工業廢水由集中式處理向分散式處理的改造研究

劉長占，李愛紅，關薦伊，溫守東，牛桂玲

(承德石油高等專科學校 化學工程系，河北 承德 067000)

目前，我國工業企業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、經一組序貫的單元處理后排放至環境。集中式處理系統的優點是運行可靠、管理和控制方便、且投資和運行費用較少，但其也存在下述明顯的缺點：1)廢水的收集以及處理后的廢水回用涉及到鋪設管道的昂貴費用及長距離輸送引起的滲漏問題；2)廢水流全部混合會導致污染物濃度降低，處理量隨之增大，進而會導致處理費用的升高；3)某些情況下水流混合會生成高難處理的化學組分，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、不同濃度的廢水流分別進行處理，只有當水流間污染物種類及濃度差別較小且混合后不產生高難處理成分時，才將水流進行合并處理[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會，是廢水處理系統設計的發展方向。筆者將提出集中式廢水處理向分散式處理改造的方法，為過程工業廢水處理工藝的改造提供科學依據。

1 改造方法

1.1 引入中間水道的廢水處理網絡結構

由于是對現有集中式廢水處理系統的改造，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，分散式處理網絡中上游單元的運行狀況會直接影響到下游單元，例如圖1b)中，TP1的運行狀況會直接影響TP2和TP3。對于用水網絡，Feng和Seider[2]將中間水道(Internal Water Main, IWM)結構引入了常規網絡之中，以降低單元之間連接的復雜程度并增加系統的柔性。中間水道實際上是部分水流發生混合的一個“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)。對于廢水處理網絡，將集中式處理改造成分散式處理正是由全部混合變為部分混合。因此，在處理能力允許的情況下，若在常規廢水處理網絡中引入中間水道，將得到一種介于集中式與分散式之間的網絡結構。這種結構的總處理量雖然會高于分散式處理網絡，但將遠低于集中式處理方式。引入中間水道的廢水處理網絡結構如圖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變化對廢水處理效果的影響，即使某個中間水道中污染物濃度發生較大變化，也可采用循環稀釋或暫時分流出一定水量的方式穩定系統操作。

1.2 中間水道的設置規則

前已述及，具有中間水道的廢水處理網絡是一種介于集中式與分散式之間的結構。分散式網絡是改造的極限，而其可看做每個處理單元對應一個中間水道。所以，改造時可先設計出分散式結構，然后確定哪些處理單元能夠合并于一個中間水道中。規則如下：

1)首先采用文獻[3]方法設計分散式廢水處理網絡；

2)分散式網絡結構中，與其它單元不相關的處理單元單獨設置在一個中間水道以避免水流被稀釋。

3)分散式網絡結構中，相關關系不密切且處理量比較小的處理單元若能完成雜質移除任務，則可合并在一個中間水道中；

4)分散式網絡結構中，相關關系密切且處理量比較大的處理單元通常不能合并在一個中間水道中，因為這類單元需要串聯，否則難以達到雜質的最小移除負荷。

上述規則中，單元之間的相關關系參見文獻[4]。兩個單元不相關是指二者所應處理的水流互不相同，相關關系密切是指二者所應處理的水流重合或大部分相同，相關關系不密切則是介于前兩種關系之間的情況。雜質的最小移除負荷[4]見式(1)：

(1)

1.3 中間水道流量的確定

(2)

(3)

0≤fTPj,i≤fi

(4)

目標函數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 改造后的經濟效益估算

本設計中，通過改造每年可節約的費用E為：

(6)

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

2 文獻實例研究

本例取自文獻[5]。水流和處理單元數據見表1。除TP3外，每個單元均移除兩種雜質，且雜質A、B和E可被兩個單元移除。各雜質的環境允許排放濃度均為100 g·m-3。由式(1)算得各雜質的最小移除負荷，見表2。本例的分散式廢水處理網絡設計[3]見圖3。

表1 文獻實例的水流和處理單元數據

表2 文獻實例中各雜質的最小移除負荷

圖3所示的分散式網絡結構中，TP4與其它單元不相關，應單獨設置在一個中間水道IWM1，TP4處理的水流為S4、S5、S7、S12、S14。TP2和TP1相關關系不密切且處理量較小，可以合并在一個中間水道IWM2，即TIWM2={TP1,TP2}；TP1可以移除雜質A和C，TP2可以移除雜質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密切相關且TP5的處理量較大，單獨設置在中間水道I WM3。根據雜質B的質量衡算，可得到IWM3的處理量為194.24 m3·h-1。設計結果見圖4，每個中間水道后面括號中列出的數字為處

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計，總處理量為918.04 m3·h-1，設計結果見圖5。不同處理方式間結果的比較見表3。

該廢水處理系統每年運行7 200 h。各廢水處理單元的平均費用取為1.8元·m-3，各條新增管道的平均長度取為30 m。改造時增加的管道數為17，每小時降低的處理量為537.02 m3·h-1。管道費用取為150元·m-1，每個中間水道的平均造價取為10萬元，新增管道和設備的附屬費用系數取為1.25，使用年限取為10年。則本例系統每年可節約的費用為：

表3 文獻實例不同處理方式間設計結果的比較

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，該系統改造后年度總費用節約了690/1190×100%=58%。與分散式處理相比，系統的柔性增加，水流S1,S2,S3,S8,S9,S10,S13,S15的流量及雜質A或C濃度的變化在中間水道中得到了緩沖，可通過暫時分流或循環稀釋加以調節，從而克服了分散式結構中TP2→TP1→TP5影響的連鎖效應。

3 結論

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絡結構，并給出了將傳統的集中式處理系統改造為此新結構的具體方法。對一文獻實例的研究結果表明，與集中式處理相比，僅需增加一定數量的管道和中間水道，便可極大地降低總廢水處理量。此外，與分散式結構相比，具有中間水道的廢水處理網絡結構具有操作穩定、易于調節的優點。對該文獻實例的年度總費用的估算顯示，改造后可比集中式降低約58%。可用于降低現有工業企業中集中式廢水處理系統的年度總費用、提高現有裝置的處理能力或滿足更嚴格的環境排放標準。