考慮再生單元水質(zhì)約束的多雜質(zhì)再生循環(huán)水系統優(yōu)化

Vol. 40 No.3華東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)3092014-06Journal of East China University of Science and Technology ( Natural Science Edition)文章編號:1006 3080( 2014)03- 0309-06考慮再生單元水質(zhì)約束的多雜質(zhì)再生循環(huán)水系統優(yōu)化張云希'，馮霄(1.西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院,西安710049;2. 中國石油大學(xué)(北京)新能源研究院,北京102249)摘要:廢水分類(lèi)分級處理的再生模式是廢水再生的方向,建立和完善該模式的多雜質(zhì)再生循環(huán)水系統的模型具有重要意義。本文從工業(yè)實(shí)際情況出發(fā),在現有數學(xué)模型的基礎上,考慮了再生單元進(jìn)口質(zhì)量濃度的上下限約束,使得數學(xué)模型更加完善。通過(guò)實(shí)例研究,顯示了增加該約束的必要性,并分析了該約柬對水網(wǎng)絡(luò )結構和系統新鮮水目標值的影響。.關(guān)鍵詞:水系統集成;再生循環(huán);數學(xué)規劃法;進(jìn)口濃度;多雜質(zhì)中圖分類(lèi)號:TQ021.8文獻標志碼:AOptimization of Regeneration Recycling Water Systems withConstraints for Regeneration UnitsZHANG Yun-xi'，FENG Xiao2(1. School of Chemical Engineering and Technology, Xi'an J iaotong University, Xi'an 710049,China; 2. Institute of New Energy, China University of Petroleum ，Beijing 102249, China)Abstract: The regeneration pattern of classified and stage treatment of wastewater is the tendency ofwastewater regeneration and it is of great significance to establish and improve the model of regenerationrecycling water systems with such regeneration pattern. In this paper, from the industrial practicalsituation of regeneration units, the constraints for inlet concentrations of regeneration units are consideredto improve the existing models for water systems with wastewater regeneration. The effects of theconstraints on the water network structure and the minimum freshwater consumption are analyzed. A casestudy shows the necessity of the constraints. .Key words: water system integration; regeneration recycling; mathematical programming; inletconcentration; multiple contaminants水浪費和水污染導致的水危機問(wèn)題已引起世界輔助設計,求解迅速,既可用于單雜質(zhì)系統,又可用的普遍關(guān)注,它不僅影響和制約著(zhù)社會(huì )的可持續發(fā)于多雜質(zhì)系統,因此成為多雜質(zhì)再生循環(huán)水網(wǎng)絡(luò )設展,而且將成為21世紀全球資源環(huán)境的首要問(wèn)題，計的首選方法?，F在已經(jīng)存在的多雜質(zhì)再生循環(huán)水直接影響著(zhù)人類(lèi)的生存和發(fā)展?？紤]廢水再生循環(huán)系統的數學(xué)模型[2-9]仍不夠完善,許多模型都沒(méi)有約的水系統集成可以最大限度地減少新鮮水的用量以束再生單元雜質(zhì)的進(jìn)口質(zhì)量濃度,雖然文獻[2]在其及廢水的排放量1,已成為當前研究的熱點(diǎn)。約束條件中提及了再生單元進(jìn)口質(zhì)量濃度的上限，基于超結構的數學(xué)規劃法可以利用計算機進(jìn)行但是沒(méi)有應用到實(shí)例中并進(jìn)行深人的分析，因此再收稿日期:2013-0-0中國煤化工基金項目:國家自然科學(xué)基金(21276204;21261130583)MYHCNMHG作者簡(jiǎn)介:張云希(1990-),女,碩士生,研究方向為水系統集成。通信聯(lián)系人:馮霄 .E- mail: xfeng@ cup. edu. cn華東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第40卷生單元進(jìn)口質(zhì)量濃度的約束對整個(gè)水系統的影響還1.2 廢水再生循環(huán)水網(wǎng)絡(luò )的數學(xué)模型有待進(jìn)一步研究。1.2.1 目標函數本文以年度總費用最小為目標廢水再生處理的方法有物理法、化學(xué)法、物理化函數,將處理過(guò)程的基建費用表示成流量的指數函學(xué)法和生物法等[10] ,其中有些方法對再生單元廢水數形式,可以去掉表示處理單元是否存在的整型變中污染物的進(jìn)口質(zhì)量濃度要求比較高，例如膜法[1量,將水網(wǎng)絡(luò )綜合MINLP問(wèn)題轉化為NLP問(wèn)題，和生物法[12]。采用膜法進(jìn)行廢水處理時(shí),如果廢水.求解起來(lái)更方便。目標函數如式(1)所示(。中的CaCO3、金屬氧化物、蛋白質(zhì)、細菌等含量過(guò)minxAnFh +>ZBnFn+yZF" (1)高,會(huì )引起膜污染,使得膜分離效果降低;如果廢水其中第1項為廢水處理過(guò)程中的年度化基建費的pH超出膜的允許范圍會(huì )導致水解或氧化反應造用,常數λ是基建費用的年投資率,β為再生單元基成膜的劣化1。在廢水的好氧生物處理中，如果溶建費用指數因子,通常取0.7;第2項為廢水處理過(guò)解氧不足,好氧微生物活性會(huì )受到影響。如果進(jìn)入程中的年操作費用;第3項為新鮮水的年費用,常數再生單元的廢水中含有重金屬離子(砷、鉛、鎘、鉻、y為年平均工作時(shí)間。j為用水過(guò)程,Rt為再生單鐵、銅、鋅等),這些重金屬離子能與細胞內的蛋白質(zhì)元,P為用水過(guò)程的集合,T為再生單元的集合。結合,使蛋白質(zhì)變質(zhì),致使酶失去活性(12]。因此,在1.2.2 約束方程廢水再生循環(huán)水網(wǎng)絡(luò )數學(xué)模型用生物法對廢水進(jìn)行再生處理時(shí),要對這些有毒的中的約束方程如下0:物質(zhì)嚴加控制,比如鋅的允許質(zhì)量濃度范圍是5~(1)用水單元j進(jìn)出口質(zhì)量流量平衡20 mg/L, 銅的允許質(zhì)量濃度范圍是5~ 20 mg/L,F+ EF.,+ EFm,=印+ 2F.+ SF.a鉛的允許質(zhì)量濃度是1mg/L,鉻酸鹽的允許質(zhì)量濃度范圍是5~20 mg/L等[5]。本文在前人建立的多雜質(zhì)再生循環(huán)水系統的數學(xué)模型的基礎上.9.1],增(2)用水單元j人口混合節點(diǎn)雜質(zhì)平衡加了再生單元雜質(zhì)進(jìn)口質(zhì)量濃度的上下限這個(gè)約束Z(Fjc)+ Z(Fe.fc..)=RET條件,使得數學(xué)模型更加完善;并對該約束對水網(wǎng)絡(luò )(F, + ZF.,+ EFu,)d.(3)結構和用水目標值的影響進(jìn)行分析。(3)用水單元j進(jìn)出口雜質(zhì)平衡1廢水 再生循環(huán)水網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化模型的完善(F"+ EF.+ Few,)c. +M,.=1.1廢水再生循環(huán)水網(wǎng)絡(luò )的超結構(F, + EF,+ EFuw,)ec(4)圖1所示為典型的再生循環(huán)水網(wǎng)絡(luò )的超結構[9],它包含再生循環(huán)網(wǎng)絡(luò )中各用水單元以及各再(4)用水單元j進(jìn)出口雜質(zhì)質(zhì)量濃度要求生單元之間所有可能的連接方式。其中j代表用水c≤c);.mx(5)過(guò)程,Rt代表再生單元,F為水質(zhì)量流量。(5)再生單元Rt進(jìn)出口質(zhì)量流量平衡From other water-Fresh waterDischanargeFPpTo other water-ZF,m+ Fm.n =using processes .using processes翻SProcessesjFiFjxEFw,+ Fw.me+ F唱(7)「FmuFjmeFrom regenerationTo regenerationprocesses(6)再生單元Rt人口混合節點(diǎn)雜質(zhì)平衡From water-usingFRJ To water-usingEF.nec+ EFu.oc.=F貼↑processesRegeneration(8)I processes Ri(ZFm,+ Fe.m + F唱)c%..From other|FemBn↓To other regenerationregeneration processesFR.Bm processes(7)廢]中國煤化工圖1廢水再生 循環(huán)水網(wǎng)絡(luò )超結構EFieTYHCNMHG EF%)c?R∈TFig. 1 Superstructure of regeneration recycling(9)water network第3期張云希,等:考慮再生單元水質(zhì)約柬的多雜質(zhì)再生循環(huán)水系統優(yōu)化311(8)環(huán)境排放標準濃度及雜質(zhì)負荷,水處理單元的雜質(zhì)移除率或者再cR≤cD.m(10)生后質(zhì)量濃度,再生單元的進(jìn)出口濃度限制)帶人該(9)再生單元進(jìn)口雜質(zhì)質(zhì)量濃度要求模型進(jìn)行求解,就可以得到用水系統的最小年度總ch:sin ≤c%..≤c%a*費用以及各用水單元、再生單元之間的水質(zhì)量流量(10)再生單元出口雜質(zhì)質(zhì)量濃度約束，以及進(jìn)出口濃度。從上面的數學(xué)模型可以看出,該c%。= cR":;(12)模型是一個(gè)NLP問(wèn)題，所以本文用商業(yè)軟件LIN-或者GO求解。Rm.. = (c%. - c..)%..(13)Rr. = re.s(14)2實(shí)例研究再生單元出口雜質(zhì)質(zhì)量濃度約束中存在不同約束條件的選擇,是因為再生單元的已知條件一般有該實(shí)例取自文獻[14],是來(lái)自煉油廠(chǎng)的工業(yè)實(shí).兩種:已知再生后的質(zhì)量濃度或已知移除率。前者例,包含1個(gè)新鮮水源、5個(gè)用水過(guò)程、3個(gè)處理單選用式(12) ;后者選用式(13)和式(14)[3]。元,廢水中含有3種雜質(zhì)分別為碳氫化合物(H.本文在前人工作的基礎上,加上了約束條件式C. )、硫化氫(H2S)和固體懸浮物(S. S. )。它基本(11),即給再生單元雜質(zhì)的進(jìn)口質(zhì)量濃度加上了上上概括了煉油廠(chǎng)的用水和處理狀況,T1為汽提塔，下限,使得解決此類(lèi)問(wèn)題的數學(xué)模型更加完善。將T2為生物處理單元,T3為API 分離器。進(jìn)行優(yōu)化各單元的極限水數據(用水單元的極限進(jìn)出口質(zhì)量.的水網(wǎng)絡(luò )結構的各種限定條件如表1、表2所示。表1實(shí)例中 極限用水過(guò)程數據Table 1 Limiting process data for caseWater usingMass )load ofcim*/C*/NamesContaminantsprocesscontaminant/(g* h-')(mg. L-')(mg. L-1)750H. C1Steam stripping20 000H2S401 7503:3 400.C.12Hydro-desulphurization 1414 80030012 5004 590451805 600I. C.223Desalter1400.204:520 800S. s.20009 50060H.C.2Ejector steam for4806(vacuum column. S.2(00H. C.515Hydro- desulphurization 260 8008000s. s.120表2實(shí)例中廢水處理過(guò)程基本數據Table 2 Basic data of wastewater treating process for caseWastewater treatingRemoval ratio/ %Capital cost/$Operating cost/($ .h-I)s.s.T099.916中國煤化工°F%709008:TYHCNMH G°7F%'T:9550800FR312華東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第40卷本案例中,基建費用的年投資率λ為10%,年平均工作時(shí)間y為8 600 h/a, 新鮮水的價(jià)格為-一回0.2$/t.本文運用數學(xué)規劃法，以年度總費用最小.為目標函數,根據實(shí)例中給出的條件,再生單元均已知移除率,所以選擇約束(13)和(14)。首先不加本文補充的約束條件,優(yōu)化得到的水網(wǎng)絡(luò )結構如圖2一日所示,優(yōu)化結果見(jiàn)表3,新鮮水用量為58 t/h, 年度圖2不加再生單元進(jìn)口約柬得到的水網(wǎng)絡(luò )結構總費用為547.34 $/a。Fig.2 Optimal water network without considering inlet表3不加再生單元進(jìn)口約束的優(yōu)化結果Table 3 Optimal results without considering inlet constraints of regeneration unitsProcessF.,/(.h-1).n/(mg. L~I)1Fw=50,F1,2=25. 39.F1s=4.35.F1.s=8,F1.n2=12.27=0<°z =0.Cs =0Fz.n=34c次=16.32cC".z = 300,C%.3 =45Fs.2=0. 05,Fs.n2=144. 65<.1=19. 8.8. =20<5.3=51.32Fw=8,F.s=2. 23.F.n2-5.77c=0.ocz =0cC2s=05Fs.s=0. 04,Fs.n1=7.93,Fo.r2=0.02cn=15,c5.2 = 405.s=35TFr1.n2-41.93..=116. 07.cn.2-11648. 62.ch%. -=163.92T:Fτ2.2= 8.56,Fr2.3= 138.09, Frz.n=58<7..=66. 67.cT.2=50,c%.3=2616.53加上本文補充的再生單元進(jìn)口約束條件,分析一0一回優(yōu)化結果。TI約束條件I:所加約束中進(jìn)口質(zhì)量濃度的上限回比表3所示的再生單元中雜質(zhì)的進(jìn)口質(zhì)量濃度高，下限比表3所示的再生單元中雜質(zhì)的進(jìn)口質(zhì)量濃度低,如表4所示。加人表4所示的上下限約束之后優(yōu)化所得的水網(wǎng)絡(luò )結構如圖3所示，優(yōu)化結果見(jiàn)表圖3加約柬條件I后優(yōu)化得到的水網(wǎng)絡(luò )結構5。根據優(yōu)化結果,新鮮水用量為58 t/h,年度總費Fig.3 Optimal water network after constraint I is added用為547.34 $/a,加約束I前后優(yōu)化得到的新鮮水目標值和總費用不變。這是因為表3所得的結果本身滿(mǎn)足再生單元的進(jìn)口約束,因此圖2的水網(wǎng)絡(luò )也能滿(mǎn)足再生單元的進(jìn)口約束。但是所得水網(wǎng)絡(luò )結構表4約柬條件I中再生單元進(jìn)口質(zhì)量濃度上下限.發(fā)生很大變化,這顯示了該數學(xué)模型具有多解性。Table 4 Upper and lower limits of inlet concentrations of約束條件I :所加約束中某個(gè)再生單元中某些regeneration units in constraint I雜質(zhì)的進(jìn)口質(zhì)量濃度上限比表3所示的再生單元中Wastewater treatingContaminantsdmm/c):m*/雜質(zhì)的進(jìn)口質(zhì)量濃度低,如表6所示。加入約束條process(mg.L-1) (mg.L-)件II后優(yōu)化得到的水網(wǎng)絡(luò )結構如圖4所示,優(yōu)化結H.C.10012果見(jiàn)表7。H2S10 00012 0000加入約束條件I后,新鮮水用量為66.5 t/h,年S.S.14017度總費用為568.67$/a,由于所加約束中再生單元657(雜質(zhì)的進(jìn)口質(zhì)量濃度的上限比不加約束時(shí)優(yōu)化得到6的再生單元雜質(zhì)的進(jìn)口質(zhì)量濃度低,那么圖2所示s.s.2 5002 700的水網(wǎng)絡(luò )結構就不再滿(mǎn)足再生單元的要求,水網(wǎng)絡(luò )110結構勢必會(huì )中國煤化工的進(jìn)口質(zhì)量濃度降低,即相YHCN M H G量濃度降低，S.s.10而每個(gè)用水單元的雜質(zhì)負荷是一定的,那么在進(jìn)口第3期張云希，等:考慮再生單元水質(zhì)約束的多雜質(zhì)再生循環(huán)水系統優(yōu)化313表5加入約柬條件 I后的優(yōu)化結果Table 5 Optimal results after constraint I is addedProcessF.,/(t.h-1)c./(mg.1)1Fiw=50,Fi.2=25. 02,F1.3=4.98,F1s=8,F1.r2=12.00c" =0+°.2=0c°3s=0F2.n =34望=16. 32.C.2 = 30C.=37.02Fs.n2= 150.64c.-19. 83.<. =20.C"a =50.62Fw=8.F.-=2. 68,Fo.a≈5. 32°.n=0.<.2=09Cs=0Fs.Tn =7.93,Fs.t2=0. 066c1=15,5°.z - 400.C3≈35Fn.n2=41. 93..=116. 07.cTh.2 =11 648. 62.ci.=157.45T2Fr2.2=6. 30,Fr2.s= 140. 34,Fr2.n= 58c2.1 =66.67,c72.2 =50.CT.. =2 616. 53表6約束條件I中再生單元進(jìn)口質(zhì)量濃度上下限Table 6 Upper and lower limits of inlet concentrationsof regeneration units in constraint I中Wastewater treatinge;m/ci;:mx/牛國Contaminantsprocess(mg. L-1) (mg. L-1)H.100110r1H2S0 00012000圖4加人約束條件II后優(yōu)化得到的水網(wǎng)絡(luò )結構S.S.14050Fig.4 Optimal water network after constraint I is addedH.C.6570質(zhì)量濃度不變的條件下用水單元雜質(zhì)的水質(zhì)量流量勢必要增加,所以新鮮水用量就可能會(huì )增加,導致新s.s.2 5002 700鮮水的年費用增加，從而使得年度總費用增加。加120人約束條件I前后的優(yōu)化結果對比如表8所示。由T35s.S8(0o表8可知,僅僅再生單元T1的進(jìn)口質(zhì)量濃度上限小于加約束前優(yōu)化所得的進(jìn)口質(zhì)量濃度,就使得水表7加人約束條件 I后的優(yōu)化結果Table 7 Optimal results after constraint I is addedF./(t.h-1)co/(mg.L1)Fiw= 50,F.2 = 25.50,F1.s=8.33,Fr.n=0. 047心=0.z =0r23=0Fzw=8.5.F2.t:=34-11. 25.C%.2 = 300.C23 =26.25Fo.2=161. 75c =30.92.2 =8.93.183.=62.96Fsw=8,Ff.3=7. 63..F.n2=0. 37C -0.".z =0