基于水分質的廢水資源化梯級利用

孟立紅，喬琦，劉景洋

中國環境科學研究院，國家環境保護生態工業重點實驗室，北京 100012

近年來，隨著經濟的迅速發展，人類對水資源的需求越來越大，水資源短缺日益嚴重［1］。據資料報道，1900—1975年，世界耗水量每年以 3.0%～5.6%的速度遞增(表1)［2］。我國的工業用水需求占全國總需水量的20%以上，工業污廢水的排放量達到全國污廢水排放量的49%左右，我國工業用水的新鮮水耗高、水重復利用率低，新鮮水耗水量遠高于發達國家水平。以煉油行業為例，我國1 t原油消耗水量為2.37 m3，比國際平均水平(0.5 m3)高出近4倍［2］，因此，我國的節水減排工作刻不容緩。污廢水是一種相對較為穩定、可再生的水資源，在眾多節水途徑中，廢水資源化對于解決供需矛盾有著重大的意義［3］。通過對污廢水的處理回用，可以降低新鮮水耗和廢水排放量，提高廢水回用率。

表1 世界耗水量與不能恢復耗水量的變化Table 1 The change table of world water consumption and unrecoverable water consumption

所謂廢水資源化，是指將生產廢水和生活污水經科學分類處理后加以綜合利用的一種循環利用方法［4］。一般是將城市污水加以適當處理再生后回用，實現替代優質原水的目標，從而節約優質原水的取水量，進而減輕水資源的供需矛盾［4］。廢水回用作為廢水資源化的主要形式，是指將廢水(包括生活污水和工業廢水)經處理后達到一定的環境、衛生和健康等標準，用于工農業、市政用水、城市景觀、地下水回灌等用途，實現廢水資源的再利用或循環使用［5］。依據城市工業和生活所排放的各種類型污廢水的污水量、所含污染物及其濃度，參照所處的水土環境容量等自然條件、水質用途的標準和提取某物質的可能性，有針對性地采取簡單或系統處理技術等措施，以因地制宜、因時制宜、因條件制宜為原則，從經濟效益、環境效益和社會效益等方面綜合考慮，對污水進行有效地控制與凈化，并加以濃縮，提取有用的重金屬和其他有用物質［6］。

1 水分質理念的廢水梯級利用

傳統的水社會系統循環結構［7］(圖1)是從水源(地下水或地表水)經自來水廠處理供給城市用水(生活和生產)到污廢水處理并排放的一條龍模式，這種模式是對水資源的一種浪費使用，如果從重復利用出發，應改變現有的水社會系統循環結構。圖2是從水源到水處理設施、灌溉、市政和工業用水以及到污水再生利用設施的一個循環結構形式。過程物流中的雜質在傳質推動力作用下進入水中，使過程物流所含雜質濃度降低，而水中雜質濃度升高，從而實現流股水雜質總濃度降低，滿足回用水質要求。這種循環結構展示出污水回用的主要通路，其中包括市政用水、地下水回灌、農業灌溉、工業用水以及地表水的補充等不同的回用方式［8］。

現有廢水資源化的技術方法主要有質量交換網絡、水夾點技術、中間水道、數學規劃法等［9-14］，利用這些最優化方法進行優化統籌在經濟效益、環境效益和社會效益上已經取得了一定的效果［15-16］。然而，作為主要技術手段的水夾點技術和數學規劃法存在一定的局限性［17-18］，優化控制指標的選擇制約性大且計算過程繁復，而大多數的水系統用戶往往會從綜合水質的角度提出對用水的要求，因此提出對各類水的控制指標。

筆者按照污廢水的綜合水質及水阱對用水最差水質的要求將各類水分級，水質級別從高到低分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ……，綜合水質較好的排水(高級別)可以直接回用到水質要求較低(低級別)的水阱，而綜合水質較差的排水則需要經過一定的處理才能再生回用于水阱，這種分水質的廢水梯級利用理念稱為水的分質理念。各梯級間廢水的回用應從技術可行和經濟效益兩方面綜合考慮，對于水質較好的排水可以不經處理直接回用;而對于水質非常差的排水，如是經處理后達到水質要求的，可回用于水阱，而經濟收益不能補償處理費用時則應棄用，不考慮梯級回用。隨著排水處理深度的提高，回用的使用方式隨之增多;隨著科技的發展、處理技術的提升，處理費用隨之降低，可處理的梯級利用方式也增多。基于水分質理念的廢水資源化梯級利用如圖3所示。

圖3 廢水資源化梯級利用Fig.3 The step utilization of wastewater recycling

2 水源水阱及水質劃分

以某制藥企業的典型工藝生產線為例，運用水分質理念進行廠區內廢水的梯級利用，實現廠區內局部用水循環。經過企業用水情況走訪及基礎數據調研得出，該生產線局部工序排水量較大、需水量較大，一些環節的排水水質和用水崗位的最低水質要求相近甚至更優，某些工序的冷卻排水可滿足其用水崗位回路循環利用的要求。經統計分析得出企業典型工藝用水系統主要水阱節點及用水系統水源，如表2和表3所示。

表2 某制藥企業典型工藝用水系統主要水阱Table 2 The water sink of water system in plant

表3 某制藥企業典型工藝用水系統主要水源Table 3 The water source of water system in plant

從表2可看出，現有幾個重點水阱用水的最低水質要求為Ⅱ～Ⅳ級，而目前給水都是新鮮水，因此有很大的節水潛力;從表3可以看出，水源節點的排水水質能夠滿足部分水阱用水水質要求。因此，該企業的水系統循環梯級利用是可行的。

3 資源化梯級利用

以廢水處理回用費用為目標函數，以廢水排放量最小為約束條件，建立資源化回用的數學模型。目標函數:

式中，Y為總處理費用;P為處理單價費用;Q為處理的水量;W為水源供水量;C為水阱供水量;λf為管道改造費用;i，j，h，k 為水質級別;Wj-Ci為 j級別的水源供給i級別水阱。

根據式(1)將企業用水進行優化求解，最終得到優化方案(圖4)。

圖4 企業水系統循環梯級利用優化方案Fig.4 Optimum proposal of step utilization of wastewater recycling for the plant’s water system

4 結果

由表3和圖4可以看出，轉化二濃凝水工序的廢水水質滿足各水阱用水最低水質要求，可以直接回用，但考慮到回用管路的成本問題，最終直接回用144 t/d到Vc-Na溶解崗位是最省距離和成本最低的;轉化三效凝水工序的廢水水質滿足連交洗柱和發酵涼水塔崗位的最低用水水質要求，可以直接回用，因其和連交洗柱崗位在同一車間更能節省管路成本，因此直接回用336 t/d到連交洗柱崗位;洗膜崗位最低用水水質要求較高，三效真空泵工序的廢水水質可滿足其回用，提取超濾工序的廢水經初級處理也可回用，從回用量上考慮，三效真空泵工序的廢水直接回用水量即可滿足其用水量，因此三效真空泵工序的廢水直接回用91 t/d至洗膜崗位;發酵涼水塔工序的廢水屬冷卻水，水質較好，經簡單處理即可完全回用本崗位。利用梯級利用優化方案，總回用水量為671 t/d，每年可節約新鮮水為24.49 t。與原廠區循環用水方案比較，重復利用率從82.1%提高到83.1%，增加了一個百分點。按照該市現有工業自來水價2.5元/t計算，折合經濟效益近61.23萬元/a。

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