何川封明曹岳戚政霞李愷

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098；2.泰興市水務局，江蘇 泰興 225400；3.高港區(qū)水利局，江蘇 泰州 225321)

引言

當今農(nóng)產(chǎn)品加工行業(yè)逐漸向創(chuàng)新性、專業(yè)性的方向發(fā)展，用水模式的差異性和加工工藝的差異性導致農(nóng)產(chǎn)品加工企業(yè)節(jié)水潛力的巨大差別[1]，因此，精細化確定企業(yè)節(jié)水潛力是很有必要的。

相較于數(shù)據(jù)繁多的數(shù)據(jù)建模分析與不確定性高的生命周期分析[2]，節(jié)水潛力研究主要運用水足跡分析進行節(jié)水潛力評估。任滋禾等[4]應用水足跡分析，得出雨水利用對于印染企業(yè)具有巨大的節(jié)水潛力。然而，目前節(jié)水潛力研究中對于農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)的節(jié)水潛力分析甚少，缺少回用水、雨水收集、設(shè)備更新對于農(nóng)產(chǎn)品節(jié)水潛力程度的評估。

基于節(jié)水潛力研究現(xiàn)狀[6]，以具有行業(yè)代表性[7]的脫水蔬菜企業(yè)為研究對象，分析雨水收集、廢水回用、設(shè)備更新等措施對企業(yè)節(jié)水的貢獻，為高質(zhì)量、高效率建設(shè)節(jié)水企業(yè)提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究基于行業(yè)代表性與生產(chǎn)多樣性的考慮，選取脫水蔬菜重要基地泰州市為研究對象[8,9]。對15家脫水蔬菜企業(yè)進行水平衡核算以及水足跡統(tǒng)計。

1.2 脫水蔬菜企業(yè)調(diào)研與核算模型

根據(jù)研究企業(yè)的用水概況，水足跡及水平衡核算模型分為2種，如圖1、圖2所示。地下水新水分別直供生產(chǎn)工藝、冷卻、設(shè)備清洗系統(tǒng)；自來水直供工作人員生活系統(tǒng)，最后進行污水處理，達到工業(yè)用水排放標準后直接排入水體；由于泰州屬于豐水區(qū)，景觀需水較少可忽略不計，故在此不予考慮。自備鍋爐企業(yè)水平衡關(guān)系如式(1)所示，外購蒸汽企業(yè)水平衡關(guān)系如式(2)所示。因該企業(yè)未采用雨水收集回用系統(tǒng)，故目前過程中無綠水足跡。

圖1 自備鍋爐企業(yè)用水流程圖

圖2 外用蒸汽企業(yè)用水流程圖

(1)

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同工藝的脫水蔬菜企業(yè)的用水差異

脫水蔬菜加工用水的關(guān)鍵環(huán)節(jié)通過整理分析，確定有干燥環(huán)節(jié)、蒸汽制備環(huán)節(jié)會對企業(yè)用水單耗產(chǎn)生影響。因此，工藝角度上，自加工脫水蔬菜節(jié)水潛力的確定需進行這2種關(guān)鍵環(huán)節(jié)的差異分析。

以2016—2019年為例分析各企業(yè)干燥工藝不同的情況下的用水差異，結(jié)果見圖3。由圖3可以看出，烘干型企業(yè)用水單耗(76.26m3·t-1)>凍干型企業(yè)用水單耗(39.97m3·t-1)；標準差分別為17.40m3·t-1和3.19m3·t-1。其中，烘干型企業(yè)用水單耗高于調(diào)查企業(yè)用水單耗平均值(54.00m3·t-1)，凍干型企業(yè)用水單耗低于平均值。對于自來水，凍干型企業(yè)用水單耗(1.81m3·t-1)>烘干型企業(yè)用水單耗(10.76m3·t-1)；對于地下水，烘干型企業(yè)用水單耗(48.31m3·t-1)>凍干型企業(yè)用水單耗(23.78m3·t-1)；對于蒸汽，烘干型企業(yè)用水單耗(18.51m3·t-1)>凍干型企業(yè)用水單耗(3.13m3·t-1)。自來水主要供給于辦公場所，其中用于生產(chǎn)的地下水和蒸汽烘干型企業(yè)均多于凍干型企業(yè)，且烘干型企業(yè)標準差遠大于凍干型，說明烘干型企業(yè)干燥工藝環(huán)節(jié)節(jié)水潛力巨大。但由于凍干型公司設(shè)備與烘干型公司差異較大，更新凍干型設(shè)備資金消耗較大，從經(jīng)濟考慮該節(jié)水方案不切實際，故不予考慮。

圖3 脫水蔬菜用水單耗比較

以2016—2019年為例分析各企業(yè)蒸汽制備工藝不同的情況下的用水差異，結(jié)果見圖4。由圖4可以看出，外購蒸汽企業(yè)用水單耗(61.72m3·t-1)>蒸汽自備企業(yè)用水單耗(41.83m3·t-1)；標準差分別為21.81m3·t-1和12.33m3·t-1。對于自來水，外購蒸汽企業(yè)用水單耗(1.42m3·t-1)>蒸汽自備企業(yè)用水單耗(0.745m3·t-1)；對于地下水，外購蒸汽企業(yè)用水單耗(41.51m3·t-1)>蒸汽自備企業(yè)用水單耗(15.27m3·t-1)；對于蒸汽(蒸汽自備企業(yè)蒸汽量計算以用于生產(chǎn)蒸汽的地下水水量為準)，外購蒸汽企業(yè)用水單耗(15.46m3·t-1)>蒸汽自備企業(yè)用水單耗(14.00m3·t-1)。其中，對于生產(chǎn)的用水單耗，外購蒸汽企業(yè)均多于蒸汽自備企業(yè)，但蒸汽制備工藝主要影響的蒸汽用水單耗相差不大，確定該工藝環(huán)節(jié)的節(jié)水潛力還需進一步分析。

圖4 脫水蔬菜企業(yè)各水源用水單耗比較

2.2 節(jié)水潛力

2.2.1 企業(yè)水平衡核算結(jié)果

根據(jù)水平衡核算模型，選取2家代表性企業(yè)數(shù)據(jù)對企業(yè)的工業(yè)用水量進行核算，如表1所示。其中，根據(jù)《水果、蔬菜產(chǎn)品中干物質(zhì)和水分含量測定方法》，取蔬菜含濕率為80%，取出廠成品含濕率為0%，再結(jié)合企業(yè)年產(chǎn)量與企業(yè)生產(chǎn)時間，確定原料夾帶水。除原料夾帶水外，其余數(shù)據(jù)都通過實地調(diào)查獲取。

表1 調(diào)研企業(yè)用水明細表

2.2.2 產(chǎn)品水足跡測算結(jié)果

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，計算得到B、L公司藍水足跡分別為286.9m3·d-1和545.9m3·d-1，計算得藍水足跡分別為64.1m3·t-1和26.3m3·t-1。將原始數(shù)據(jù)代入水平衡關(guān)系式組中計算，考慮各步驟損耗及測量誤差，水平衡式兩端誤差均控制在5%以內(nèi)，且其中誤差大部分為原料夾帶水尋蹤誤差，故該水平衡核算成立。水足跡計算結(jié)果如表2所示。

表2 調(diào)研企業(yè)水足跡計算結(jié)果表

由表2可知，B、L企業(yè)總藍水足跡分別為286.9m3·d-1和545.9m3·d-1，單位產(chǎn)品藍水足跡分別為64.1m3·t-1和26.3m3·t-1，無綠水足跡，而雨水資源適合用作冷卻用水且凈化成本較低，是值得充分利用的水資源，且根據(jù)相關(guān)文獻[10]可知，脫水蔬菜生產(chǎn)廢水與雨水具有一定的生化相似性，雨水可以匯入廢水池與生產(chǎn)廢水一起處理，既降低廢水水溫，又不會增加過多的資金投入，因此，2家公司需要更好地利用雨水資源。另外，兩者單位產(chǎn)品藍水足跡相差較大，說明脫水蔬菜企業(yè)水資源利用率具有相當?shù)牟町悾谏a(chǎn)過程與制汽過程中節(jié)水潛力較大。

2.2.3 各項措施對削減企業(yè)水足跡的作用

雨水利用一直被視作重要的企業(yè)節(jié)水手段，對企業(yè)用水削減起到了極大的作用。泰州市年均降水量約為1000mm，取匯水面積為屋頂建筑面積0.8×104m2和1.6×104m2，取屋頂表面徑流系數(shù)0.9，屋頂雨水初期棄流量取2mm徑流厚度[11]，雨水池容和初期雨水棄流量公式：

W=10ψHF

(3)

W1=10ψH′F

(4)

式中，W為雨水池容積，m3·a-1；ψ為徑流系數(shù)；H為設(shè)計降雨量，mm·a-1；F為匯水面積，hm2；W1為初期雨水棄流量，m3·a-1；H′為年總雨水初期棄流厚度，為120mm(60×2mm)。計算得到，WB=19.72m3·d-1，WL=39.45m3·d-1；WB1=2.36m3·d-1，WL1=4.73m3·d-1。兩者相減得到年降雨可收集到的雨水量Q，QB=17.36m3·d-1，QL=34.72m3·d-1。收集的綠水經(jīng)處理后即可補充冷卻用水，分別可匯入企業(yè)污水池綠水量為17.36m3·d-1、34.72m3·d-1，與廢水混合簡單處理并降溫后即可滿足回用冷卻水要求。根據(jù)企業(yè)實際情況分析并借鑒目前已有水回用研究成果[12,13]，將該脫水蔬菜企業(yè)再生水部分回用于冷卻系統(tǒng)，再隨冷卻系統(tǒng)一起回用于生產(chǎn)工藝，其預期水量分別為76m3·d-1和167m3·d-1，根據(jù)雨水量與廢水量混合比例，計算出綠水水足跡增加量分別為5.22m3·d-1和11.57m3·d-1，廢水回用削減藍水足跡量分別為70.78m3·d-1和155.43m3·d-1。

設(shè)備更新?lián)Q代可以減少生產(chǎn)過程中的用水量，根據(jù)水平衡核算模型和表1分析，配有鍋爐的公司L比外購蒸汽的公司B節(jié)約了從鍋爐到漂洗的串聯(lián)水量38m3·d-1，且生產(chǎn)環(huán)節(jié)可以更加靈活多變。以B公司的實際生產(chǎn)情況為基礎(chǔ)考慮，取產(chǎn)汽耗水率為調(diào)研企業(yè)平均值94.9%，B公司建立鍋爐產(chǎn)汽環(huán)節(jié)后，需要增加地下水量76.92m3·d-1，與外購蒸汽相比增加水量3.92m3·d-1，減少漂洗水量28.7m3·d-1，凈減少水量24.78m3·d-1，B公司削減藍水足跡量為24.78m3·d-1。

2.3 改進后企業(yè)水平衡核算及水足跡削減量

將改進后脫水蔬菜企業(yè)水足跡重新構(gòu)造水平衡圖，進行核算，見圖5。

圖5 改造后脫水蔬菜企業(yè)用水流程圖

更新水平衡關(guān)系公式：

(5)

經(jīng)過核算，增加雨水收集系統(tǒng)、污水回用系統(tǒng)和設(shè)備更新后，其各項水足跡如表3所示，經(jīng)處理的雨水和再生水補充到冷卻系統(tǒng)中，藍水削減量為76m3·d-1和167m3·d-1，藍水足跡削減比例為29.78%和32.66%；B公司建設(shè)鍋爐—漂洗串聯(lián)用水環(huán)節(jié)后，藍水削減量為28.7m3·d-1，藍水足跡削減比例為9.70%，結(jié)合雨水廢水回用設(shè)施，共削減藍水足跡104.7m3·d-1，削減比例為39.48%。由表3可知，雨水收集、廢水回用、設(shè)備更新均可有效降低脫水蔬菜企業(yè)的產(chǎn)品藍水足跡，B公司節(jié)水潛力為3.8×104m3·a-1，L公司節(jié)水潛力為6.1×104m3·a-1。

表3 調(diào)研企業(yè)全面改造后水足跡明細表

3 結(jié)論

本研究將水平衡分析與水足跡評價相結(jié)合，建立了產(chǎn)品水足跡測算方法，研究結(jié)果表明，廢水回用節(jié)水潛力更大，藍水足跡削減比例為30%左右；通過雨水利用，綠水足跡增加比例均在2%左右，削減等量藍水足跡，節(jié)水潛力較??；外購蒸汽企業(yè)可以通過自制蒸汽，削減產(chǎn)品總水足跡10%左右。