化工園區(qū)污水處理系統(tǒng)集成研究進展

尚大軍，劉智勇

（1 中國石油大慶石化分公司，黑龍江大慶163711；2 河北工業(yè)大學化工學院，天津300130）

我國水資源十分匱乏，人均水資源占有量僅相當于世界人均水平的1／4，另外，水資源在時間和空間上分布很不均勻：夏秋多、冬春少；南多北少、東多西少，這就給水資源利用帶來了很多困難。另外，水污染進一步加劇了水資源短缺。目前，我國的水污染已經(jīng)到了觸目驚心的程度。根據(jù)國土資源部的數(shù)據(jù)，在2000～2002三年調(diào)查中，超過60%的地下水水質(zhì)屬于1～3類，而到了2009年，4類和5類水質(zhì)已占到了73.8%，不到十年的時間，污染程度大大增加。2011年，全國城市55%的地下水是較差至極差的水質(zhì)。據(jù)報道［1］，諸多地區(qū)出現(xiàn)了由于地下水污染導致癌癥高發(fā)甚至牛羊絕育的現(xiàn)象。近日，一份由公益人士制作的 “中國癌癥村地圖”正在互聯(lián)網(wǎng)上得到廣泛關注，癌癥村數(shù)量被認為超過200個。在一些地區(qū)，污染已危及公共用水安全。總之，水資源短缺和水污染已經(jīng)嚴重制約了中國經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，甚至直接影響了人民群眾生活。如果不盡快加強水資源合理利用及污水治理工作，這些問題將成為我國未來發(fā)展的致命瓶頸。

1 化工污水及其處理方式簡述

在各類工業(yè)中，化學工業(yè)是造成嚴重水污染及其它污染的行業(yè)之一，同時化工企業(yè)多是用水大戶。所以化工企業(yè)的節(jié)水減排是非常重要的研究課題。目前，我國已經(jīng)建立了很多化工園區(qū)。據(jù)不完全統(tǒng)計［2］，我國省級重點化工園區(qū)或以石油和化工為主導產(chǎn)業(yè)的工業(yè)園區(qū)共有190家左右，其它類型的中小化工園區(qū)數(shù)量更多。據(jù)石化聯(lián)合會估計，目前國內(nèi)已建和在建的各類化工園區(qū)和化工集中區(qū)總數(shù)有上千家。由于化工園區(qū)污水量大、污染物成分復雜且處理難度大，所以化工園區(qū)的污水處理必須引起足夠的重視。

就污水的收集及處理方式來看，無論是城市生活污水還是工業(yè)污水，都可以分為集中式處理和分散式處理兩種形式［3］。污水集中式處理最重要的優(yōu)點是規(guī)模大、運行可靠、管理和控制方便。而且大規(guī)模處理廠與大量的小型處理廠相比，基建投資和運行費用也少。但是當考慮到建設及維修配水和集水管道系統(tǒng)的費用時，集中式污水系統(tǒng)在費用上的優(yōu)點將大大削弱。另外，集中處理系統(tǒng)將遇到長距離輸送引起的大量滲漏問題。而處理后的污水在回用時又要涉及鋪設管道的昂貴費用及滲漏問題。集中式污水處理的另外一個缺點是水流混合后污染物濃度降低，處理量隨之增大。一般來說，處理費用與處理量成比例，所以處理成本會因此而增加。

對化工園區(qū)的污水來說，集中式處理還存在一些特殊問題。例如制藥行業(yè)的企業(yè)排污標準較低，達到COD500 mg／L以下即可。當這類污水集中到園區(qū)污水處理廠時，很難用生化或其它手段使之降到COD100 mg／L的排放標準。為了滿足上述排放標準，必須采用強氧化等方法進一步處理，這樣將大幅度增加處理成本。另外，不同行業(yè)的污水在集中到一起時，污染物之間可能發(fā)生化學反應，產(chǎn)生高難處理的化學成分，加大處理成本。當處理成本高于企業(yè)支付的污水處理費時，可能造成污水處理企業(yè)受經(jīng)濟利益的驅(qū)使而超標排放污水，對環(huán)境產(chǎn)生非常不利的影響。

分散式污水處理可以克服集中式污水處理存在的上述問題，尤其是對化工園區(qū)的污水來說，分散式處理具有很多優(yōu)勢。分散式污水處理的特點是污水流宜分散處理時則分散處理，而適合混合處理時則混合處理。例如，如果各水流中污染物種類及濃度的差異太大時，這些水流混合會造成處理量增加，從而引起處理費用增大，此時分別處理將是比較有利的。另外，當不同污水流中的污染物混合時產(chǎn)生高難處理成分時，也應當采用分別處理的方式。而各水流間污染物種類及濃度差別較小且混合后不產(chǎn)生高難處理成分時，混合處理則可以減少設備數(shù)目。由于化工園區(qū)的污水情況復雜，各企業(yè)之間污水的水量差別可能很大、污染物種類不同、污染物濃度各異，同時各污染物排放標準不一，所以化工園區(qū)的污水采用分散式處理更為合理。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

分散式污水處理系統(tǒng)集成研究是20世紀末才引起各國學者重視的。1980年，Takama等［4］采用非線性規(guī)劃方法研究了煉油廠實例，解決了新鮮水與廢水流之間的最優(yōu)匹配問題。由于其主要針對單雜質(zhì)系統(tǒng)進行研究，而對于多雜質(zhì)系統(tǒng)的求解問題沒有提出有效的方法，因此在當時并未引起足夠的重視。1989年，El－Halwagi等［5］提出了質(zhì)量交換網(wǎng)絡（mass exchange network）分析方法，該研究對水網(wǎng)絡及水處理系統(tǒng)的研究起到了一定推動作用。1994年，Wang與Smith［6］采用夾點法對分散式污水處理網(wǎng)絡集成進行了研究，首先對每種污染物分別畫出復合曲線（composite curves），然后計算出待處理水流量的目標值 （即最小處理量），在各單一污染物的復合曲線基礎上，結(jié)合各水流的特點，即可得出多污染物水處理系統(tǒng)的優(yōu)化設計結(jié)果。該研究成為水夾點法在污水處理領域的里程碑。隨后，Kuo等［7－8］對Wang和Smith的夾點法進行了改進，考慮到多條廢水流的混合會引起水質(zhì)降低，采用有效能降低來描述這種水質(zhì)變化。但是，Kuo和Smith［7－8］的方法并不能保證得到最優(yōu)解。1998年，Galan與Grossmann［9］研究了分散式污水處理工廠設計，首先建立包括所有處理設備、水流以及設備和水流的所有可能連接的超結(jié)構(gòu)（Superstructure），在此基礎上建立數(shù)學模型，采用混合整數(shù)非線性規(guī)劃法（MINLP）求解。為了得到最優(yōu)解，采用了經(jīng)驗法確定多個初始點的尋優(yōu)策略。1999年，Castro等［10］采用污水再生的處理方式討論了單雜質(zhì)分散式水處理網(wǎng)絡設計方法，引入多夾點概念，降低了水處理時的公用工程費用，同時保證了新鮮水的消耗盡量減少。但由于目標參數(shù)較多，設計時常常不能保證水處理單元的數(shù)量為最少，無形中增加了設備投資費用。

由上述可知，涉及水處理系統(tǒng)集成問題的研究方法主要可以歸類為夾點分析法和數(shù)學規(guī)劃方法。夾點類方法的優(yōu)點是物理及工程意義明確［11］，但缺點是只能解決單污染物系統(tǒng)或簡單多污染物系統(tǒng)集成問題［12－13］。由于污水處理系統(tǒng)集成的復雜性，多數(shù)學者采用了數(shù)學規(guī)劃方法。從研究的系統(tǒng)看，很多學者把污水處理系統(tǒng)作為獨立的研究系統(tǒng)，也有的學者將用水子系統(tǒng)和污水處理子系統(tǒng)合并作為一個整體進行研究。從使用的計算機軟件來看，不少學者采用了商用軟件如BARON、GAMS等。但是，由于系統(tǒng)的復雜性和目前數(shù)學規(guī)劃方法和計算機軟件的限制，無論是對單獨的用水系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)還是包括上述兩個子系統(tǒng)的整體水網(wǎng)絡的集成，都很難得到全局最優(yōu)解［14－16］。再者，數(shù)學規(guī)劃法多是采用 “黑箱模型”［17－18］，即使得到數(shù)學意義上的最優(yōu)解，也往往不能保證是工程意義上的最優(yōu)解。因為工程實踐中不僅要考慮費用問題，還要考慮安全操作、可控性能［19－20］等難以數(shù)量化的因素。

2000年后，分散式污水處理研究得到了長足的發(fā)展，仍然圍繞著夾點法與數(shù)學規(guī)劃法兩大主流展開。

Thokozani［21］提出了具有廢水處理過程的間歇網(wǎng)絡設計方法，并分別以夾點分析技術優(yōu)化操作時間、進出口濃度兩大目標。優(yōu)化結(jié)果表明：主要限定條件的選擇對目標結(jié)果無影響，同時，限定條件可根據(jù)濃度間隔數(shù)和時間間隔數(shù)來確定。廖祖維等［22］考慮了廢水再生問題，提出通過再生水線和廢水線合成廢水排放線的方法求解再生情況下的最小新鮮水量。同時，根據(jù)總組合曲線得到廢水組合曲線，求得最小廢水處理量，兼顧了同時含有回用、再生和廢水處理3個子系統(tǒng)的水網(wǎng)絡設計。Tan等［23］利用夾點技術研究了工業(yè)用水的預處理過程。對于用水網(wǎng)絡中的所有雜質(zhì)采用了一一脫除的分散式處理方法，克服了傳統(tǒng)膜分離技術的費用較高的缺點。設計結(jié)果表明，此方法可以使得預處理總費用不依賴于污水處理量，而污水處理量的確定可依賴于夾點分析法確定的目標值。Mohammadnejad等［24］采用夾點分析法研究了德黑蘭煉油廠中包含有3種雜質(zhì)的水處理體系，在原有設計的基礎上，分別將固體懸浮量、水質(zhì)硬度、化學需氧量減少到37%、37%和39%，將新鮮水的需求量減少到原來的40%。但將污水進行再生處理后，只有50%可以回用，這在一定意義上造成了資源浪費。Soo等［25］采用多個水處理單元來實現(xiàn)單雜質(zhì)用水系統(tǒng)的設計整合，分別以最小處理量、最大進口濃度及特定極限參數(shù)為優(yōu)化目標，以夾點分析法確定目標值。但此方法只適用于不超過兩種雜質(zhì)的水處理體系。

劉永健等［26］針對分散式廢水處理網(wǎng)絡的超結(jié)構(gòu)，建立了廢水處理網(wǎng)絡系統(tǒng)最優(yōu)化的非線性規(guī)劃（NLP）模型和混合整數(shù)非線性規(guī)劃（MINLP）模型。并應用粒子群優(yōu)化算法求解上述復雜非線性最優(yōu)化問題。Teles等［27－28］針對多雜質(zhì)用水系統(tǒng)討論了回用、循環(huán)回用的設計方法。Castro等［29］將Teles等提出的解決用水網(wǎng)絡優(yōu)化設計的數(shù)學規(guī)劃方法推廣到水處理系統(tǒng)，將系統(tǒng)的超結(jié)構(gòu)分解為若干子超結(jié)構(gòu)，然后采用線性規(guī)劃法 （LP）求解這些子超結(jié)構(gòu)，最終得出優(yōu)化設計。Poplewski等［30］提出了基于混合整數(shù)線性規(guī)劃 （MILP）超結(jié)構(gòu)模型，解決了具有多個性能指標和操作條件的水網(wǎng)絡設計，將污水處理體系最為普通的可回用水源參與到水網(wǎng)絡設計中。該方法可以簡化大規(guī)模運算的求解過程，同時保證了設計結(jié)果的有效性。Tudor和Lavric［31］建立了雙目標機制，在整合了污水回用及污水處理的同時，實現(xiàn)新鮮水消耗量的最小化和操作費用最小化的雙重目標。設計結(jié)果表明：采用此方法可以完全回用內(nèi)部網(wǎng)絡產(chǎn)生的廢水，而不會發(fā)生單元之間無效鏈接的情況。但是采用此方法會使得3種處理設備的處理能力隨著再生裝置的引入而削弱。Lira－Barragaán等［32］提出了一種數(shù)學優(yōu)化方法研究工廠選址時涉及的用水及污水排放問題。采用物流分析模型研究同時考慮工廠內(nèi)部的水集成以及排放污水與環(huán)境及周圍小流域的相互影響等問題?？紤]的影響過程及環(huán)境的因素包括p H值，毒性，密度，顏色，化學需氧量等。優(yōu)化目標函數(shù)是總年度成本最小化，成本則包括新廠建設費、原材料運輸費、產(chǎn)品、公用工程及占地費用、污水處理費用及新鮮資源費用等。

近幾年來，除夾點分析法、數(shù)學規(guī)劃法外，其它的方法也層出不窮。

李保紅等［33］提出了一種用于單污染物廢水處理網(wǎng)絡設計的新方法。這種方法由1個原則和3個規(guī)則構(gòu)成，其指導思想是全局的最優(yōu)性應通過保證每一步的最優(yōu)性來實現(xiàn)。與圖形化方法和數(shù)學規(guī)劃法相比，該方法的特點是簡單而且有效。

李英等［34］提出了水夾點分析和數(shù)學規(guī)劃法相結(jié)合的廢水處理網(wǎng)絡最優(yōu)設計方法。通過水夾點分析得出廢水處理網(wǎng)絡設計的基本規(guī)則，在此基礎上建立了廢水混合、合并、處理和排放各種可能匹配方案的廢水處理網(wǎng)絡超結(jié)構(gòu)及其NLP模型，采用GAMS優(yōu)化軟件得到廢水處理網(wǎng)絡最優(yōu)設計方案。

Park等［35］提出了Eco－設計方法。在系統(tǒng)設計中，某個子系統(tǒng)對環(huán)境的污染及費用的減少可能同時會使得其他子系統(tǒng)對環(huán)境的污染或費用升高。Eco－設計可以克服上述缺陷。但是，Eco－設計中需要采用雙目標函數(shù)優(yōu)化方法，這就影響了這種方法的應用。Park等提出了把上述雙目標函數(shù)轉(zhuǎn)化為單一目標函數(shù)的方法，并將之應用于水處理系統(tǒng)的設計。

Liu等［36］提出了分散式污水處理系統(tǒng)集成的新方法。對單污染物系統(tǒng)，首先根據(jù)處理過程的入口濃度限制得出處理過程的執(zhí)行順序，然后根據(jù)夾點概念得出夾點水流的解析式。在上述基礎上，構(gòu)造系統(tǒng)的費用函數(shù)。優(yōu)化該費用函數(shù)即可得出網(wǎng)絡的優(yōu)化設計。

對多污染物分散式水處理網(wǎng)絡，Shi和Liu［37］提出了過程k移除污染物j的總處理流量勢TTFP（j，k）的新概念，TTFP（j，k）的值可以反映采用過程k移除污染物j時最小水流量的某種度量。以各處理過程的TTFP值作為過程執(zhí)行順序的判斷指標 （TTFP值較小的過程優(yōu)先執(zhí)行），以系統(tǒng)總處理量為目標函數(shù)，可以得出很好的設計結(jié)果。當以總處理費用為目標函數(shù)時，結(jié)合經(jīng)驗規(guī)則及TTFP值，也可以得到很好的設計結(jié)果。

3 結(jié) 語

一般來說，化工園區(qū)的用水網(wǎng)絡與污水處理系統(tǒng)都是非常復雜的，如果將用水網(wǎng)絡與污水處理系統(tǒng)作為一個整體來考慮，將使問題更加復雜。Liu等［38］的研究表明，用水網(wǎng)絡與污水處理系統(tǒng)之間的聯(lián)系是待再生處理的污水流和再生后可供回用的水流，如能采用適當方法確定再生后回用水流的流量及組成，包括用水子系統(tǒng)及污水處理子系統(tǒng)的整體水網(wǎng)絡的集成問題完全可以用解決只考慮再利用的水網(wǎng)絡集成的方法［39］求解。也就是說，如果“切斷”需再生處理的水流和再生后回用的水流，就可以把用水子系統(tǒng)和污水處理子系統(tǒng)作為兩個相互獨立的子系統(tǒng)，這樣可使問題得到簡化。而如果需要解決由用水子系統(tǒng)與污水處理子系統(tǒng)構(gòu)成的總體水網(wǎng)絡集成問題時，將 “切斷”的需再生處理的污水流及再生后可供回用的水流 “連接上”即可。這就使得問題的研究得到簡化，同時不失其工程意義。

在上述各國學者積累的成功方法基礎上，近期有望得出既有明確工程意義、又能有效解決上述復雜問題的方法，開發(fā)相應計算機軟件。為過程集成研究提供新的科學理論和解決問題的有效方法。

［1］ 城市55%地下水為較差至極差水質(zhì)［N］.大眾日報，大眾網(wǎng)：201－02－25，http：／／news.sina.com.cn／c／2013－02－25／041926347525.shtml.

［2］ 我國化工園區(qū)將建評價體系，中國化工設備網(wǎng)，2012年05月29日，http：／／www.ccen.net／news／detail－104653.html.

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