單雜質(zhì)整體水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)新方法

張浩，尚大軍，樊霄雁，劉智勇

（1.河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津300130；2.中國(guó)石油大慶石化分公司，黑龍江大慶163711；3.河北工業(yè)大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津300130）

單雜質(zhì)整體水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)新方法

張浩1，尚大軍2，樊霄雁3，劉智勇3

（1.河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津300130；2.中國(guó)石油大慶石化分公司，黑龍江大慶163711；3.河北工業(yè)大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津300130）

研究了單雜質(zhì)整體水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì).首先分析了各子網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系，指出具有再生單元的用水子系統(tǒng)與廢水處理子系統(tǒng)之間的聯(lián)系是高濃度廢水.在此基礎(chǔ)上將設(shè)計(jì)過(guò)程分為2步：首先設(shè)計(jì)包含再生單元用水子網(wǎng)絡(luò)，得到廢水流量和濃度，第2步以廢水處理量最小為目標(biāo)設(shè)計(jì)廢水處理網(wǎng)絡(luò).在具有再生單元的子系統(tǒng)中，再生過(guò)程模型分為固定雜質(zhì)移除率（RR）及固定再生后濃度2種形式.對(duì)于固定移除率模型問(wèn)題，首先估算出再生濃度，通過(guò)幾次迭代即可得到再生子網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)結(jié)果；對(duì)于固定再生后濃度模型問(wèn)題無(wú)需迭代，只需1次計(jì)算即可得到再生子網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)結(jié)果.最后，通過(guò)2個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明本文方法.結(jié)果表明，本文方法的設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單且有效.

水系統(tǒng)集成；單雜質(zhì)；整體水網(wǎng)絡(luò)；固定移除率；固定再生后濃度；廢水處理

0 引言

工業(yè)節(jié)水非常重要.傳統(tǒng)水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)通常將用水子網(wǎng)絡(luò)和廢水處理子網(wǎng)絡(luò)分開(kāi)研究.而包含用水子系統(tǒng)、再生子系統(tǒng)及污水處理子系統(tǒng)的整體水網(wǎng)絡(luò)，全面考慮廢水回用[1]、再生再利用/循環(huán)利用[2-3]、廢水處理[4-5]諸過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)最大程度上的節(jié)水減排，所以整體水網(wǎng)絡(luò)研究對(duì)于工業(yè)節(jié)水具有重要意義.上述子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)均較為較復(fù)雜，而上述子系統(tǒng)構(gòu)成的整體水網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)則更為復(fù)雜.

目前水網(wǎng)絡(luò)的研究方法主要有夾點(diǎn)法與數(shù)學(xué)規(guī)劃法.Takama等[6]首次采用數(shù)學(xué)規(guī)劃法對(duì)煉油廠中水優(yōu)化分配進(jìn)行研究.Wang和Smith[1]提出水夾點(diǎn)技術(shù)研究廢水最小化問(wèn)題，通過(guò)構(gòu)造極限濃度復(fù)合曲線確定水夾點(diǎn)的位置，由此得到新鮮水最小量.Doyle和Smith[7]采用數(shù)學(xué)規(guī)劃法研究了多雜質(zhì)水網(wǎng)絡(luò)的回用問(wèn)題.對(duì)于廢水處理網(wǎng)絡(luò)，Wang和Smith[8]開(kāi)發(fā)了圖形化方法確定廢水處理夾點(diǎn)，并由此得到廢水處理量目標(biāo)值.Galan等[9]采用連續(xù)性松弛解法研究了分布式廢水處理網(wǎng)絡(luò).目前文獻(xiàn)中對(duì)用水網(wǎng)絡(luò)及廢水處理網(wǎng)絡(luò)的研究還有很多，限于篇幅，本文主要討論整體水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì).

已知文獻(xiàn)報(bào)道中，對(duì)再生單元為固定出口濃度模型的簡(jiǎn)單總體水網(wǎng)絡(luò)主要用夾點(diǎn)法，如Ng等[10-11]采用夾點(diǎn)圖與水級(jí)聯(lián)分析技術(shù)設(shè)計(jì)單雜質(zhì)整體水網(wǎng)絡(luò).Deng等[12]提出PGA（Process-based Graphical Approach）法設(shè)計(jì)固定雜質(zhì)負(fù)荷與固定流量整體水網(wǎng)絡(luò).Parand等[13]提出ECTA（Extended Composite Table Algorithm）法分別求解總水網(wǎng)絡(luò)中新鮮水消耗量、再生水流量、廢水流量和廢水濃度.對(duì)于復(fù)雜的再生單元為固定出口濃度模型的總體水網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，許多學(xué)者采用數(shù)學(xué)規(guī)劃法，如Putra和Amminudin[14]提出了一種由MILP和NLP構(gòu)成的2步法設(shè)計(jì)整體水網(wǎng)絡(luò).Tudor和Lavric[15]采用GA（Genetic Algorithm）法求解有進(jìn)、出口濃度限制的整體水網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型.Ahmetovic和Grossmann[16]基于各類過(guò)程的超結(jié)構(gòu)模型得到非凸NLP和MINLP模型，推導(dǎo)出變量的嚴(yán)格邊界，由此得到整體水網(wǎng)絡(luò)全局最優(yōu)解.Kim[17]對(duì)總水網(wǎng)絡(luò)集成進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，采用圖形方法和數(shù)學(xué)優(yōu)化法結(jié)合的策略考察了新鮮水費(fèi)用、污水處理費(fèi)用、管道費(fèi)用和廢水排放費(fèi)用之間的關(guān)系.Khor等[18]采用全局優(yōu)化求解器對(duì)固定流量整體水網(wǎng)絡(luò)集成問(wèn)題進(jìn)行了研究.

上述文獻(xiàn)研究再生單元為固定再生后濃度模型的整體水網(wǎng)絡(luò)，而對(duì)于RR模型的水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法并不多.Kuo和Smith[19]改進(jìn)圖解法[1]確定RR模型用水網(wǎng)絡(luò)的最小新鮮水消耗量，但過(guò)程較為繁瑣.Bandyopad hyay等[20]采用了源水流復(fù)合曲線（Source Composite Curve）法設(shè)計(jì)RR模型的單雜質(zhì)水網(wǎng)絡(luò).Pan等[21]提出迭代法設(shè)計(jì)考慮再生再利用/循環(huán)過(guò)程的單雜質(zhì)用水網(wǎng)絡(luò)，對(duì)再生單元為RR模型與固定再生后濃度模型的水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)都能有效解決.已知文獻(xiàn)研究對(duì)再生單元為RR模型的整體水網(wǎng)絡(luò)研究尚未見(jiàn)報(bào)道.

本文首先分析了整體水網(wǎng)絡(luò)中各子系統(tǒng)之間的聯(lián)系，指出具有再生單元的用水子系統(tǒng)與廢水處理子系統(tǒng)之間的聯(lián)系是高濃度廢水.在此基礎(chǔ)上將單雜質(zhì)整體水網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)分為2個(gè)步驟：1）首先設(shè)計(jì)包含再生單元的用水網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)得出待處理廢水流的量和濃度；2）在上述基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)廢水處理網(wǎng)絡(luò).這樣就可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，由設(shè)計(jì)實(shí)例可知，本文方法設(shè)計(jì)步驟簡(jiǎn)單且有效.

1 整體水網(wǎng)絡(luò)分析

整體水網(wǎng)絡(luò)由用水子系統(tǒng)、再生子系統(tǒng)及污水處理子系統(tǒng)3部分組成，如圖1所示.

圖1 整體水網(wǎng)絡(luò)各部分間的關(guān)系Fig.1 Interactions between elements of a total water network

從用水子系統(tǒng)出來(lái)的未被利用的低濃度水流進(jìn)入再生子系統(tǒng)，再生后水流返回用水子系統(tǒng)重新利用.而用水子系統(tǒng)中未被利用的高濃度水流則進(jìn)入廢水處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，滿足環(huán)境排放要求后排放.

由圖1可見(jiàn)，包含再生過(guò)程的用水子網(wǎng)絡(luò)（圖1中虛線框內(nèi)部分）與廢水處理子網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系是高濃度廢水.這樣可將整體水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)分為2步，即先設(shè)計(jì)包含再生單元的用水網(wǎng)絡(luò)，由此可得到待處理的廢水流的流量及濃度.然后以所得廢水流數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)廢水處理子網(wǎng)絡(luò).采用上述設(shè)計(jì)策略可以簡(jiǎn)化總體設(shè)計(jì)難度.設(shè)計(jì)過(guò)程如圖2所示.

2 含再生再利用/循環(huán)利用過(guò)程的用水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

Liu等[22]指出包含再生單元的水網(wǎng)絡(luò)與只考慮再利用的水網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別在于前者增加了1條（或幾條）再生水流，如果確定了再生水流的濃度與流量，并把再生水流作為新增源水流加入到只包含再利用過(guò)程的水網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，即可得到包含再生單元的水網(wǎng)絡(luò)所需數(shù)據(jù)，然后可采用對(duì)只考慮再利用水網(wǎng)絡(luò)提出的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)[22].

對(duì)再生單元采用固定雜質(zhì)移除率模型的水網(wǎng)絡(luò)，劉智勇及其合作者[21]在Liu等[22]工作的基礎(chǔ)上提出迭代方法設(shè)計(jì)包含再生單元的用水網(wǎng)絡(luò)，首先估算出再生水流濃度，假設(shè)再生水流的量足夠大，將再生水流作為新增源水流加入到只考慮再利用的水網(wǎng)絡(luò)中，即可形成具有再生單元的用水網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)幾次迭代，當(dāng)兩次相鄰迭代再生濃度的差小于某一給定值ε，即可得到最終設(shè)計(jì).對(duì)再生單元采用固定出口濃度模型時(shí)，采用Liu等[23]提出的多水源法，只需1次迭代即可得到具有再生單元的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì).包含再生單元的用水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)完成后，可得到廢水流的流量和濃度，然后進(jìn)行廢水處理子網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì).

圖2 單雜質(zhì)總水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過(guò)程Fig.2 Design procedure for a total water network of single contaminant

3 廢水處理網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

從上述用水網(wǎng)絡(luò)出來(lái)的未被利用的廢水可分為2部分，滿足環(huán)境排放要求的水流可以直接排放，高濃度的水流則需要經(jīng)過(guò)處理單元處理.

McLaughlin等[24]指出，雜質(zhì)負(fù)荷一定的情況下，水流濃度越低則處理量就越高，這樣會(huì)使處理費(fèi)用增大.本文采用時(shí)靜[25]提出的單雜質(zhì)分布式水處理方法設(shè)計(jì)廢水處理網(wǎng)絡(luò)，首先將廢水流按照濃度降低的順序排列，然后確定廢水流中夾點(diǎn)水流處理量，通過(guò)合理設(shè)計(jì)處理過(guò)程，最大程度地減少不必要的水流混合來(lái)降低系統(tǒng)的總處理量.

4 實(shí)例研究

本節(jié)研究了2個(gè)實(shí)例.

4.1 例1

本例數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn)[26]，規(guī)定再生單元固定移除率（RR值）為95%，處理單元固定移除率（RR值）為99%，環(huán)境極限排放濃度為50 g/t.

表1 例1數(shù)據(jù)Tab.1 The data of example 1

設(shè)計(jì)過(guò)程如下.

4.1.1 采用迭代法[21]設(shè)計(jì)包含再生單元的用水網(wǎng)絡(luò)

由文獻(xiàn)的設(shè)計(jì)步驟可得：首先估算再生濃度，將各源水流合并，計(jì)算再生濃度為12.45 g/t，再生水作為新增源水流加入水網(wǎng)絡(luò)中用于第1次迭代過(guò)程.執(zhí)行過(guò)程中入口極限濃度較小的過(guò)程優(yōu)先執(zhí)行，當(dāng)入口極限濃度相同時(shí)，則出口濃度較小的過(guò)程優(yōu)先執(zhí)行.入口極限濃度最低為0 g/t的需求水流（D1，D2及D3）只能用新鮮水（FW）滿足，用量為49.17 t/h.

按照濃度順序，此時(shí)應(yīng)該執(zhí)行P4過(guò)程.對(duì)于P4過(guò)程，因源水流S1、S2、S3濃度等于或大于P4過(guò)程出口極限濃度，所以不應(yīng)回用源水流S1、S2、S3，而只能使用再生水Sreg，再生水量為29.61 t/h，P4過(guò)程出口濃度達(dá)到極限值.對(duì)于P5過(guò)程，可用源水流為S1、S2、S3（S1濃度最小優(yōu)先回用），根據(jù)文獻(xiàn)[21]方法計(jì)算得，源水流S1對(duì)于P5過(guò)程分配量為8.23 t/h，再生源水流Sreg對(duì)P5過(guò)程分配量為36.08 t/h，這樣過(guò)程入口與出口濃度均達(dá)到極限值.

類似地，對(duì)后續(xù)過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)，直至所有過(guò)程執(zhí)行完成.第1次迭代得到再生水流量為272.83 t/h.按照高濃度源水流排放，低濃度源水流再生的規(guī)則（第1次迭代需再生處理的水流如表2所示），得到該過(guò)程再生濃度用于第2次迭代過(guò)程，直至第4次迭代再生水流濃度不再變化，每次迭代的結(jié)果見(jiàn)表3.通過(guò)比較可以看出，第3、4次的迭代結(jié)果相同，說(shuō)明本例可以通過(guò)第3次迭代即可得到最終設(shè)計(jì)結(jié)果.

表2 例1第1次迭代需再生處理的水流數(shù)據(jù)Tab.2 The data of regeneration stream for iteration 1

表3 例1迭代結(jié)果Tab.3 Iteration results for example 1

最終的設(shè)計(jì)結(jié)果新鮮水消耗量與廢水排放量都為46.25 t/h，再生水量為276.73 t/h，再生水濃度為14.38 g/t.各過(guò)程水流分配量如表4所示.

表4 例1各過(guò)程水流分配數(shù)據(jù)Tab.4 The allocation data for example 1

4.1.2 廢水處理網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

處理過(guò)程的脫除率為99%，環(huán)境極限濃度為50 g/t，環(huán)境允許排放的最大雜質(zhì)負(fù)載量為2.46 kg/h.

根據(jù)單雜質(zhì)分布式水處理方法[25]，把廢水流股按照濃度下降的順序進(jìn)行排列，并計(jì)算出各水流雜質(zhì)負(fù)荷量（M），經(jīng)過(guò)處理后的剩余雜質(zhì)負(fù)荷量以及雜質(zhì)負(fù)荷累積量如表5所示.

表5 廢水流數(shù)據(jù)Tab.5 Wastewater data for example 1

根據(jù)文獻(xiàn)[25]，從表5的值可以看出，所以判斷出水流3為夾點(diǎn)水流.濃度濃度高于水流3的所有水流需要完全處理，水流3部分處理部分旁路，濃度低于水流3的水流則直接排放.由計(jì)算可知，夾點(diǎn)水流3的處理量為32.05 t/h，總處理量為49.17 t/h.最終的設(shè)計(jì)如圖3所示.

4.2 例2

本例數(shù)據(jù)見(jiàn)表6，數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn)[11]，再生單元采用固定出口濃度模型，出口濃度為10 g/t，處理單元固定移除率（RR值）為90%，環(huán)境極限排放濃度為20 g/t.

假設(shè)新鮮水與再生水流量充足，再生水作為新增源水流加入水網(wǎng)絡(luò)中，將各水流按濃度升高的順序排列見(jiàn)表7.

圖3 例1最終網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 Final design for example 1

表6 例2數(shù)據(jù)Tab.6 The data of example 2

設(shè)計(jì)過(guò)程如下.

4.2.1 采用多水源法[23]設(shè)計(jì)包含再生單元的用水網(wǎng)絡(luò)

濃度為0 g/t的需求水流（D1）只能用新鮮水來(lái)滿足，用量為120 t·h-1.

由文獻(xiàn)[23]設(shè)計(jì)步驟可得：對(duì)于第1個(gè)濃度為50 g/t的需求水流可以由高濃度源水流（HCS為100 g/t）和低濃度源水流（LCS為10 g/t）來(lái)滿足，其中高濃度源水流HCS用量為35.56 t/h，低濃度源水流LCS用量為44.44 t/h.類似地可以計(jì)算確定各個(gè)用水過(guò)程水流分配量，具體結(jié)果見(jiàn)表8.

由表中數(shù)據(jù)計(jì)算可得再生水流量為88.88 t/h，各水流剩余量分別為：100 g/t流量8.88 t/h，180 g/t流量35 t/h，250 g/t流量85 t/h.低濃度水流可以用于再生，所以再生水流由濃度為100 g/t、180 g/t的源水流及45 t/h濃度為250 g/t的水流組成.剩余40 t/h濃度為250 g/t的水流進(jìn)入處理單元.

表7 例2數(shù)據(jù)Tab.7 The data of example 2

表8 例2各過(guò)程水流分配數(shù)據(jù)Tab.8 The allocation data for example 2

4.2.2 廢水處理網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

進(jìn)入廢水處理單元的只有一股水流，根據(jù)質(zhì)量守恒確定第一個(gè)處理單元處理量10 t/h，第二個(gè)處理單元處理量39.89 t/h，最終網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4.

圖4 例2最終網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.4 Final design for Example 2

5 結(jié)論

本文提出了設(shè)計(jì)單雜質(zhì)整體水網(wǎng)絡(luò)的新方法.首先分析了整體水網(wǎng)絡(luò)中各子系統(tǒng)之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上將設(shè)計(jì)過(guò)程分為2步：先設(shè)計(jì)包含再生單元的用水網(wǎng)絡(luò)，再設(shè)計(jì)廢水處理網(wǎng)絡(luò).本文研究的再生系統(tǒng)包括固定再生出口濃度模型及固定雜質(zhì)移除率模型2種情況.其中包含固定雜質(zhì)移除率再生過(guò)程的整體水網(wǎng)絡(luò)尚未見(jiàn)諸文獻(xiàn)報(bào)道.對(duì)文獻(xiàn)實(shí)例研究結(jié)果表明：本文方法的設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單有效，具有明確的工程意義.

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[責(zé)任編輯 田豐]

A new method for design of total water networks of single contaminant

ZHANG Hao1,SHANG Dajun2,FAN Xiaoyan3,LIU Zhiyong3
（1.School of Chemical Engineering and Techology，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China；2.Refinery of Daqing Petrochemical Company，Petrochina，Heilongjiang Daqing 163711，China；3.School of Marine Science and Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）

This paper studies the design of total water networks of single contaminant.Based on the analysis of interactions between the sub-networks of the system,the link between water using sub-network involving regeneration unit and effluent treatment sub-network is the high concentration wastewater.A two-stage design procedure was proposed for a design of total water networks.In the first stage,the waterusing sub-network involving regeneration unit was designed,and the concentration and the amounts of effluent streams were obtained.In the second stage,the wastewater treatment subnetwork was designed by minimizing unnecessary stream mixing.Regeneration units with models offixed removal ratio (RR)and fixed regeneration concentration can be used in the networks.For the model with fixed RR,the initial concentration(s)of the Sregshould be estimated first.The final design can be obtained after several iterations.For the model of fixed regenerated concentration,the final design can be obtained with one iteration.Two examples were chosen to illustrate the presented method.Results have shown that the design procedure proposed in this paper is simple and effective.

water system integration;single contaminant;total water network;fixed removal ratio;fixed regeneration concentration;wastewater treatment

TQ085

A

1007-2373（2017）02-0085-07

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.02.015

2017-02-18

國(guó)家自然科學(xué)基金（21176057）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2012CB720305）

張浩（1990-），男，碩士研究生.通訊作者：劉智勇（1956-），男，教授，博士生導(dǎo)師.