单杂质整体水网络设计新方法

张浩，尚大军，樊霄雁，刘智勇

（1.河北工业大学化工学院，天津300130；2.中国石油大庆石化分公司，黑龙江大庆163711；3.河北工业大学海洋科学与工程学院，天津300130）

单杂质整体水网络设计新方法

张浩1，尚大军2，樊霄雁3，刘智勇3

（1.河北工业大学化工学院，天津300130；2.中国石油大庆石化分公司，黑龙江大庆163711；3.河北工业大学海洋科学与工程学院，天津300130）

研究了单杂质整体水网络设计.首先分析了各子网络之间的关系，指出具有再生单元的用水子系统与废水处理子系统之间的联系是高浓度废水.在此基础上将设计过程分为2步：首先设计包含再生单元用水子网络，得到废水流量和浓度，第2步以废水处理量最小为目标设计废水处理网络.在具有再生单元的子系统中，再生过程模型分为固定杂质移除率（RR）及固定再生后浓度2种形式.对于固定移除率模型问题，首先估算出再生浓度，通过几次迭代即可得到再生子网络设计结果；对于固定再生后浓度模型问题无需迭代，只需1次计算即可得到再生子网络设计结果.最后，通过2个实例来说明本文方法.结果表明，本文方法的设计过程简单且有效.

水系统集成；单杂质；整体水网络；固定移除率；固定再生后浓度；废水处理

0 引言

工业节水非常重要.传统水网络设计通常将用水子网络和废水处理子网络分开研究.而包含用水子系统、再生子系统及污水处理子系统的整体水网络，全面考虑废水回用[1]、再生再利用/循环利用[2-3]、废水处理[4-5]诸过程，可以实现最大程度上的节水减排，所以整体水网络研究对于工业节水具有重要意义.上述子系统的设计均较为较复杂，而上述子系统构成的整体水网络的设计则更为复杂.

目前水网络的研究方法主要有夹点法与数学规划法.Takama等[6]首次采用数学规划法对炼油厂中水优化分配进行研究.Wang和Smith[1]提出水夹点技术研究废水最小化问题，通过构造极限浓度复合曲线确定水夹点的位置，由此得到新鲜水最小量.Doyle和Smith[7]采用数学规划法研究了多杂质水网络的回用问题.对于废水处理网络，Wang和Smith[8]开发了图形化方法确定废水处理夹点，并由此得到废水处理量目标值.Galan等[9]采用连续性松弛解法研究了分布式废水处理网络.目前文献中对用水网络及废水处理网络的研究还有很多，限于篇幅，本文主要讨论整体水网络设计.

已知文献报道中，对再生单元为固定出口浓度模型的简单总体水网络主要用夹点法，如Ng等[10-11]采用夹点图与水级联分析技术设计单杂质整体水网络.Deng等[12]提出PGA（Process-based Graphical Approach）法设计固定杂质负荷与固定流量整体水网络.Parand等[13]提出ECTA（Extended Composite Table Algorithm）法分别求解总水网络中新鲜水消耗量、再生水流量、废水流量和废水浓度.对于复杂的再生单元为固定出口浓度模型的总体水网络的设计，许多学者采用数学规划法，如Putra和Amminudin[14]提出了一种由MILP和NLP构成的2步法设计整体水网络.Tudor和Lavric[15]采用GA（Genetic Algorithm）法求解有进、出口浓度限制的整体水网络数学模型.Ahmetovic和Grossmann[16]基于各类过程的超结构模型得到非凸NLP和MINLP模型，推导出变量的严格边界，由此得到整体水网络全局最优解.Kim[17]对总水网络集成进行了系统的分析，采用图形方法和数学优化法结合的策略考察了新鲜水费用、污水处理费用、管道费用和废水排放费用之间的关系.Khor等[18]采用全局优化求解器对固定流量整体水网络集成问题进行了研究.

上述文献研究再生单元为固定再生后浓度模型的整体水网络，而对于RR模型的水网络设计方法并不多.Kuo和Smith[19]改进图解法[1]确定RR模型用水网络的最小新鲜水消耗量，但过程较为繁琐.Bandyopad hyay等[20]采用了源水流复合曲线（Source Composite Curve）法设计RR模型的单杂质水网络.Pan等[21]提出迭代法设计考虑再生再利用/循环过程的单杂质用水网络，对再生单元为RR模型与固定再生后浓度模型的水网络设计都能有效解决.已知文献研究对再生单元为RR模型的整体水网络研究尚未见报道.

本文首先分析了整体水网络中各子系统之间的联系，指出具有再生单元的用水子系统与废水处理子系统之间的联系是高浓度废水.在此基础上将单杂质整体水网络的设计分为2个步骤：1）首先设计包含再生单元的用水网络，同时得出待处理废水流的量和浓度；2）在上述基础上设计废水处理网络.这样就可以简化设计过程，由设计实例可知，本文方法设计步骤简单且有效.

1 整体水网络分析

整体水网络由用水子系统、再生子系统及污水处理子系统3部分组成，如图1所示.

图1 整体水网络各部分间的关系Fig.1 Interactions between elements of a total water network

从用水子系统出来的未被利用的低浓度水流进入再生子系统，再生后水流返回用水子系统重新利用.而用水子系统中未被利用的高浓度水流则进入废水处理系统进行处理，满足环境排放要求后排放.

由图1可见，包含再生过程的用水子网络（图1中虚线框内部分）与废水处理子网络之间的联系是高浓度废水.这样可将整体水网络设计分为2步，即先设计包含再生单元的用水网络，由此可得到待处理的废水流的流量及浓度.然后以所得废水流数据为基础设计废水处理子网络.采用上述设计策略可以简化总体设计难度.设计过程如图2所示.

2 含再生再利用/循环利用过程的用水网络设计

Liu等[22]指出包含再生单元的水网络与只考虑再利用的水网络的区别在于前者增加了1条（或几条）再生水流，如果确定了再生水流的浓度与流量，并把再生水流作为新增源水流加入到只包含再利用过程的水网络当中，即可得到包含再生单元的水网络所需数据，然后可采用对只考虑再利用水网络提出的设计方法进行设计[22].

对再生单元采用固定杂质移除率模型的水网络，刘智勇及其合作者[21]在Liu等[22]工作的基础上提出迭代方法设计包含再生单元的用水网络，首先估算出再生水流浓度，假设再生水流的量足够大，将再生水流作为新增源水流加入到只考虑再利用的水网络中，即可形成具有再生单元的用水网络，经过几次迭代，当两次相邻迭代再生浓度的差小于某一给定值ε，即可得到最终设计.对再生单元采用固定出口浓度模型时，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单元的网络设计.包含再生单元的用水网络设计完成后，可得到废水流的流量和浓度，然后进行废水处理子网络设计.

图2 单杂质总水网络设计过程Fig.2 Design procedure for a total water network of single contaminant

3 废水处理网络设计

从上述用水网络出来的未被利用的废水可分为2部分，满足环境排放要求的水流可以直接排放，高浓度的水流则需要经过处理单元处理.

McLaughlin等[24]指出，杂质负荷一定的情况下，水流浓度越低则处理量就越高，这样会使处理费用增大.本文采用时静[25]提出的单杂质分布式水处理方法设计废水处理网络，首先将废水流按照浓度降低的顺序排列，然后确定废水流中夹点水流处理量，通过合理设计处理过程，最大程度地减少不必要的水流混合来降低系统的总处理量.

4 实例研究

本节研究了2个实例.

4.1 例1

本例数据见表1，数据取自文献[26]，规定再生单元固定移除率（RR值）为95%，处理单元固定移除率（RR值）为99%，环境极限排放浓度为50 g/t.

表1 例1数据Tab.1 The data of example 1

设计过程如下.

4.1.1 采用迭代法[21]设计包含再生单元的用水网络

由文献的设计步骤可得：首先估算再生浓度，将各源水流合并，计算再生浓度为12.45 g/t，再生水作为新增源水流加入水网络中用于第1次迭代过程.执行过程中入口极限浓度较小的过程优先执行，当入口极限浓度相同时，则出口浓度较小的过程优先执行.入口极限浓度最低为0 g/t的需求水流（D1，D2及D3）只能用新鲜水（FW）满足，用量为49.17 t/h.

按照浓度顺序，此时应该执行P4过程.对于P4过程，因源水流S1、S2、S3浓度等于或大于P4过程出口极限浓度，所以不应回用源水流S1、S2、S3，而只能使用再生水Sreg，再生水量为29.61 t/h，P4过程出口浓度达到极限值.对于P5过程，可用源水流为S1、S2、S3（S1浓度最小优先回用），根据文献[21]方法计算得，源水流S1对于P5过程分配量为8.23 t/h，再生源水流Sreg对P5过程分配量为36.08 t/h，这样过程入口与出口浓度均达到极限值.

类似地，对后续过程进行设计，直至所有过程执行完成.第1次迭代得到再生水流量为272.83 t/h.按照高浓度源水流排放，低浓度源水流再生的规则（第1次迭代需再生处理的水流如表2所示），得到该过程再生浓度用于第2次迭代过程，直至第4次迭代再生水流浓度不再变化，每次迭代的结果见表3.通过比较可以看出，第3、4次的迭代结果相同，说明本例可以通过第3次迭代即可得到最终设计结果.

表2 例1第1次迭代需再生处理的水流数据Tab.2 The data of regeneration stream for iteration 1

表3 例1迭代结果Tab.3 Iteration results for example 1

最终的设计结果新鲜水消耗量与废水排放量都为46.25 t/h，再生水量为276.73 t/h，再生水浓度为14.38 g/t.各过程水流分配量如表4所示.

表4 例1各过程水流分配数据Tab.4 The allocation data for example 1

4.1.2 废水处理网络设计

处理过程的脱除率为99%，环境极限浓度为50 g/t，环境允许排放的最大杂质负载量为2.46 kg/h.

根据单杂质分布式水处理方法[25]，把废水流股按照浓度下降的顺序进行排列，并计算出各水流杂质负荷量（M），经过处理后的剩余杂质负荷量以及杂质负荷累积量如表5所示.

表5 废水流数据Tab.5 Wastewater data for example 1

根据文献[25]，从表5的值可以看出，所以判断出水流3为夹点水流.浓度浓度高于水流3的所有水流需要完全处理，水流3部分处理部分旁路，浓度低于水流3的水流则直接排放.由计算可知，夹点水流3的处理量为32.05 t/h，总处理量为49.17 t/h.最终的设计如图3所示.

4.2 例2

本例数据见表6，数据取自文献[11]，再生单元采用固定出口浓度模型，出口浓度为10 g/t，处理单元固定移除率（RR值）为90%，环境极限排放浓度为20 g/t.

假设新鲜水与再生水流量充足，再生水作为新增源水流加入水网络中，将各水流按浓度升高的顺序排列见表7.

图3 例1最终网络结构Fig.3 Final design for example 1

表6 例2数据Tab.6 The data of example 2

设计过程如下.

4.2.1 采用多水源法[23]设计包含再生单元的用水网络

浓度为0 g/t的需求水流（D1）只能用新鲜水来满足，用量为120 t·h-1.

由文献[23]设计步骤可得：对于第1个浓度为50 g/t的需求水流可以由高浓度源水流（HCS为100 g/t）和低浓度源水流（LCS为10 g/t）来满足，其中高浓度源水流HCS用量为35.56 t/h，低浓度源水流LCS用量为44.44 t/h.类似地可以计算确定各个用水过程水流分配量，具体结果见表8.

由表中数据计算可得再生水流量为88.88 t/h，各水流剩余量分别为：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.低浓度水流可以用于再生，所以再生水流由浓度为100 g/t、180 g/t的源水流及45 t/h浓度为250 g/t的水流组成.剩余40 t/h浓度为250 g/t的水流进入处理单元.

表7 例2数据Tab.7 The data of example 2

表8 例2各过程水流分配数据Tab.8 The allocation data for example 2

4.2.2 废水处理网络设计

进入废水处理单元的只有一股水流，根据质量守恒确定第一个处理单元处理量10 t/h，第二个处理单元处理量39.89 t/h，最终网络结构见图4.

图4 例2最终网络结构Fig.4 Final design for Example 2

5 结论

本文提出了设计单杂质整体水网络的新方法.首先分析了整体水网络中各子系统之间的关系，在此基础上将设计过程分为2步：先设计包含再生单元的用水网络，再设计废水处理网络.本文研究的再生系统包括固定再生出口浓度模型及固定杂质移除率模型2种情况.其中包含固定杂质移除率再生过程的整体水网络尚未见诸文献报道.对文献实例研究结果表明：本文方法的设计过程简单有效，具有明确的工程意义.

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[责任编辑 田丰]

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

国家自然科学基金（21176057）；国家重点基础研究发展计划（2012CB720305）

张浩（1990-），男，硕士研究生.通讯作者：刘智勇（1956-），男，教授，博士生导师.