多杂质废水处理网络优化设计研究

郭勇，刘志华

(1.天津市职业大学，天津 300410；2.河北工业大学，天津 300131)

Wang和Smith[1]及Kuo和Smith[2]运用夹点分析和图解方法，设计分布式废水处理系统，所得设计结果较集中式处理模式有着明显的优势。这一方法在处理单杂质设计时较为有效，但对多杂质大规模系统设计过程较为繁琐。多数学者采用的超结构数学规划设计方法[3～5]对大规模多杂质系统设计问题提供了很好的设计结果。

本文基于水流恶化最小化提出单元重复设置和单元分时使用的两种设计方法。首先确定每个处理单元移除主要杂质时应处理的水流，根据每个单元所能移除的主要杂质计算每个处理单元的处理量。能够移除杂质种类多且处理水流较少的优先运行。当第一个单元确定后，按照单杂质系统的水流分配方法分配水流；第一个单元的出口水流和未经第一个单元处理的水流构成剩余未执行单元的当前水流，继续使用上述方法，直至达到环境排放标准。从实例设计过程和结果表明单元重复设置和单元分时操作的两种方法设计过程简单，避免了水流恶化，所得设计结构虽较文献稍显复杂但处理量均小于文献结果。

1 问题描述和设计目标

给定条件是一组含有一种或多种杂质的废水水流。各水流中，水流流量和所含杂质的浓度均已知。给定条件中还包括废水处理单元若干，每个处理单元可去除一种或多种的杂质，各单元对每种杂质的去除率已知。废水处理过程中流量损失忽略不计。设计的目标为满足环境排放标准的前提下系统总处理量最低。

2 多杂质废水处理系统的设计方法

废水处理体系中仅含一种杂质的情况，实际的废水流中通常含多种杂质。在对多杂质多处理单元的废水处理系统设计之前，应了解多杂质系统与单杂质系统设计之间的区别。首先，在多杂质体系中有一些耦合因素，某些单元能够去除多种杂质，水流的执行次序差异会影响后续单元的杂质质量负荷；其次，多杂质多处理单元体系中含有多个处理过程，处理单元的执行顺序也会影响到整个体系的处理量和系统操作的总费用，所以设计过程中需首先确定各处理单元执行顺序。

多杂质、多处理单元系统中，水流混合造成水流恶化难以避免。水流恶化使得后续单元处理量增加，从而增加操作费用，所以应尽量减小水流恶化。分布式多杂质废水处理系统优于集中式废水处理系统的原因就是前者相比后者减小了水流混合。集中式废水处理系统中，所有废水水流混合为一股水流依次经过各杂质移除单元，水流混合程度达到最大，所造成的水流恶化也就越大。自从Eckenfelder等[6]和Mclaughlin等[7]提出分布式废水处理模式后，许多研究人员采用各种方法设计分布式废水处理系统，其主要内容是优化单元的处理次序和减小水流混合造成的水流恶化。优先执行造成水流恶化较小的单元，就可以减少后续处理单元的水流恶化，从而减少总处理量。

为了确定单元的优先执行顺序，本文引入单元主要功能的概念。在不考虑水流混合的前提下，优先运行移除杂质种类较多的单元能够减轻后续单元的杂质质量负荷。

对于如何减小水流恶化，文献中已经给出了许多方法。本文提出两种新的减小水流恶化的方法：单元的重复设置和单元的分时使用。单元的重复设置即系统中允许含有多个功能相同的但处理速率不同的单元；单元的分时使用即单元在某一时段只处理一股水流，当该股水流处理完毕后再处理其他水流。

3 处理单元的主要功能

如果单元TPi能够移除的杂质多于一个，其针对A，B…等杂质的移除率分别为RRA，RRB…，假定其中移除率最大的为RRA，则称该单元的主要功能是移除杂质A。单元TPi的主要功能确定后，运用上一节提出的杂质移除效率和杂质移除完成率，可得该单元移除杂质A时夹点水流和最小处理量。

4 实例

水流的参数如表1(a)所示，处理单元的参数如1(b)所示。可知：环境排放限制均为100 ppm。该例子取自文献[8]。

表1 的水流数据和处理单元参数

步骤1，确定各单元的主要功能。

根据给定条件可知，单元TP1，TP2，TP3，TP4，TP5的主要功能依次为移除杂质C，A，E，D，B。

分配原则是每个处理单元都能分配一个主要移除的杂质。例如单元TP5能够移除的杂质为B和E，移除率分别为90%和99%，按照原则该单元主要功能应为移除杂质E。但处理单元TP3的主要功能也为移除杂质E，该单元只能移除一种杂质。B杂质可由TP2和TP5移除，但TP2按方法确定主要功能为移除杂质A，所以杂质B没有分配到处理单元，综上所述，处理单元TP5的主要功能应为移除杂质B。

步骤2，根据方法确定每个单元的处理量。

按照所述方法确定每个单元的处理量，计算过程较为繁琐，本文以TP5为例说明计算方法，其他单元直接给出结果。

根据步骤1，处理单元TP5的主要功能为移除杂质B。其水流参数如表2所示：列中括号内数字表示处理的优先次序。

表2 处理单元TP5移除杂质B的水流参数

由于ETP,15+ETP,11+ETP,6＜1且ETP,15+ETP,11+ETP,6+ETP,2＞1，S2应被处理单元TP5部分处理，处理量为，可由下式求得：

所以，运用TP5单独移除杂质B的总处理量为f15+f11+f6+=155.83 m3/s。

各单元应处理水流的计算结果如表3所示。表中，每个单元处理水流中，最后一股为部分处理，具体处理量标识在该股水流后的括号内。

表3 处理单元主要杂质应处理的水流和处理量

例如，单元TP3应处理水流为S2，S4，S8，S5，S10水流的全部和水流S11的86.27m3/s，共计180.27 m3/s。

步骤3，单元TP1，TP2，TP4，TP5均能移除两种杂质，单元TP3仅能移除一种杂质，处理次序为TP1，TP2，TP4，TP5优先，TP3最后。单元TP1，TP2，TP5的执行次序按照其移除主要杂质和次要杂质的去除率确定，依次为TP4，TP1，TP2，TP5。

步骤4，根据步骤3的所得执行顺序，重新计算后获得系统方案（见表4）。

表4 重新计算各单元的水流和处理量

需要说明的是，在TP1所处理的水流中，Su4-7(6.71)表示水流S7经TP4处理后由TP1处理时，处理量为6.71 m3/s。Su1-2(23.83)的意义同上。

每个处理单元应处理水流确定后，可以看出某些水流可以合并。例如单元TP1中水流Su4-7(6.71)和S3在其他单元中没有出现，因此水流Su4-7(6.71)和S3可以合并，在表4中可以合并的单元用小括号括起。其他依次类推。最后一个处理单元，所有水流可以全部合并。从表4中可以看出：一共需要7个单元，其中TP1两个，TP2两个，TP4两个，TP5一个。

步骤5，完成设计，如图1所示。

上述例子中，所得设计中没有水流混合，但单元数量增加了，一共需要7个单元，造成基础建设成本的增加。但设计结果较文献[8]所得总处理量（440 m3/s）减小总处理量30.45%，较文献[9]所得总处理量（381 m3/s）减少19.69%。且该结果是目前所有文献中总处理量最小的。

单元的重复设置能够完全避免水流的混合。对于每个处理单元只能移除一种杂质的系统，在设计过程中无需考虑单元的执行次序，因为在此类系统中单元之间互不关联（将需重复设置数量最多的单元置于最后可以减少系统中单元的数量）；对于某些处理单元能移除多种杂质的系统，在设计过程中需要考虑单元的执行次序，因为在此类系统中单元的执行次序也会影响处理量。

符号说明

TP 处理单元

Si 水流

RRAA，B…等杂质的移除率分别为

Fi 水流Si的流量，m3/s

Ci 水流Si中的杂质浓度，ppm

Mi 水流Si中的杂质质量负荷，其值mi=fi×ci；