基于水分質(zhì)的廢水資源化梯級利用

孟立紅，喬琦，劉景洋

中國環(huán)境科學(xué)研究院，國家環(huán)境保護(hù)生態(tài)工業(yè)重點實驗室，北京 100012

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人類對水資源的需求越來越大，水資源短缺日益嚴(yán)重［1］。據(jù)資料報道，1900—1975年，世界耗水量每年以 3.0%～5.6%的速度遞增(表1)［2］。我國的工業(yè)用水需求占全國總需水量的20%以上，工業(yè)污廢水的排放量達(dá)到全國污廢水排放量的49%左右，我國工業(yè)用水的新鮮水耗高、水重復(fù)利用率低，新鮮水耗水量遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國家水平。以煉油行業(yè)為例，我國1 t原油消耗水量為2.37 m3，比國際平均水平(0.5 m3)高出近4倍［2］，因此，我國的節(jié)水減排工作刻不容緩。污廢水是一種相對較為穩(wěn)定、可再生的水資源，在眾多節(jié)水途徑中，廢水資源化對于解決供需矛盾有著重大的意義［3］。通過對污廢水的處理回用，可以降低新鮮水耗和廢水排放量，提高廢水回用率。

表1 世界耗水量與不能恢復(fù)耗水量的變化Table 1 The change table of world water consumption and unrecoverable water consumption

所謂廢水資源化，是指將生產(chǎn)廢水和生活污水經(jīng)科學(xué)分類處理后加以綜合利用的一種循環(huán)利用方法［4］。一般是將城市污水加以適當(dāng)處理再生后回用，實現(xiàn)替代優(yōu)質(zhì)原水的目標(biāo)，從而節(jié)約優(yōu)質(zhì)原水的取水量，進(jìn)而減輕水資源的供需矛盾［4］。廢水回用作為廢水資源化的主要形式，是指將廢水(包括生活污水和工業(yè)廢水)經(jīng)處理后達(dá)到一定的環(huán)境、衛(wèi)生和健康等標(biāo)準(zhǔn)，用于工農(nóng)業(yè)、市政用水、城市景觀、地下水回灌等用途，實現(xiàn)廢水資源的再利用或循環(huán)使用［5］。依據(jù)城市工業(yè)和生活所排放的各種類型污廢水的污水量、所含污染物及其濃度，參照所處的水土環(huán)境容量等自然條件、水質(zhì)用途的標(biāo)準(zhǔn)和提取某物質(zhì)的可能性，有針對性地采取簡單或系統(tǒng)處理技術(shù)等措施，以因地制宜、因時制宜、因條件制宜為原則，從經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益等方面綜合考慮，對污水進(jìn)行有效地控制與凈化，并加以濃縮，提取有用的重金屬和其他有用物質(zhì)［6］。

1 水分質(zhì)理念的廢水梯級利用

傳統(tǒng)的水社會系統(tǒng)循環(huán)結(jié)構(gòu)［7］(圖1)是從水源(地下水或地表水)經(jīng)自來水廠處理供給城市用水(生活和生產(chǎn))到污廢水處理并排放的一條龍模式，這種模式是對水資源的一種浪費使用，如果從重復(fù)利用出發(fā)，應(yīng)改變現(xiàn)有的水社會系統(tǒng)循環(huán)結(jié)構(gòu)。圖2是從水源到水處理設(shè)施、灌溉、市政和工業(yè)用水以及到污水再生利用設(shè)施的一個循環(huán)結(jié)構(gòu)形式。過程物流中的雜質(zhì)在傳質(zhì)推動力作用下進(jìn)入水中，使過程物流所含雜質(zhì)濃度降低，而水中雜質(zhì)濃度升高，從而實現(xiàn)流股水雜質(zhì)總濃度降低，滿足回用水質(zhì)要求。這種循環(huán)結(jié)構(gòu)展示出污水回用的主要通路，其中包括市政用水、地下水回灌、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水以及地表水的補充等不同的回用方式［8］。

現(xiàn)有廢水資源化的技術(shù)方法主要有質(zhì)量交換網(wǎng)絡(luò)、水夾點技術(shù)、中間水道、數(shù)學(xué)規(guī)劃法等［9-14］，利用這些最優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化統(tǒng)籌在經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益上已經(jīng)取得了一定的效果［15-16］。然而，作為主要技術(shù)手段的水夾點技術(shù)和數(shù)學(xué)規(guī)劃法存在一定的局限性［17-18］，優(yōu)化控制指標(biāo)的選擇制約性大且計算過程繁復(fù)，而大多數(shù)的水系統(tǒng)用戶往往會從綜合水質(zhì)的角度提出對用水的要求，因此提出對各類水的控制指標(biāo)。

筆者按照污廢水的綜合水質(zhì)及水阱對用水最差水質(zhì)的要求將各類水分級，水質(zhì)級別從高到低分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ……，綜合水質(zhì)較好的排水(高級別)可以直接回用到水質(zhì)要求較低(低級別)的水阱，而綜合水質(zhì)較差的排水則需要經(jīng)過一定的處理才能再生回用于水阱，這種分水質(zhì)的廢水梯級利用理念稱為水的分質(zhì)理念。各梯級間廢水的回用應(yīng)從技術(shù)可行和經(jīng)濟(jì)效益兩方面綜合考慮，對于水質(zhì)較好的排水可以不經(jīng)處理直接回用;而對于水質(zhì)非常差的排水，如是經(jīng)處理后達(dá)到水質(zhì)要求的，可回用于水阱，而經(jīng)濟(jì)收益不能補償處理費用時則應(yīng)棄用，不考慮梯級回用。隨著排水處理深度的提高，回用的使用方式隨之增多;隨著科技的發(fā)展、處理技術(shù)的提升，處理費用隨之降低，可處理的梯級利用方式也增多。基于水分質(zhì)理念的廢水資源化梯級利用如圖3所示。

圖3 廢水資源化梯級利用Fig.3 The step utilization of wastewater recycling

2 水源水阱及水質(zhì)劃分

以某制藥企業(yè)的典型工藝生產(chǎn)線為例，運用水分質(zhì)理念進(jìn)行廠區(qū)內(nèi)廢水的梯級利用，實現(xiàn)廠區(qū)內(nèi)局部用水循環(huán)。經(jīng)過企業(yè)用水情況走訪及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)研得出，該生產(chǎn)線局部工序排水量較大、需水量較大，一些環(huán)節(jié)的排水水質(zhì)和用水崗位的最低水質(zhì)要求相近甚至更優(yōu)，某些工序的冷卻排水可滿足其用水崗位回路循環(huán)利用的要求。經(jīng)統(tǒng)計分析得出企業(yè)典型工藝用水系統(tǒng)主要水阱節(jié)點及用水系統(tǒng)水源，如表2和表3所示。

表2 某制藥企業(yè)典型工藝用水系統(tǒng)主要水阱Table 2 The water sink of water system in plant

表3 某制藥企業(yè)典型工藝用水系統(tǒng)主要水源Table 3 The water source of water system in plant

從表2可看出，現(xiàn)有幾個重點水阱用水的最低水質(zhì)要求為Ⅱ～Ⅳ級，而目前給水都是新鮮水，因此有很大的節(jié)水潛力;從表3可以看出，水源節(jié)點的排水水質(zhì)能夠滿足部分水阱用水水質(zhì)要求。因此，該企業(yè)的水系統(tǒng)循環(huán)梯級利用是可行的。

3 資源化梯級利用

以廢水處理回用費用為目標(biāo)函數(shù)，以廢水排放量最小為約束條件，建立資源化回用的數(shù)學(xué)模型。目標(biāo)函數(shù):

式中，Y為總處理費用;P為處理單價費用;Q為處理的水量;W為水源供水量;C為水阱供水量;λf為管道改造費用;i，j，h，k 為水質(zhì)級別;Wj-Ci為 j級別的水源供給i級別水阱。

根據(jù)式(1)將企業(yè)用水進(jìn)行優(yōu)化求解，最終得到優(yōu)化方案(圖4)。

圖4 企業(yè)水系統(tǒng)循環(huán)梯級利用優(yōu)化方案Fig.4 Optimum proposal of step utilization of wastewater recycling for the plant’s water system

4 結(jié)果

由表3和圖4可以看出，轉(zhuǎn)化二濃凝水工序的廢水水質(zhì)滿足各水阱用水最低水質(zhì)要求，可以直接回用，但考慮到回用管路的成本問題，最終直接回用144 t/d到Vc-Na溶解崗位是最省距離和成本最低的;轉(zhuǎn)化三效凝水工序的廢水水質(zhì)滿足連交洗柱和發(fā)酵涼水塔崗位的最低用水水質(zhì)要求，可以直接回用，因其和連交洗柱崗位在同一車間更能節(jié)省管路成本，因此直接回用336 t/d到連交洗柱崗位;洗膜崗位最低用水水質(zhì)要求較高，三效真空泵工序的廢水水質(zhì)可滿足其回用，提取超濾工序的廢水經(jīng)初級處理也可回用，從回用量上考慮，三效真空泵工序的廢水直接回用水量即可滿足其用水量，因此三效真空泵工序的廢水直接回用91 t/d至洗膜崗位;發(fā)酵涼水塔工序的廢水屬冷卻水，水質(zhì)較好，經(jīng)簡單處理即可完全回用本崗位。利用梯級利用優(yōu)化方案，總回用水量為671 t/d，每年可節(jié)約新鮮水為24.49 t。與原廠區(qū)循環(huán)用水方案比較，重復(fù)利用率從82.1%提高到83.1%，增加了一個百分點。按照該市現(xiàn)有工業(yè)自來水價2.5元/t計算，折合經(jīng)濟(jì)效益近61.23萬元/a。

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