化工园区污水处理系统集成研究进展

尚大军，刘智勇

（1 中国石油大庆石化分公司，黑龙江大庆163711；2 河北工业大学化工学院，天津300130）

我国水资源十分匮乏，人均水资源占有量仅相当于世界人均水平的1／4，另外，水资源在时间和空间上分布很不均匀：夏秋多、冬春少；南多北少、东多西少，这就给水资源利用带来了很多困难。另外，水污染进一步加剧了水资源短缺。目前，我国的水污染已经到了触目惊心的程度。根据国土资源部的数据，在2000～2002三年调查中，超过60%的地下水水质属于1～3类，而到了2009年，4类和5类水质已占到了73.8%，不到十年的时间，污染程度大大增加。2011年，全国城市55%的地下水是较差至极差的水质。据报道［1］，诸多地区出现了由于地下水污染导致癌症高发甚至牛羊绝育的现象。近日，一份由公益人士制作的 “中国癌症村地图”正在互联网上得到广泛关注，癌症村数量被认为超过200个。在一些地区，污染已危及公共用水安全。总之，水资源短缺和水污染已经严重制约了中国经济社会的可持续发展，甚至直接影响了人民群众生活。如果不尽快加强水资源合理利用及污水治理工作，这些问题将成为我国未来发展的致命瓶颈。

1 化工污水及其处理方式简述

在各类工业中，化学工业是造成严重水污染及其它污染的行业之一，同时化工企业多是用水大户。所以化工企业的节水减排是非常重要的研究课题。目前，我国已经建立了很多化工园区。据不完全统计［2］，我国省级重点化工园区或以石油和化工为主导产业的工业园区共有190家左右，其它类型的中小化工园区数量更多。据石化联合会估计，目前国内已建和在建的各类化工园区和化工集中区总数有上千家。由于化工园区污水量大、污染物成分复杂且处理难度大，所以化工园区的污水处理必须引起足够的重视。

就污水的收集及处理方式来看，无论是城市生活污水还是工业污水，都可以分为集中式处理和分散式处理两种形式［3］。污水集中式处理最重要的优点是规模大、运行可靠、管理和控制方便。而且大规模处理厂与大量的小型处理厂相比，基建投资和运行费用也少。但是当考虑到建设及维修配水和集水管道系统的费用时，集中式污水系统在费用上的优点将大大削弱。另外，集中处理系统将遇到长距离输送引起的大量渗漏问题。而处理后的污水在回用时又要涉及铺设管道的昂贵费用及渗漏问题。集中式污水处理的另外一个缺点是水流混合后污染物浓度降低，处理量随之增大。一般来说，处理费用与处理量成比例，所以处理成本会因此而增加。

对化工园区的污水来说，集中式处理还存在一些特殊问题。例如制药行业的企业排污标准较低，达到COD500 mg／L以下即可。当这类污水集中到园区污水处理厂时，很难用生化或其它手段使之降到COD100 mg／L的排放标准。为了满足上述排放标准，必须采用强氧化等方法进一步处理，这样将大幅度增加处理成本。另外，不同行业的污水在集中到一起时，污染物之间可能发生化学反应，产生高难处理的化学成分，加大处理成本。当处理成本高于企业支付的污水处理费时，可能造成污水处理企业受经济利益的驱使而超标排放污水，对环境产生非常不利的影响。

分散式污水处理可以克服集中式污水处理存在的上述问题，尤其是对化工园区的污水来说，分散式处理具有很多优势。分散式污水处理的特点是污水流宜分散处理时则分散处理，而适合混合处理时则混合处理。例如，如果各水流中污染物种类及浓度的差异太大时，这些水流混合会造成处理量增加，从而引起处理费用增大，此时分别处理将是比较有利的。另外，当不同污水流中的污染物混合时产生高难处理成分时，也应当采用分别处理的方式。而各水流间污染物种类及浓度差别较小且混合后不产生高难处理成分时，混合处理则可以减少设备数目。由于化工园区的污水情况复杂，各企业之间污水的水量差别可能很大、污染物种类不同、污染物浓度各异，同时各污染物排放标准不一，所以化工园区的污水采用分散式处理更为合理。

2 国内外研究现状

分散式污水处理系统集成研究是20世纪末才引起各国学者重视的。1980年，Takama等［4］采用非线性规划方法研究了炼油厂实例，解决了新鲜水与废水流之间的最优匹配问题。由于其主要针对单杂质系统进行研究，而对于多杂质系统的求解问题没有提出有效的方法，因此在当时并未引起足够的重视。1989年，El－Halwagi等［5］提出了质量交换网络（mass exchange network）分析方法，该研究对水网络及水处理系统的研究起到了一定推动作用。1994年，Wang与Smith［6］采用夹点法对分散式污水处理网络集成进行了研究，首先对每种污染物分别画出复合曲线（composite curves），然后计算出待处理水流量的目标值 （即最小处理量），在各单一污染物的复合曲线基础上，结合各水流的特点，即可得出多污染物水处理系统的优化设计结果。该研究成为水夹点法在污水处理领域的里程碑。随后，Kuo等［7－8］对Wang和Smith的夹点法进行了改进，考虑到多条废水流的混合会引起水质降低，采用有效能降低来描述这种水质变化。但是，Kuo和Smith［7－8］的方法并不能保证得到最优解。1998年，Galan与Grossmann［9］研究了分散式污水处理工厂设计，首先建立包括所有处理设备、水流以及设备和水流的所有可能连接的超结构（Superstructure），在此基础上建立数学模型，采用混合整数非线性规划法（MINLP）求解。为了得到最优解，采用了经验法确定多个初始点的寻优策略。1999年，Castro等［10］采用污水再生的处理方式讨论了单杂质分散式水处理网络设计方法，引入多夹点概念，降低了水处理时的公用工程费用，同时保证了新鲜水的消耗尽量减少。但由于目标参数较多，设计时常常不能保证水处理单元的数量为最少，无形中增加了设备投资费用。

由上述可知，涉及水处理系统集成问题的研究方法主要可以归类为夹点分析法和数学规划方法。夹点类方法的优点是物理及工程意义明确［11］，但缺点是只能解决单污染物系统或简单多污染物系统集成问题［12－13］。由于污水处理系统集成的复杂性，多数学者采用了数学规划方法。从研究的系统看，很多学者把污水处理系统作为独立的研究系统，也有的学者将用水子系统和污水处理子系统合并作为一个整体进行研究。从使用的计算机软件来看，不少学者采用了商用软件如BARON、GAMS等。但是，由于系统的复杂性和目前数学规划方法和计算机软件的限制，无论是对单独的用水系统、水处理系统还是包括上述两个子系统的整体水网络的集成，都很难得到全局最优解［14－16］。再者，数学规划法多是采用 “黑箱模型”［17－18］，即使得到数学意义上的最优解，也往往不能保证是工程意义上的最优解。因为工程实践中不仅要考虑费用问题，还要考虑安全操作、可控性能［19－20］等难以数量化的因素。

2000年后，分散式污水处理研究得到了长足的发展，仍然围绕着夹点法与数学规划法两大主流展开。

Thokozani［21］提出了具有废水处理过程的间歇网络设计方法，并分别以夹点分析技术优化操作时间、进出口浓度两大目标。优化结果表明：主要限定条件的选择对目标结果无影响，同时，限定条件可根据浓度间隔数和时间间隔数来确定。廖祖维等［22］考虑了废水再生问题，提出通过再生水线和废水线合成废水排放线的方法求解再生情况下的最小新鲜水量。同时，根据总组合曲线得到废水组合曲线，求得最小废水处理量，兼顾了同时含有回用、再生和废水处理3个子系统的水网络设计。Tan等［23］利用夹点技术研究了工业用水的预处理过程。对于用水网络中的所有杂质采用了一一脱除的分散式处理方法，克服了传统膜分离技术的费用较高的缺点。设计结果表明，此方法可以使得预处理总费用不依赖于污水处理量，而污水处理量的确定可依赖于夹点分析法确定的目标值。Mohammadnejad等［24］采用夹点分析法研究了德黑兰炼油厂中包含有3种杂质的水处理体系，在原有设计的基础上，分别将固体悬浮量、水质硬度、化学需氧量减少到37%、37%和39%，将新鲜水的需求量减少到原来的40%。但将污水进行再生处理后，只有50%可以回用，这在一定意义上造成了资源浪费。Soo等［25］采用多个水处理单元来实现单杂质用水系统的设计整合，分别以最小处理量、最大进口浓度及特定极限参数为优化目标，以夹点分析法确定目标值。但此方法只适用于不超过两种杂质的水处理体系。

刘永健等［26］针对分散式废水处理网络的超结构，建立了废水处理网络系统最优化的非线性规划（NLP）模型和混合整数非线性规划（MINLP）模型。并应用粒子群优化算法求解上述复杂非线性最优化问题。Teles等［27－28］针对多杂质用水系统讨论了回用、循环回用的设计方法。Castro等［29］将Teles等提出的解决用水网络优化设计的数学规划方法推广到水处理系统，将系统的超结构分解为若干子超结构，然后采用线性规划法 （LP）求解这些子超结构，最终得出优化设计。Poplewski等［30］提出了基于混合整数线性规划 （MILP）超结构模型，解决了具有多个性能指标和操作条件的水网络设计，将污水处理体系最为普通的可回用水源参与到水网络设计中。该方法可以简化大规模运算的求解过程，同时保证了设计结果的有效性。Tudor和Lavric［31］建立了双目标机制，在整合了污水回用及污水处理的同时，实现新鲜水消耗量的最小化和操作费用最小化的双重目标。设计结果表明：采用此方法可以完全回用内部网络产生的废水，而不会发生单元之间无效链接的情况。但是采用此方法会使得3种处理设备的处理能力随着再生装置的引入而削弱。Lira－Barragaán等［32］提出了一种数学优化方法研究工厂选址时涉及的用水及污水排放问题。采用物流分析模型研究同时考虑工厂内部的水集成以及排放污水与环境及周围小流域的相互影响等问题。考虑的影响过程及环境的因素包括p H值，毒性，密度，颜色，化学需氧量等。优化目标函数是总年度成本最小化，成本则包括新厂建设费、原材料运输费、产品、公用工程及占地费用、污水处理费用及新鲜资源费用等。

近几年来，除夹点分析法、数学规划法外，其它的方法也层出不穷。

李保红等［33］提出了一种用于单污染物废水处理网络设计的新方法。这种方法由1个原则和3个规则构成，其指导思想是全局的最优性应通过保证每一步的最优性来实现。与图形化方法和数学规划法相比，该方法的特点是简单而且有效。

李英等［34］提出了水夹点分析和数学规划法相结合的废水处理网络最优设计方法。通过水夹点分析得出废水处理网络设计的基本规则，在此基础上建立了废水混合、合并、处理和排放各种可能匹配方案的废水处理网络超结构及其NLP模型，采用GAMS优化软件得到废水处理网络最优设计方案。

Park等［35］提出了Eco－设计方法。在系统设计中，某个子系统对环境的污染及费用的减少可能同时会使得其他子系统对环境的污染或费用升高。Eco－设计可以克服上述缺陷。但是，Eco－设计中需要采用双目标函数优化方法，这就影响了这种方法的应用。Park等提出了把上述双目标函数转化为单一目标函数的方法，并将之应用于水处理系统的设计。

Liu等［36］提出了分散式污水处理系统集成的新方法。对单污染物系统，首先根据处理过程的入口浓度限制得出处理过程的执行顺序，然后根据夹点概念得出夹点水流的解析式。在上述基础上，构造系统的费用函数。优化该费用函数即可得出网络的优化设计。

对多污染物分散式水处理网络，Shi和Liu［37］提出了过程k移除污染物j的总处理流量势TTFP（j，k）的新概念，TTFP（j，k）的值可以反映采用过程k移除污染物j时最小水流量的某种度量。以各处理过程的TTFP值作为过程执行顺序的判断指标 （TTFP值较小的过程优先执行），以系统总处理量为目标函数，可以得出很好的设计结果。当以总处理费用为目标函数时，结合经验规则及TTFP值，也可以得到很好的设计结果。

3 结 语

一般来说，化工园区的用水网络与污水处理系统都是非常复杂的，如果将用水网络与污水处理系统作为一个整体来考虑，将使问题更加复杂。Liu等［38］的研究表明，用水网络与污水处理系统之间的联系是待再生处理的污水流和再生后可供回用的水流，如能采用适当方法确定再生后回用水流的流量及组成，包括用水子系统及污水处理子系统的整体水网络的集成问题完全可以用解决只考虑再利用的水网络集成的方法［39］求解。也就是说，如果“切断”需再生处理的水流和再生后回用的水流，就可以把用水子系统和污水处理子系统作为两个相互独立的子系统，这样可使问题得到简化。而如果需要解决由用水子系统与污水处理子系统构成的总体水网络集成问题时，将 “切断”的需再生处理的污水流及再生后可供回用的水流 “连接上”即可。这就使得问题的研究得到简化，同时不失其工程意义。

在上述各国学者积累的成功方法基础上，近期有望得出既有明确工程意义、又能有效解决上述复杂问题的方法，开发相应计算机软件。为过程集成研究提供新的科学理论和解决问题的有效方法。

［1］ 城市55%地下水为较差至极差水质［N］.大众日报，大众网：201－02－25，http：／／news.sina.com.cn／c／2013－02－25／041926347525.shtml.

［2］ 我国化工园区将建评价体系，中国化工设备网，2012年05月29日，http：／／www.ccen.net／news／detail－104653.html.

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