“雙碳”背景下某醫(yī)院污水處理提標改造方案比選及仿真研究
2023-12-29 00:00:00孫平磊湯青慧
九江學院學報(自然科學版) 2023年2期
摘要：文章采用WEST軟件構(gòu)建某醫(yī)院污水處理原有工藝仿真模型，通過校正模型參數(shù)，使其能夠準確反映出該醫(yī)院的實際運行情況；以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建兩種提標改造方案模型，選取碳排放量、進出水、運行費用等指標比選兩種提標改造方案，比選結(jié)果表明：提標改造方案2的直接、間接碳排放量和總排放量均優(yōu)于提標改造方案1，提標改造方案2以節(jié)能減排為主，更加適應(yīng)“雙碳”背景下，對醫(yī)院污水改造的高標準要求，同時該提標改造方案在醫(yī)院污水進出水指標方面應(yīng)用效果較好，且符合國家污水處理的排放標準。
關(guān)鍵詞：雙碳，污水處理，提標改造，方案比選，仿真研究
中圖分類號：R197.3
文獻標識碼：A
文章編號：1674-9545（2023）02-0124-（06）
DOI：10.19717/j.cnki.jjun.2023.02.028
污水處理是利用生化反應(yīng)清理污水中的污染物，使出水水質(zhì)達到國家標準。現(xiàn)階段我國污水處理行業(yè)的碳排放量占比較大，在污水處理的不同階段會產(chǎn)生不同的溫室氣體[1-2]。其中，在硝化反硝化階段，會產(chǎn)生氧化亞氮，在能耗階段，會產(chǎn)生二氧化碳，在厭氧環(huán)節(jié)，會產(chǎn)生甲烷。以往污水處理方法是以高能耗提高水體質(zhì)量，在這個過程中，勢必排放大量溫室氣體，直接影響大氣環(huán)境。在醫(yī)院的污水中含有大量病菌，如果對醫(yī)院污水處理不當[3-4]，會導(dǎo)致病菌的傳染，直接危害人類健康。
我國將“碳中和”“碳達峰”作為社會可持續(xù)發(fā)展的目標。該目標實現(xiàn)一方面需要將低碳意識融入到人們?nèi)粘Ｉ钪?，另一方面需要每個行業(yè)在雙碳背景下，不斷更新環(huán)保技術(shù)，升級能源結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)行業(yè)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。因此，針對上述相關(guān)學者研究的醫(yī)院污水處理工藝方法局限性，研究“雙碳”背景下某醫(yī)院污水處理提標改造方案比選及仿真。通過仿真對比選取科學合理的醫(yī)院污水處理提標改造方案，減少碳排放量，實現(xiàn)污水處理行業(yè)轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展。
2某醫(yī)院污水處理工藝仿真模型構(gòu)建
2.1建立原有工藝仿真模型
2.1.1模型建立以某二級甲等綜合醫(yī)院作為研究對象，該醫(yī)院占地面積為33556平方米，現(xiàn)有床位為1500張，醫(yī)護人員共計1568人，設(shè)有臨床學科52個。服務(wù)范圍包括4個省和附近20多個城市。該醫(yī)院污水處理站興建于2017年，主要負責處理醫(yī)院的病房、各科室、生活等污水，處理規(guī)模8.1萬m3/d。在國家提倡“雙碳”背景下，因該醫(yī)院污水處理站設(shè)備落后和原有工藝設(shè)計局限性，已經(jīng)無法達到現(xiàn)在環(huán)保標準，因此需要對現(xiàn)有污水處理站進行改造，以“碳中和”“碳達峰”為目標，選取最優(yōu)醫(yī)院污水處理提標改造方案，提高醫(yī)院污水處理效率。依據(jù)醫(yī)院污水處理原有工藝運行參數(shù)，通過WEST軟件構(gòu)建仿真模型，詳見圖1。
分析圖1可知，醫(yī)院污水處理原有工藝主要包括：調(diào)節(jié)池、生物接觸氧化池、斜板沉淀池等。醫(yī)院污水處理原有工藝雖然取得一定應(yīng)用效果，但現(xiàn)階段因管道老化與設(shè)備損耗等因素[5-6]，導(dǎo)致醫(yī)院污水處理原有工藝存在很多不完善的地方，醫(yī)院污水處理過程中碳排放量占比較大，管道存在堵塞等問題，需要進行改造，以滿足“雙碳”背景下國家對醫(yī)院污水處理排放標準。
2.1.2模型校正為了將醫(yī)院污水處理仿真模型模擬值和實測值誤差降到最小，需要調(diào)整模型參數(shù)，提高仿真模型精度[7]。按照該醫(yī)院污水處理站在2021年6月-2022年6月的實際進出水量水質(zhì)信息，調(diào)整影響較大的相關(guān)參數(shù)，調(diào)整前后參數(shù)值，見表1、表2。調(diào)整后的部分出水水質(zhì)模擬值，見圖2。
分析圖2可知，出水化學需氧量、氨氮的模擬值和實測值大體趨勢相同，基本吻合，說明該醫(yī)院污水處理原有工藝仿真模型構(gòu)建成功。
2.2建立污水處理提標改造方案仿真模型
依據(jù)《醫(yī)院污水處理工程技術(shù)規(guī)范》設(shè)計進出水水質(zhì)指標，如表3所示。
“雙碳”背景下，為了對該醫(yī)院污水站實施升級改造，依據(jù)進出水水質(zhì)指標標準，從投標方案選取2個污水處理提標改造方案，并構(gòu)建仿真模型進行比選后，得出最優(yōu)污水處理提標改造方案。通過WEST軟件構(gòu)建醫(yī)院污水處理提標改造方案1仿真模型，見圖3所示。
分析圖3可知，醫(yī)院污水處理提標改造方案1新增添格柵池和水解酸化池。醫(yī)院污水流進格柵池，通過格柵池進行大顆粒漂浮物過濾后，流進調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)醫(yī)院污水水量和水質(zhì)，利用提升泵將醫(yī)院污水排進水解酸化池，投加反硝化碳源降解醫(yī)院污水中大分子有機物，通過污泥與混合液回流完成氨氮脫除。經(jīng)過水解后醫(yī)院污水流入生物接觸氧化池，采用生物填料，去除醫(yī)院污水的細菌后流進二沉池，分離水泥，污泥回流到水解酸化池，分離污水流進中間水池，經(jīng)多介質(zhì)過濾器實施過濾處理，流進消毒池進行消毒處理后，水質(zhì)達標后出水。提標改造方案1主要設(shè)備儀表參數(shù)，見表4。
由表4可知，提標改造方案1主要設(shè)備儀表參數(shù)信息，為下文比選提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過WEST軟件構(gòu)建醫(yī)院污水處理提標改造方案2仿真模型，見圖4所示。
分析圖4可知，提標改造方案2新增預(yù)消毒接觸池、格柵池、MBBR生化池等。醫(yī)院污水中特殊污水流進預(yù)消毒接觸池，利用次氯酸鈉對污水中病毒和細菌實施預(yù)消毒處理后，流入化糞池，將醫(yī)院污水中固化物進行過濾沉淀，水化物體繼續(xù)流入格柵池。通過格柵池進行大顆粒漂浮物過濾后，流進調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)醫(yī)院污水水量和水質(zhì)，在生化池里使用移動床生物膜反應(yīng)器（movingbedbiofilmneactor，MBBR），凈化醫(yī)院污水。生化處理后的醫(yī)院污水經(jīng)混凝沉淀池，加入聚合氯化鋁分離泥水，沉淀污泥回流回MBBR生化池，分離污水流進中間水池，經(jīng)多介質(zhì)過濾器實施過濾處理，流進折流消毒池添20mg/L次氯酸鈉進行消毒處理后，水質(zhì)達標后出水。提標改造方案2主要設(shè)備參數(shù)和構(gòu)筑物，見表5。
由表5可知，提標改造方案2主要設(shè)備參數(shù)和構(gòu)筑物相關(guān)信息，為下文比選提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
3污水處理提標改造方案比選
3.1碳排放量分析
在“雙碳”背景下，將污水處理提標改造方案處理每立方米污水的碳排放量作為改造方案比選評價指標。直接排放的碳排放量，二氧化氮（NO2）產(chǎn)生量公式如下：
MNO2=ABNO2×TN（1）
其中：NO2排放因子用ABNO2描述，二氧化氮（NO2）產(chǎn)生量用MNO2描述。污水總氮去除量用TN描述。
甲烷（CH4）產(chǎn)生量公式如下：
MCH4=TOW×ABCH4－W0 （2）
其中：污水有機物含量用TOW描述，年回收CH4量用W0描述，甲烷（CH4）產(chǎn)生量用MCH4描述，排放因子用ABCH4描述。
因藥耗和電耗可間接排放的碳排放量，其中藥耗產(chǎn)生碳排放表達式為：
MCO2×Y=∑Yk×ABCO2×Yk （3）
其中：藥劑k的二氧化碳排放因子用ABCO2×Yk描述，藥耗產(chǎn)生碳排放量用MCO2×Y描述，藥劑k消耗量用Yk描述。
電耗產(chǎn)生碳排放表達式為：
MCO2×E=ABCO2×E×E （4）
其中：用電量用E描述，電耗產(chǎn)生碳排放量用MCO2×E描述，電耗的二氧化碳排放因子用ABCO2×E描述。
按照兩種污水處理提標改造方案的相關(guān)參數(shù)，求解出醫(yī)院污水處理過程中，藥耗和電耗的消耗量，結(jié)果如表6所示。
分析表6可知，提標改造方案2的藥耗和電耗消耗量明顯低于提標改造方案1的藥耗和電耗消耗量，說明提標改造方案2在醫(yī)院污水處理方面具有環(huán)保節(jié)能的優(yōu)勢。按照公式（1）-（4），分別求出兩種污水處理提標改造方案的碳排放量，結(jié)果如表7所示。
分析表7可知，在該醫(yī)院污水處理的仿真實驗中，兩種提標改造方案的碳排放量存在顯著差異，提標改造方案2在直接、間接排放碳排放量和總排放量均優(yōu)于提標改造方案1，由此可知提標改造方案2以節(jié)能減排為主，更加適應(yīng)“雙碳”背景下，對醫(yī)院污水改造的高標準要求，該方案應(yīng)用性較高。
3.2進出水指標分析
為了更好地選取最佳污水處理提標改造方案，仿真模擬兩種污水處理提標改造方案實施后進出水指標情況。兩種污水處理提標改造方案在醫(yī)院污水進出水生化需氧量（BOD5）質(zhì)量濃度和去除率變化情況，如圖5所示。
（a）改造方案1的BOD5質(zhì)量濃度和去除率結(jié)果
（b）改造方案2的BOD5質(zhì)量濃度和去除率結(jié)果
圖5兩種污水處理提標改造方案的BOD5質(zhì)量濃度和去除率結(jié)果
分析圖5可知，兩種污水處理提標改造方案的進出水BOD5質(zhì)量濃度呈下降趨勢，同時進水BOD5質(zhì)量濃度下降比較明顯。改造方案2的BOD5質(zhì)量濃度和去除率結(jié)果明顯優(yōu)于改造方案1的BOD5質(zhì)量濃度和去除率結(jié)果，改造方案2的BOD5質(zhì)量濃度去除率高為90%。說明，改造方案2在醫(yī)院污水進出水生化需氧量（BOD5）質(zhì)量濃度指標方面應(yīng)用效果較好。兩種污水處理提標改造方案在醫(yī)院污水進出水化學耗氧量（CODCr）質(zhì)量濃度和去除率變化情況，如圖6所示。
（a）改造方案1的CODCr質(zhì)量濃度和去除率結(jié)果
（b）改造方案2的CODCr質(zhì)量濃度和去除率結(jié)果
圖6兩種污水處理提標改造方案的CODCr質(zhì)量濃度和去除率結(jié)果
分析圖6可知，進水CODCr曲線為上升態(tài)勢，經(jīng)過兩種污水處理提標改造方案的處理后出水CODCr質(zhì)量濃度總體呈下降趨勢。改造方案2的CODCr質(zhì)量濃度去除率比改造方案2的CODCr質(zhì)量濃度去除率高，改造方案2的CODCr質(zhì)量濃度去除率高為95%。說明，改造方案2在醫(yī)院污水進出水在醫(yī)院污水進出水化學耗氧量（CODCr）質(zhì)量濃度指標方面應(yīng)用效果較好，同時完全符合國家排放標準。
3.3運行費用分析
仿真實驗設(shè)置該醫(yī)院污水處理總量為1500m3/d，分析兩種污水處理提標改造方案的運行費用，其結(jié)果見表8。
分析表8可知，改造方案2運行費用低于改造方案1運行費用，說明污水處理提標改造方案2在醫(yī)院污水處理的經(jīng)濟成本方面具有顯著優(yōu)勢，以低成本投入獲取較高應(yīng)用價值。
4結(jié)論
現(xiàn)階段污水處理行業(yè)通過大量投放碳源和藥劑，以提高出水水質(zhì)，對生態(tài)環(huán)境造成二次污染。在“雙碳”背景下，為了提高某醫(yī)院污水處理效率，對提標改造方案比選及仿真研究，選取最優(yōu)的提標改造方案2，提標改造方案2的工藝的契合度較高，能夠在最小的改動下實現(xiàn)醫(yī)院污水處理站的提標。該方案在低碳節(jié)能基礎(chǔ)上，減少污水處理過程中的能耗和碳排放量，提高資源利用率，為早日實現(xiàn)“雙碳”目標作出貢獻。因課題組時間與精力有限，文中仍有許多不足之處，在以后實踐中逐步完善，下一步研究方向主要圍繞光伏能源技術(shù)對醫(yī)院污水處理站能源結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，提高醫(yī)院污水處理效率。
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（責任編輯 胡安娜）
