如鉀、鈣、鈉等形成細(xì)胞或非細(xì)胞的金屬絡(luò)合物所必需的大量元素,以及鎳、鋁、鉬等微量元素,可提高若干酶系統(tǒng)的活性,使產(chǎn)氣量增加.4沼氣凈化池的前景隨著時(shí)代的進(jìn)步,人們越來越關(guān)注生態(tài)環(huán)境的變化.在這樣的背景下,如何建設(shè)生態(tài)城市是每個(gè)城市管理