废水处理厂挑战传统设计观念的的演变,word

1、废水处理厂挑战传统设计观念的的演变摘要：对废水处理厂的传统设计和观念更新是基于超过25-40年负载参数的预测。只要，长时间内废水处理厂的环境稳定且能够预测，此种方法是足够了。然而这些条件通常是不符合要求的，正如废水处理厂的集水地域、排放需求、可利用的技术和体制可能会随着时间而改变。通过分析一座从起初规划到现在运行的废水处理厂的历史发展过程，显示出上述动态变化的复杂性和后果。我们得出的结论：废水系统的的复杂性和动态变化使得做出可靠性的预测是不能，因此，我们质疑现在的设计和升级方法。相反，我们建议通过系统的方法论，那能够考虑到未来的不确定性，如情景规划，以便来改善废水处理基础设施的规划和设计。1.

2、 概述对城市废水的专业作业通常要面对令人失望的事实，认真仔细的研究方法却不能带来期望的结果。这种原因可能会导致社会、经济和法规不可预期的改变。然而，对废水系统的长期动态变化和其重要性没有普遍存在于从业人员和决策者中。由于此种意识的缺失，系统的设计与更新，是基于对预测未来改变的假设之上。但是鉴于废水系统的运行的变化与不确定的后果，此种假设是高度不确定。同时废水系统的长期规划阶段与长期运行寿命也只会增加这一难题。在本文，我们确信，鉴于未来发展的不可预见性，废水系统结构的目前设计与更新实践是不合适的。此种不确定性源于废水系统的长期的动态变化和复杂性，同时也源于废水系统的长期规划和运行时间。此外，目前

3、的强硬的设计程序可能会阻碍未来的调整。为了证明此种观点，我们分析了一座典型的废水处理厂和其周边环境的历史发展性数据。我们强调了集水区、处理厂容量发展的污染负荷（磷、COD）与环境水平改变间的相互联系。从我们的分析结果，我们推断出我们通常处理长远不确定性的不足，并提出了了一项情景规划作为替代方案。为了能够理解废水处理厂随时间的发展，首先很有必要理解嵌入式的系统。废水处理厂是城市水系统的一部分，包括：集水区（家庭、工业、道路等）、下水道系统和除水系统。如图1所示，这些所谓城市废水系统的的分系统受着多重复杂的相互作用。此外，它们影响同时也被法律法规和社会经济等因素影响着，例如，储水、公众接受度、节水

4、措施的新法规。在社会技术系统里，多种类型的相互作用与反馈形式使得很难去理解单一行为是怎样影响整个系统(Geldof, 1995)。因此，废水处理厂的负荷动态变化和运行中的改变，只能通过考虑每一分系统与它们相互作用的发展来给予解释。为了简单考虑，我们将集水区和下水道系统作为一个分系统。2. 案例研究在此次案例研究中，我们分析了一座位于瑞士苏黎世的Werdholzli废水处理厂的历史发展况状。此座废水处理厂的的废水流入负荷相当于大约600000人，它是瑞士最大的废水处理厂。这座废水处理厂规划设计阶段起步于1972年，持续到1981年。此阶段对处理厂的消化作用和过滤性能进行了广泛的试验（Gujer,

5、 1977; Gujer andBoller, 1978）。负荷设计的全面研究于1976年展开（Zurich Civil Engineering Office, 1976），运用了可利用的信息（过去和未来的水消耗和污染浓度趋势）。进过四年的建设，处理厂于1985年运行。最初设计为两个分厂，如图2，在开始运行到现在的时间内，废水处理厂已经经历多次重要的改变，如表1。如何以及为何发生这些变化，只能依据本世纪70年代以来整个废水系统的动态审议来解释。废水系统的动态特征以其分系统和它们间的相互联系为特征。在下面的部分，我们因此将首先分析有关集水区和环境标准的重要发展。此后，我们将展示这些发展是如何影响

6、废水处理厂的。2.1 集水区的发展在废水处理厂起初规划到开始运行的期间内，集水区的特征会经历大幅的改变。而改变将持续于处理厂的运行期间。有图3可看出，从1972年起初规划开始，苏黎世经历了明显的变化：人口规模，工业数量和水消耗。在1970年到2000年间，随历史人口增加了21%（图3）。自从1998年，开始努力去改变种种负面趋势。由图3可以看出，苏黎世经历了一次就业转变，从第二部门（货物处理）转变为第三部门（服务）。此次转变是由于瑞士经济的结构性改变，开始于1960后半年段，导致一些公司关闭、搬迁、重组或外置采办。结果，苏黎世的工业至此开始减少（Bretschger and Klaus, 19

7、98）。1973年，集水区的水消耗量达到最高点（图3）。自此，由于节水措施和经济工业由转变为相关服务行业，水消耗量已经下降（苏黎世城市发展，2004）。除了这些发展，排水观念和水系统的优化措施的改变同样也对集水区产生影响：苏黎世城市的排水观念在80年代中期经历了一个重新定位。对来自城市的天然水（如雨水、小河流）的强有力排水，不再认为是可取的。只要有可能，雨水排除于下水道系统，未受污染的多余水被移除。如表2所示，自从1985年，多余水量的流入大约减少了30%，由于下水道系统的恢复，雨水的减少量期望至少是同一个数量级（AWEL, 2003）。通过增加当地的浸润，流入苏黎世相关下水道系统的雨水量有所

8、减少。到2001年，苏黎世有两座废水处理厂在运行。为减少废水处理厂的整体运行费用，Glatt在2001年9月停建，废水被重新引入到Werdholzli废水处理厂。2.2 环境标准的发展由于新的科学观点与变化的社会需求，环境标准的法规也随时间而被制定。它们直接影响着废水处理厂（例如，由于法规的改变，新性能的需要）或者是间接的影响（例如，节水技术的需要）。自从1985年，瑞士环境标准的重要改变开始施行，包括在1986年禁止使用磷酸盐洗涤剂和一项旨在减少莱茵河流域废水处理厂的总氮负荷的排出量。前者对流入的磷含量产生影响，然而后者则需要升级Werdholzli废水处理厂的硝化作用。2.3 废水处理厂的

9、发展正如前面所提到的，集水区和环境标准的发展可以对摄入负荷和处理厂的运行产生重大改变。有趣的是，这并不是单向的，随着废水处理厂的发展，也可能会导致集水区的改变，这也将对处理厂产生影响。这种反馈回路和不同相互作用，能及时导致Werdholzli废水处理厂的一些改变，概述如表3。2.3.1 环境标准变化的影响1986年磷酸盐禁令导致瑞士废水处理厂磷负荷突然减少（Siegrist and Boller, 1999）。这种减少在Werdholzli废水处理厂同样观察到。过去14年磷负荷的测定不断保持在大约0.7t/d，低于设计负荷202t/d。磷负荷量的减少导致化学磷化沉淀物的减少，大约10t TS/

10、d。这相当于一个大约12000m3（主要硝化阶段的20%）充气体积，考虑到实时运行条件和设计参数。在1985，这座处理厂分为两阶段的处理厂，包括完全充气的前阶段（8900m3）,和主硝化阶段（60000m3）。源于磷化负荷减少的污物产物的减少，使得在1989年可以去除处理厂的前阶段，因此可以节约运行成本。关于消氮的法规限制的期望引入，需要安装反硝化阶段。在1993年到1997年，通过逐步从总体活化的污物体积里分离缺氧区（如表3）。部分导致所需的氮消除，但这也暗示处理厂COD基的运行容量的减少。运行容量为COD负荷的指标，处理厂可以在当时的运行条件下处理废水。运行容量可反映污物浓度、可利用充气体

11、积、好氧污物完全硝化所需的最小反应时间。2.3.2 集水区变化的影响直到1996年，废水处理厂平均每年的废水流入量远低于干旱季节所期望的最大流入量（如图4右）。由于水量消耗的减少和采取措施减少下水道系统中多余的雨水量，因此在过去30年，废水流入量的不可预计的减少导致过剩容量。处理厂现在的运行量大约为3.8kgTTS/m3。悬浮固体浓度的增加导致了处理厂容量的增加，容量的增加是补偿因安置缺氧区所造成的损失。由于一些重要负荷提供者（如，酿酒厂和肉类加工厂）关闭了在集水区的生产，因此，从1990年中COD负荷开始一直减少（比较图5）。在2001年，Glatt废水处理厂的关闭并且废水转移至Werdho

12、lzl废水处理厂轻微减缓了COD负荷的下降。COD的减少和运行悬浮固体浓度的同步增加导致运行容量和增长的负荷间产生偏差（如图5）。这种偏差可以反映处理厂容量的改变。2.3.3 废水处理厂反馈Werdholzli废水处理厂容量的改变促使在2001年Werdholzli和Glatt集水区的出现。Werdholzli废水处理厂的负荷从大约500000人增加到600000人，导致了处理厂容量储存减少（如图5）。换言之，处理厂可利用的储备量会对处理负荷产生影响。这种反馈和反馈耦合可能会在除冰废水的再处理中观察到。在2002年，Werdholzl废水处理厂开始处理Zurich机场的除冰废水，包含有高浓度的

13、有机化合物。观察到COD负荷的增加（图5）。再次说明，可利用的容量储存导致了这一步。另外一个诱因是因易降解COD的增加而导致反硝化速率的增加。3. 讨论在本文中，我们分析了废水处理厂发展的长期动态变化。分析基于对影响处理厂历史因果链的重构。我们观察到较强的运行和性能的改变，尽管我们所分析的时间跨度仅仅为处理厂使用期限的一部分。这些运行和性能的变化源于集水区的发展、环境法规的影响和处理厂与其分系统间的反馈作用。这些相互联系和反馈作用导致了被调查废水处理厂的极端动态发展。集水区和环境标准的发展导致处理厂具有更好的性能，并且保留了一定的储备容量。这种增加性能的获得没有引起昂贵的结构性改变。而对于安装

14、体积分区和额外充气量的相对适中费用是必需的。然而，发展可能是完全不同的。污染可幅增加能已经大超过同一时期或者更高污染工业公司可能已经开始在集水区运行。这种昂贵的发展模式是不可想象的，然而它确实发生着。从本研究可以看出，由于系统的复杂性和动态变化，未来废水系统的不确定性将会更加明显。废水处理厂的建造通常是长期的，被认为是相对静态的，在处理厂的设计之初，未来的不确定性几乎不被考虑其中：我们基于预测规划和设计废水处理厂的基础设施（Tchobanoglous and Metcalf & Eddy(Boston), 2003; Qasim, 1999），正如我们明白期望的未来是什么。这对处理厂的运行期限

15、有着重要的影响。一个没有实现的预测会导致对处理厂的过高或过低评价。虽然前者产生不必要的资本和运行成本，而后者要求花费较高的升级来满足环境标准。从另一方面讲，这些环境标准随着时间而改变，对处理厂产生新的要求。这种可能性通常不在设计阶段被考虑，处理厂的建造很少是有利于未来的升级，因为这种花费非常昂贵。有什么选择呢？更精准的预测需要整个废水系统的模型，这是一个复杂且不能完成的任务。相反，我们需要确定未来不确定性的范围和设计我们相应的废水处理厂。如果在Werdholzli废水处理厂早期的规划阶段，COD负荷的较明显下降被考虑到的话，Werdholzli废水处理厂的设计将完全不同。在设计阶段，这种发展，如流入量的减少和更多严谨的环境法规的引入是可以考虑到的。今天，我们缺乏方法，承认如此发展模式的相关性和不可预知性。因此，我们需要方法论，来系统地分辨影响废水处理厂长期发展的相关因素、它们的相互作用和未来可能的发展趋势。表征未来长期不确定性的一