环境系统工程课程设计.docx

目录一、概述 1.1、目的和要求 1.2、设计任务 1.3、设计内容、步骤和方法 1.4、设计成果二、设计原始资料 2.1、河流概况 2.2、河流沿岸污染源情况 2.3、河流断面监测数值三、设计内容 3.1、河流污染状况评价 3.2、环境水质模型以及相关参数确定 3.3、环境容量以及允许排放量确定 3.4、某一支流的污染源优化 3.5、某一工厂的污水处理工艺四、参考资料一、概述1.1、目的和要求环境系统工程是环境工程专业重要主干课程之一。通过课程设计，使学生进一步巩固和加深课程理论知识，并能结合具体的环境系统问题，进行系统解决方案的优化。通过课程设计的综合训练，提高学生利用系统工程方法解决实际问题的能力，特别是：1、环境系统工程设计的基本方法、步骤，技术资料的查找与应用；2、环境系统模型的建立过程与建立方法；3、利用计算机编程节能型环境系统模型参数进行求解、模型的灵敏度分析等；4、环境问题解决方案的优化方法；5、综合运用本课程及其有关课程的理论知识解决工程中的实际问题；6、熟悉、贯彻国家环境保护法规及其它有关政策。1.2、设计任务题目：某河流污染物排放总量控制规划根据设计原始资料（见附录），设计河流城区段水环境的污染物总量控制及污染物消减方案，并编制规划方案说明书。1.3、设计内容、步骤和方法(1)通过对该河流的自然特征、水文特征以及水质调查分析的基础上，对该河流的污染状况进行评价，确定该河段的主要污染问题及主要污染因子。(2)根据河流的水文特征，建立适宜的环境水质模型，估算模型中的参数，并对模型进行检验。在此基础上，建立环境容量模型，计算该河流的环境容量、允许排放量，并合理分配到各个污染源。(3)选定某一支流，按照其允许排放量，合理分配到支流的各个污染源，并根据各个污染源的水质、水量情况，优化设计各个污染源污染物的消减工艺。(4)选择一个工厂，就其污染类型的治理方式进行综述。为所选工厂设计污水处理工艺，绘制工艺流程图，并说明每个构筑物的作用及处理能力，证实该工艺设计可满足要求。1.4设计成果污染物总量控制规划方案说明书一份。注意应充分利用算式、表格等方式说明问题和表达计算过程和结果。说明书要求用A4纸张，左边装订，使用规范汉字及通用的单位和符号，要求文字通顺，条理简洁明了，逻辑性强，字迹清楚，书写整齐。二、设计原始资料2.1、河流概况A市为一半干旱地区工业城市，降水量较少，地标径流流量也较小。本河为穿过A市的一条重要河流，执行地表水类水标准，河流的城区段沿岸有三个大型工厂，工厂的废水直接排入到河流当中，虽然厂内有污水处理设施，但是由于工艺过于陈旧，排放的废水污染依然很严重。河流在城区段还有五条支流，但随着经济的发展和气候变化，这五条支流已经被用作为支流周围工厂的排污渠，失去水功能区划的作用。河流城区段概况如图1所示。A市在本河城区段内共设有9个监测断面，并采取断面为城区河流出水的控制断面，不另设出城控制断面，河流各个河段的基本情况见表1。图1 某河流城区段概况图表1 河流各个河段的基本情况（断面距离指距上一断面的距离）：断面距离(m)平均流速(m/s)输入流量(m3/s)入水断面0.653支流一21000.680.2支流二18000.70.31排污口20000.840.19支流三12000.530.43排污口21000.660.22排污口30000.670.1支流四35000.570.1支流五43000.590.12.2、河流沿岸污染源情况河流沿岸的沿程污染排放情况如表2和表3所示表2河流城区段污染源调查表河流城区段污染源调查表排污口污水流量（104t/a）CODcr（t/a）BOD5（t/a）NH3-N（t/a）支流一630.72466.80166.32126.96支流二977.62733.99229.54334.44排污口599.18723.2864.53103.96支流三1356.051494.23526.15414.54排污口693.79728.55129.39254.97排污口315.36431.22169.35126.30支流四315.36730.82321.67150.24支流五315.36398.30154.21258.60合计5203.445707.181761.161770.01表3河流城区段各支流及排放口水质概况河流城区段各支流及排放口水质概况（年均值）排污口流量（m3/s）CODcr（mg/L）BOD5（mg/L）NH3-N（mg/L）DO（mg/L）硫化物（mg/L）支流一0.274.0126.3720.131.232.29支流二0.3175.0823.4834.211.351.48排污口0.19120.7110.7717.351.952.12支流三0.43110.1938.830.570.683.06排污口0.22105.0118.6536.752.062.28排污口0.1136.7453.740.050.142.87支流四0.1231.7410247.640.183.25支流五0.1126.348.9822.962.16注：支流一至支流五为河流的五条退化为排污渠的主要支流，排污口为河流沿岸三个大型工厂的排污口。2.3、河流断面监测数值在河流的五条支流及三个排污口的附近，按照环境监测方法的基本要求，设置监测断面，对河流的污染情况进行监测，监测主要指标和数值见表4（单位均为mg/L）：表4 各监测断面的水质情况分析表CODcr氨氮BOD5DO硫化物起始断面83.581431.231.151.2支流一8013.9261.952支流二7715.3311.81.9排污口7614.9281.91.75支流三78.516.32720.8排污口76.616.6223.80.28排污口7416.2242.90.29支流四73.615.9252.60.3支流五6916233.40.29三、设计内容3.1、河流污染状况评价（1）、水质评价 本设计水质评价按照类水的标准进行评价，采取单项水质指数评价法。水质参数的标准指数大于1，即表明该水质参数超过了规定的水质标准，己不能满足水体功能要求。 根据地表水排放标准（GB3838-2002）规定的类水的排放标准如下表： 表5 类水各种污染物的评价标准CODcr（mg/L）氨氮（mg/L）BOD（mg/L）DO（mg/L）硫化物（mg/L）Co301.5630.51、单项污染指数计算方法如下：Pi=Ci/Coi式中：Pi-第i中污染物的单项污染指数； Ci-第i种污染物的实测浓度，mg/L； Coi-第i种污染物的评价标准，mg/L。2、溶解氧DO的评价指数：Pi=DO饱-DiDO饱-Do DiD0 Pi=10-9DiD0 DiD0式中：DO饱-实测水温条件下饱和溶解氧浓度； DO饱=468/(31.6+T)=468/(31.6+20)=9.07mg/L Do-溶解氧评价标准； Di-溶解氧实测值。根据以上的公式，进行计算。表6 各监测断面的水质情况分析表（单位：mg/L）CODcr氨氮BOD5DO硫化物排放标准301.5630.5支流一8013.9261.952支流二7715.3311.81.9排污口7614.9281.91.75支流三78.516.32720.8排污口76.616.6223.80.28排污口7416.2242.90.29支流四73.615.9252.60.3支流五6916233.40.29分别对支流一污染物按照单项水质指数评价法进行计算。计算过程如下：CODCr：Pi=CiC0=8030=2.67氨氮：Pi=CiC0=13.91.5=9.27BOD5：Pi=CiC0=266=4.33硫化物：Pi=CiC0=20.5=4DO：Pi=10-9DiD0 =10-91.953 =4.15后面的支流以及排污口参考上面的计算步骤，计算结果如下表表7 各污染因子在各河段的污染指数表Pi=Ci/CoCODcr氨氮BOD5硫化物DO支流一2.679.274.334.004.15支流二2.5710.205.173.804.6排污口2.539.934.673.504.3支流三2.6210.874.501.604排污口2.5511.073.670.560.87排污口2.4710.804.000.581.3支流四2.4510.604.170.602.2支流五2.3010.673.830.580.93由以上的表格可以可以看出：该段河流前段CODCr、BOD5、硫化物、氨氮均严重超标，导致该河段前段的DO处于氧亏曲线的较低点，DO偏低。但该河流的后端由于河流的自净能力和稀释作用等，使硫化物和DO逐渐达到标准要求。所以应该选择氨氮和BOD5作为污染物评价因子，但由于BOD5不太容易测量，故选择氮和CODCr作为污染物评价因子。3.2、环境水质模型以及相关参数确定1、选择模型对于本设计不考虑污染物的混合过程，而是假定在排污口断面瞬时完成均匀混合，那么污染物浓度仅在河流纵向上发生变化，即只在X方向上有浓度的变化。对于非持久性污染物，本设计的水质模型选定为一维水质模型。作为污染物连续点源排放得河流，忽略弥散作用，那么用以描述本设计河流污染物一维衰减规律的微分方程是：uxdCdx=-KC把dxdt=ux和dCdt=-KC代入上式得Cx,t=C0exp-Kt=C0exp-Kxux变形，污染物降解系数K（单位：s-1）K=-uxlnC(x,t)C0x式中： ux- 河流断面纵向平均流速，m/s；x-沿程距离，m； C0-x=0处河水中污染物浓度，mg/L。2、相关参数确定根据原始资料：表1 河流各个河段的基本情况（断面距离指距上一断面的距离）：断面距离(m)平均流速(m/s)输入流量(m3/s)入水断面0.653支流一21000.680.2支流二18000.70.31排污口20000.840.19支流三12000.530.43排污口21000.660.22排污口30000.670.1支流四35000.570.1支流五43000.590.1表4 各监测断面的水质情况分析表CODcr氨氮BOD5DO硫化物起始断面83.581431.231.151.2支流一8013.9261.952支流二7715.3311.81.9排污口7614.9281.91.75支流三78.516.32720.8排污口76.616.6223.80.28排污口7416.2242.90.29支流四73.615.9252.60.3支流五6916233.40.29由于表4中需要进行相关参数确定的只有CODCr和氨氮，所以对两表进行重新整合，得出下表：表8各断面检测水质及相关参数断面距离(m)平均流速(m/s)输入流量(m3/s)CODcr（mg/L）NH3-N（mg/L）入水断面0.65383.5814断面二21000.683.28013.9断面三18000.73.517715.3断面四20000.843.77614.9断面五12000.534.1378.516.3断面六21000.664.3576.616.6断面七30000.674.457416.2断面八35000.574.5573.615.9断面九43000.594.656916由于表8中所给予的CODCr和氨氮均为支流汇入后所测的断面值，估算模型参数时，得先计算支流汇入前的值。各支流以及排污口排放污染物的年均值如下表表3河流城区段各支流及排放口水质概况排污口流量（m3/s）CODcr（mg/L）NH3-N（mg/L）支流一0.274.0120.13支流二0.3175.0834.21排污口0.19120.7117.35支流三0.43110.1930.57排污口0.22105.0136.75排污口0.1136.7440.05支流四0.1231.7447.64支流五0.1126.382根据一维水质模型中的Cx=C0Q0+CtQtQx公式，可以反推出支流未汇入前的CODCr和氨氮值。以断面1、断面2为例，计算过程如下。断面1：未汇入支流前CODcr=80*3.2-74.01*0.23=80.40 未汇入支流前的氨氮=13.9*3.2-20.13*0.23=13.48断面2：未汇入支流前CODcr=77*3.51-75.08*0.313.2=77.19 未汇入支流前的氨氮=15.3*3.51-34.21*0.313.2=13.47其余断面均参考以上计算公式，可以得出下表表9 各断面的相关水质参数（相关流量单位为m/s，污染物单位为mg/L）总流量支流流量干流流量COD（断面测量值）氨氮（断面测量值）COD（污染源排放年均值）氨氮（污染源排放年均值）COD（未合流前干流的值）氨氮（未合流前干流的值）断面1383.5814断面23.20.238013.974.0120.1380.40 13.48 断面33.510.313.27715.375.0834.2177.19 13.47 断面43.70.193.517614.9120.7117.3573.58 14.77 断面54.130.433.778.516.3110.1930.5774.82 14.64 断面64.350.224.1376.616.6105.0136.7575.09 15.53 断面74.450.14.357416.2136.7440.0572.56 15.65 断面84.550.14.4573.615.9231.7447.6470.05 15.19 断面94.650.14.556916126.38267.74 14.55 按照污染物降解系数K（单位：s-1）K=-uxlnC(x,t)C0x式中： ux- 河流断面纵向平均流速，m/s；x-沿程距离，m； C0-x=0处河水中污染物浓度，mg/L。进行相关模型参数的计算。断面1断面2的CODcr和氨氮降解系数计算：KCODcr=-uxlnC(x,t)C0x=-864000.65ln80.4083.582100=1.04(d-1）K氨氮=-uxlnC(x,t)C0x=-864000.65ln13.48142100=1.00(d-1)断面2断面3的CODcr和氨氮降解系数计算： KCODcr=-uxlnC(x,t)C0x=-864000.68ln77.19801800=1.17(d-1） KCODcr=-uxlnC(x,t)C0x=-864000.68ln13.4713.91800=1.03(d-1）其余断面均按照以上的计算步骤计算，计算结果如下表表10 一维水质模型的相关参数COD（断面测量值）（mg/L）氨氮（断面测量值）（mg/L）COD（未合流前干流的值）（mg/L）氨氮（未合流前干流的值）（mg/L）流速(m/s)断面距离(m)KCOD（d-1）K氨氮(d-1）断面183.58140.65断面1-28013.980.40 13.48 0.6821001.04 1.00 断面2-37715.377.19 13.47 0.718001.17 1.03 断面3-47614.973.58 14.77 0.8420001.37 1.07 断面4-578.516.374.82 14.64 0.5312000.95 1.06 断面5-676.616.675.09 15.53 0.6621000.97 1.06 断面6-77416.272.56 15.65 0.6730001.03 1.12 断面7-873.615.970.05 15.19 0.5735000.91 1.07 断面8-9691667.74 14.55 0.5943000.95 1.02 取各段的污染物降解系数的平均值作为该河流的污染物降解系数，所以，该段河流的CODcr的降解系数为 KCODcr=1.04+1.17+1.37+0.95+0.97+1.03+0.91+0.958=1.05（d-1）=1.22*10-5S-1K氨氮=1.00+1.03+1.07+1.06+1.06+1.12+1.07+1.028=1.05（d-1）=1.22*10-5S-1所以该段河流污染物降解的环境水质模型为Cx,t=C0exp-Kt=C0exp-1.22*10-5xux对该水质模型进行检验。检验结果如下表：表11 水质模型检验表COD（未合流前干流的值）氨氮（未合流前干流的值）COD模型计算值氨氮模型计算值80.40 13.48 80.35 13.46 77.19 13.47 77.46 13.46 73.58 14.77 74.36 14.78 74.82 14.64 74.69 14.64 75.09 15.53 74.80 15.53 72.56 15.65 72.47 15.70 70.05 15.19 69.43 15.20 67.74 14.55 67.13 14.50 由检验结果可以看出，污染物的降解模型误差极小，因此模型以及其参数使用正确。即段河流污染物降解的环境水质模型为Cx,t=C0exp-Kt=C0exp-1.22*10-5xux式中：ux- 河流断面纵向平均流速，m/s；x-沿程距离，m； C0-前一断面处河水中污染物浓度，mg/L。3.3、环境容纳量以及允许排放量确定 1、确定模型 由于需要降解的有机物基本上都属于易降解有机物，同时该段河流具有多个污染源进入口，所以，选择如下的环境容纳量模型：Qi-1Ci-1e-Ki-1ti-1+qipi=QiCi其中流量平衡方程为Qi-1+qi=Qi式中，Qi，Ci-第i段河流的流量和水质标准； qi，pi-第i个排污口的排污流量和污染物浓度； Ki，ti-分别是降解系数和水流从上断面到下断面的时间。令Ci=C0i(第i段的水质标准)，Ci-1=C0i-1得：第i段的环境容量EiEi=C0iQi-1+qi-C0i-1Qi-1e-Ki-1ti-1该模型考虑了当不同功能区段水质变化时，上一功能区段的水质标准会影响下一功能区段的环境容量值，若水质标准由高到低时，模型计算的水环境容量会出现负值。该模型从系统的角度考虑，实际计算出的是可利用水环境容量，它在上下段水质发生变化、排污口较多时应用比较方便。图1 河流水环境容量模2、设计计算 参考确定的环境容量模型，对各河段的环境容纳量进行计算。以断面1断面2和断面2-断面3的环境容量计算为例，计算过程如下：断面1断面2：CODcr的环境容纳量： Ei=（303.2-303e-1.0424360021000.65）=9.42g/s=297.23t/a氨氮的环境容纳量： Ei=1.53.2-1.53e-1.0024360021000.65=0.47g/s=14.68t/a断面2断面3： CODcr的环境容纳量:Ei=（303.51-303.2e-1.1724360018000.68） =12.68g/s=399.78t/a 氨氮的环境容纳量：Ei=（303.51-303.2e-1.0324360018000.68）=0.61g/s=19.37t/a其余断面的计过程按照以上的步骤，计算结果如下表：表12 各河段的环境容量CODcr氨氮Co（mg/L）断面距离（m）环境容纳量（t/a）Co（mg/L）断面距离（m）环境容纳量（t/a）断面1-2302100297.231.5210014.68断面2-3301800399.781.5180019.37断面3-4302000327.261.5200014.77断面4-5301200461.301.5120023.38断面5-6302100378.041.5210019.68断面6-7303000311.791.5300016.49断面7-8303500319.541.5350017.90断面8-9304300437.301.5430023.01通过环境容纳量的确定，可以对各个污染源进行优化，消减其排放量，各个污染物的消减量如下表：表13 各个污染源的污染物消减量（单位t/a）CODcr氨氮年平均排放量环境容纳量需要消减量年平均排放量环境容纳量需要消减量支流一466.80297.23169.57126.9614.68112.28支流二733.99399.78334.21334.4419.37315.07排污口723.28327.26396.02103.9614.7789.19支流三1494.23461.301032.93414.5423.38391.16排污口728.55378.04350.51254.9719.68235.29排污口431.22311.79119.43126.3016.49109.81支流四730.82319.54411.28150.2417.90132.34支流五398.30437.30-39.00258.6023.01235.593.4、某一支流的污染源优化支流三为该河流城区段一条流量较大的支流，其河流流量为0.37m3/s，上游水体的基本情况为类水体。在该河流下游靠近干流的区域有三家企业，依次为啤酒厂，印染厂，焦化厂。其原有污染物处理工艺的处理效果远远不能达到要求，使得处于工业区的水体长期处于污染之中，已经失去其原有水体区划功能，仅仅作为排污渠使用，其自身降解能力忽略不计。三厂的基本状况如下表所示支流三排污企业污水水质流量（m3/d）CODcr（mg/L）BOD5（mg/L）NH3-N（mg/L）SS(mg/L)啤酒厂1200400025002401800印染厂260080020030200焦化厂15003100400500330现在，需要根据上面所计算出的支流三的排污段的河流环境允许排放容量，根据三厂的排放情况，合理分配环境容量。根据以上的资料，由表13可以得出，支流三的CODcr环境容纳量为461.30t/a，氨氮的环境容纳量为23.38t/a。需要进行的消减量为CODcr为1032.93t/a，氨氮的为391.16t/a。考虑实际情况，对该支流设有30%的预留容量，则允许排放量为： CODcr=461.30（1-30%）=322.91 t/a，NH3-N=23.38（1-30%）=16.36t/a。实行总量控制，所以对应的各个企业的污染物排放进行消减，对允许排放量的分配按各自污染物在总量中的权重进行分配：啤酒厂的允许排放量：CODcr：322.914000/(4000+800+3100)=163.50t/a 氨氮：16.36240/(240+30+500)=5.10t/a印染厂的允许排放量：CODcr：322.91800/(4000+800+3100)=32.70t/a 氨氮：16.3630/(240+30+500)=0.64t/a焦化厂的允许排放量：CODcr：322.913100/(4000+800+3100)=126.71t/a 氨氮：16.36500/(240+30+500)=10.62t/a各个企业的污染物排放量如下：啤酒厂的污染物排放量：CODcr：1200*4000*365*1