西北典型缺水城市污水再生利用系统优化与情景分析

摘要

污水再生回用作为解决城市水资源短缺、水环境污染的一种有效途径，已受到世界各国的关注。而在我国尤其是西北地区进行污水再生利用的推广使用还存在许多障碍，这固然有技术方面的原因，但对污水再生回用系统缺乏合理的规划和优化布局，建设资金的不合理使用，人们认识观念的误区，再生水价格体系不完善等则是影响污水再生回用的重要社会因素。本论文结合国家自然基金重点项目“西部干旱缺水地区水资源再生利用研究”，采用系统动力学(SD)模型与非线性优化(NLP)模型相结合的方法对西北地区缺水城市污水再生利用体系的规划和发展趋势进行了研究和评价。 主要研究内容和研究成果包括以下几个方面： 1)从西北地区缺水城市污水再生回用系统的特征出发，在对其进行系统分析的基础上，提出了以城市生态环境为主的污水再生回用系统模拟与非线性优化相结合的规划方法。 2)根据再生水的回用方向和污水再生回用工程类型，建立了污水再生回用工程的成本费用模型；以再生水的支付意愿函数为基础，构建了分散式污水再生回用工程的最小经济规模函数。 3)将临界距离的概念引入到了污水再生回用系统中作为研究区域污水集中和分散处理回用合理布局的经济判据，并建立了临界距离的数学模型。 4)建立了污水再生回用的非线性规划(NLP)模型，应用NLP模型确定了污水再生回用水厂的规划布局和再生水量的优化分配问题。另外，应用该模型可合理确定SD模型的输入变量。 5)针对西北地区缺水城市再生水的利用特点，从系统内部的微观入手，通过分析系统功能结构和变量之间的内在联系，建立了西北地区缺水城市污水再生回用系统的SD模型，并将情景分析法作为策略分析的工具应用到SD模型中。 6)以西安市作为西北地区缺水城市的典型代表，应用所建的NLP-SD模型对西安市区的污水再生利用规划和发展趋势进行了研究和评价。在确定了西安市区进行分散式回用对人口和用地面积要求以及回用水户合理分布的基础上，利用NLP模型计算出回用水设施的增长率和集中与分散处理规模的比例；并应用情景分析法进行了策略分析。 情景分析结果表明： ①在基准情景下，西安市在2030情景水平年未经处理的污水量将增长3.10倍，入河BOD5总量增长3.08倍，城市缺水率达22％。必须加大污水的处理和再生回用的力度，以扭转不利状况。 ②西安市的污水处理规模必须达到甚至超过建设部的规划要求，同时还需考虑污水回用对污染物的削减作用，才能基本保证污染物排放量不增加或少量增加。 ③为确保西安市供需水量的平衡，城市污水的回用率需高于建设部的要求。未来水平年污水的回用率在45％左右的范围内，不依靠远距离调水就可解决西安市缺水问题。 ④污水的回用对污染物削减量的贡献不显著，污水回用率每提高十个百分点，BOD5的削减率只能提高2个百分点左右。为了确保未来水环境状况得到改善，应根据西安市的经济发展状况，制定较合理的削减率目标，以实现水环境保护和水资源的可持续开发与利用。 ⑤西安市由于生态环境用水价格偏低，影响了再生水处理设施规模的增长。水价的增量率只有达到8％，近期在生态环境方面使用再生水才能产生直接效益。 ⑥西安市区在充分挖掘现有水资源的条件下，未来年份人均新鲜水的供水量也只能达到150m3/cap·a左右，远低于缺水警戒线(200m3/cap·a)。而通过污水的再生回用可确保各水平年水资源开发利用程度低于开发率的警戒线(40％)。 ⑦在投资的需求方面，西安市在近期将是污水处理和再生回用设施建设资金增幅最大的时期，最大投资需求为BOD5削减目标，其所需投资约占GDP的0.16％，但与国外投资高峰相比，仍属中等水平，与西安市经济发展状况相比还是能够承受的。

目录

文摘

英文文摘

声明及关于论文使用授权的说明

1绪论

2西北地区缺水城市污水再生回用系统特征与优化方法研究

3污水再生回用系统NLP模型构建

4西北地区缺水城市污水再生回用系统SD模型的构建

5西北典型缺水城市污水再生利用系统优化模型的应用与策略分析

6结论与建议

致谢

附录：攻读博士学位期间发表的论文