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印染集中区水网络优化研究

时间:2017-5-5 15:31:00   来源:中国印染网   添加人:admin

  工业生态与环境工程教育部重点,其中各符号含义和单位见附录,根据印染集中区特点,该超级结构包括企业用水节点超结构、企业废水集中池超结构、污水处理设施超结构,具体描述如所示。

  水网络超结构图(a.企业过程节点超结构;b.企业废水集中池超结构;c.污水处理设施超结构)2.2.1企业过程节点超结构企业过程节点的水网络超结构如a所示。各个企业过程节点的用水可以分别来源于新鲜水、企业内过程节点所排废水、其他企业过程节点所排废水、各段污水设施的回用水。而企业各过程节点所排废水可以回用于自身企业及其他企业过程节点或直接排放到企业废水集中池中,与其他废水混合排入污水处理设施中。企业各过程节点的需水量、需水水质标准、排水量、废水水质均为已知条件。

  2.2.2企业废水集中池超结构各个企业设有的废水缓冲池,其水网络超结构如b所示。未被企业内部利用的废水全部集中到废水集中池中,然后排放到污水处理设施中进行末端处理。

  2.2.3污水处理设施超结构印染集中区污水处理设施大部分采用多级水处理组合工艺,一般由生物处理、混凝处理、消毒脱色等工艺组成,每级处理设施都有自己的固定的处理效率。本文中污水处理厂超结构图见c,各企业废水集中进入第级处理设施中,经过一级处理后,可以被回用到企业过程节点中,或者进入下段处理设施,若水质达标也可以排放。除一级处理设施外,其他级处理设施废水都来自于上一级。

  本模型以包括新鲜水成本、污水处理设施成本、管道成本在内的集中区总成本最低为目标函数。最终确定新鲜水使用量、企业间及企业内废水的循环途径、污水处理组合工艺等级、废水处理途径及回用途径。

  2.3公式建立首先,在超结构的基础上,依据物质平衡、限制条件等,建立约束条件,公各符号的含义和单位见附录。

  2.3.1企业过程节点根据企业过程节点超结构图,依据企业用水水量及水质限定条件,建立水量平衡、物质平衡公式及水质限制不等式,作为模型的约束条件,具体见公总碱度+总硬度/(以染色厂与印花厂锅炉蒸汽容10容30冷却水容80容20水洗(前处理)容50容30容25水洗(染色)容50容10容20排放容30容40水洗厂砂洗容50容30容25 3.3多段污水处理设施选择在该印染集中区实际运行两级废水处理工艺,分别是UASB-好氧生物处理组合工艺、混凝技术,经过前两级处理COD与SS的去除效果好,但脱色效果低,处理水不能回用到印染与水洗厂中。污水处理设施管理者考虑,对原有设施进行提标改造,添加后续深度处理工艺,达到部分中水处理回用的目的。

  应用本文多级污水处理设施数学模型,可以明确各级污水设施污水处理流量及回用途径和流量的分配,同时确定后续深度处理工艺等级,从而得到成本最省的多级工艺污水处理方案,为提标改造决策提供。

  本文增加两级深度污水处理回用工艺,分别为臭氧技术、膜处理技术。臭氧技术深度处理工艺的特点为COD去除率很低,但有较强的脱色、消毒和矿化的效果,适用于印染中水回用处理工艺。研究成果表明,在适当的操作条件下,臭氧氧化处理技术的COD去除率能稳定达到至少40%,若加入催2012)。膜处理技术在印染废水处理中,效果好,脱色率高,管理简单,但膜需要经常更换,运行费用高,不被广泛采用。随着用水成本的提高,膜处理技术处理废水能够直接回用的优势,越来越被重视。

  在优化模型公不设定一级、二级污水处理水的在印染厂和水洗厂的回用。本文中设计污水处理设施设计规模为10000fd-1,进水COD为1500mg-L―1,结合实践调查和查阅得出如表2所示的去除率;同时结合上面设计条件,经查阅及实际经验,得出各段处理工艺运行成本,如表2所示。

  表2选择工艺及各污染物去除率、成本编号工艺名称COD去除率SS去除率色度去除率固定成本/万元运行成本系数-级生物处理工艺二级混凝工艺三级臭氧氧化工艺四级膜系统技术表3为印染集中区各企业过程节点数据。本文根据各个企业的水代谢途径进行分析,调查进水及排水节点,弄清企业水流途径,确定企业各工序的用水要求与出水水质。在此为简化计算,将用水要求一致且出水水质相似的节点合并(如,将前处理工段所有用水节点合并,所有工序蒸汽、冷却用水节点合并),并取各节点流量、水质指标的平均值。

  表3印染集中区各企业过程节点数据Table3Dataofthewaternodesof企业名称用水节点日水流量/t染色厂I前处理n染色m冷凝汉冷却印染厂1 I前处理n印染m冷凝汉冷却印染厂2 I前处理n印染m冷凝汉冷却印染厂3 I前处理n印染m冷凝汉冷却水洗厂砂洗各企业间及各企业与污水处理设施距离见表4.表4各企业距离企业名称染色厂印染厂1印染厂2印染厂3水洗厂污水处理设施染色厂印染厂1印染厂2印染厂3水洗厂污水处理设施3.4计算结果本数学优化问题为混合整数非线性规划。选取新鲜水费用为4元t―1,年工作日为300d,运用lingo软件编程,并且采用软件中的全局求解器求解计算。该求解器运用分支定界方法(branchandboundmethod)以非整数规划最优解为树根,最优目标值为上届,按决策变量整数值,将模型分解为多个凸分支。分支定界法是种求解整数规划问题的最常用算法,可以有效求解混合整数规划问题。其优点是不必对解空间进行遍历搜索就能够找到全局最优解,加快求解速度。但当分支越多,要求的子问题越多,且子问题的约束条件也会增多,求解过程变的复杂费时。

  对计算结果整理后,实际水网络如所示。其中,I、n、ni、iv分别代表印染或染色厂的前处理、印染、冷凝、冷却过程节点,V代表水洗厂过程节点,直线上数据代表流量,单位为fd― 1.结果确定了污水处理设施等级为3级,并明确了企业内部及企业之间的水循环回收利用最优途径,主要包括:印染厂和染色厂中的冷凝、冷却水应回用于前处理工序,见企业内废水回用;印染二厂的部分冷却水回用于水洗厂,这样可使集中区整体成本花费下降,见企业间废水回用途径;各印染厂印花与染色水洗水和锅炉蒸汽用水除一部分来自新鲜水外,还可来自于三级污水处理回用水,见污水处理设施中水回用途径。

  二级污水处理设施的出水,只有一部分流入三级处理设施进行深度处理,另一部分达标排放。计算结果明确了各部分的流量。最终计算结果表明,通过该优化模型优化,该水网络污水排放量由以前的9420t.d―1,降低污水排放量为2173t.d印染环境新鲜水印染集中区最优水网络基于以上研究,本文所建立的水网络优化方法能够通过综合印染集中区中各企业用水指标、排水特点,兼顾水质特性、需水要求、环境容量、经济效益等因素,搭建经济节水的企业内及企业间水回用途径。该方法保证在整体集中区总成本最低的基础上,使所研究的系统用水在达到水质标准的同时,实现水资源的合理分配,使得印染集中区中新鲜水的使用降低,水资源利用率提高。

  本文所建立的包含多级污水处理设施的水网络优化模型,能够经济合理的分配各级污水处理设施处理水,明确了各级处理设施向企业输送处理中水的最优回用途径、回用量及外界环境排放量,更加符合实际情况。管理者可以本优化模型结果,对污水处理设施的提标改造,作出提高水资源利用率,节约成本的决策。

  本文的计算结果表明,若处理设施的污染物去除率提高及处理成本降低,集中区内水的回收利用率随之上升。

  责任:张芸(1966―),女,教授,博士,博士生导师,主要从事清洁生产和循环经济方向的研究。E-nail:附录主要符号意义和单位cup,企业;的过程节点出水的第f种污染物浓度ccp,企业p的污水缓冲池第f种污染物浓度值csp,企业p的过程节点i出水的第f种污染物浓度cpx,企业x的过程节点i出水的第f种污染物浓度cummp,/企业p的过程节点需水第f种污染物浓度最小限值(mg-L-1)cu-w,/企业p的过程节点需水第f种污染物浓度最ctW/w级污水处理设施出水第f种污染物浓度值ctW,w级污水处理设施入水第f种污染物浓度值cef排放标准第f种污染物浓度最小限值(mg‘L-1)cefmax排放标准第f种污染物浓度最大限值(mgL-1)FIp,企业;过程节点i排水水总量(fd-1)fssp,企业p内过程节点i流入节点+的水流量(fd-1)fscp,企业p的过程节点i排入污水缓冲池水量(fd-1)FUp,企业p过程节点+用水总量(fd-1)fwp,企业;的过程节点新鲜水需水量(fd-1)fpsx,/企业x的过程节点i流入企业p的过程节点的流量(fd-1)ftS//W级污水处理设施流入企业;的过程节点的回用水量(fd-1)fctp企业;5污水缓冲池中流入污水处理设施的流量FTw级污水处理设施处理水量(fd-1)few级污水处理设施排放环境的水量(fd-1)w级污水处理设施的对第f种污染物浓度的转化因子CUW新鲜水成本(元M-1)CUFww级污水处理设施固定成本(元)Dp企业p与污水处理设施之间的距离(m)二进制函数XX,决定企业x与企业p过程节点之间管道的二进制函数XP决定污水处理设施与企业缓冲池之间管道的二进制函数xw,决定污水处理设施与企业之间管道的二进制函数X:决定w级污水处理设施的二进制函数希腊字母下标W末级污水处理设施上标out出水mix最小限max最大限集合2 Ns./p过程节点集合2 Wt处理设施集合