工业废水由集中式处理向分散式处理的改造研究

刘长占，李爱红，关荐伊，温守东，牛桂玲

(承德石油高等专科学校 化学工程系，河北 承德 067000)

目前，我国工业企业的废水多采用集中式处理，即各废水流汇集于末端全部混合、经一组序贯的单元处理后排放至环境。集中式处理系统的优点是运行可靠、管理和控制方便、且投资和运行费用较少，但其也存在下述明显的缺点：1)废水的收集以及处理后的废水回用涉及到铺设管道的昂贵费用及长距离输送引起的渗漏问题；2)废水流全部混合会导致污染物浓度降低，处理量随之增大，进而会导致处理费用的升高；3)某些情况下水流混合会生成高难处理的化学组分，从而人为地加大了处理的难度[1]。而分散式处理首先考虑对不同杂质、不同浓度的废水流分别进行处理，只有当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，才将水流进行合并处理[1]。分散式处理不仅可以克服集中式处理存在的问题，而且可增加废水回用和资源回收的机会，是废水处理系统设计的发展方向。笔者将提出集中式废水处理向分散式处理改造的方法，为过程工业废水处理工艺的改造提供科学依据。

1 改造方法

1.1 引入中间水道的废水处理网络结构

由于是对现有集中式废水处理系统的改造，各废水处理单元已集中于末端，所以可通过增加管道将水流分配给不同的处理单元，这可以极大地降低总处理量。然而，与集中式处理相比，分散式处理网络中上游单元的运行状况会直接影响到下游单元，例如图1b)中，TP1的运行状况会直接影响TP2和TP3。对于用水网络，Feng和Seider[2]将中间水道(Internal Water Main, IWM)结构引入了常规网络之中，以降低单元之间连接的复杂程度并增加系统的柔性。中间水道实际上是部分水流发生混合的一个“大容器”，各用水单元之间不再直接相连，而是从新鲜水道或中间水道取水，排水到另一中间水道或者废水道(Wastewater Main, WWM)。对于废水处理网络，将集中式处理改造成分散式处理正是由全部混合变为部分混合。因此，在处理能力允许的情况下，若在常规废水处理网络中引入中间水道，将得到一种介于集中式与分散式之间的网络结构。这种结构的总处理量虽然会高于分散式处理网络，但将远低于集中式处理方式。引入中间水道的废水处理网络结构如图2所示，各废水流直接通往各中间水道或废水道，处理单元之间不再直接相连。中间水道可以缓冲废水流中污染物浓度以及处理单元参数变化对废水处理效果的影响，即使某个中间水道中污染物浓度发生较大变化，也可采用循环稀释或暂时分流出一定水量的方式稳定系统操作。

1.2 中间水道的设置规则

前已述及，具有中间水道的废水处理网络是一种介于集中式与分散式之间的结构。分散式网络是改造的极限，而其可看做每个处理单元对应一个中间水道。所以，改造时可先设计出分散式结构，然后确定哪些处理单元能够合并于一个中间水道中。规则如下：

1)首先采用文献[3]方法设计分散式废水处理网络；

2)分散式网络结构中，与其它单元不相关的处理单元单独设置在一个中间水道以避免水流被稀释。

3)分散式网络结构中，相关关系不密切且处理量比较小的处理单元若能完成杂质移除任务，则可合并在一个中间水道中；

4)分散式网络结构中，相关关系密切且处理量比较大的处理单元通常不能合并在一个中间水道中，因为这类单元需要串联，否则难以达到杂质的最小移除负荷。

上述规则中，单元之间的相关关系参见文献[4]。两个单元不相关是指二者所应处理的水流互不相同，相关关系密切是指二者所应处理的水流重合或大部分相同，相关关系不密切则是介于前两种关系之间的情况。杂质的最小移除负荷[4]见式(1)：

(1)

1.3 中间水道流量的确定

(2)

(3)

0≤fTPj,i≤fi

(4)

目标函数为中间水道中各处理单元对SIWN中水流的处理量之和最小，如式(5)所示。

(5)

求解式(1)-(5)，可得到应通往该中间水道的水流及这些水流的处理量。

1.4 改造后的经济效益估算

本设计中，通过改造每年可节约的费用E为：

(6)

式中，CostTPj为处理单元TPj的操作费用，元·m-3；Freduce,j为改造后TPj降低的处理量，m3·h-1；Nhour为废水处理系统的年运行时数，h；r为新增设备的折旧率；α为新增管道的附属设备、仪表及安装等的费用系数；Costpipe为管道费用，元·m-1；Lengpipe,m管道m的长度，m；CostIWM,n为中间水道n的造价，元。

2 文献实例研究

本例取自文献[5]。水流和处理单元数据见表1。除TP3外，每个单元均移除两种杂质，且杂质A、B和E可被两个单元移除。各杂质的环境允许排放浓度均为100 g·m-3。由式(1)算得各杂质的最小移除负荷，见表2。本例的分散式废水处理网络设计[3]见图3。

表1 文献实例的水流和处理单元数据

表2 文献实例中各杂质的最小移除负荷

图3所示的分散式网络结构中，TP4与其它单元不相关，应单独设置在一个中间水道IWM1，TP4处理的水流为S4、S5、S7、S12、S14。TP2和TP1相关关系不密切且处理量较小，可以合并在一个中间水道IWM2，即TIWM2={TP1,TP2}；TP1可以移除杂质A和C，TP2可以移除杂质A，CIWM2={A,C}；IWM2中

TP1和TP2可以处理的水流集合为SIWM={S1,S2,S3,S6,S8,S9,S10,S11,S13,S15}。根据式(3)-(5)，可得：

(7)

解得：fTP1=73.31 m3·h-1，fTP2=21.30 m3·h-1。所以，中间水道IWM2的流量为94.61 m3·h-1。

TP5与TP1密切相关且TP5的处理量较大，单独设置在中间水道I WM3。根据杂质B的质量衡算，可得到IWM3的处理量为194.24 m3·h-1。设计结果见图4，每个中间水道后面括号中列出的数字为处

理量。引入中间水道后，总处理量为381.02 m3·h-1。

本例若采用集中式设计，总处理量为918.04 m3·h-1，设计结果见图5。不同处理方式间结果的比较见表3。

该废水处理系统每年运行7 200 h。各废水处理单元的平均费用取为1.8元·m-3，各条新增管道的平均长度取为30 m。改造时增加的管道数为17，每小时降低的处理量为537.02 m3·h-1。管道费用取为150元·m-1，每个中间水道的平均造价取为10万元，新增管道和设备的附属费用系数取为1.25，使用年限取为10年。则本例系统每年可节约的费用为：

表3 文献实例不同处理方式间设计结果的比较

E=7 200×1.8×537.02-0.1×1.25×(150×30×17+3×100 000)=6 912 717元≈690万元

集中式处理方式的年度总费用为：

Costcentralized=7200×1.8×918.04=11 897 798元≈1 190万元

与集中式处理相比，该系统改造后年度总费用节约了690/1190×100%=58%。与分散式处理相比，系统的柔性增加，水流S1,S2,S3,S8,S9,S10,S13,S15的流量及杂质A或C浓度的变化在中间水道中得到了缓冲，可通过暂时分流或循环稀释加以调节，从而克服了分散式结构中TP2→TP1→TP5影响的连锁效应。

3 结论

通过引入中间水道，提出了一种介于集中式与分散式之间的废水处理网络结构，并给出了将传统的集中式处理系统改造为此新结构的具体方法。对一文献实例的研究结果表明，与集中式处理相比，仅需增加一定数量的管道和中间水道，便可极大地降低总废水处理量。此外，与分散式结构相比，具有中间水道的废水处理网络结构具有操作稳定、易于调节的优点。对该文献实例的年度总费用的估算显示，改造后可比集中式降低约58%。可用于降低现有工业企业中集中式废水处理系统的年度总费用、提高现有装置的处理能力或满足更严格的环境排放标准。