多雜質廢水處理網絡優化設計研究

郭勇，劉志華

(1.天津市職業大學，天津 300410；2.河北工業大學，天津 300131)

Wang和Smith[1]及Kuo和Smith[2]運用夾點分析和圖解方法，設計分布式廢水處理系統，所得設計結果較集中式處理模式有著明顯的優勢。這一方法在處理單雜質設計時較為有效，但對多雜質大規模系統設計過程較為繁瑣。多數學者采用的超結構數學規劃設計方法[3～5]對大規模多雜質系統設計問題提供了很好的設計結果。

本文基于水流惡化最小化提出單元重復設置和單元分時使用的兩種設計方法。首先確定每個處理單元移除主要雜質時應處理的水流，根據每個單元所能移除的主要雜質計算每個處理單元的處理量。能夠移除雜質種類多且處理水流較少的優先運行。當第一個單元確定后，按照單雜質系統的水流分配方法分配水流；第一個單元的出口水流和未經第一個單元處理的水流構成剩余未執行單元的當前水流，繼續使用上述方法，直至達到環境排放標準。從實例設計過程和結果表明單元重復設置和單元分時操作的兩種方法設計過程簡單，避免了水流惡化，所得設計結構雖較文獻稍顯復雜但處理量均小于文獻結果。

1 問題描述和設計目標

給定條件是一組含有一種或多種雜質的廢水水流。各水流中，水流流量和所含雜質的濃度均已知。給定條件中還包括廢水處理單元若干，每個處理單元可去除一種或多種的雜質，各單元對每種雜質的去除率已知。廢水處理過程中流量損失忽略不計。設計的目標為滿足環境排放標準的前提下系統總處理量最低。

2 多雜質廢水處理系統的設計方法

廢水處理體系中僅含一種雜質的情況，實際的廢水流中通常含多種雜質。在對多雜質多處理單元的廢水處理系統設計之前，應了解多雜質系統與單雜質系統設計之間的區別。首先，在多雜質體系中有一些耦合因素，某些單元能夠去除多種雜質，水流的執行次序差異會影響后續單元的雜質質量負荷；其次，多雜質多處理單元體系中含有多個處理過程，處理單元的執行順序也會影響到整個體系的處理量和系統操作的總費用，所以設計過程中需首先確定各處理單元執行順序。

多雜質、多處理單元系統中，水流混合造成水流惡化難以避免。水流惡化使得后續單元處理量增加，從而增加操作費用，所以應盡量減小水流惡化。分布式多雜質廢水處理系統優于集中式廢水處理系統的原因就是前者相比后者減小了水流混合。集中式廢水處理系統中，所有廢水水流混合為一股水流依次經過各雜質移除單元，水流混合程度達到最大，所造成的水流惡化也就越大。自從Eckenfelder等[6]和Mclaughlin等[7]提出分布式廢水處理模式后，許多研究人員采用各種方法設計分布式廢水處理系統，其主要內容是優化單元的處理次序和減小水流混合造成的水流惡化。優先執行造成水流惡化較小的單元，就可以減少后續處理單元的水流惡化，從而減少總處理量。

為了確定單元的優先執行順序，本文引入單元主要功能的概念。在不考慮水流混合的前提下，優先運行移除雜質種類較多的單元能夠減輕后續單元的雜質質量負荷。

對于如何減小水流惡化，文獻中已經給出了許多方法。本文提出兩種新的減小水流惡化的方法：單元的重復設置和單元的分時使用。單元的重復設置即系統中允許含有多個功能相同的但處理速率不同的單元；單元的分時使用即單元在某一時段只處理一股水流，當該股水流處理完畢后再處理其他水流。

3 處理單元的主要功能

如果單元TPi能夠移除的雜質多于一個，其針對A，B…等雜質的移除率分別為RRA，RRB…，假定其中移除率最大的為RRA，則稱該單元的主要功能是移除雜質A。單元TPi的主要功能確定后，運用上一節提出的雜質移除效率和雜質移除完成率，可得該單元移除雜質A時夾點水流和最小處理量。

4 實例

水流的參數如表1(a)所示，處理單元的參數如1(b)所示?？芍涵h境排放限制均為100 ppm。該例子取自文獻[8]。

表1 的水流數據和處理單元參數

步驟1，確定各單元的主要功能。

根據給定條件可知，單元TP1，TP2，TP3，TP4，TP5的主要功能依次為移除雜質C，A，E，D，B。

分配原則是每個處理單元都能分配一個主要移除的雜質。例如單元TP5能夠移除的雜質為B和E，移除率分別為90%和99%，按照原則該單元主要功能應為移除雜質E。但處理單元TP3的主要功能也為移除雜質E，該單元只能移除一種雜質。B雜質可由TP2和TP5移除，但TP2按方法確定主要功能為移除雜質A，所以雜質B沒有分配到處理單元，綜上所述，處理單元TP5的主要功能應為移除雜質B。

步驟2，根據方法確定每個單元的處理量。

按照所述方法確定每個單元的處理量，計算過程較為繁瑣，本文以TP5為例說明計算方法，其他單元直接給出結果。

根據步驟1，處理單元TP5的主要功能為移除雜質B。其水流參數如表2所示：列中括號內數字表示處理的優先次序。

表2 處理單元TP5移除雜質B的水流參數

由于ETP,15+ETP,11+ETP,6＜1且ETP,15+ETP,11+ETP,6+ETP,2＞1，S2應被處理單元TP5部分處理，處理量為，可由下式求得：

所以，運用TP5單獨移除雜質B的總處理量為f15+f11+f6+=155.83 m3/s。

各單元應處理水流的計算結果如表3所示。表中，每個單元處理水流中，最后一股為部分處理，具體處理量標識在該股水流后的括號內。

表3 處理單元主要雜質應處理的水流和處理量

例如，單元TP3應處理水流為S2，S4，S8，S5，S10水流的全部和水流S11的86.27m3/s，共計180.27 m3/s。

步驟3，單元TP1，TP2，TP4，TP5均能移除兩種雜質，單元TP3僅能移除一種雜質，處理次序為TP1，TP2，TP4，TP5優先，TP3最后。單元TP1，TP2，TP5的執行次序按照其移除主要雜質和次要雜質的去除率確定，依次為TP4，TP1，TP2，TP5。

步驟4，根據步驟3的所得執行順序，重新計算后獲得系統方案（見表4）。

表4 重新計算各單元的水流和處理量

需要說明的是，在TP1所處理的水流中，Su4-7(6.71)表示水流S7經TP4處理后由TP1處理時，處理量為6.71 m3/s。Su1-2(23.83)的意義同上。

每個處理單元應處理水流確定后，可以看出某些水流可以合并。例如單元TP1中水流Su4-7(6.71)和S3在其他單元中沒有出現，因此水流Su4-7(6.71)和S3可以合并，在表4中可以合并的單元用小括號括起。其他依次類推。最后一個處理單元，所有水流可以全部合并。從表4中可以看出：一共需要7個單元，其中TP1兩個，TP2兩個，TP4兩個，TP5一個。

步驟5，完成設計，如圖1所示。

上述例子中，所得設計中沒有水流混合，但單元數量增加了，一共需要7個單元，造成基礎建設成本的增加。但設計結果較文獻[8]所得總處理量（440 m3/s）減小總處理量30.45%，較文獻[9]所得總處理量（381 m3/s）減少19.69%。且該結果是目前所有文獻中總處理量最小的。

單元的重復設置能夠完全避免水流的混合。對于每個處理單元只能移除一種雜質的系統，在設計過程中無需考慮單元的執行次序，因為在此類系統中單元之間互不關聯（將需重復設置數量最多的單元置于最后可以減少系統中單元的數量）；對于某些處理單元能移除多種雜質的系統，在設計過程中需要考慮單元的執行次序，因為在此類系統中單元的執行次序也會影響處理量。

符號說明

TP 處理單元

Si 水流

RRAA，B…等雜質的移除率分別為

Fi 水流Si的流量，m3/s

Ci 水流Si中的雜質濃度，ppm

Mi 水流Si中的雜質質量負荷，其值mi=fi×ci；