多雜質(zhì)廢水處理網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計研究

郭勇，劉志華

(1.天津市職業(yè)大學(xué)，天津 300410；2.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300131)

Wang和Smith[1]及Kuo和Smith[2]運用夾點分析和圖解方法，設(shè)計分布式廢水處理系統(tǒng)，所得設(shè)計結(jié)果較集中式處理模式有著明顯的優(yōu)勢。這一方法在處理單雜質(zhì)設(shè)計時較為有效，但對多雜質(zhì)大規(guī)模系統(tǒng)設(shè)計過程較為繁瑣。多數(shù)學(xué)者采用的超結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)規(guī)劃設(shè)計方法[3～5]對大規(guī)模多雜質(zhì)系統(tǒng)設(shè)計問題提供了很好的設(shè)計結(jié)果。

本文基于水流惡化最小化提出單元重復(fù)設(shè)置和單元分時使用的兩種設(shè)計方法。首先確定每個處理單元移除主要雜質(zhì)時應(yīng)處理的水流，根據(jù)每個單元所能移除的主要雜質(zhì)計算每個處理單元的處理量。能夠移除雜質(zhì)種類多且處理水流較少的優(yōu)先運行。當(dāng)?shù)谝粋€單元確定后，按照單雜質(zhì)系統(tǒng)的水流分配方法分配水流；第一個單元的出口水流和未經(jīng)第一個單元處理的水流構(gòu)成剩余未執(zhí)行單元的當(dāng)前水流，繼續(xù)使用上述方法，直至達(dá)到環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)。從實例設(shè)計過程和結(jié)果表明單元重復(fù)設(shè)置和單元分時操作的兩種方法設(shè)計過程簡單，避免了水流惡化，所得設(shè)計結(jié)構(gòu)雖較文獻(xiàn)稍顯復(fù)雜但處理量均小于文獻(xiàn)結(jié)果。

1 問題描述和設(shè)計目標(biāo)

給定條件是一組含有一種或多種雜質(zhì)的廢水水流。各水流中，水流流量和所含雜質(zhì)的濃度均已知。給定條件中還包括廢水處理單元若干，每個處理單元可去除一種或多種的雜質(zhì)，各單元對每種雜質(zhì)的去除率已知。廢水處理過程中流量損失忽略不計。設(shè)計的目標(biāo)為滿足環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下系統(tǒng)總處理量最低。

2 多雜質(zhì)廢水處理系統(tǒng)的設(shè)計方法

廢水處理體系中僅含一種雜質(zhì)的情況，實際的廢水流中通常含多種雜質(zhì)。在對多雜質(zhì)多處理單元的廢水處理系統(tǒng)設(shè)計之前，應(yīng)了解多雜質(zhì)系統(tǒng)與單雜質(zhì)系統(tǒng)設(shè)計之間的區(qū)別。首先，在多雜質(zhì)體系中有一些耦合因素，某些單元能夠去除多種雜質(zhì)，水流的執(zhí)行次序差異會影響后續(xù)單元的雜質(zhì)質(zhì)量負(fù)荷；其次，多雜質(zhì)多處理單元體系中含有多個處理過程，處理單元的執(zhí)行順序也會影響到整個體系的處理量和系統(tǒng)操作的總費用，所以設(shè)計過程中需首先確定各處理單元執(zhí)行順序。

多雜質(zhì)、多處理單元系統(tǒng)中，水流混合造成水流惡化難以避免。水流惡化使得后續(xù)單元處理量增加，從而增加操作費用，所以應(yīng)盡量減小水流惡化。分布式多雜質(zhì)廢水處理系統(tǒng)優(yōu)于集中式廢水處理系統(tǒng)的原因就是前者相比后者減小了水流混合。集中式廢水處理系統(tǒng)中，所有廢水水流混合為一股水流依次經(jīng)過各雜質(zhì)移除單元，水流混合程度達(dá)到最大，所造成的水流惡化也就越大。自從Eckenfelder等[6]和Mclaughlin等[7]提出分布式廢水處理模式后，許多研究人員采用各種方法設(shè)計分布式廢水處理系統(tǒng)，其主要內(nèi)容是優(yōu)化單元的處理次序和減小水流混合造成的水流惡化。優(yōu)先執(zhí)行造成水流惡化較小的單元，就可以減少后續(xù)處理單元的水流惡化，從而減少總處理量。

為了確定單元的優(yōu)先執(zhí)行順序，本文引入單元主要功能的概念。在不考慮水流混合的前提下，優(yōu)先運行移除雜質(zhì)種類較多的單元能夠減輕后續(xù)單元的雜質(zhì)質(zhì)量負(fù)荷。

對于如何減小水流惡化，文獻(xiàn)中已經(jīng)給出了許多方法。本文提出兩種新的減小水流惡化的方法：單元的重復(fù)設(shè)置和單元的分時使用。單元的重復(fù)設(shè)置即系統(tǒng)中允許含有多個功能相同的但處理速率不同的單元；單元的分時使用即單元在某一時段只處理一股水流，當(dāng)該股水流處理完畢后再處理其他水流。

3 處理單元的主要功能

如果單元TPi能夠移除的雜質(zhì)多于一個，其針對A，B…等雜質(zhì)的移除率分別為RRA，RRB…，假定其中移除率最大的為RRA，則稱該單元的主要功能是移除雜質(zhì)A。單元TPi的主要功能確定后，運用上一節(jié)提出的雜質(zhì)移除效率和雜質(zhì)移除完成率，可得該單元移除雜質(zhì)A時夾點水流和最小處理量。

4 實例

水流的參數(shù)如表1(a)所示，處理單元的參數(shù)如1(b)所示。可知：環(huán)境排放限制均為100 ppm。該例子取自文獻(xiàn)[8]。

表1 的水流數(shù)據(jù)和處理單元參數(shù)

步驟1，確定各單元的主要功能。

根據(jù)給定條件可知，單元TP1，TP2，TP3，TP4，TP5的主要功能依次為移除雜質(zhì)C，A，E，D，B。

分配原則是每個處理單元都能分配一個主要移除的雜質(zhì)。例如單元TP5能夠移除的雜質(zhì)為B和E，移除率分別為90%和99%，按照原則該單元主要功能應(yīng)為移除雜質(zhì)E。但處理單元TP3的主要功能也為移除雜質(zhì)E，該單元只能移除一種雜質(zhì)。B雜質(zhì)可由TP2和TP5移除，但TP2按方法確定主要功能為移除雜質(zhì)A，所以雜質(zhì)B沒有分配到處理單元，綜上所述，處理單元TP5的主要功能應(yīng)為移除雜質(zhì)B。

步驟2，根據(jù)方法確定每個單元的處理量。

按照所述方法確定每個單元的處理量，計算過程較為繁瑣，本文以TP5為例說明計算方法，其他單元直接給出結(jié)果。

根據(jù)步驟1，處理單元TP5的主要功能為移除雜質(zhì)B。其水流參數(shù)如表2所示：列中括號內(nèi)數(shù)字表示處理的優(yōu)先次序。

表2 處理單元TP5移除雜質(zhì)B的水流參數(shù)

由于ETP,15+ETP,11+ETP,6＜1且ETP,15+ETP,11+ETP,6+ETP,2＞1，S2應(yīng)被處理單元TP5部分處理，處理量為，可由下式求得：

所以，運用TP5單獨移除雜質(zhì)B的總處理量為f15+f11+f6+=155.83 m3/s。

各單元應(yīng)處理水流的計算結(jié)果如表3所示。表中，每個單元處理水流中，最后一股為部分處理，具體處理量標(biāo)識在該股水流后的括號內(nèi)。

表3 處理單元主要雜質(zhì)應(yīng)處理的水流和處理量

例如，單元TP3應(yīng)處理水流為S2，S4，S8，S5，S10水流的全部和水流S11的86.27m3/s，共計180.27 m3/s。

步驟3，單元TP1，TP2，TP4，TP5均能移除兩種雜質(zhì)，單元TP3僅能移除一種雜質(zhì)，處理次序為TP1，TP2，TP4，TP5優(yōu)先，TP3最后。單元TP1，TP2，TP5的執(zhí)行次序按照其移除主要雜質(zhì)和次要雜質(zhì)的去除率確定，依次為TP4，TP1，TP2，TP5。

步驟4，根據(jù)步驟3的所得執(zhí)行順序，重新計算后獲得系統(tǒng)方案（見表4）。

表4 重新計算各單元的水流和處理量

需要說明的是，在TP1所處理的水流中，Su4-7(6.71)表示水流S7經(jīng)TP4處理后由TP1處理時，處理量為6.71 m3/s。Su1-2(23.83)的意義同上。

每個處理單元應(yīng)處理水流確定后，可以看出某些水流可以合并。例如單元TP1中水流Su4-7(6.71)和S3在其他單元中沒有出現(xiàn)，因此水流Su4-7(6.71)和S3可以合并，在表4中可以合并的單元用小括號括起。其他依次類推。最后一個處理單元，所有水流可以全部合并。從表4中可以看出：一共需要7個單元，其中TP1兩個，TP2兩個，TP4兩個，TP5一個。

步驟5，完成設(shè)計，如圖1所示。

上述例子中，所得設(shè)計中沒有水流混合，但單元數(shù)量增加了，一共需要7個單元，造成基礎(chǔ)建設(shè)成本的增加。但設(shè)計結(jié)果較文獻(xiàn)[8]所得總處理量（440 m3/s）減小總處理量30.45%，較文獻(xiàn)[9]所得總處理量（381 m3/s）減少19.69%。且該結(jié)果是目前所有文獻(xiàn)中總處理量最小的。

單元的重復(fù)設(shè)置能夠完全避免水流的混合。對于每個處理單元只能移除一種雜質(zhì)的系統(tǒng)，在設(shè)計過程中無需考慮單元的執(zhí)行次序，因為在此類系統(tǒng)中單元之間互不關(guān)聯(lián)（將需重復(fù)設(shè)置數(shù)量最多的單元置于最后可以減少系統(tǒng)中單元的數(shù)量）；對于某些處理單元能移除多種雜質(zhì)的系統(tǒng)，在設(shè)計過程中需要考慮單元的執(zhí)行次序，因為在此類系統(tǒng)中單元的執(zhí)行次序也會影響處理量。

符號說明

TP 處理單元

Si 水流

RRAA，B…等雜質(zhì)的移除率分別為

Fi 水流Si的流量，m3/s

Ci 水流Si中的雜質(zhì)濃度，ppm

Mi 水流Si中的雜質(zhì)質(zhì)量負(fù)荷，其值mi=fi×ci；