考虑再生单元水质约束的多杂质再生循环水系统优化

Vol. 40 No.3华东理工大学学报(自然科学版)3092014-06Journal of East China University of Science and Technology ( Natural Science Edition)文章编号:1006 3080( 2014)03- 0309-06考虑再生单元水质约束的多杂质再生循环水系统优化张云希'，冯霄(1.西安交通大学化学工程与技术学院,西安710049;2. 中国石油大学(北京)新能源研究院,北京102249)摘要:废水分类分级处理的再生模式是废水再生的方向,建立和完善该模式的多杂质再生循环水系统的模型具有重要意义。本文从工业实际情况出发,在现有数学模型的基础上,考虑了再生单元进口质量浓度的上下限约束,使得数学模型更加完善。通过实例研究,显示了增加该约束的必要性,并分析了该约柬对水网络结构和系统新鲜水目标值的影响。.关键词:水系统集成;再生循环;数学规划法;进口浓度;多杂质中图分类号:TQ021.8文献标志码: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水浪费和水污染导致的水危机问题已引起世界辅助设计,求解迅速,既可用于单杂质系统,又可用的普遍关注,它不仅影响和制约着社会的可持续发于多杂质系统,因此成为多杂质再生循环水网络设展,而且将成为21世纪全球资源环境的首要问题，计的首选方法。现在已经存在的多杂质再生循环水直接影响着人类的生存和发展。考虑废水再生循环系统的数学模型[2-9]仍不够完善,许多模型都没有约的水系统集成可以最大限度地减少新鲜水的用量以束再生单元杂质的进口质量浓度,虽然文献[2]在其及废水的排放量1,已成为当前研究的热点。约束条件中提及了再生单元进口质量浓度的上限，基于超结构的数学规划法可以利用计算机进行但是没有应用到实例中并进行深人的分析，因此再收稿日期:2013-0-0中国煤化工基金项目:国家自然科学基金(21276204;21261130583)MYHCNMHG作者简介:张云希(1990-),女,硕士生,研究方向为水系统集成。通信联系人:冯霄 .E- mail: xfeng@ cup. edu. cn华东理工大学学报(自然科学版)第40卷生单元进口质量浓度的约束对整个水系统的影响还1.2 废水再生循环水网络的数学模型有待进一步研究。1.2.1 目标函数本文以年度总费用最小为目标废水再生处理的方法有物理法、化学法、物理化函数,将处理过程的基建费用表示成流量的指数函学法和生物法等[10] ,其中有些方法对再生单元废水数形式,可以去掉表示处理单元是否存在的整型变中污染物的进口质量浓度要求比较高，例如膜法[1量,将水网络综合MINLP问题转化为NLP问题，和生物法[12]。采用膜法进行废水处理时,如果废水.求解起来更方便。目标函数如式(1)所示(。中的CaCO3、金属氧化物、蛋白质、细菌等含量过minxAnFh +>ZBnFn+yZF" (1)高,会引起膜污染,使得膜分离效果降低;如果废水其中第1项为废水处理过程中的年度化基建费的pH超出膜的允许范围会导致水解或氧化反应造用,常数λ是基建费用的年投资率,β为再生单元基成膜的劣化1。在废水的好氧生物处理中，如果溶建费用指数因子,通常取0.7;第2项为废水处理过解氧不足,好氧微生物活性会受到影响。如果进入程中的年操作费用;第3项为新鲜水的年费用,常数再生单元的废水中含有重金属离子(砷、铅、镉、铬、y为年平均工作时间。j为用水过程,Rt为再生单铁、铜、锌等),这些重金属离子能与细胞内的蛋白质元,P为用水过程的集合,T为再生单元的集合。结合,使蛋白质变质,致使酶失去活性(12]。因此,在1.2.2 约束方程废水再生循环水网络数学模型用生物法对废水进行再生处理时,要对这些有毒的中的约束方程如下0:物质严加控制,比如锌的允许质量浓度范围是5~(1)用水单元j进出口质量流量平衡20 mg/L, 铜的允许质量浓度范围是5~ 20 mg/L,F+ EF.,+ EFm,=印+ 2F.+ SF.a铅的允许质量浓度是1mg/L,铬酸盐的允许质量浓度范围是5~20 mg/L等[5]。本文在前人建立的多杂质再生循环水系统的数学模型的基础上.9.1],增(2)用水单元j人口混合节点杂质平衡加了再生单元杂质进口质量浓度的上下限这个约束Z(Fjc)+ Z(Fe.fc..)=RET条件,使得数学模型更加完善;并对该约束对水网络(F, + ZF.,+ EFu,)d.(3)结构和用水目标值的影响进行分析。(3)用水单元j进出口杂质平衡1废水 再生循环水网络优化模型的完善(F"+ EF.+ Few,)c. +M,.=1.1废水再生循环水网络的超结构(F, + EF,+ EFuw,)ec(4)图1所示为典型的再生循环水网络的超结构[9],它包含再生循环网络中各用水单元以及各再(4)用水单元j进出口杂质质量浓度要求生单元之间所有可能的连接方式。其中j代表用水c≤c);.mx(5)过程,Rt代表再生单元,F为水质量流量。(5)再生单元Rt进出口质量流量平衡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)再生单元Rt人口混合节点杂质平衡From water-usingFRJ To water-usingEF.nec+ EFu.oc.=F贴↑processesRegeneration(8)I processes Ri(ZFm,+ Fe.m + F唱)c%..From other|FemBn↓To other regenerationregeneration processesFR.Bm processes(7)废]中国煤化工图1废水再生 循环水网络超结构EFieTYHCNMHG EF%)c?R∈TFig. 1 Superstructure of regeneration recycling(9)water network第3期张云希,等:考虑再生单元水质约柬的多杂质再生循环水系统优化311(8)环境排放标准浓度及杂质负荷,水处理单元的杂质移除率或者再cR≤cD.m(10)生后质量浓度,再生单元的进出口浓度限制)带人该(9)再生单元进口杂质质量浓度要求模型进行求解,就可以得到用水系统的最小年度总ch:sin ≤c%..≤c%a*费用以及各用水单元、再生单元之间的水质量流量(10)再生单元出口杂质质量浓度约束，以及进出口浓度。从上面的数学模型可以看出,该c%。= cR":;(12)模型是一个NLP问题，所以本文用商业软件LIN-或者GO求解。Rm.. = (c%. - c..)%..(13)Rr. = re.s(14)2实例研究再生单元出口杂质质量浓度约束中存在不同约束条件的选择,是因为再生单元的已知条件一般有该实例取自文献[14],是来自炼油厂的工业实.两种:已知再生后的质量浓度或已知移除率。前者例,包含1个新鲜水源、5个用水过程、3个处理单选用式(12) ;后者选用式(13)和式(14)[3]。元,废水中含有3种杂质分别为碳氢化合物(H.本文在前人工作的基础上,加上了约束条件式C. )、硫化氢(H2S)和固体悬浮物(S. S. )。它基本(11),即给再生单元杂质的进口质量浓度加上了上上概括了炼油厂的用水和处理状况,T1为汽提塔，下限,使得解决此类问题的数学模型更加完善。将T2为生物处理单元,T3为API 分离器。进行优化各单元的极限水数据(用水单元的极限进出口质量.的水网络结构的各种限定条件如表1、表2所示。表1实例中 极限用水过程数据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实例中废水处理过程基本数据Table 2 Basic data of wastewater treating process for caseWastewater treatingRemoval ratio/ %Capital cost/$Operating cost/($ .h-I)s.s.T099.916中国煤化工°F%709008:TYHCNMH G°7F%'T:9550800FR312华东理工大学学报(自然科学版)第40卷本案例中,基建费用的年投资率λ为10%,年平均工作时间y为8 600 h/a, 新鲜水的价格为-一回0.2$/t.本文运用数学规划法，以年度总费用最小.为目标函数,根据实例中给出的条件,再生单元均已知移除率,所以选择约束(13)和(14)。首先不加本文补充的约束条件,优化得到的水网络结构如图2一日所示,优化结果见表3,新鲜水用量为58 t/h, 年度图2不加再生单元进口约柬得到的水网络结构总费用为547.34 $/a。Fig.2 Optimal water network without considering inlet表3不加再生单元进口约束的优化结果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加上本文补充的再生单元进口约束条件,分析一0一回优化结果。TI约束条件I:所加约束中进口质量浓度的上限回比表3所示的再生单元中杂质的进口质量浓度高，下限比表3所示的再生单元中杂质的进口质量浓度低,如表4所示。加人表4所示的上下限约束之后优化所得的水网络结构如图3所示，优化结果见表图3加约柬条件I后优化得到的水网络结构5。根据优化结果,新鲜水用量为58 t/h,年度总费Fig.3 Optimal water network after constraint I is added用为547.34 $/a,加约束I前后优化得到的新鲜水目标值和总费用不变。这是因为表3所得的结果本身满足再生单元的进口约束,因此图2的水网络也能满足再生单元的进口约束。但是所得水网络结构表4约柬条件I中再生单元进口质量浓度上下限.发生很大变化,这显示了该数学模型具有多解性。Table 4 Upper and lower limits of inlet concentrations of约束条件I :所加约束中某个再生单元中某些regeneration units in constraint I杂质的进口质量浓度上限比表3所示的再生单元中Wastewater treatingContaminantsdmm/c):m*/杂质的进口质量浓度低,如表6所示。加入约束条process(mg.L-1) (mg.L-)件II后优化得到的水网络结构如图4所示,优化结H.C.10012果见表7。H2S10 00012 0000加入约束条件I后,新鲜水用量为66.5 t/h,年S.S.14017度总费用为568.67$/a,由于所加约束中再生单元657(杂质的进口质量浓度的上限比不加约束时优化得到6的再生单元杂质的进口质量浓度低,那么图2所示s.s.2 5002 700的水网络结构就不再满足再生单元的要求,水网络110结构势必会中国煤化工的进口质量浓度降低,即相YHCN M H G量浓度降低，S.s.10而每个用水单元的杂质负荷是一定的,那么在进口第3期张云希，等:考虑再生单元水质约束的多杂质再生循环水系统优化313表5加入约柬条件 I后的优化结果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约束条件I中再生单元进口质量浓度上下限Table 6 Upper and lower limits of inlet concentrationsof regeneration units in constraint I中Wastewater treatinge;m/ci;:mx/牛国Contaminantsprocess(mg. L-1) (mg. L-1)H.100110r1H2S0 00012000图4加人约束条件II后优化得到的水网络结构S.S.14050Fig.4 Optimal water network after constraint I is addedH.C.6570质量浓度不变的条件下用水单元杂质的水质量流量势必要增加,所以新鲜水用量就可能会增加,导致新s.s.2 5002 700鲜水的年费用增加，从而使得年度总费用增加。加120人约束条件I前后的优化结果对比如表8所示。由T35s.S8(0o表8可知,仅仅再生单元T1的进口质量浓度上限小于加约束前优化所得的进口质量浓度,就使得水表7加人约束条件 I后的优化结果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