（控制理论与控制工程专业论文）纸厂用水一体化调度研究.pdf

s t u d yo nt h ei n t e g r a t e ds c h e d u l ef o r 厂a t e ru t i l i z a t i o no fp a p e rm i l l s at h e s i ss u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i ngs c i e nc e 一i t h e s i ：s u i p r o f eloianlh e s i sn u p e r v l s o r ：r o t e s s o rl ii a n m a r c h ，2 0 1 0 脚7m 3 舢2m gm 9 m 删1脚y 纸厂用水一体化调度研究 摘要 现代社会由于各种产业的发展和人口总数的大量增加，导致水资源的取 用日益紧张。从上个世纪开始水资源的匮乏就成为制约工农业经济发展的重 要因素之一。作为用水大户，造纸企业的数量迅速增多，规模不断扩大。但 是同时也造成了水资源的巨大消耗，更由于造纸废水的大量排放对整个生态 环境造成了严重的影响。而具体到我国造纸工业，这一问题就显得更加的突 出。因此，本文以循环经济、可持续发展等宏观理论为指导，在查阅学习了 大量国内外关于造纸废水处理、水资源统筹优化、废水回用等方面材料的基 础上，对纸厂用水一体化调度进行了研究。论文主要进行以下四方面研究： l 、在深入了解和学习造纸废水的来源、特征以及目前造纸废水处理的 相关工艺技术的基础上，分析论证了造纸用水统筹优化、一体化调度的迫切 性、合理性和可行性，给出了这一技术的光明应用前景。 2 、在对水夹点水级联分析法进行学习和研究的基础上，将其与造纸用 水网络的集成优化设计结合起来，结合国外某些纸厂的实例，给出了较为具 体的计算方法和一体化调度水网络构建的设计准则，论证了水夹点水级联 分析技术在造纸工业节水减排中的良好效果和巨大的实用价值。 3 、针对传统水夹点技术在处理多杂质系统用水统筹调度等问题时会遇 到难以克服的困难，几乎无法应用在更为复杂的用水网络结构设计当中这一 问题，将数学规划法引入到造纸废水的循环回用这一领域，在对造纸废水用 水网络数学模型的构建基础上，使用合理的模型求解器，对这一问题进行求 解。经实例验证，效果良好。 4 、通过对造纸生产过程用水网络的全面考虑，将造纸工业的节水减排 与企业的综合经济效益结合起来，在不断添加实际约束条件的过程中，给出 了构建更为复杂也更为符合实际情况的造纸工业用水网络数学规划模型的 方法和步骤，为进一步的研究奠定了基础。 关键词：造纸废水回用，一体化调度，水网络优化，水夹点技术，数学规 划法 s t u d yo nt h ei n t e g r a t e d s c h e d u l ef o r w a t e ru t i l i z a t i o no fp a p e r m i l l s a b s t r a c t d u et ot h ed e v e l o p m e n t so fi n d u s t r i e sa n dt h ef a s ti n c r e a s ei nt h ep o p u l a t i o n ，t h et a k i n g o fw a t e rr e s o u r c ei si n t e n s ei nm o d e ms o c i e t yd a yb yd a y a so n eo f t h em a i nc o n s u m e r so f w a t e ru s i n g ，p a p e rm a k i n gm i l l sd e v e l o pq u i c k l yo nq u a n t i t ya n ds c a l e b u ta tt h es a m et i m e ， t h e yc o n s u m eag r e a td e a lo fw a t e r a n de v e nb e c a u s eo f t h el a r g eq u a n t i t yo fp a p e rm a k i n g w a s t e w a t e rd i s c h a r g i n g ，t h e yh a v es e r i o u s l ya f f e c t e dt h ee n v i r o n m e n t i no u rc o u n t r y , t h i s p r o b l e mi sm o r eo u t s t a n d i n g t h e r e f o r e ，u n d e rt h eg u i d a n c eo ft h e o r y i e s s u c ha sc y c l e e c o n o m i c sa n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ，a n do nt h eb a s i so fs t u d y i n gl a r g en u m b e r so f d o c l n l b e 】脚a b o u tp a p e rm a k i n gw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，o p t i m i z a t i o nf o rw a t e rn e t w o r k sa n d w a s t e w a t e rr e u s e r e c y c l i n g ，t h i sp a p e rd o s es o m er e s e a r c hw o r ko nw a t e ru s ei n t e g r a t e d c o n t r o li np a p e rm a k i n gi n d u s t r y t h ec o n t e n to ft h i sp a p e rc o n s i s t e do f t h ef o l l o w i n g s ： 1 i n d e p t hc o m p r e h e n dm l ds t u d y t h es o u r c eo fp a p e rm a k i n gw a s t e w a t e rw i t hi t s c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec u t t e n tp a p e rm a k i n gw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n i q u e a n a l y z ea n d a r g u et h a tt h eo p t i m i z a t i o na n di n t e g r a t e dc o n t r o lo fp a p e rm a k i n gw a t e ru s a g e l sn e c e s s a r y a n dr e a s o n a b l e ，f e a s i b l e t h i st e c h n o l o g yc o u l dh a v eb r i g h tp r o s p e c t sn o w a n di nt h ef u t u r e 2 r e s e a r c ha n ds t u d yt h ew a t e rp i n c h w a t e rc a s c a d ea n a l y s i sm e t h o d ，c o m b i n et h e mw i t h t h eo p t i m a ld e s i g no fi n t e g r a t e dp a p e rm a k i n gw a t e rn e t w o r k s t h i sp a p e rg i v e sa c a l c u l a t i o n m e t h o da n ds o m ec r i t e r i ao fd e s i g n i n ga ni n t e g r a t e ds c h e d u l i n gw a t e rn e t w o r k sb yg w m g s o m ee x a m p l e sf r o mf o r e i g np a p e rm i l l s i td e m o n s t r a t e st h a tw a t e rp i n c h c a s c a d ea n a l 3 , s i s m e t h o dh a v eg o o dw a t e r s a v i n ga n de m i s s i o n r e d u c i n ge f f e c t s i th a se n o r m o u sp r a c t i c a lv a l u e t op a p e rm a k i n gi n d u s t r i e s 3 w a t e rp i n c ht e c h n o l o g ye n c o u n t e r sd i f f i c u l t i e s ，w h i c hw o u l db ed i f f i c u l tt oo v e r c o m e ， i nd e a l i n gw i t hm u l t i c o n t a m i n a t i o ns y s t e m sa n d o t h e rr e l a t e di s s u e s i ti sa l m o s ti m p o s s i b l et o u s ei nd e s i g n i n go fam o r ec o m p l e x w a t e rn e t w o r k s t h e r e f o r e ，t h em a t h e m a t i c a l p r o g r a m m i n gm e t h o dn e e d st ob ei n t r o d u c e dt os o l v et h ei s s u eo fp a p e rm a k i n gw a s t e w a t e r r e c y c l i n r e u s i n g o nt h eb a s i so fb u i l d i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fw a t e rn e t w o r k s ，a r e a s o n a b l em o d e ls o l v e rc a nb eu s e dt os o l v et h i sp r o b l e m i ts h o w sg o o de f f e c t sb y t h eg i v i n g e x a m p l e i i 4 、f i n a l l y , t h i sp a p e rc o m b i n e de c o n o m i ce f f i c i e n c yo fp a p e rm i l l sw i t hw a t e r - s a v i n g ， e m i s s i o n r e d u c i n gi s s u eb yc o n s i d e r i n gf u l lp r o c e s s e si np a p e rm a k i n gw a t e rn e t w o r k s b y c o n s t a n t l ya d d i n ga c t u a lc o n s t r a i n t s ，t h em e t h o d sa n dp r o c e d u r e st o b u i l dam o r ec o m p l e x m a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n gm o d e l ，w h i c hi sm o r et of i tr e a l i t y , a r eg i v e n ，t h o s ew o r k sl a ya f o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：r e c y c l i n go fp a p e rm a k i n gw a s t e w a t e r , i n t e g r a t e ds c h e d u l e ，w a t e r n e t w o r k so p t i m i z a t i o n ，w a t e rp i n c ha n a l y s i s ，m a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n gm e t h o d 1 1 i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪 念l 1 1 选题的意义和目的：1 1 2 造纸工业循环用水和合理调度的必要性和可行性2 1 3 造纸工业废水处理的动态和趋势4 1 4 工业用水统筹循环合理调度的过程集成技术5 1 4 1 层次分析法6 1 4 2 水夹点技术6 1 4 3 模拟分析法7 1 4 4 数学规划法7 1 5 造纸废水回用的现状和对生产造成的影响8 1 5 1 造纸工业废水回用及其技术的国内外发展现状8 1 5 2 废水回用对造纸生产产生的影响和危害9 1 6 造纸工业水资源优化调度、循环回用的宏观理论支持1 0 1 6 1 循环经济理论1 0 1 6 2 清洁生产理论1 0 1 6 3 可持续发展理论1 l 1 7 本章小结1 1 2 造纸废水的主要来源与特征1 2 2 1 备料工段的废水来源与主要特征1 2 2 1 1 以木材为原料备料过程产生的废水及其特征1 2 2 1 2 以非木材为原料备料过程产生的废水及其特征1 2 2 2 蒸煮工段的废水来源与主要特征1 3 2 3 洗筛工段的废水来源与主要特征1 3 2 4 漂白工段的废水来源与主要特征1 4 2 5 化学机械制浆的废水来源与主要特征1 5 2 6 废纸制浆的废水来源与主要特征1 5 2 7 造纸白水的来源与主要特征1 6 2 8 本章小结1 7 3 造纸废水的处理1 8 3 1 蒸煮工段生成废水的处理技术1 8 3 2 漂白工段生成废水的处理技术2 0 3 2 1 采用物化法对漂白废水进行处理2 0 3 2 2 采用化学法对漂白废水进行处理2 1 3 2 3 采用生物化学法对漂白废水进行处理2 l 3 3 废纸造纸生成废水的处理技术2 1 3 4 造纸白水的处理技术2 3 3 5 化学机械浆产生废水的处理技术2 3 3 6 本章小结2 3 4 造纸用水一体化调度网络的设计方法2 5 4 1 水夹点分析技术在造纸水网络设计中的应用2 5 4 1 1 水夹点分析技术的原理2 5 4 1 2 水级联法在造纸用水一体化网络设计中的应用2 8 4 2 数学规划法在用水网络优化中的应用3 6 4 2 1 构建水网络模型，采用相应的求解器求解3 6 4 2 2 生产过程用水网络模型的多杂质模型扩展4 0 4 2 3 带有生产废水再生环节用水网络模型的构建4 0 4 2 4 对水网络模型的进一步扩展4 2 4 3 通用代数建模软件g a m s 简介4 3 4 4 本章小结j 4 4 5 总结与展望4 5 5 1 本文的主要工作总结4 5 5 2 未来的工作和展望4 6 致谢4 7 参考文献4 8 攻读学位期间发表的学术论文目录5 l 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明5 2 纸厂用水一体化调度研究 1 绪论 1 1 选题的意义和目的 随着工业技术的高速发展，工业活动在满足人类不断增长的物质需求的同时，也造 成了资源和能源的大量消耗以及对环境的巨大破坏，资源短缺和环境问题已引起了世界 范围的关注。特别是水资源的短缺，已经对人们的生产生活造成了很大影响。虽然地球 表面超过7 0 的面积为海水所覆盖，然而人类可直接利用或有潜力开发的淡水资源却十 分有限。根据第四届水资源论坛公布的数据，全世界水资源总量约1 4 亿立方千米，其中 只有2 5 是可作为生产生活用水的淡水资源。在这仅有的淡水资源中，又有超过三分之 二被冻结在南极和北极的冰盖中，或以高山积雪及冰川的形式存在。较易利用的淡水资 源仅是江河湖泊和地下水中的一部分，还不到全球淡水资源的o 3 。尽管水资源是可再 生资源，但受世界人口增长、人类对自然资源过度开发、基础设施投入不足等因素的影 响，水资源的供应量远远不能满足人类生产和生活的需要。人类生存所必须的基本生活 用水面临着短缺、卫生不达标或获取困难等问题。加上对天然水体的污染程度不断加深 和扩大，缺水成了人类面临的又一次严峻的挑战。 目前，世界范围内的淡水资源日益短缺和天然水体污染的恶化形势已经十分严峻， 已经成为工业企业特别是造纸工业实现可持续发展的一个瓶颈。具体到中国来讲，我们 是一个干旱缺水严重的国家。虽然我国的淡水资源总量为2 8 0 0 0 亿立方米，占全球水资 源的6 ，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，名列世界第四位。但是，我国的人均水资源量 仅有2 2 0 0 立方米，为世界平均水平的1 4 ，排在世界1 0 0 名之后，是全球人均水资源最 贫乏的十几个个国家之一。然而，中国又是世界上用水量最多的国家。仅2 0 0 2 年，全国 淡水取用量达到5 4 9 7 亿立方米，大约占世界年取用量的1 3 ，是美国1 9 9 5 年淡水供应 量4 7 0 0 亿立方米的约1 2 倍。目前，全国有近一半的城市经常缺水，而且水资源供需紧 张的矛盾也将随着社会经济的加速发展而日趋尖锐。 水资源是所有工业企业所必需的生产原料，造纸企业也不例外。因此，能否提供充 足的淡水资源是实现造纸行业持续快速发展的重要基础。对于造纸企业的给水排水系统 来说，水源来自于江河湖泊、溪流等天然水体，废水的最终去向也是天然水体，显然是 个完整的闭合循环体系。以工业废水串级使用和循环再利用为主要手段的废水减量化工 作既可以减少对天然水体中水资源的开采，又可以减少向天然水体中的废水排放，是循 环经济理念在企业水利用系统中的具体实现方式。同时，由于减少了给水排水的总量， 从而降低了该环节的能源消耗，从侧面也可以起到节能环保、降低成本的作用，以达到 工业企业经济效益最大化的最终目标。 陕西科技大学硕士学位论文 我国造纸工业不但是工业用水大户，而且也是污染水环境特别是自然水体的主要行 业。根据2 0 0 7 年国家环保总局的统计，我国制浆造纸的近6 0 0 0 家企业共用水1 0 0 4 亿 立方米，其中新鲜清水量为4 8 8 亿立方米，占工业新鲜清水总消耗量的7 8 5 。水循环 总量为5 1 6 亿立方米，平均水循环利用率为5 1 4 0 ，比2 0 0 6 年提高了0 7 。当年造纸 行业废水排放总量为4 2 5 亿立方米，占全国工业废水总体排放量2 2 0 8 亿立方米的 1 9 2 5 。其中3 8 3 0 亿立方米达到排放标准，行业废水排放的达标率为9 0 1 2 。在污染 物排放方面，0 7 年造纸行业排放的废水中化学耗氧量( c o d ) 为1 5 7 4 万吨，超过全国 工业c o d 总的三分之一，比2 0 0 6 年增长了1 3 3 。由于我国人均用纸量还处于世界较 低水平，市场需求还存在巨大的缺口，造纸行业仍需要加速发展。根据预测，到2 0 1 5 年我国各种纸品的消费量将接近八千万吨，其中9 0 的产品供给将由国内造纸企业来完 成【1 1 。如果要延续以往那种高投入、高污染、高消耗的传统经济增长方式，不但我国的 自然资源特别是淡水资源难以为继，生态环境将不堪重负，就是全面建设小康社会的目 标也会受到极大的影响甚至难以完成。可以毫不夸张的说，能否实现全行业的节水减排 是实现社会经济可持续发展，体现科学发展观的关键点之一。 要提高造纸工业水资源的使用效率，减少新鲜清水的吨纸使用量，加大工业用水的 循环力度，合理优化淡水的使用，除了国家政策法规的正确引导，企业管理的精益求精， 环保投入的持续加大之外，主要还是从科技进步，提高产业技术含量，革新生产设备， 提高废水处理能力，应用新的水资源统筹分配理论与技术等方面入手。从上世纪八十年 代以来，我国就把造纸工业废水治理技术研究列为国家重点科研攻关项目。经过多年努 力，在治理技术的研究和防治工作方面，取得了一定进展。但由于许多实际问题( 如治 理投资、环保管理等) 的存在，我国造纸工业废水对水体的污染仍在加剧。为了构建资 源节约型、环境友好型社会，实现国民经济的可持续发展，国家有关部门已组织编制造 纸工业“十一五规划，同时加强了对造纸工业企业排放废水的治理力度。目前，环境 污染问题已成为制约造纸工业企业发展的“瓶颈”，因此建立新型的水资源利用模式，探 索行之有效的废水循环综合利用技术，对于我国造纸企业的发展至关重要【2 】。 因此本课题主要通过对大中型综合造纸类型的工业企业用水网络实施优化统筹调度 的角度进行研究，以减少造纸企业的新鲜水消费量和废水排放量，并最终达到针对造纸 工业企业水系统实现循环经济的理念。这对我国造纸工业提高用水效率，节能增效和保 护国民生产生活环境都具有重大意义。 1 2 造纸工业循环用水和合理调度的必要性和可行性 鉴于前文的介绍，对我国造纸行业水资源的利用情况有了一个宏观的认识。近几年 来我国造纸工业节水降耗有了长足的进步。本世纪初，我国生产一吨浆纸的综合平均取 2 纸厂用水一体化调度研究 水量为2 0 0 立方米左右，其中每吨化学木浆为1 9 0 立方米，每吨化学草浆则超过2 7 0 立 方米，纸和纸板较少为7 0 m 3 t t 3 j 。进过几年的努力，0 5 年单位产品取水量为1 1 5m 3 t 纸， 水重复利用率为4 5 o 。近些年，造纸行业的单位产品取水量则进一步降至1 0 0m e t 以 下，水资源循环使用率也提高到了5 0 以上。这是与我国持续加大造纸废水处理的投入 密不可分的。其中，2 0 0 7 年造纸工业废水处理设施的年运行费用就升至4 3 4 亿元人民 币，比前一年增长了3 7 3 4 m 。应该说在这一领域还是取得了可喜的成果，大大增强了 我国造纸行业的可持续发展能力。然而，与一些造纸技术比较先进的发达国家相比，仍 存在着较大的差距。在欧美发达国家中，由于环境保护的社会压力和国家政策法规的严 格制约下，造纸工业的用水量有了非常大的下降。比如美国的硫酸盐制浆企业，在1 9 5 9 年其吨浆取水量也曾高达2 4 0 立方米，但到上世纪八十年代末已经下降到接近6 0 立方米。 而在1 9 9 2 年时，美国对新建项目的吨浆取水量已经降至3 6 立方米。其新闻纸吨纸取水 量则在5 0 到6 0 立方米之间，以废纸为原料的新闻纸厂，制浆造纸的单位用水量还不足 2 0 立方米州。从其下降幅度来看，制浆造纸行业的工业节水潜力是十分巨大的，其必要 性也是显而易见的。与之相比，我国制浆造纸工业比较先进的造纸企业其同类浆的吨浆 取水量目前仍在5 0 至7 0 立方米左右，仅达到发达国家八十年代末九十年代初的水平。 巨大的生产取水量，不但加重了对自然资源的索取，危害生态环境，也大大增加了 企业的用水成本，其中也包括为多取水而增加的能源消耗。非但如此，由此引发的废水 排放和环境污染问题也给社会带来了沉重的负担，极大的影响了经济的可持续发展。目 前，我国硫酸盐木浆的c o d 单位排放标准约为4 0 - - - 7 0 k g t o 【l ，还处在发达国家上世纪 末的水平。 鉴于制浆造纸行业水资源的利用现状，在行业中进行水资源统筹优化就显得非常必 要。而对水资源进行统筹优化配给，就是要以循环经济和可持续发展的思想为指导，以 行业清洁生产为手段，对生产的各个环节进行深入考查，找出水资源使用过程中的不合 理之处，提出水资源统筹调度的方案，并进行研究和论证，从而达到减少水资源消耗量、 废水排放量，提高使用效率的目的。要达到这一最终目的，应立足于造纸工业中废水产 生的生产过程控制，着眼于生产全过程中废水产生的最小化，改变主要偏重废水末端处 理以达到排放标准的传统观念，使用于废水末端处理的人力物力和财政力量向污染产生 的生产环节控制逐渐转移，实现各种类型资源的优化配置结构，使制浆造纸生产与保护 环境实现持续协调发展。当然，鉴于我国造纸工业总体的生产工艺、行业特点和技术现 状，在相当一段时间内，要想实现工艺彻底改进和废水处理的决定性突破依然是相当困 难的，因而相当一部分企业应立足于现有得基础和条件进行废水末端治理和废物重新利 用的有效方法，着眼于推行减少废水的产生量以及废物综合利用的清洁生产措施。 而今，国际先进的造纸技术正向着封闭循环用水和“零排放”的目标前进。而国内 陕西科技大学硕士学位论文 的一些制浆造纸企业为了节水减排，从国外引进了先进的制浆造纸设备和技术，比如连 续蒸煮、全封闭热筛选、多段逆流洗涤、氧脱木素、中段水处理和白水回用装置、高浓 漂白等，使水循环利用率大大提高，重复利用率达9 0 以上。吨纸生产的取水量也减少 至1 0 m 3 左右，如江苏红叶纸业生产的生活用纸，其吨纸取水量仅为9m 3 。而宁波中华纸 业白纸板、白卡纸的单位取水量也仅为1 5m 3 。而在减少排放方面也有不少国内企业通 过引进技术达到了国际先进水平。山东华泰集团从”九五”到”十一五”期间，投资8 亿元 人民币上了碱回收、l o 万立方米天的中段水处理等项目，使白水回收率达9 5 以上，中 水回收率则达8 0 以上，实现了全过程对蒸煮黑液和造纸废水的综合治理。2 0 0 5 年，引 进瑞典普拉克公司国际的环保治理设施，建成了亚洲最大的厌氧生化和三级深度水处理 工程，c o d 排放浓度低于1 2 0m g l ，色度低子5 0 倍，已经可以用来养鱼，完全实现了水 的全封闭循环利用。同时，把现有草浆生产线搬到芦苇基地和速生杨基地，以商品浆、 废纸原料生产加工纸和新闻纸，使原来的草浆每吨纸浆耗水1 5 0 立方米，变成现在用废 纸制浆1 0 立方米左右。可以看出，造纸行业通过水资源循环利用合理调度达到全行业节 水减排不仅是非常必要，非常迫切，也是非常可行，大有可为的。 1 3 造纸工业废水处理的动态和趋势 在造纸工业废水循环回用统筹调度中，对于造纸废水的处理毫无疑问是其中的重要 环节。造纸废水如何处理，处理到什么程度，在一定程度上也决定了造纸废水能否被生 产循环使用，或者能循环使用到何种程度。目前，对造纸工业废水的处理技术按原理主 要分为以下三种：物理处理法、化学处理法以及生物处理法。 造纸废水的物理处理法又主要包括吸附法、絮凝沉淀法和膜分离法等方法。其中吸 附法就是利用某些固体物质的多孔可吸附性，使水中- t 中或几种物质吸附在其表面上； 而絮凝沉淀法则是废水处理中比较常用的方法，可有效的降低造纸废水的浊度和色度； 膜分离技术就是利用特殊的高分子膜对混合溶液在一定压力下进行的废水处理方法，该 方法目前发展迅速，应用潜力大，发展前景也很广阔。 化学处理法包括水热氧化法、光催化氧化等。它主要是使用一些常用的化学氧化剂 如臭氧、过氧化氢、氯等来去除造纸废水中的色度。为使生产工艺过程经济可行，一般 把化学氧化处理过程放在生物处理过程之前，以便除去那些不容易生物降解的杂志或污 染物，从而减少色度和有毒有害物质。 废水的生物处理技术主要利用了微生物的新陈代谢功能，将造纸废水中呈溶解和胶 体状态的有机杂质降解转化为无害的稳定的物质，从而达到净化废水的目的。它是去除 废水中c o d 、b o d 的关键环节，此外还兼有去除悬浮固形物s s 、脱色以及除臭等作用。 总体上生物处理技术可分为好氧生物处理、厌氧生物处理及好氧厌氧结合处理三大类。 4 纸厂用水一体化调度研究 随着可持续发展战略的实施，清洁生产技术和循环统筹经济将会越来越受到大家的 关注。造纸行业废水的治理也将从末端排放治理转向水资源循环利用、统筹优化合理调 度、清洁生产和废水回用综合防治的方向发展。而今，造纸工业废水处理的发展将突出 以下几个方面。首先，应当重视清洁生产技术的应用与开发，大力贯彻循环经济理念， 提高水资源的循环利用率和合理配置的程度，在生产过程中削减污染物的产生，结合废 水综合治理，实现造纸用水封闭循环，最终实现废水“零排放”的目标。其次，结合国 内外工业用水循环网络和废水处理的科学技术发展情况，重视引进和开发先进的水处理 技术，特别是重视除悬浮固形物s s 、c o d 和b o d 的去除技术以及脱色技术。第三，生物 技术具有成本低、效益高的优点，且与其它处理方法综合可极大的提高造纸废水处理的 效果，因此应该重视生物处理法在这一领域中的应用。而着分子生物学技术和微生物学 技术的发展也为废水处理生物技术的广泛应用提供了坚实的基础。 1 4 工业用水统筹循环合理调度的过程集成技术 工业中大量的工程实践形成的规化方法为造纸行业的节水减排提供了操作指南，过 程集成技术以过程系统工程为立足点提供了直接的方法和工具的支持，如层次设计法、 水夹点技术、模拟分析法以及数学规划法等。通过对工业生产环节和过程综合的研究发 展出了过程集成这一概念。在过程集成技术研究发展的初期，主要从能量流的角度去研 究整个系统的集成设计和优化。其研究的初始目的主要受上世纪后半叶几次石油危机的 影响。然而，进入八十年代之后该概念已不再局限于能量网络集成的范围，有了较大范 围的扩展和延伸。其研究的方向和内容不再仅仅局限于对工业能量流的优化设计，而是 泛指从系统的整体性出发在多个角度上进行设计优化，因而过程集成可看作是对过程设 计采用的系统的方法策略，负责过程综合、过程分析及过程优化的互相协调。目前，过 程集成技术的研究充满了朝气，不论在集成设计策略、集成设计方法、模型构建和求解 工具方面，还是在面向各种过程工业的实践应用方面都日趋成熟。 过程集成策略主要由分步设计策略和同步设计策略两个方面组成。分步设计策略的 实现主要是基于这样的事实：工业生产过程，特别是类似造纸工业这样的化工生产过程 是一个由反应系统、分离系统及再循环、能量回收和公用工程等多个子系统组成的复杂 综合系统。而在生产过程中这些子系统相互关联相互耦合，导致了过程的设计变得非常 复杂。而为了克服这一过程设计的复杂性，工程师通常会采用层次分解的策略。d o u g l a s 与其合作者在积累了大量过程设计经验的基础上，提出了层次设计的方法【6 】。上个世纪 的最后二三十年中，以专家系统等为代表的人工智能技术的兴起，前人在生产实践当中 总结出来的通用规则得以保存和继承下来。这样就使这种基于规则的过程集成设计方法 得以向智能化、自动化的方向发展，因此也就使分步策略的设计效率获得了很大的提高。 陕西科技大学硕士学位论文 但该集成方法的固有缺陷依然比较明显，比如过分依赖经验和规则，且容易得到局部最 优解等。所以目前过程集成策略的发展渐渐由分步设计策略向同步设计策略转移。 而同步设计策略的实质就是要同时考虑工业过程所包含的数个组成部分和环节，实 现生产过程子系统、热交换网络、物质交换网络和公用工程等子系统的同步协调优化。 该策略依靠对实际工程问题的简化和分解，借助于数学规划法、计算机和通讯等技术得 以实现，其中以g r o s s m a n n 提出的数学规划方法占主导地位【6 】。它具有自行生成、同步 统筹、创造性设计等特点，特别是具有同时对多个目标进行权衡和处理的优点，使最终 得到的结果在各个目标之间达成一种协调和统一。然而这种策略也会受到所处理对象规 模的限制。近年来出现的进化算法则为同步设计策略提供了有力的工具。 过程集成技术在工业节能减排中的应用主要有以下四种方法：层次分析法、水夹点 技术、模拟分析法和数学规划法。 1 4 1 层次分析法 在工业过程设计中本身所具有的层次性使层次法成为了过程集成的一种重要工具。 该方法将过程设计分成若干基本层次，在每个层次中提出一些需要决策的问题。对于造 纸等工业用水的节水减排而言，就需要在每个层次中提出与节水减排相关的决策问题。 在经过合理的决策后即可使设计出的使工业过程废水的污染物浓度和产生量尽量降低， 同时也就降低了清水消耗量，提高了工业用水的循环使用效率。在工业过程集成设计中 采用层次分析法所能取得的效果不但要依赖于对所决策问题的认知明晰程度，而且也取 决于对现有知识的掌握程度和经验技术的使用程度。不过由于这种方法仅能定性地对探 讨问题进行求解，而对于解决需要定量计算或者仔细对比权衡才能决策的问题不能很好 的解决。所以，只适合使用于过程集成设计中早期概念性的设计阶段。而且，它也不能 保证得到整个工业系统决策问题的最优解。 1 4 2 水夹点技术 早在近三十年前，工业过程的本身就已经提出了寻找优化的废水回用方案的要求。 1 9 8 9 年，h a l w a g i 和m a n o u s i o u t h a k i 在换热网络思想的基础上提出了质量交换网络的概 念，并将水网络中杂质的传递类比于质量交换网络中的杂质传递。w a n g 和s m i t h 提出了 一种针对单一污染物质的全新用水网络设计方法，并能有效的找到回用优化解，该方法 通常被称作“水夹点技术 忉。水夹点技术采用坐标图图示的方法，其效果是相当直观 形象的。这虽然是该方法的优点和长处，但给其带来了难以避免的缺陷。在分析质量交 换系统时，比如工业用水网络系统中的废水排放，它以废水中的污染物浓度为纵坐标， 而以污染物的质量为横坐标，就能非常直观的得到新鲜清水的用量和废水排放量的最小 值。随着水循环技术研究的深入，己经考虑到各生产环节需要不同的最小杂质传递水流 量的情况。采用工业污水简单处理后再回用、再循环的手段和方法以求进一步减少新鲜 6 纸厂用水一体化调度研究 清水的用量和最终废水的排放量，也进行了较为深入的研究和探讨。值得注意的是，在 使用水夹点技术时，只有对单一污染物或杂质系统是比较方便的，而对废水中含有多种 污染物的情况，即便只有两种，也会使它变得非常繁琐复杂，而且其中的物理意义也难 以明确。 1 4 3 模拟分析法 计算机在工业化应用过程中最为成熟，最为基础的技术之一就是过程模拟分析法。 从系统工程的角度看，像大型工厂这样复杂综合的大系统是由一系列不同层次的子系统 组合而成的。因而就对化工过程的模拟也就被分为对不同层次过程的模拟，比如分子模 拟、物质热量等的传递过程模拟、反应动力学模拟、单元操作和反应器模拟、流程模拟 等等【6 】。而废水排放最小化问题上，用到的更多是流程模拟，就是将由许多环节过程组 成的流程用数学模型表现出来，并使用计算机求解其物料和能量的权衡计算，并进一步 求解各个单元设备的尺寸及成本，该过程被为流程模拟。 1 4 4 数学规划法 数学规划法是目前实现同步优化策略的最主要工具之一，特别是对于良好定义的超 结构求解和优化效果十分显著，已经成为当今过程集成研究中最为活跃的一项技术方法。 数学规划法的出发点是要建立起囊括全部比较好的可行方案的超结构，以此为基础构成 一个数学规划模型。其中，操作条件的选择用连续变量来代表，而离散变量则表示结构 的选择，最终是对优化模型进行求解，获得全局的最优解1 6 】。通常的数学规划模型会以 一个目标函数为核心，比如废水排放最小量或是水网络循环成本最小值等。而后用一系 列的等式来对系统行为进行描述，比如热交换平衡、设计方程、水量或是杂质总量的平 衡方程等。再用一些非等式来定义满足可行解得约束条件。其中一般会涉及到大量的连 续变量以及一些离散变量。数学规划法为对经济效益和环境保护之间的协调统筹给出了 比较直接的工具，给环境带来的不确定性可以由灵敏度分析和系统参数优化用自然的方 式来处理，而多目标优化的能力则可以用来直接针对环境影响最小化的多目标特点进行 处理。 目前，工业废水排放最小化的研究和应用中最为常见也最直观有效的是水夹点分析 法和数学规划法，而在对某些问题进行具体分析的过程中又常常运用层次分析法和模拟 优化法等方法。水夹点分析法在解决复杂问题，主要是多杂质问题时有一定的缺陷，由 于它首先设定目标，再进行水网络结构的设计，比较容易忽视工业过程各部分之间的互 相作用。但是，一方面它提供了对优化问题的简单描述，对数学模型的合理构建提供了 较高的参考价值；另一方面，它较为直观的显示出工业过程在用水问题上的薄弱环节， 为改进生产工艺和提高废水处理程度给出了方向。数学规划法以严谨、全面著称，因此 当前工业废水排放的最小化研究己经从单纯运用水夹点技术渐渐转变成广泛的使用数学 陕西科技大学硕士学位论文 规划法。不过数学规划法也存在建模过程比较复杂、计算量偏大、复杂问题的求解有一 定的难度，而且在某些情况下对一些非线性规划也不能保证得到全局最优的结果。国内 外的一些科研人员也有将两者有机结合起来，运用水夹点分析法帮助数学规划构建更好 的数学模型后再去进行求解。此外，开发大规模非线性规划的求解技术方法和混合整数 非线性规划( m i n l p ) 的优化技术也已经成为现在亟待解决的问题。 1 5 造纸废水回用的现状和对生产造成的影响 1 5 1 造纸工业废水回用及其技术的国内外发展现状 现阶段造纸工业废水回用主要有三种方式：直接回用、经过简单物理化学等方法的 处理后回用以及各环节废水混合后由外部综合处理后回用【8 1 。前两种回用方式，主要还 是应用于一些对水质标准要求不是很高的生产系统，如瓦楞纸、包装纸的生产，纸板或 是抄造无漂浆的纸机等等，造纸废水在经过适当的处理后就可以部分或全部回用于造纸 生产。特别是在以废纸为原料的制浆生产环节中，可直接使纸机排出的白水用于生产线 上的碎浆机，并不需要增加其它任何废水处理装置即可实现废水回用。根据造纸白水的 水质情况，抄造环节产生的多余白水可以直接回用或经简单处理后回用于制浆、备料等 其它造纸生产环节。在满足生产过程用水质量标准的前提条件下，多余白水应尽可能的 回用于制浆环节和纸机本身，在以往传统的造纸过程中，浓白水是直接用于对浆料浓度 的调节，也可以用多盘回收机进行处理，既可回收浓白水中的浆料，得到的清液也可按 水质的不同分别用于不同的生产环节。而稀白水则可通过气浮法、微过滤或超滤技术处 理后代替清水的使用，比如用于喷淋、溶药的稀释、对清水的补充等等。在废纸造纸的 脱墨生产线中，多盘过滤机、双网式压滤机、真空浓缩机以及重力脱水机和洗涤机等装 置排出的白水常常经气浮或其他处理设备处理后再用于系统本身的浆料稀释、设备的冲 洗和溶药的稀释等场合。 若要将废水回用于要求较高的生产线时，则需要对废水处理系统用心设计，以保证 回用水质量达到所需的使用标准。制浆造纸产生的废水成分比较复杂，为达到排放标准 和满足回用要求，其废水处理系统通常都具有多级处理装置。大颗粒的固形悬浮物杂质 一般用格栅滤网、沉淀池等设备去除。而去除废水中有机物最有效的方法