水夾點分析與數(shù)學規(guī)劃法相結(jié)合的廢水處理網(wǎng)絡優(yōu)化設計 (2)

1、第50卷第1期2010年1月大連理工大學學報Journal of Dalian U niversity of T echnologyV ol. 50, N o. 1Jan. 2010文章編號:100028608(2010 0120038204水夾點分析與數(shù)學規(guī)劃法相結(jié)合的廢水處理網(wǎng)絡優(yōu)化設計李英1,2, 周集體31, 姚平經(jīng)3(1. 大連理工大學環(huán)境與生命學院, 遼寧大連116024; 2. 大連交通大學環(huán)境與化學工程學院, 遼寧大連116028; 3. 大連理工大學化工學院, 遼寧大連116012摘要:提出了水夾點分析和數(shù)學規(guī)劃法相結(jié)合的廢水處理網(wǎng)絡最優(yōu)設計法. 基于對過程用水的理解, 通過

2、水夾點分析得出廢水處理網(wǎng)絡設計的基本規(guī)則. 在此基礎上建立了廢水混合、合并、處理和排放各種可能匹配方案的廢水處理網(wǎng)絡超結(jié)構(gòu)及其NL P 模型. 既避免了用水夾點綜合設計廢水處理網(wǎng)絡存在回路, 又在一定程度上防止了超結(jié)構(gòu)規(guī)模過大、NL P 維數(shù)太高、求解困難. 采用通用代數(shù)建模系統(tǒng)(GAMS 得到廢水處理網(wǎng)絡最優(yōu)設計方案. 文獻中的應用實例表明, 所提方法可充分發(fā)揮水夾點分析處理結(jié)構(gòu)的簡潔實用性和超結(jié)構(gòu)NL P 佳方案的優(yōu)點.關(guān)鍵詞:廢水處理網(wǎng)絡; 水夾點分析; 中圖分類號:TQ021. 8文獻標志碼:A收稿日期:2007212223; 修回日期:2009211220.作者簡介:李英(19752

3、 , 女, 博士, 副教授; 周集體3(19562 , 男, 教授, 博士生導師,E 2mail :. cn.0引言, 即, 然后依次經(jīng)過物理、化學以及生物處理后排放. Eckenfelder 等1認識到分布式廢水處理可能比集中式處理有更大的優(yōu)勢. McLaughlin 等2證實大多數(shù)廢物處理操作的基建費與流經(jīng)廢水的流量成正比且處理的操作費用隨給定質(zhì)量負荷污染物濃度的降低而增加. 如果兩個廢水流股含有的污染物濃度不同, 采用分布式廢水處理比集中式廢水處理在基建費和操作費上都要節(jié)省, 但如果兩個廢水流股含有的污染物濃度相同, 則采用集中式處理更合理. 所以廢水處理系統(tǒng)設

4、計的首要問題是產(chǎn)生一個通用的方法決定何時將流股分開何時正確合并, 且在實際應用中各種過程所產(chǎn)生的廢水一般含有多種不同類型污染物且濃度并不相同, 因此分布式廢水處理應用有更廣闊的空間.在此研究領域,Wang 等3、Kuo 等4用夾點法設計分布式廢水處理網(wǎng)絡, 這一方法在處理小規(guī)模單雜質(zhì)問題時比較有效; 對大規(guī)模多雜質(zhì)問題處理過程過于煩瑣, 但它的一個突出優(yōu)點是其對過程了解比較充分. Galan 等5通過超結(jié)構(gòu)模型建立廢水處理網(wǎng)絡的數(shù)學模型, 并提供了一個多次求解線性規(guī)劃/非線性規(guī)劃的設計型算法. 隨后, 對廢水處理網(wǎng)絡設計的改進主要集中在以下三方面:一種是設計方法的改進, 如李保紅等6、7基于1

5、個原則和3個規(guī)則進行廢水處理網(wǎng)絡的設計和調(diào)優(yōu); 一種是優(yōu)化方法的改進, 如劉永健等8基于粒子群優(yōu)化算法的分散式廢水處理網(wǎng)絡的綜合; 一種是設計方法和優(yōu)化方法的同時改進, 如Rogelio 等9采用超結(jié)構(gòu)分解和數(shù)值優(yōu)化相結(jié)合的方法設計分布式廢水處理網(wǎng)絡. 本文在水夾點分析與數(shù)學規(guī)劃法相結(jié)合設計用水網(wǎng)絡10的基礎上, 將這一方法應用于廢水處理網(wǎng)絡優(yōu)化設計.1問題描述合成分布式廢水處理網(wǎng)絡的問題表述如下:給定一系列已知流量的過程液體流股, 包含已知濃度的特定污染物; 給定一系列處理單元用來移去每種污染物. 這一問題的目的是在總費用最小條件下確定這些單元存在哪些連接, 它們相應的流量以及它們使每種污染

6、物達到排放規(guī)定的組成. 2水夾點分析廢水處理過程的夾點分析就是在濃度2質(zhì)量負荷圖上表示處理過程的行為. 首先, 廢水流股從其濃度c i , j 減到環(huán)境允許排放濃度c e , j , 同時移去雜質(zhì)質(zhì)量負荷m i , j . 針對每種雜質(zhì)將所有廢水流股在同一濃度2質(zhì)量負荷圖上表示出來, 如圖1(a 所示. 在不同的濃度區(qū)間對質(zhì)量負荷加和形成廢水組合曲線, 如圖1(b 所示. 這里m i , j =f i (c i , j -c e , j (1 m t , j =im i , j=ifi(c i , j -c e , j (2處理過程的行為用移出率R 表示, 則處理過程的進出口濃度關(guān)系如下:R

7、=c in=t , j m t , j +m 0(3 圖1Fig. 1The diagram of water pinch analysis 在濃度2質(zhì)量負荷圖上, 當處理線圍繞圖1(的(-m 0, 0 點旋轉(zhuǎn), (-m 0, 0 為頂點, 使得處理費用(, 1( 所示, 切點為夾點. 上圖的目標, :被處理的廢水流量必須等于處理線流量; 被處理的廢水流股平均進口濃度c m ,in 必須等于處理過程的目標進口濃度c in . 夾點將廢水流股分為3類:第1類廢水流股的濃度大于夾點濃度; 第2類廢水流股的濃度等于夾點濃度; 第3類廢水流股的濃度小于夾點濃度. 且滿足如下3條設計規(guī)則才可以達到處理流

8、量目標:規(guī)則1第1類的廢水流股必須全部經(jīng)過處理單元;規(guī)則2第2類的廢水流股部分經(jīng)過處理單元;規(guī)則3第3類的廢水流股不經(jīng)過處理單元.3融入水夾點分析規(guī)則的廢水處理網(wǎng)絡建模如同用水網(wǎng)絡設計, 廢水處理網(wǎng)絡設計首先也是要建立包含各種可能方案的超結(jié)構(gòu), 如圖2所示. 其中M 為混合器, S 為分離器, TP 為處理單元. 將處理單元的基建費用表示成流量的函數(shù), 超結(jié) .圖2廢水處理網(wǎng)絡超結(jié)構(gòu)Fig. 2The superstructure of wastewater treatment networks目標函數(shù):mint(A tft+B t f t 約束方程:處理單元雜質(zhì)質(zhì)量平衡(1-R t , j

9、l tXt , lc l , j , out =l tX t , lc t , j , out ;t T , l W , T(4其中W 為廢水流股集合, T 為處理單元集合.廢水流股質(zhì)量平衡tXt , i+X e , i =f i ; t T , i W (5環(huán)境排放標準限制lXe , lc l , j , out if ic e , j ; i W , l W , T(693第1期李英等:水夾點分析與數(shù)學規(guī)劃法相結(jié)合的廢水處理網(wǎng)絡優(yōu)化設計 對此非凸非線性規(guī)劃, 往往很難得到全局優(yōu)化解, 將水夾點分析規(guī)則融入數(shù)學建模中, 可加深對過程的理解, 減少上述模型中X t , i 的數(shù)量, 同時超結(jié)構(gòu)

10、簡化如圖3, 維數(shù)降低, 更容易找到全局最優(yōu)解. 如果一個處理過程同時可以處理幾種雜質(zhì), 則超結(jié)構(gòu)中應選取需要處理流量最大的雜質(zhì)所決定的處理結(jié)構(gòu) .圖3廢水處理網(wǎng)絡簡化超結(jié)構(gòu)Fig. 3The simplified superstructure ofwastewater treatment networks4實例實例取自文獻5, 包括3、3雜質(zhì)及3個處理過程1對H 2S 的夾點為390mg/L , 廢水流股1TP , 廢水流股2全部經(jīng)過TP , 廢水流股3不經(jīng)過TP ; TP 的夾點為25mg/L , 廢水流股1和2全部經(jīng)過TP , 廢水流股3部分或全部經(jīng)過TP .對油雜質(zhì)TP 的夾點為100

11、mg/L , 廢水流股1不經(jīng)過TP , 廢水流股2全部經(jīng)過TP , 廢水流股3部分或全部經(jīng)過TP ; TP 的夾點為100mg/L , 廢水流股1不經(jīng)過TP , 廢水流股2全部經(jīng)過TP , 廢水流股3部分或全部經(jīng)過TP .對懸浮物雜質(zhì)TP 的夾點為350mg/L , 廢水流股1不經(jīng)過TP , 廢水流股2全部經(jīng)過TP , 廢水流股3部分或全部經(jīng)過TP .綜合得:廢水流股1部分或全部經(jīng)過TP , 廢水流股2全部經(jīng)過TP , 廢水流股3不經(jīng)過TP ; 廢水流股1和2全部經(jīng)過TP , 廢水流股3部分或全部經(jīng)過TP ; 廢水流股1不經(jīng)過TP , 廢水流股2全部經(jīng)過TP , 廢水流股3部分或全部經(jīng)過TP

12、.表1廢水流股給定數(shù)據(jù)Tab. 1Specified data for wastewater stream流股號流量/(t h -1/(mg L -1H 2油懸浮物12502778011040025100350表2處理操作給定數(shù)據(jù)Tab. 2Specified data for treatment operation 處理單元移出率/%H 2S 油懸浮物基建費用/美元操作費用/(美元h -1TP 99. 90016800f 0. 7t1. 0f t TP 90709812600f 0. 7t0. 0067f t TP 70504800f 0. 7t注:年回收率為10%; 操作時間為8600h

13、a -1采用通用代數(shù)建模系統(tǒng)(GAMS , 通過建模優(yōu)化得到如圖4的廢水處理網(wǎng)絡結(jié)構(gòu), 與Kuo 等4所得結(jié)果基本一致, 但設計過程相對簡單.圖4優(yōu)化的廢水處理網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)Fig. 4Optimal design of wastewater treatment networks5結(jié)語對廢水處理網(wǎng)絡設計, 應用水夾點技術(shù)對處理流量和處理費用的計算過于繁瑣, 而數(shù)學規(guī)劃法形成的超結(jié)構(gòu)模型由于非凸性比較強, 獲得全局最優(yōu)比較困難. 本文利用數(shù)學規(guī)劃法建模全面嚴格的優(yōu)點, 并應用夾點分析加深對處理過程的理解, 降低了非線性規(guī)劃的維數(shù), 更好地應用了夾點分析確定處理結(jié)構(gòu)的簡潔實用性和超結(jié)構(gòu)4大連理工大學學報

14、第50卷 NL P 尋求最佳方案的優(yōu)點, 為廢水處理網(wǎng)絡設計提供了一種切實可行的方法.參考文獻:1EC KEN FELDERWWJ R ,PA TOCZKAJ ,WA T KIN A T. Wastewater treatment J.Chemical E ngineering , 1985, 92(18 :602742MCL AU GHL IN LA , MCL AU GHL IN H J ,GROFF K A. Develop an effective wastewatertreatmentstrategyJ.ChemicalE ngineeringProgress , 1992, 88(

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16、wastewatertreatmentnetworksJ.I ndustrial and E ngineering Chemistry R esearch , 1998, 37(10 :4036240486李保紅, 費維揚, 姚平經(jīng). 單雜質(zhì)廢水處理網(wǎng)絡設計J.化工學報, 2003, 54(12 :1733217397L I B H , FAN X S , YAO P J. New method foreffluent treatment system design J.Chinese Journal of Chemical E ngineering , 2002, 10(3 :2732280

17、8劉永健, 羅祎青, 袁希鋼. 基于粒子群優(yōu)化算法的分散式廢水處理網(wǎng)絡的綜合J.天津大學學報, 2006,39(1 :162209RO GEL IOHS , J UL IAN CF , J U MZ.Superstructuredecompositionandparametricoptimization approach for the synthesis of distributed wastewater treatment networks J.I ndustrial and E ngineering ChemistryR esearch ,2004,43(9 :21752219110李英

18、. , 2004, 55(2 :225Optimal treatment net works by combinationanalysis and mathematical programmingLI Y ing 1,2, ZHOU Ji 2ti 31, Y AO Ping 2jing 3(1. School of Environmental and Biological Science and Technology , Dalian University of Technology , Dalian 116024, China ; 2. School of Environmental and

19、 Chemical Engineering , Dalian Jiaotong University , Dalian 116028, China ; 3. School of Chemical Engineering , Dalian University of Technology , Dalian 116012, China Abstract :An app roach of optimal wastewater t reat ment networks design by t he combination of waterpinch analysis and mat hematical

20、 programming is p resented. Water pinch analysis is used to determine t he elementary rules for wastewater t reat ment networks design based on t he understanding for wastewater t reat ment process. Then , a superst ruct ure of wastewater t reat ment networks and an improved nonlinear p rogramming (NL P model are built which involves only feasible and better ret rofit options considering mixing , t reat ment and discharge of wastewater. The approach overcomes t he