水夹点技术在高校食堂洗菜工艺中的应用

刘绍鹏，贺峰，杜雷

（徐州生物工程职业技术学院，江苏 徐州221006）

水资源在人们的生产生活中必不可少，随着经济发展以及人口增长，人类对水资源的需求与日俱增。据中国水资源公报显示，2000 年全国供水量为5 531 亿m，其中，生活用水为575亿m，占总用水量的10.5%。而到了2019 年，全国用水总量达6 021.2 亿m，生活用水量达到871.7 亿m，占用水总量的14.5%。根据人口普查显示，2000年我国人口为12.95亿，2019年底，中国人口为14.05 亿。即：我国人均用水量从2000 年的44.4 m/人增至2019年的62.0 m/人，增幅接近40%。相比我国人口增长缓慢的同时，生活用水增长过快。2012年，国务院发布的《关于实行最严格水资源管理制度的意见》中指出，要加快推进节水技术改造，全面加强节约用水管理，把节约用水贯穿于经济社会发展和群众生活生产全过程，建立健全有利于节约用水的体制和机制。

高校是教育机构，是为各行业培养人才的基地，其用水性质为教育用水，属于生活用水的范畴。在高校中实施节水技术，既有利于降低人均生活用水的总量，又有利于带动广大人民群众自觉践行全民节水行动，还有利于教育培养懂得节水技术的专业人才，间接地促进工业用水的节能减排。

在诸多节水方法中，节水效果高且成本最低的是利用水夹点技术。水夹点技术源自英国曼彻斯特大学，Wang 和Smith 等在研究工业废水产生量最小化问题中提出了水夹点技术，其源自热夹点技术。热夹点技术的核心思想是在不违反热力学第一和第二定律的基础上，如何将热量极大化利用。与热夹点技术相似，水夹点技术也是在不违反热力学第一和第二定律的基础上，如何将水极大地利用。它的方法是构建以杂质浓度C 和杂质负荷m（即单位流量水所含有的杂质量）的直角坐标轴，并以C/m 表示水的流量，把所有用水单元的用水情况在坐标轴上表示并加以组合，最后确定夹点，以C/m 确定夹点。其核心思想在于保证在不影响用水效果的情况下，尽量使水溶解的杂质浓度最高。当在直角坐标轴上确定夹点后，夹点之上的所有用水单元无需补充新鲜水，而夹点之下的用水单元无污水排出，见图1。

图1 水夹点技术示意图

本文以某高校食堂为例，应用水夹点技术分析洗菜工艺用水组成，优化用水网络。

1 材料与方法

1.1 食堂用水环节及分析

根据实际操作，食堂用水大致可分为洗菜、淘米、洗碗以及保洁用水。洗菜水主要为固体颗粒物，以SS 表示。淘米水除了SS，还有有机质，化学需氧量（COD）也较高。洗碗水中含有大量SS、油污及清洁剂，因此COD值极高。在保洁污水中主要污染物为SS，还会含有少量油污。参照《生活饮用水卫生标准GB 5749-2006》，本文选取固体悬浮物（SS）为考查指标。

1.2 主要实验器材

全玻璃微孔滤膜过滤器、CN-CA滤膜，徐州医药公司；吹滤瓶等玻璃仪器，苏州亚太化工玻璃仪器有限公司；烘箱，华东标准烘箱有限公司；试验用水为去离子水，自制。

1.3 SS的测定

按照国家标准GB 11901-89测定SS。

1.4 分析方法

根据每月缴纳水费，核算出厨房每日平均用水量为8.4 t。根据实际用水时间，确定新鲜水流量为1.4 t/h。洗菜用水直接用于保洁，淘米水和洗碗用水直接排放至排污管道。用水见图2。

图2 食堂原用水简图

在洗菜和洗碗工艺中，为保证清洗效果最佳，洗菜工艺采取三段式清洗；洗碗工艺是在洗碗机上进行，分别为浸泡、第一次喷淋、第二次喷淋、第一次烘干和第二次烘干。由于洗碗过程为一整体不可分割，因此对于该过程暂不考虑利用水夹点技术节水。修正后的用水简图见图3，即：仅以洗菜工艺为例，利用水夹点技术进行优化。

图3 原洗菜工艺用水简图

1.5 极限出口浓度的确定

在保持原用水量不变的情况下，以芹菜为模型，分别对其进行第一、第二和第三次清洗。其中，在第一次清洗时，在菜盆中注入清洁水进行清洗，当食堂工作人员认为该换水时，即定为该水中杂质SS 已到达极限出口浓度，取样待分析；取第一次清洗时所有芹菜，注入与第一次清洗时等量水，进行第二次清洗，待清洗完毕后，第二次取样待分析；第三次清洗过程，执行与第二次清洗时同样操作，并进行第三次取样待分析。

1.6 洗菜工艺的水夹点分析

以图1 所示方法进行用水曲线组合，并找到水夹点。

2 结果与讨论

2.1 洗菜工艺中各阶段极限出口浓度（表1）

表1 各洗菜过程中SS及浓度的变化

由表1 可知，经三次清洗，每一次清洗完毕后出口浓度均有显著下降，说明传统的“少量多次”洗涤法可以使洗涤去污效果最大化。为方便计算，设定其极限出口浓度为整数，即：第一次、第二次和第三次洗菜极限出口浓度分别设定为3 000 mg/L、100 mg/L 和5 mg/L，所带走的杂质量分别为600 kg/h、20 kg/h和1 kg/h；其极限进口浓度为下一环节清洗过程的出口浓度，即：第一次、第二次和第三次洗菜的极限进口浓度分别为100 mg/L、5 mg/L和0 mg/L。

2.2 优化结果

由于各极限浓度之间跨度较大，夹点位置不易观察，因此以用水操作SS 浓度间隔表代替水夹点用水组合图。其中，各个清洗环节的流率按照下式计算：

式中：Q 为流率（t/h）；m 为洗脱的杂质量（kg/h）；C和C分别为进、出口极限浓度（mg/L）。

由表2 可知，洗菜时SS 的夹点浓度为100 mg/L，此时最小新鲜水用量为0.21 t/h。根据优化结果，可得到最佳供水网络，结果见图4。

由图4 可知，清洗用水经水夹点优化后，由原来的0.6 t/h下降至0.21 t/h，节水量达65%。其中，在第一次洗菜中，完全无需补充新鲜水，而在第二次洗菜中，需要补充新鲜水，补水量为0.01 t/h。第二次洗菜结束后，排出少量废水，排水量为0.03 t/h，其余全部用于第一次洗菜。在第一次洗菜结束后，将废水全部排出，洗菜工序完毕。

表2 洗菜用水操作SS浓度间隔表

图4 经优化后用水网络

3 结论

水夹点技术是关于用水网络优化的技术，它的核心思想在于利用各个用水单元之间杂质浓度的不同，拟合出一条优化的用水网络，使处于夹点以下的用水单元无污水排出，而处于夹点之上的用水单元无需补充新鲜水，这种节水方法目前广泛应用于工业生产中。而在日常生活中，人们也会有意识地进行节水活动。不难证明，将一项清洁工作的用水过程分成若干次是最有效的节水方式。而在这几次清洁过程中，随着清洁次数的增加，其排放的污水中杂质会越来越少，因此，后几次环节产生的污水完全可以满足前几次的清洁用水。

在本文中，仅以洗菜工艺为例，利用水夹点技术分析，结果发现，原有的清洁工艺可以改进，改进后的新鲜水消耗量从原来的0.6 t/h 下降至0.21 t/h，比原来此环节节约65%水量，占整个食堂用水量的28%。仅此一项，就可以每年节省700 t 用水，节约水费达2 300 元。而该高校食堂共由四个外包单位组成，如均可如此进行节水，其节水量可达3 000 t，节水效益近万元。本文仅仅以洗菜工艺为例进行节水分析，尚未涉及食堂中所有用水单元网络的整合优化，因此食堂用水还有进一步优化的空间。

然而，尽管通过水夹点技术分析可节约用水，但目前全国各地餐饮食堂均缺少相应的便捷的节水设施，因此，试制并推行一批基于多次清洁过程的，并与水夹点技术结合的节水设备势在必行。