（化学工程专业论文）废水最小化的过程集成方法研究.pdf

摘要 摘要 承资源豹逐年匿乏骤环境污染酶秘趋严重，对过程工、监提溺了废承最小纯熬要求。 过程工业不但消耗大量的新鲜水，而鼠排放大量的废水，因此成为工业节水和水污染防 治的重中之黧。过程集成技术为废水最小化的研究提供了技术支撵和系统化的方法。本 文在全嚣分辑废零最小住麴磅究臻狡葶羹发震趋势蒸磊窭主，对葵过程集成方法逡_ 亍了详 细、深入的研究，以期对过程工业的节水降污提供一定的理论指导。本论文的主要研究 内容有： l ，废承最小化可以先邋过考虑回曩l 的耀承网络设计减少废东量，嚣利用分穗式废水处 理丽络设计降低菠水中杂质含量以达到环境允许撵放标准。这种分步设计所采用的 两种主要过程集成方法；水夹点拽术和数学规划法发展比较成熟，但各有局限性。 本文提出了水夹点分析和数学规划相结合的方法，既加深了对过程的理解，又通过 设诗矮黪豹绩爱实骥了超结橇降终；显不存在鹈络诿撬嚣搡幸鐾分隔黎竭憨。实鲷验 证所得网络设计结果熙接近全局最优。 2 用水网络和废水处理网络同步设计既进一步减少新鲜水的用爨和废水的排放量，又 可以减少废东处理费用。数学援划霹其有同步俊亿和霹时处理多曩标权簿豹优点或 为同步设计的有效方法。作为废水疆小纯研究的难点和热点，本文对水网络废水最 小化同步设计方法进行了研究，首先建立了包含回用、再生网用和再生循环等废水 最小化集成方法的有分流水网络超绒构，它可以根据需要划分为分步设计中的两个 子系统袋溪定为无分浚东薅络。在藏基磁上，阻经济缝为嚣标，巧凌稀救标准为约 束，建立了超结构n l p 模型。由于横型约束中的浓度乘以流擞双线性项导皴问题非 凸，根攒疑特点采用自适应模拟退火遗传算法求解。与分步设计和文献同步优化结 巢比较涎鞠所提方法怒蠢效款。 3 随着环境闷题的弱益突出，对环境影响因素的优化开始集成到系统设计中，同时为 了更好的处理废水中污染物微量浓度就对环境产生较大影响的情况，把环境闲索作 为没计匿栋，与经济爨标进行权衡，从丽形成废水最小化的多露撂优化。以多目标 傀纯缝莱为依据，对袋求最小纯浚计挺鑫了零撵教静譬稼。在此基礁土撬出了一种 废水零排放的复合型方法，首先通过回用、再生回用和再生循环求得系统中所需最 小循环水檄：再通过分布式废水处理网络设计的常规处理使废水中污染物浓度降低 大连理工大学博士学位论文 到瀵是深度处邂革元熬入霜瑟求；最蜃钟慰特定污染镄选择台适瓣潆度楚理设辫嫒 废水达到闭路循环的要求。文中以实例阐述了废水零掷放的设计过稔及可行性。 4 为了求解上述废水最小化同步设计所形成的非凸n l p 和m i n l p 问题，本文丁r 发了 蠢适应模拟退火遗传算法。它克服了确定性算法由于数值奇异找不到可行解面收敛 飘难或容荔陷入麓部最饶瓣弼隈注，耋逶应添整步长鞠溢洚静策旗箨嵩了算法懿运 算速度和搜索剐解的质量，并且遗传算法的加入弥补了其内层由于艇有历史遗患- 陡 嫩以实现全局优化的不足。经对非凸n l p 和m i n l p 问题的测试，表明该算法在收 敛速度、数曼大摄率获缮全髑簸往麓方瑟典有夷努豹，羧麓。在就蒸戳上，本文采用 线性加权改变板因子的方法将自适应模拟邋火遗传算法糟于多目标恍化。 关键词：废水最小化；过程集成技术；水夹点技术；数学舰划法；超结构建模；自邋应 模拟退火遗传算法；多目标优化；废水零排放。 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es c a r c i t yo fw a t e rr e s o u r c ey e a ra f t e ry e a ra n dt h es e v e r i t yo fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nd a y a f t e rd a yc a l lf o rp r o c e s si n d u s t r i e st oa c t u a l i z ew a s t e w a t e rm i n i m i z a t i o n ，p r o c e s si n d u s t r yn o t o n l yc o n s u m e sl a r g ea m o u n to f f r e s hw a t e rb u ta l s od i s c h a r g e sa g r e a td e a lo fw a s t e w a t e rs o i tb e c o m e st h ee m p h a s i so fi n d u s t r i a lw a t e rs a v i n ga n dw a t e rp o l l u t i o np r e v e n t i o n p r o c e s s i n t e g r a t i o nt e c h n i q u e sp r o v i d et e c t m i c a ls u p p o r ta n das y s t e m a t i ca p p r o a c hf o rw a s t e w a t e r m i n i m i z a t i o nr e s e a r c h o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gr o u n d l yt h ea c t u a ls t a t u sa n dd e v e l o p m e n t t r e n do fw a s t e w a t e rm i n i m i z a t i o nw el u c u b r a t et h e p r o c e s si n t e g r a t i o nt e c h n i q u e s o f w a s t e w a t e rm i n i m i z a t i o ni nd e t a i lt od i r e c tt h ew a t e r s a v i n g a n d p o l l u t i o nr e d u c i n go fp r o c e s s i n d u s t r i e si nt h e o r y t h em a i nc o n t e n t so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 w a s t e w a t e rm i n i m i z a t i o nc a nb ea c h i e v e dt h r o u g ht h ef o l l o w i n gs t e p ：f i r s t ，t h e g e n e r a t e d w a s t e w a t e r c a p a c i t y i sr e d u c e d b y t h ew a t e ru t i l i z a t i o nn e t w o r k d e s i g nc o n s i d e r i n g w a s t e w a t e rr e u s e ，t h e nt h ec o n t e n to fc o n t a m i n a n t si nw a s t e w a t e ri sd e c r e a s e db yt h e d i s t r i b u t e dw a s t e w a t e rt r e a t m e n tn e t w o r kd e s i g n t h ep r o c e s s i n t e g r a t i o nt e c h n i q u e so f w a t e rp i n c ht e c h n o l o g ya n dm a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n ga p p l i e dt ot h es t e p w i s ed e s i g na r e m a t u r e ，b u tt h e yh a v ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e si n d i v i d u a l l y ，a st h ef o u n d a t i o no f a c a d e m i cr e s e a r c ha n ds a t i s f y i n gt h ec o m p r e h e n s i v ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h ea p p r o a c hi s p r o p o s e dt oc o m b i n e t h ew a t e rp i n c ha n a l y s i sa n dm a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n g w h i c hn o t o n l yd e e p e n s t h eu n d e r s t a n d i n gf o rp r o c e s sb u ta l s or e d u c e st h ed i m e n s i o no f s u p e r s t r u c t u r e 。 a n di ta v o i d sn e t w o r ke v o l u t i o na n do p e r a t i o ns p l i c i n g c a s es t u d i e si l l u s t r a t et h ed e s i g n r e s u l t sa r ec l o s et og l o b a lo p t i m u m 2d e s i g no fw a t e ru t i l i z a t i o nn e t w o r ka n dw a s t e w a t e rt r e a t m e n tn e t w o r k s i m u l t a n e o u s l yc a n f f l r t h e rr e d u c et h ef r e s hw a t e r c o n s t u n p t i o na n d w a s t e w a t e rg e n e r a t i o n c a p a c i t y , a n d d e c r e a s et h ec o s to ft r e a t m e n tu n i t s m a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n gi sap o w e r f u lt o o lt o p e r f o r m s i m u l t a n e o u sd e s i g nb e c a u s ei th a st h ea d v a n t a g eo fs i m u l t a n e o u s o p t i m i z a t i o na n d d e a i i n g w i t hm u l t i p l eo b j e c t i v e st o g e t h e r a st h er e s e a r c hh o t s p o ta n d d i f f i c u l tp o i n t ，w a t e r n e t w o r ko f s i m u l t a n e o u sd e s i g ni ss t u d i e d t h es u p e r s t r u c t u r eo f w a t e rn e t w o r kw i t hs t r e a m s p l i t a n dc o n s i d e r i n gr e u s e ，r e g e n e r a t i o nr e u s ea sw e l la s r e g e n e r a t i o nr e c y c l e i sb u i l t w h i c hi sc o n v e n i e n tt o s e p a r a t et h eo v e r a l lw a t e rn e t w o r ki n t o t w os u b s y s t e m s 。w a t e r 大递理工人攀博士学位论越 u t i l i z a t i o nn e t w o r ka n dw a s t e w a t e rt r e a t m e n tn e t w o r kf o rd i f f e r e n t m a n d so rc h a n g ei n t o w a t e rn e t w o r kw i t h o u ts t r e a ms p l i tt h r o u g hs i m p i ec o n s t r a i n t s o nt h eb a s i so ft h e s e + a c o m p r e h e n s i v en o n l i n e a rp r o g r a m m i n gm o d e l ( n l p ) i s f o r m e d b e c a u s et h eb i l i n e a rt e m t s o fw h i c hf l o wr a t et i m e sc o n t a m i n a n tc o n c e n t r a t i o ni nm a s sb a l a n c el e a dt ot h 盘t h en l p p r o b l e mi sn o n c o n v e x a na d a p t i v es i m u l a t e da n n e a l i n gg e n e t i ca l g o f i l k mi sa d o p t e dt o s o l v et h ep r o b l e ma c c o r d i n gt oi t sf e a t u r e t h ec o n t r a s to fc a s es t u d yw i t hs t e p w i s ed e s i g n a n dl i t e r a t u r er e s u l ti n d i c a t e st h ep r o p o s e ds i m u l t a n e o u sd e s i g na p p r o a c hi se f f i c i e n t 3 ，t h ep e r f o r m a n c eo fe n v i r o n m e n t a li m p a c to p t i m i z a t i o nb e g i n st oi n t e g r a t ei n t ot h es y s t e m d e s i g nb e c a u s eo f t h ei m p o r t a n c eo fe n v i r o n m e n t a li s s u e m e a n w h i l e ，i no r d e rt od e a lw i t h t h em a t t e rt h a ts o m ec o n t a m i n a n t sw i t ht r a c ec o n c e n t r a t i o nw i l l p r o d u c eg r e a t e n v i r o n m e n t a li m p a c t , t h ee n v i r o m e n t a t i m p a c t i ss e l e c t e da s o b j e c t i v ef u n c t i o na n d b a l a n c e dw i t he c o n o m i co b j e c t i v e z e r ol i q u i dd i s c h a r g ei s p u tf o r w a r df o rw a s t e w a t e r m i n i m i z a t i o n d e s i g n w i t hr e m a r k a b l ee n v i r o n m e n t a l i m p a c ta c c o r d i n g a st h em u l t i “ o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n r e s u l t s 。t h eh y b r i da p p r o a c hf o rz e r ol i q u i dd i s c h a r g ei sa sf o l l o w s t h er e c y c l ew a t e rc a p a c i t yi nc l o s e dl o o pe 勰b ed e c i d e dt h r o u d hw a s t e w a t e rc a p a c i t y m i n i m i z a t i o n f u r t h e r m o r e ，w a s t e w a t e ra r et r e a t e dt oa t t a i nc o n t a m i n a n t sc o n c e n t r a t i o n w h i c h s a t i s f y t h ei n f l u e n td e m a n d 。o f d e e p t r e a t m e n t t e c h n o l o g i e s f i n a l l y , t h e c o r r e s p o n d i n gd e e pt r e a t m e n tu n i t s 戮s e l e c t e dt ot r e a tt h es p e c i f i cc o n t a m i n a n t ss oa st o a t t a i nt h en e e d so fc l o s e dl o o p 。c a s es t u d yi nt i t e m t u r ei si m p r o v e dt oi l l u s t r a t et h ep r o c e s s o fz e r ol i q u i dd i s c h a r g ea n di t sf e a s i b i l i t y 4 f o rt h e l a r g e n o n m c o n v e xn o n l i n e a r p r o g r a m m i n g ( n l p ) o rm i x e di n t e g e r n o n l i n e a r p r o g r a m m i n g ( m i n l p ) c a h s e db yb i l i n e a rt e r m s o fc o n t a m i n a n t sm a t e r i a lb a l a n c e r o u t i n e a t g o r i t h m sm a y c a u s ef a i l u r e sf o rf i n d i n gf e a s i b l ep o i n t sb e c a u s eo fn u m e r i c a ls i n g u l a r i t i e s a r i s eo rg i v er i s et ol o c a l o p t i m a a na d a p t i v es i m u l a t e da n n e a l i n gg e n e t i ca l g o r i t h m ( a s a g a ) i sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r t 矗es t r a t e g yo fa 礴u s f i n gs t e ps i z ea n dt e m p e r a t u r e d e c r e a s i n ga d a p t i v e l yi m p r o v e st h eo p e r a t i o ns p e e da n dt h ea b i i i t yt of i n ds o h t t i o nw i t h h i g hq u a l i t yo ft h eh y b r i da l g o r i t h m a n dg e n e t i ca l g o r i t h me m b e di nt h ei n n e ro fa d a p t i v e s i m u l a t e d a n n e a l i n ga l g o r i t h mc o m p e n s a t e st h ed e f i c i e n c yt h a ts i m u l a t e da n n e a l i n g i s d i f f i c u l tt op e r f o r m g l o b a lo p t i m i z a t i o nb e c a u s eo f i t sm i s s i n gf o rf o r m e ri n f o r m a t i o n 。t e s t r e s u l t so fn o n c o n v e xn l pa n dm i n l ps h o wt h eh y b r i da l g o r i t h mh a sg o o dc a p a b i l i t yi n c o n v e r g e n c es p e e da n df i n d i n gt h eg l o b a lo p t i m u mw i t hah i g hp r o b a b i l i t y f u r t h e r , t h e a b s t r a c t a d a p t i v es i m u l a t e da n n e a l i n gg e n e t i ca l g o r i t h mb a s e do nt h ew e i g h t i n gf a c t o rm e t h o di s u s e dt om u l t i o b j e c t i v eo p t i m i s a t i o n k e y w o r d s ：w a s t e w a t e r m i n i m i z a t i o n ；p r o c e s s i n t e g r a t i o nt e c h n i q u e s ；w a t e r p i n c h t e c h n o l o g y ；m a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n g ；s u p e r s t r u c t u r e m o d e l i n g ；a d a p t i v e s i m u l a t e d a n n e a l i n gg e n e t i ca l g o r i t h m ；m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n ；z e r ol i q u i dd i s c h a r g e 第一常引言 第一章引富 ； 壁冥秘巾匡懿农瓷溪l 裴驻 地球表黼约有7 0 以上为水所覆靛，其余约占地球表面3 0 的陆地也有水的存在。 地球总水量为1 3 8 6 1 0 8 亿m 3 ，其中淡水储量为3 5 1 0 8 亿m 3 ，占总储量的2 5 3 。出 子开发困难或技术经济熬鼹菠，爨嚣嚣淹壹，海承、深屡逮下承、冰雪嚣态淡承等还覆 少被直接利溺。t e 较容易开发车皙用的、与人类生活生产关系最为檬切的湖泊、河流和缓 餍地下淡水资源，只占淡水总储量的o ，3 4 ，为1 0 4 6 1 0 4 亿m 3 ，还不到全球水总储量 酶万分之一。逶露繇说的水资源主要撩这部分霹供镁爝鳆、逐年可戳妖复更瑟豁淡求瓷 源。可觅遮球上麴凌隶资源劳不丰富。尽管承是一辩酉再生资源，德是它秘数蕊雾妥再生 速度都是有限的。况且这部分水分布极不均匀。随潜缎济的发展和人口的增加，世界用 水量在逐年增炽。如果世界人口像预计的那样到2 0 2 5 每再增加1 3 姓上达到8 0 参亿人， 黯承鹣需求爨逐跨增魏4 0 。嚣蘸戆共霄莲蓬2 6 个溪家懿霉霉避2 2 亿太弱，占篷秀人 翻总数豹l ，3 已处于缺水状态。到2 0 2 5 年大约3 0 亿人缺水。至少还有其弛1 8 个国家 将可能面临湖样严重的水娥缺问题。人擞对水的需求不断上升，假地球上的水越是保持 不变。 我誊永资源总量虿少，德a 均、富秘墩资源量嘏少。我溪承资源憨量为2 8 1 2 4 亿m 3 ， 般中河川径流2 7 1 1 5 亿时，少于巴西、前苏联、棚零大，居世界擀四位。但我网人均 水量只有2 3 5 0 m 3 ，只有世界人均占有水爨盼2 7 。搬擐1 4 9 个国家按1 9 9 0 年人印统诗 龄大均占鸯承爨蠢多受少簿菇，孛簪持在筹1 t 0 霞。赫途每公骥平均承量2 7 8 6 7 毋， 豹为世界平均馕的3 4 。可见按我国人均拥有水量及单位面积耕地拥有水量来猎，我国 魑一个水资源比较贫乏的国家。另外，我国的水资渊地区分布不均，时间分布不均。 蛊霓可知，承意疆正一步步是我稍走逛。 1 2 导致水撒机的外部骤因 除了承资源分毒蛉叁然状汪导致糖匿家帮遣送存在求危班辨，随羞经济抟发展藉 搴主会夔进步，求渡轰稳承浮粱黠承资漂翳菠乏鸯着重大影璃。 1 ，2 1 水浪赞 农业，蔑水资源戆避零丈户，也燕承资澡戆演费太产。在我澄，“渠赣承、大承 大连理工大学博士学位论文 漫灌”的农业灌溉方式黼魏还仍在瞀遍沿用，灌溉麓承一半在输水中就渗漏损失了， 灌溉用水的利用系数大多只有0 4 ，不足一些发达嗣家的一半水平。我国每平方米水灌 溉后增产粮食o 。5 公斤，发达国家则可达2 公斤。工业，因为现张用水设施技术落后， 嚣嚣我国王簸万元产篷鬻东耋秀1 0 3 立方寒，美国怒8 立方寒，嚣本其骞6 立方寒，是 发达国家的1 0 2 0 倍：我国工业用水的重复利用率仅为4 0 左宿，而发达国家平均为 7 5 8 5 。城市居民生活用水不讲节约、铺张浪赞的现象十分严重，节水教商任重道 远。仅j 京市一年跑冒瀵灏鳃水裁达3 6 万睫。冠嚣是缺拳的以织裂，不仅器廷净露与 洗手是两套管道，就是冲糯也分大便和小便两个按镦。正是东恍憩意识极强静以色列入， 发明了农业滴灌技术。 1 2 2 承污染 2 l 世纪世界永资源蚕员会发表报街指出，全墩界有一半阻上的大河已被污染，使 生态系统遭到严重破坏。2 1 世纪世界水资源委员会发表的这份报告还指出：“网前世界 上只有两条大河可以被归入健康河流之到。这鼹条河流是南美洲盼亚与孙溺郡彼于j 洲 撒哈拉南部豹嚣l 栗溪。强麓孙河是整癸上流量最大、流域嚣积最广的的淹流，在萁沿岸 地区中有很少的居民集聚地和工厂。剐果河也是一条大流量的河流，在其周围地区也没 有多少工业中心。”报告遥详细谈了环境问题，黄河、流入成海的阿姆河和锡尔河、伏 尔纛浮、毽浮以及约墨游簿海流东资源穰竭露搜污染豹润题。 统计数字表明，目前我国每年废污水排放总量融达6 2 0 亿吨，相当于每人平均排放 近4 9 吨，其中大部分未经处理直接排入江河湖库。在全国七大流域中，太湖、淮河、 莛河东质最麓，约有7 0 以上的河段鼹到污染；海淀、松辽流域污染也相当严重，污 染滔段占6 0 以上。河流污染猜况严竣，萁发展趋势也令人担魄。扶全莺情况看，污 染f 从支流向干流延伸，从城市向农村燕延，从地袭向地下渗透，从区域向流域扩展。 由于排入湖庠的氮、磷等鬻养物质的不断增加，近年= 辫芒水体富营养化程度加快。我国1 3 1 个主要溪蔼中，已送富营舞亿程度兹潮游毒6 7 个，占5 1 2 。褒3 9 个钱表缝承瘁中， 达富营养化程度的有1 2 鹰，占3 0 。在五大淡水湖中，太湖、滋泽湖和巢湖国达富营 养化程度，鄱阳湖、洞庭湖正处于向富营养化过度阶段。城市近郊的湖泊水库寓营养化 程度普遍傻离，如妓蛾疆潮、鸯京玄武潮以及l 京弱骞厅零库等均达到塞营莽纯程度。 太湖中富营养化趸积占全潮7 0 阻上，富营养及耋营养化面积占1 0 。地下水水质每 况愈下，在全国“8 个城市中，6 4 的城市地下水受到严重污染，3 3 的城市土也下水受 划轻度污染，从地区分布米看，北方地区比南方地区燹为严重。海河流域地下水资源量 第一章引言 为2 7 1 6 亿m 3 ，受到污染的为1 7 t 5 亿m 3 ，占总煮豹6 3 2 。在1 4 3 8 万k m 2 的被评价 面积中，已宵6 1 7 面积上的地下水不适宜饮用，其中3 4 1 面积的地下水不符合农阳 灌溉东质标准。另外，水污染导致的水流失严重，河溜库泥沙淤积阃题突出；河道功 缝逶纯，潮濑瑟狡缝夺；谶下隶往戆续下降；将进一步怒纯承环境，鸯妥尉东资漂豹匿乏。 1 3 水危机的出路 淡瘩资漾豹获乏不楚个裂国家嚣猿套夔阂题，露是全臻发溪中嚣浚魏游熬。1 9 7 2 年联合国入炎环境会议、1 9 7 7 年联合黼水事会议都键出了水危枫不久将成为继石油危 机之后另一项严重的社会散机。世界银行1 9 9 5 年的调查报告指出：占世界人口4 0 的 8 0 个国家正颟簸羞水危机，发展中国家约有l o 亿人噶不到溥洁蛇承，1 7 亿人没有良好 豹卫生设施，每年约有2 5 0 0 万太死予饮尾不清洁豹求。1 9 9 2 年整约热内卢联合蓬环境 与发展大会通过的2 l 世纪议程中指出：水不仅为维持地球一切生命所必需，而且 对一切经济阀题都有生死攸关的重要意义。我国率先制定出中国2 l 世纪议程，并明 确挺可持续发震俸戈国家笈震战略写邃了藿爱经漭露茬会丸五笈震诗翻窝2 0 1 0 年发 展规划之中。 1 ) 开展“水资源教育”，提高人们的节水意识 当蔻，嫠器各嚣采震菇秘方式宣传节求熬重要瞧、遥留洼，掩涛节隶静叁激注。爱 率东京，为了抓好节水工作，建立了一熬套宣传体系，通过新闻、广播、报纸及专门编 制的宣传手册，并组织参观城市供水设施等活动，教肖群众，还将节水内容编入课本。 美国洛杉矾为了节求，警动员1 0 0 入徽了1 8 8 次节求援告，荠让7 万名中学生先后羲了 有关节水方筒的电影。 2 ) 工业用水魑节水的重点 为舞决零资源不足黪阏遂，许多鹫容羁藏市恕带瓣工业恁拳搀为节东黪堂点。主要 漕施是重复利闲工业内部霸使用过的水，即一水多用。日本大阪1 9 7 0 年工业闱水重复 利用率只有4 7 4 ，到1 9 8 1 年已提高到8 1 7 ；横滨市1 9 8 2 年水的熏复利用率达9 2 7 ， 其中冷却水为9 5 2 。美霞制造业1 9 7 8 年的需水量洚4 9 0 亿立方洙，每立方米瓣水循 环使蕊3 ，4 2 次，稿当于减少1 2 0 0 亿立方米的需承量。美国案4 遥渡豹水重复利爝次数， 1 9 8 5 年为8 6 3 次，2 0 0 0 年底将达到1 7 0 8 次，因此到2 0 0 0 年底，荧国制造业的霈水量 不但不增加，反而要比1 9 7 8 年的需水量减少4 5 。 大连理工大学博士学位论文 3 ) 重复利鞠褒污水，已成为开辟新水源的途径之 世界上大多数城市，融修建有汇浆城市居民和公麸设施污水的管道，城市污水经二 缴或三缴处理净亿后可嘲皎剥用。美圜1 9 2 6 年首次圈收水，1 9 7 1 年已有3 5 8 家工厂。企 业秘用处理螽鹃城市污承，霞较量5 1 亿立方米。美满热剩福藩藏每年裁用净纯污水2 7 亿立方米，相当于1 0 0 万人口年的用水量。1 9 8 5 年前西德城市7 5 8 0 的污水， 已经经过二级处理后加以利用，德国计划在2 0 0 0 馨有9 0 0 0 的污水经过二级生物处理。 1 9 8 5 年葵鬏辩泰9 8 静污东基经过怒溪。 4 ) 采用经济措施实行计划用水管理，是促进节约用水行之有效的方法之一 当今世界各国已颁布了许多种法规，严格实行限制供水，对遗者实行不同程度的罚 款处莲。鏊麓，菝燕襄、意大荦l 馥及美运静燕舔稻嫩亚、密撬安灏纽翦等矧分嗣裁定了 法律，要求猩新建的住宅、公寓和办公楼内安装的用水设施必须选到一定的效率标准方 可使用。另外，许多城市通过制订水价政策来促进离效率用水，偿还工程投资和支付维 护管理费雳。美莺一瑗磺究谈为：逶j 逢诗耋帮安装繁拳装置( 5 0 震户) ，家巍厦求量 可降低1 1 ，如果水价增加倍，家涎用东可再降低2 5 。篱外比较流毒亍鲍跫采用累 进制水价和高峰水价。网本东京采取了“抑制需要烈”的收费方法，即东京都内一般 用户水费分为“基本水费”和“超量水费”嚣张。对供求管在1 3 2 5 毫米的用户，耗 零量不超过1 0 立方米辩，每秀翼投“基奉承费”8 1 3 2 0 蠢元。超遭这一标准，蹭 收“超量水赞”，按每1 0 立方米为一单位递增，越过水量越大，收费标准就越高。对 供水管直径为l o o 毫米以上的用户除糖本水费较高外，超量部分缚立方米一律增收3 7 5 同元。 5 ) 革新和推广节水工艺、技术和设备，依靠科技进步是城市节水工作的根本谂径 采用空气冷却器、干法空气洗涤法、原材料的无水制各等工絮，不仅可节省工业秘 水量，悉显袋矮气冷逐可以藏少疲气捺教量。7 簪健寿器荔联在纯王积蕊涵金j 澎大量 采用空气冷却装置，在钢铁企业中大爨采用煤气干洗法，减少水缀1 5 2 0 。在化，1 生产中广泛使用固化技术和利用反应热，可减少用水量2 3 以上。1 9 8 0 年全世界共有 海水淡化装爨2 2 0 5 台，憨容量8 8 4 亿立方米，1 9 8 7 零增搬到6 3 0 0 台移1 5 0 4 亿立方米。 海水淡纯j 庭凡年发震迅速，目前有1 0 0 多个国家静j 莲2 0 0 家公司从事海承淡化生产，海 水淡化技术给沿海缺水城市开辟了新的淡水源。 第一章目i 言 1 4 针对承熊橇，王监界应采取豹捺施 工业界，尤其是过程工业，不仅使用大量的新鲜水，而且排放大量对环境釉水资源 鸯严重污染粒餐耱裹拳，掰激工整赛懿“降污藏捺”势在登孬，虽蘩不容缓。褥王壁 器所采取韵一系列措施套瑷论上可由“废水最小纯”高度概括。膦水最小仡柱淑的方 筒指节水的概念，即减少新鲜水的用量糊废水的排放爨l 废水最小化在质的方筒指水污 染稼涪躲概念，郎遐过治毽减轻或消除壤术对丽壤囊奄溥粱；废承最小讫静两个方藤有所 铡重，又相辅撩成，萁最终驰致霹标憝运委疫承静辫簿效。 1 4 1 节水的措施 工韭节承 技术型苇瘩e 二 工麓型节求 恻节水 。4 。2 零嚣染麓浚戆撵藏淄 水污撤防 间接冷却水的循环使厢 生产工艺承戆霾收傻篇 承瓣帛绥使霜、重复馊矮 各种节水漩置的使用 改革工徽，改变用水方式 以汽诧冷帮工艺代替承冷工艺 蕾空甓冷帮工艺蓑蛰蕊冷王艺 以逆流漾洗代替预流漂撬 以干法洗涤代替湿法洗涤 以压力喷淋洗涤代替羹力喷淋洗涤 竞善诗爨，宠建承平餐测试 割订餍水定额 实施节嫩奖惩制度 调整水价、完善经济台舞 步 韭 大连理工大学博士学缎论文 1 5 论文选题的出发点和主要研究内容 1 。5 1 论文选题的背景疑意义 水浪费鞠水污染导致鹃水危机闻麟已弓| 莛毽券豹普遍关注，它不仅影响、制约社会 的可持续发展，而且将成为2 l 世纪全球资源环境的首要问题，崴接影响着人装的生存 和发展，并将由此引发战蛰。对于过程正业来说，为满足环境排放标准而不断提升的废 水楚瑾费爱强壤玲工韭鬻疼戆获乏极大鹊裁滋了_ 蓬鞭王韭去躐少凝鳟承煞爱耋粒废东錾 排放量，并通过合理的处理减少系统的总费用，以期产生更好的缀济效益。从我校化工 系统工程研究所近十几年歼展的石化企她的节能改遗项目来看，节水降污改造的要求也 嚣掌追切。方蘑，在带裁过程中同时节水，懿舍艘氮凝滚的圈收嘲、乙烯装嚣惫冷系 统节能改造狲，异丙醇水溶液尿素脱艚装鬣醇回收系统节能改造嘲，丁二烯乙精攀取蒸馏 系统节能改造棚等。另一方面，对节水来说还需要全面考虑整个系统中的用水单元和废 水产生单元，如以炼油厂为例，废水不傻产生于过稳中的脱盐操作、汽提操作和各种洗 涤摄佟，述产生予它熬公露工程系统絮锈炉绘承楚骥遵程、锅炉撵污、冷帮臻接污。麴 何通过这些用水单元的水的合理分配使新鲜水用量和废水排放量减小，并对废水进行合 适的处理后然标排放且使工厂在经济上可以接受。以此为出发点，本文采用水夹点分析 与数学援划鞠缝合携方法辩逶过匿翅减少鞭鬓本爱鬃帮废拳 藏鬃茨爱隶阚终秘经济上 更合适的分布式废水处理潮络进行了研究，僵这种分步设计方法仍旧傈留有末端处理的 思想，而清洁生产在废水最小化问题上熙指通过水中废物产生最小化、废水循环和回用 等策略实现水的最大利用率，过程集成体为和清洁生产高度一致的概念，在此，对废水 最小讫豹蘑爹设诗避行磷究是发震静趋势和必然鹣邈铎，并置开笈求藤废水最小亿同步 优化问题的求解算法也成为当务之急。另外，清洁生产要综合考虑经济、环境及安全等 目标，废水最小化的多目标优化更好的体现了这一思想。但当常规废水处理单元的费用 达到上限且污祭穆浓度降魏缀诋篷对，蓑 效废末爨产熏貔耀境影孵仍然缳大，这时震要 针对特定污染物进行深度处理，以期：逸列废水零排放。作为废水激小化的最终嗣标，目 前理论和实际中研究都非常少。本文提出了废水零排放的复合型方法，虽然存在很多方 蕊需进一步宠营，但它提激了解决闰题的一零申系统化方法。论文遵缓以上的总 搴思路， 蕾先对髫前磷究范鞍多的，实际应孺中魄较广泛的废窳最小纯兹分步设计中懿翔东网络 殴计和废水处理网络设计提供了一种更肖效的方法。以此为基础，对目前研究的热点和 媳点废水最小化的同步设计避行了深入研究，并提如了求解非凸j 线性规划和混合整数 第一章引言 嚣线往蔑刘躺囊适应穰叛邋必遗转算法。对于凌永灏小佬豹终掇蛰标零排敖，以废水最 小化同步设计的多目标优化结果作为实施废水零排放的前提，提出丁废水零排敝的一种 系统化方法。论文在最后汇总了主要结谂，势提出了避一步研究熊方囊。 5 2 论文靛童要研究内密 废水最小化的的研究鼹应过程工业教展的需求黼产生的必然选择，在前人工作的基 磁上，本文辩骰深入磅究垮对过程工厂熟废承最小纯设诗襄改造趣剿理论据导撵攥。 疲隶最小纯要求薪簿东靛嫠焉鬟穰滚窳弱簿蔽羹簧枣，雾显疲零麓搀藏要迭瓤环凌 标准，目前大秘数研究和窳际工厂操作都是先通过宥阐用的用水网络设计减少新鲜水使 用量和废水排放量，再通过分布式废水处理网络使废水中污染物浓魔达到排放标准。其 辑究方法承夹赢接术器数学蕊翅法各商德势囊届隈眭，零文第三章褥隶夹点技术与鼗学 规划相结合，使分步设计_ ；燕程更加有效。 用水网络和废水处理网络同步设计，既进一步减少新鲜水的用最和废水的排放量， 又可戳减少壤农处瑾费鼹。荼器章以经济往受疆撂，强凌撵敖标准炎终泰，对袋耀圆鼷、 溪生嚣疆、霉生搴萋环翁永鼹络遂霉亍研究。鉴于窳夹蠢按零楚理丽澎设诗有弱袋 蹙，本文 构造了有分流水网络超结构，并建立趣昭构非凸n l p 和m i n l p 模型。 以污染物浓度作为约寐的环境排嫩标准有时势不能反映真芷的环境影响，髂矗章 巢爝骂凌影镌搭效寒量拢痰零懿强壤影酾并薅嚣凌弱栎襄经滂鬟标辫霹燕就，并搓出了 废水零排放的种行之有效的复合型方法。 为了求解上述废水最小化同步设计所骺成的非幽n l p 和m i n l p 问题，第六章开 发了垂逶反模投退炎遗传葵法，荠怒测试醢数验诞其蠖艇。两对莱鹰线瞧热衩。敬变校 辫子静方法将鑫适应模按邋火速簧算法髑于多嚣标後纯。 大连理工大学博士学位论文 1 5 3 本论文组织结构 毽1 1 论文瓣缝绞缕构 f i 9 1 1 c o n s t r u c t i o no f t h i sp a p e r 8 第一章弓l 害 参考文献 1 张自杰，环境工程手册( 水污染防治卷) 第一篇。第一礅，高等教育出版杜。1 9 9 6 + 2 强惠撵，藏溪工韭褒拳污染防渍麓鼗酶、辩策与费焉效益分# 毛巧壤辩攀，t 9 9 6 , 簿( ：7 5 - 7 9 3 。高瑛废物嫩小纯韵过程蒙成方法研究。太连理工大学博士学位论文，2 0 0 1 4 薛东峰废物履小化为目标的质量集成方法研究大连理工大学博士学能论文，2 0 0 1 5 + 挛英，王璐，樊希由异璐酵求溶液羼曩脱媾装置节能改造+ 现找佬工，2 0 0 2 ，2 2 0 2 ) ：3 5 2 - 7 6 。李英，樊希出，辘平经己臆摹取撩穗法生产丁二爝节蘸节永臻究。魏 纯工，2 0 0 2 ，2 2 ( 蹭t i b ： 4 3 一 1 4 6 大连理工”犬学博士学位论文 第二瘴文献综述 2 废水最小诧蘩究的发曩遂疆 过程工嫩是实现物质和能量转换的加工工业，又称为连续型工业或流程工业，包 括炼油、石化、化工、动力、造纸、冶念、制药、辍工等工业部门。而电力、冶金、化 工、石洼纯工、纺织、赣王等工业雩警菇重点弱拳雩亍簸，不瞧溪耗大量戆薮鳝零瓷源，焉 且排放大薰的废水。而水资源的逐年激乏和环境污染的日趋严重，对过程工北提出了废 水最小化的迫切要求口l 。废水最小化从减少废水量的方面来讲，可减少新鲜水的使用量， 以韭e 达到节约鹰东的曩的。丽褒东最小化飙减少其巾杂质含量黪方羲来讲，蔻在经济上 可以接受静情况下通过有散的处理搜废永对环境影响达到最小化。实际这两方丽作用是 相辅相成的。用水量的减少意味着废水嫩的减少，被避免水资源的浪费同时也可减少处 理的费用从瓤