基于模糊数学的沼气净化池应用效果评价

基于模糊数学的沼气净化池应用效果评价

随着经济的发展和城市化规模的扩大，生活废水的排放也在增加。生活废水中含有大量的污染物，如酒精、蛋白质、氨等。例如，人类疾病、细菌、病毒和其他致病性微生物。如果处理好后大量流入河流和水系，这将对人类生活产生重大影响。不同的污水处理技术主要分为物理法和生物法。生物法是世界上最流行的生物法技术，主要包括传统的生物废水处理方法、ab法、氧化沟法、sdr及其变形法、空气滤池法、稳定性池和土壤处理法。污水处理厂是城市的主要污水处理设施，负责大部分处理负荷。然而，在中国，由于许多城市的环保资金匮乏，许多污水处理厂无法维持正常运行。同时，在生活污水处理厂的初期，中国的许多城市也采用了传统的废水处理厂，效果非常有限。因此，考虑到减少废水处理所需的废水处理负荷，可以从生活污水处理厂的第一阶段开始，通过改善和改变废水处理池进行。沼气净化池作为化粪池的替代工艺,在我国南方地区的许多中小城镇已经有了广泛的应用,并取得了良好的环境效益和经济效益.但是在大中城市的污水处理中,并没有得到足够的重视和应用.浙江省金华市自20世纪90年代初开始在生态厕所工程中使用沼气净化池替代化粪池,至今已在全市范围内推广了沼气净化池技术,并形成了一套独特的管理机制,取得了巨大的社会经济效益,使金华市在全国生态城市的建设当中处于领先地位.本文以金华市沼气净化池为研究对象,对其多项出水指标进行分析、评价,并提出相关改进建议.1材料和方法1.1沼气净化池.《生活污水》1991年金华市生态厕所开始使用沼气净化池工艺,至2005年12月金华市区共有沼气净化池4515座,池容111409.6m3,年产沼气6099677m3,相当于7314t的标准煤.金华市沼气净化池采用厌氧发酵和生物滤池综合处理系统,由预处理池(沉淀池)、沼气发酵主池、生物过滤池组成.其主要结构流程参见图1.由于生活污水的浓度普遍较高,金华市沼气净化池都采用二级以上的厌氧发酵池和生物滤池系统.金华市生态厕所研究所自1993年在金华市推广沼气净化池通用施工图至今,针对不同类型的建筑物,根据其使用人数及生活污水的规模和特点,已经开发出了多种类型的沼气净化池,主要有:(1)自流溢流分离式圆筒形沼气净化池;(2)互压式条形沼气净化池;(3)溢流分离式矩形沼气净化池;(4)拱形连通式沼气净化池;(5)被动循环式沼气净化池等等.1.2研究项目与方法根据污水监测采样技术规范,在金华女子监狱(自流溢流分离式圆筒形沼气净化池),金华15中(互压式条形沼气净化池),新世纪宿舍(溢流分离式矩形沼气净化池)和办公楼(拱形连通式沼气净化池),金华运管处(被动循环式沼气净化池)的沼气净化池出水口共五个地点平行采样,于2004年5月～2005年5月每月1日和15日分别取样,共计24次.主要监测项目为BOD5,CODCr,SS和NH3-N,测定方法参照水和废水监测分析方法进行,即BOD5用稀释与接种法,CODCr用重铬酸钾法,SS用重量法,NH3-N用纳氏试剂法.1.3模糊数学法评价由于水质状况是一个模糊概念,在进行水质的综合测评时很难给出确切的表达.而模糊综合评价就是由给出的评价标准和实测值,经过模糊变换,对评价对象给出总评价的一种方法.此次研究即采用模糊数学评价方法.2分析与评价结果2.1数据筛选整理全年各项数据,求得各指标的平均值.2.2数据分析2.2.1评估标准的选择采用国家污水综合排放标准为评价标准(1997年12月31日之前建设的单位),见表2.2.2.2各因素集u的确定由于评判标准分为3个等级,则评判集合V={1级,2级,3级}由于影响各项指标的综合值的因素是所选择的5个不同工艺的净化池,确定评价因素集U={U1U2U3U4U5}={金华女监,金华15中,新世纪宿舍,新世纪办公楼,金华运管处}2.2.3各检测点的隶属度计算根据表3各项污染物分级标准,建立各项污染物评价等级隶属函数计算式,分别为:1级隶属度y1={1xi≤Ⅰxi-ⅡⅠ-ⅡⅠ＜xi＜Ⅱ0xi≥Ⅱy1=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪1xi≤Ⅰxi−ⅡⅠ−ⅡⅠ＜xi＜Ⅱ0xi≥Ⅱ2级隶属度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级隶属度y3={1xi≥Ⅲxi-ⅡⅢ-ⅡⅡ＜xi＜Ⅲ0xi≤Ⅱy3=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪1xi≥Ⅲxi−ⅡⅢ−ⅡⅡ＜xi＜Ⅲ0xi≤Ⅱ式中:Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ分别代表评价分级标准中各项指标的标准值.将得到的各检测点各指标的年均值代入相应的公式计算,得到各指标的隶属度值,见表3.2.3指标权重的确定根据模糊数学取最大值为判断依据的原则,从表3隶属度计算结果可以看出:(1)沼气净化池各检测点的SS和CODCr指标隶属度均在各自同一分级标准内,可以直观判断SS达到污水排放一级标准,CODCr达到污水排放二级标准;(2)各检测点的BOD和NH3-N隶属度分布在不同等级上,暂不能直观评价,需进行相关权重处理后作进一步复合运算.当对多个目标进行综合模糊评价时,还要对各个目标分别加权.权重是衡量因子集中某一因子对水质污染程度影响相对大小的量,权重系数越大,则该因子对水质的影响程度越大.各指标的权重采用公式Wi=Ci/Si计算,其中Ci为实测值,Si为污染物二级标准;则BOD5的Si=60,NH3-N的Si=25.经计算并做归一化处理,结果见表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},模糊数学复合运算Bi=AoR,则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]使用同样方法可求得NH3-N的Bi=[0,0.10,0.90].根据模糊数学取最大值为判断依据的原则,BOD5的Bi最高值为0.54,因此沼气净化池出水中BOD5达到一级排放标准;NH3-N的Bi最高值为0.90,属于三级标准,但是由于该指标三级标准使用的是医药化工企业二级标准,而生活污水排放标准中该指标最低为二级,因此可以判定沼气净化池出水中NH3-N没有达到二级排放标准.3膜法水处理系统生活污水的处理效果研究结果表明,金华沼气净化池对生活污水的处理效果十分明显,在检测的出水口各项指标中,BOD5和SS均达到国家污水综合排放一级标准,CODCr达到国家污水综合排放二级标准,仅NH3-N没有达到国家二级标准.总体来说,金华市沼气净化池作为化粪池的替代工艺,对生活污水的处理取得了良好的效果,但同时也存在着明显的不足,有待于改进和优化.3.1对于生和厌氧发酵池的实验结果由于出水口中NH3-N的去除率最低,因此对沼气净化池的改进首先应当基于提高NH3-N的去除率.氨是厌氧消化的缓冲剂,具有补偿系统pH值降低的作用.NH3-N的产生和厌氧发酵池中的氨化细菌和硝化细菌有关系,有机物在这些细菌的作用下进行氨化和反硝化过程,产生的氨与发酵过程中产生的酸中和,使出水的PH保持在一个适度的水平.这一系列的过程主要发生在厌氧发酵池和生物滤池当中,金华沼气净化池一般采用多级厌氧发酵池.但同时多级的厌氧发酵池也增加了建设成本和反应的复杂程度.因此对这两个环节的研究和改进是提高出水水质的直接手段.也可从发酵池的结构、接种物、填充物以及发酵微生物的改造等方面出发,加强沼气净化池对各种污染物的去除功能,尤其是COD和氮化物等.3.2微生物的协同作用从检测结果可以看出沼气净化池对于氨氮的去除效果最差,而氨氮的去除是依靠硝化菌和亚硝化菌等微生物的作用来实现的.产气细菌和不产气细菌都具有生化产物的反馈抑制效应,但同时,又可以互为对方解除这种抑制效应.通过改进沼气净化池中硝化菌和亚硝化菌的生存环境和生长条件,包括池型设计、填料配置等,改善细菌的生存环境,促进其协同作用,以提高氨氮的去除率.3.3沼气净化池产气量沼气净化池除了有处理污水的功能,还可产生一定量的沼气作能源使用.根据金华市环保局长期监测数据,沼气净化池产沼气量约为0.15m3/(d·m3).提高沼气净化池的产气量也可增加其竞争优势.沼气是产甲烷菌、产氢菌等微生物的共同作用下产生的.利用现代生物技术,通过改变产氢菌的需光基因等手段,提高产氢菌在暗环境下的存活率;研究复合产能菌的使用,提高沼气中的可燃气体含量.另外适当补充某些专门的营养,如钾、钙、钠等形成细胞或非细胞的金属络合物所必需的大量元素,以及镍、铝、钼等微量元素,可提高若干酶系统的活性,使产气量增加.4沼气净化池的前景随着时代的进步,人们越来越关注生态环境的变化.在这样的背景下,如何建设生态城市是每个城市管理