水夾點(diǎn)技術(shù)在高校食堂洗菜工藝中的應(yīng)用

劉紹鵬，賀峰，杜雷

（徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州221006）

水資源在人們的生產(chǎn)生活中必不可少，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人口增長，人類對水資源的需求與日俱增。據(jù)中國水資源公報(bào)顯示，2000 年全國供水量為5 531 億m，其中，生活用水為575億m，占總用水量的10.5%。而到了2019 年，全國用水總量達(dá)6 021.2 億m，生活用水量達(dá)到871.7 億m，占用水總量的14.5%。根據(jù)人口普查顯示，2000年我國人口為12.95億，2019年底，中國人口為14.05 億。即：我國人均用水量從2000 年的44.4 m/人增至2019年的62.0 m/人，增幅接近40%。相比我國人口增長緩慢的同時(shí)，生活用水增長過快。2012年，國務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》中指出，要加快推進(jìn)節(jié)水技術(shù)改造，全面加強(qiáng)節(jié)約用水管理，把節(jié)約用水貫穿于經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和群眾生活生產(chǎn)全過程，建立健全有利于節(jié)約用水的體制和機(jī)制。

高校是教育機(jī)構(gòu)，是為各行業(yè)培養(yǎng)人才的基地，其用水性質(zhì)為教育用水，屬于生活用水的范疇。在高校中實(shí)施節(jié)水技術(shù)，既有利于降低人均生活用水的總量，又有利于帶動廣大人民群眾自覺踐行全民節(jié)水行動，還有利于教育培養(yǎng)懂得節(jié)水技術(shù)的專業(yè)人才，間接地促進(jìn)工業(yè)用水的節(jié)能減排。

在諸多節(jié)水方法中，節(jié)水效果高且成本最低的是利用水夾點(diǎn)技術(shù)。水夾點(diǎn)技術(shù)源自英國曼徹斯特大學(xué)，Wang 和Smith 等在研究工業(yè)廢水產(chǎn)生量最小化問題中提出了水夾點(diǎn)技術(shù)，其源自熱夾點(diǎn)技術(shù)。熱夾點(diǎn)技術(shù)的核心思想是在不違反熱力學(xué)第一和第二定律的基礎(chǔ)上，如何將熱量極大化利用。與熱夾點(diǎn)技術(shù)相似，水夾點(diǎn)技術(shù)也是在不違反熱力學(xué)第一和第二定律的基礎(chǔ)上，如何將水極大地利用。它的方法是構(gòu)建以雜質(zhì)濃度C 和雜質(zhì)負(fù)荷m（即單位流量水所含有的雜質(zhì)量）的直角坐標(biāo)軸，并以C/m 表示水的流量，把所有用水單元的用水情況在坐標(biāo)軸上表示并加以組合，最后確定夾點(diǎn)，以C/m 確定夾點(diǎn)。其核心思想在于保證在不影響用水效果的情況下，盡量使水溶解的雜質(zhì)濃度最高。當(dāng)在直角坐標(biāo)軸上確定夾點(diǎn)后，夾點(diǎn)之上的所有用水單元無需補(bǔ)充新鮮水，而夾點(diǎn)之下的用水單元無污水排出，見圖1。

圖1 水夾點(diǎn)技術(shù)示意圖

本文以某高校食堂為例，應(yīng)用水夾點(diǎn)技術(shù)分析洗菜工藝用水組成，優(yōu)化用水網(wǎng)絡(luò)。

1 材料與方法

1.1 食堂用水環(huán)節(jié)及分析

根據(jù)實(shí)際操作，食堂用水大致可分為洗菜、淘米、洗碗以及保潔用水。洗菜水主要為固體顆粒物，以SS 表示。淘米水除了SS，還有有機(jī)質(zhì)，化學(xué)需氧量（COD）也較高。洗碗水中含有大量SS、油污及清潔劑，因此COD值極高。在保潔污水中主要污染物為SS，還會含有少量油污。參照《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB 5749-2006》，本文選取固體懸浮物（SS）為考查指標(biāo)。

1.2 主要實(shí)驗(yàn)器材

全玻璃微孔濾膜過濾器、CN-CA濾膜，徐州醫(yī)藥公司；吹濾瓶等玻璃儀器，蘇州亞太化工玻璃儀器有限公司；烘箱，華東標(biāo)準(zhǔn)烘箱有限公司；試驗(yàn)用水為去離子水，自制。

1.3 SS的測定

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 11901-89測定SS。

1.4 分析方法

根據(jù)每月繳納水費(fèi)，核算出廚房每日平均用水量為8.4 t。根據(jù)實(shí)際用水時(shí)間，確定新鮮水流量為1.4 t/h。洗菜用水直接用于保潔，淘米水和洗碗用水直接排放至排污管道。用水見圖2。

圖2 食堂原用水簡圖

在洗菜和洗碗工藝中，為保證清洗效果最佳，洗菜工藝采取三段式清洗；洗碗工藝是在洗碗機(jī)上進(jìn)行，分別為浸泡、第一次噴淋、第二次噴淋、第一次烘干和第二次烘干。由于洗碗過程為一整體不可分割，因此對于該過程暫不考慮利用水夾點(diǎn)技術(shù)節(jié)水。修正后的用水簡圖見圖3，即：僅以洗菜工藝為例，利用水夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 原洗菜工藝用水簡圖

1.5 極限出口濃度的確定

在保持原用水量不變的情況下，以芹菜為模型，分別對其進(jìn)行第一、第二和第三次清洗。其中，在第一次清洗時(shí)，在菜盆中注入清潔水進(jìn)行清洗，當(dāng)食堂工作人員認(rèn)為該換水時(shí)，即定為該水中雜質(zhì)SS 已到達(dá)極限出口濃度，取樣待分析；取第一次清洗時(shí)所有芹菜，注入與第一次清洗時(shí)等量水，進(jìn)行第二次清洗，待清洗完畢后，第二次取樣待分析；第三次清洗過程，執(zhí)行與第二次清洗時(shí)同樣操作，并進(jìn)行第三次取樣待分析。

1.6 洗菜工藝的水夾點(diǎn)分析

以圖1 所示方法進(jìn)行用水曲線組合，并找到水夾點(diǎn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 洗菜工藝中各階段極限出口濃度（表1）

表1 各洗菜過程中SS及濃度的變化

由表1 可知，經(jīng)三次清洗，每一次清洗完畢后出口濃度均有顯著下降，說明傳統(tǒng)的“少量多次”洗滌法可以使洗滌去污效果最大化。為方便計(jì)算，設(shè)定其極限出口濃度為整數(shù)，即：第一次、第二次和第三次洗菜極限出口濃度分別設(shè)定為3 000 mg/L、100 mg/L 和5 mg/L，所帶走的雜質(zhì)量分別為600 kg/h、20 kg/h和1 kg/h；其極限進(jìn)口濃度為下一環(huán)節(jié)清洗過程的出口濃度，即：第一次、第二次和第三次洗菜的極限進(jìn)口濃度分別為100 mg/L、5 mg/L和0 mg/L。

2.2 優(yōu)化結(jié)果

由于各極限濃度之間跨度較大，夾點(diǎn)位置不易觀察，因此以用水操作SS 濃度間隔表代替水夾點(diǎn)用水組合圖。其中，各個(gè)清洗環(huán)節(jié)的流率按照下式計(jì)算：

式中：Q 為流率（t/h）；m 為洗脫的雜質(zhì)量（kg/h）；C和C分別為進(jìn)、出口極限濃度（mg/L）。

由表2 可知，洗菜時(shí)SS 的夾點(diǎn)濃度為100 mg/L，此時(shí)最小新鮮水用量為0.21 t/h。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，可得到最佳供水網(wǎng)絡(luò)，結(jié)果見圖4。

由圖4 可知，清洗用水經(jīng)水夾點(diǎn)優(yōu)化后，由原來的0.6 t/h下降至0.21 t/h，節(jié)水量達(dá)65%。其中，在第一次洗菜中，完全無需補(bǔ)充新鮮水，而在第二次洗菜中，需要補(bǔ)充新鮮水，補(bǔ)水量為0.01 t/h。第二次洗菜結(jié)束后，排出少量廢水，排水量為0.03 t/h，其余全部用于第一次洗菜。在第一次洗菜結(jié)束后，將廢水全部排出，洗菜工序完畢。

表2 洗菜用水操作SS濃度間隔表

圖4 經(jīng)優(yōu)化后用水網(wǎng)絡(luò)

3 結(jié)論

水夾點(diǎn)技術(shù)是關(guān)于用水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的技術(shù)，它的核心思想在于利用各個(gè)用水單元之間雜質(zhì)濃度的不同，擬合出一條優(yōu)化的用水網(wǎng)絡(luò)，使處于夾點(diǎn)以下的用水單元無污水排出，而處于夾點(diǎn)之上的用水單元無需補(bǔ)充新鮮水，這種節(jié)水方法目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。而在日常生活中，人們也會有意識地進(jìn)行節(jié)水活動。不難證明，將一項(xiàng)清潔工作的用水過程分成若干次是最有效的節(jié)水方式。而在這幾次清潔過程中，隨著清潔次數(shù)的增加，其排放的污水中雜質(zhì)會越來越少，因此，后幾次環(huán)節(jié)產(chǎn)生的污水完全可以滿足前幾次的清潔用水。

在本文中，僅以洗菜工藝為例，利用水夾點(diǎn)技術(shù)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，原有的清潔工藝可以改進(jìn)，改進(jìn)后的新鮮水消耗量從原來的0.6 t/h 下降至0.21 t/h，比原來此環(huán)節(jié)節(jié)約65%水量，占整個(gè)食堂用水量的28%。僅此一項(xiàng)，就可以每年節(jié)省700 t 用水，節(jié)約水費(fèi)達(dá)2 300 元。而該高校食堂共由四個(gè)外包單位組成，如均可如此進(jìn)行節(jié)水，其節(jié)水量可達(dá)3 000 t，節(jié)水效益近萬元。本文僅僅以洗菜工藝為例進(jìn)行節(jié)水分析，尚未涉及食堂中所有用水單元網(wǎng)絡(luò)的整合優(yōu)化，因此食堂用水還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

然而，盡管通過水夾點(diǎn)技術(shù)分析可節(jié)約用水，但目前全國各地餐飲食堂均缺少相應(yīng)的便捷的節(jié)水設(shè)施，因此，試制并推行一批基于多次清潔過程的，并與水夾點(diǎn)技術(shù)結(jié)合的節(jié)水設(shè)備勢在必行。