劉長占，李愛紅，關(guān)薦伊，溫守東，牛桂玲

(承德石油高等專科學(xué)校 化學(xué)工程系，河北 承德 067000)

目前，我國工業(yè)企業(yè)的廢水多采用集中式處理，即各廢水流匯集于末端全部混合、經(jīng)一組序貫的單元處理后排放至環(huán)境。集中式處理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行可靠、管理和控制方便、且投資和運(yùn)行費(fèi)用較少，但其也存在下述明顯的缺點(diǎn)：1)廢水的收集以及處理后的廢水回用涉及到鋪設(shè)管道的昂貴費(fèi)用及長距離輸送引起的滲漏問題；2)廢水流全部混合會導(dǎo)致污染物濃度降低，處理量隨之增大，進(jìn)而會導(dǎo)致處理費(fèi)用的升高；3)某些情況下水流混合會生成高難處理的化學(xué)組分，從而人為地加大了處理的難度[1]。而分散式處理首先考慮對不同雜質(zhì)、不同濃度的廢水流分別進(jìn)行處理，只有當(dāng)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(shí)，才將水流進(jìn)行合并處理[1]。分散式處理不僅可以克服集中式處理存在的問題，而且可增加廢水回用和資源回收的機(jī)會，是廢水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。筆者將提出集中式廢水處理向分散式處理改造的方法，為過程工業(yè)廢水處理工藝的改造提供科學(xué)依據(jù)。

1 改造方法

1.1 引入中間水道的廢水處理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

由于是對現(xiàn)有集中式廢水處理系統(tǒng)的改造，各廢水處理單元已集中于末端，所以可通過增加管道將水流分配給不同的處理單元，這可以極大地降低總處理量。然而，與集中式處理相比，分散式處理網(wǎng)絡(luò)中上游單元的運(yùn)行狀況會直接影響到下游單元，例如圖1b)中，TP1的運(yùn)行狀況會直接影響TP2和TP3。對于用水網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)eng和Seider[2]將中間水道(Internal Water Main, IWM)結(jié)構(gòu)引入了常規(guī)網(wǎng)絡(luò)之中，以降低單元之間連接的復(fù)雜程度并增加系統(tǒng)的柔性。中間水道實(shí)際上是部分水流發(fā)生混合的一個(gè)“大容器”，各用水單元之間不再直接相連，而是從新鮮水道或中間水道取水，排水到另一中間水道或者廢水道(Wastewater Main, WWM)。對于廢水處理網(wǎng)絡(luò)，將集中式處理改造成分散式處理正是由全部混合變?yōu)椴糠只旌?。因此，在處理能力允許的情況下，若在常規(guī)廢水處理網(wǎng)絡(luò)中引入中間水道，將得到一種介于集中式與分散式之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的總處理量雖然會高于分散式處理網(wǎng)絡(luò)，但將遠(yuǎn)低于集中式處理方式。引入中間水道的廢水處理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，各廢水流直接通往各中間水道或廢水道，處理單元之間不再直接相連。中間水道可以緩沖廢水流中污染物濃度以及處理單元參數(shù)變化對廢水處理效果的影響，即使某個(gè)中間水道中污染物濃度發(fā)生較大變化，也可采用循環(huán)稀釋或暫時(shí)分流出一定水量的方式穩(wěn)定系統(tǒng)操作。

1.2 中間水道的設(shè)置規(guī)則

前已述及，具有中間水道的廢水處理網(wǎng)絡(luò)是一種介于集中式與分散式之間的結(jié)構(gòu)。分散式網(wǎng)絡(luò)是改造的極限，而其可看做每個(gè)處理單元對應(yīng)一個(gè)中間水道。所以，改造時(shí)可先設(shè)計(jì)出分散式結(jié)構(gòu)，然后確定哪些處理單元能夠合并于一個(gè)中間水道中。規(guī)則如下：

1)首先采用文獻(xiàn)[3]方法設(shè)計(jì)分散式廢水處理網(wǎng)絡(luò)；

2)分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，與其它單元不相關(guān)的處理單元單獨(dú)設(shè)置在一個(gè)中間水道以避免水流被稀釋。

3)分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，相關(guān)關(guān)系不密切且處理量比較小的處理單元若能完成雜質(zhì)移除任務(wù)，則可合并在一個(gè)中間水道中；

4)分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，相關(guān)關(guān)系密切且處理量比較大的處理單元通常不能合并在一個(gè)中間水道中，因?yàn)檫@類單元需要串聯(lián)，否則難以達(dá)到雜質(zhì)的最小移除負(fù)荷。

上述規(guī)則中，單元之間的相關(guān)關(guān)系參見文獻(xiàn)[4]。兩個(gè)單元不相關(guān)是指二者所應(yīng)處理的水流互不相同，相關(guān)關(guān)系密切是指二者所應(yīng)處理的水流重合或大部分相同，相關(guān)關(guān)系不密切則是介于前兩種關(guān)系之間的情況。雜質(zhì)的最小移除負(fù)荷[4]見式(1)：

(1)

1.3 中間水道流量的確定

(2)

(3)

0≤fTPj,i≤fi

(4)

目標(biāo)函數(shù)為中間水道中各處理單元對SIWN中水流的處理量之和最小，如式(5)所示。

(5)

求解式(1)-(5)，可得到應(yīng)通往該中間水道的水流及這些水流的處理量。

1.4 改造后的經(jīng)濟(jì)效益估算

本設(shè)計(jì)中，通過改造每年可節(jié)約的費(fèi)用E為：

(6)

式中，CostTPj為處理單元TPj的操作費(fèi)用，元·m-3；Freduce,j為改造后TPj降低的處理量，m3·h-1；Nhour為廢水處理系統(tǒng)的年運(yùn)行時(shí)數(shù)，h；r為新增設(shè)備的折舊率；α為新增管道的附屬設(shè)備、儀表及安裝等的費(fèi)用系數(shù)；Costpipe為管道費(fèi)用，元·m-1；Lengpipe,m管道m(xù)的長度，m；CostIWM,n為中間水道n的造價(jià)，元。

2 文獻(xiàn)實(shí)例研究

本例取自文獻(xiàn)[5]。水流和處理單元數(shù)據(jù)見表1。除TP3外，每個(gè)單元均移除兩種雜質(zhì)，且雜質(zhì)A、B和E可被兩個(gè)單元移除。各雜質(zhì)的環(huán)境允許排放濃度均為100 g·m-3。由式(1)算得各雜質(zhì)的最小移除負(fù)荷，見表2。本例的分散式廢水處理網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[3]見圖3。

表1 文獻(xiàn)實(shí)例的水流和處理單元數(shù)據(jù)

表2 文獻(xiàn)實(shí)例中各雜質(zhì)的最小移除負(fù)荷

圖3所示的分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，TP4與其它單元不相關(guān)，應(yīng)單獨(dú)設(shè)置在一個(gè)中間水道IWM1，TP4處理的水流為S4、S5、S7、S12、S14。TP2和TP1相關(guān)關(guān)系不密切且處理量較小，可以合并在一個(gè)中間水道IWM2，即TIWM2={TP1,TP2}；TP1可以移除雜質(zhì)A和C，TP2可以移除雜質(zhì)A，CIWM2={A,C}；IWM2中

TP1和TP2可以處理的水流集合為SIWM={S1,S2,S3,S6,S8,S9,S10,S11,S13,S15}。根據(jù)式(3)-(5)，可得：

(7)

解得：fTP1=73.31 m3·h-1，fTP2=21.30 m3·h-1。所以，中間水道IWM2的流量為94.61 m3·h-1。

TP5與TP1密切相關(guān)且TP5的處理量較大，單獨(dú)設(shè)置在中間水道I WM3。根據(jù)雜質(zhì)B的質(zhì)量衡算，可得到IWM3的處理量為194.24 m3·h-1。設(shè)計(jì)結(jié)果見圖4，每個(gè)中間水道后面括號中列出的數(shù)字為處

理量。引入中間水道后，總處理量為381.02 m3·h-1。

本例若采用集中式設(shè)計(jì)，總處理量為918.04 m3·h-1，設(shè)計(jì)結(jié)果見圖5。不同處理方式間結(jié)果的比較見表3。

該廢水處理系統(tǒng)每年運(yùn)行7 200 h。各廢水處理單元的平均費(fèi)用取為1.8元·m-3，各條新增管道的平均長度取為30 m。改造時(shí)增加的管道數(shù)為17，每小時(shí)降低的處理量為537.02 m3·h-1。管道費(fèi)用取為150元·m-1，每個(gè)中間水道的平均造價(jià)取為10萬元，新增管道和設(shè)備的附屬費(fèi)用系數(shù)取為1.25，使用年限取為10年。則本例系統(tǒng)每年可節(jié)約的費(fèi)用為：

表3 文獻(xiàn)實(shí)例不同處理方式間設(shè)計(jì)結(jié)果的比較

E=7 200×1.8×537.02-0.1×1.25×(150×30×17+3×100 000)=6 912 717元≈690萬元

集中式處理方式的年度總費(fèi)用為：

Costcentralized=7200×1.8×918.04=11 897 798元≈1 190萬元

與集中式處理相比，該系統(tǒng)改造后年度總費(fèi)用節(jié)約了690/1190×100%=58%。與分散式處理相比，系統(tǒng)的柔性增加，水流S1,S2,S3,S8,S9,S10,S13,S15的流量及雜質(zhì)A或C濃度的變化在中間水道中得到了緩沖，可通過暫時(shí)分流或循環(huán)稀釋加以調(diào)節(jié)，從而克服了分散式結(jié)構(gòu)中TP2→TP1→TP5影響的連鎖效應(yīng)。

3 結(jié)論

通過引入中間水道，提出了一種介于集中式與分散式之間的廢水處理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并給出了將傳統(tǒng)的集中式處理系統(tǒng)改造為此新結(jié)構(gòu)的具體方法。對一文獻(xiàn)實(shí)例的研究結(jié)果表明，與集中式處理相比，僅需增加一定數(shù)量的管道和中間水道，便可極大地降低總廢水處理量。此外，與分散式結(jié)構(gòu)相比，具有中間水道的廢水處理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有操作穩(wěn)定、易于調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。對該文獻(xiàn)實(shí)例的年度總費(fèi)用的估算顯示，改造后可比集中式降低約58%?？捎糜诮档同F(xiàn)有工業(yè)企業(yè)中集中式廢水處理系統(tǒng)的年度總費(fèi)用、提高現(xiàn)有裝置的處理能力或滿足更嚴(yán)格的環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)。