A simple sequential approach for designing industrial wastewater treatment networks

This paper addresses design of wastewater treatment network (WWTN) by hybrid approach. This is a sequential method applying insight-based techniques followed by mathematical programming. The water pinch analysis and wastewater degradation concepts are employed to develop an initial structure. Based on this solution a superstructure is created. The superstructure is the starting point for nonlinear optimisation. The decision variables are both structure of junctions (mixers and splitters) and flow rates. The optimisation model is solved by a simple but robust optimisation algorithm. The design approach can be used for synthesis and also, under some conditions, for retrofit of wastewater treatment networks. The efficiency and robustness of the approach is illustrated using literature examples and industrial cases.     

Graphical strategies for design of evaporation crystallization networks for environmental wastewater applications

This paper introduces graphical strategies for the design of an evaporation/crystallization network for ternary wastewater environmental applications. Sources, sinks and other streams are located on a ternary composition diagram. While a source is any wastewater stream that has the potential to be recycled, a sink is any unit in the process that can accept sources. The proposed methodology is extremely simple to understand and implement, as it only requires basic solid-liquid phase equilibria data and uses lever arm principles to generate alternative process designs. Geometric constructions are carried out on the ternary composition diagram and the respective lever arms are used to determine intermediate flow rates in the evaporation/crystallization network. The relative locations and flow rates of the sources and sinks under consideration, as well as the unique shape of the solid-liquid equilibrium, drive the design of the separation (via evaporation/crystallization) network. Some generic structures are proposed for a typical evaporation and crystallization network. Once the general problem statement has been defined, special cases consisting of a single source-single sink, single source-two sinks and two sources-single sink are described. These special cases are representative of commonly occurring industrial wastewater design problems. Several graphical insights are listed that allow one to represent evaporation and crystallization operations on a ternary triangular composition diagram and avoid mathematical complexity. The possibility of bypassing a part of the initial feed streams is also considered. Certain feasible composition regions are identified on the ternary composition diagram for cases dealing with multiple sources and sinks. The methodology is useful in pre-screening and eliminating certain sources/sinks and is readily applicable to cases with lower number of sources and sinks. A case study involving the ammonium nitrate manufacturing process is included to demonstrate the broad applicability and value of the proposed approach.     

基于成本核算的城镇污水处理收费标准设计研究

针对目前存在的分档计费定量依据不足等问题,基于全国第一次污染源普查数据,构建城镇污水治理投资和运行费用函数模型.计算在现有城镇污水处理成本核算体系下的东、中、西部不同污染负荷、不同排放标准的单位污水平均治理成本,将未纳入现有核算体系的管网折旧费?化验监测费用以及污泥处理费用进行成本核算,在此基础上设计一套东部?中部?西部三个地区的基于成本的污水处理收费标准体系,为城镇污水处理收费标准改革提供定量依据.     

基于CFD的防风抑尘网非均匀孔隙率的优化研究

孔隙率是影响抑尘网防护效果的最主要因素,不同孔隙率抑尘网对料堆表面的显著作用区域不同,高孔隙率(ε30.3)网后料堆中下部扬尘得到明显抑制,低孔隙率(ε < 0.3)网的抑尘作用则于料堆上部突显.基于均匀孔隙率的抑尘区域提出不同孔隙率组合的非均匀抑尘网,选取6种典型非均匀工况,应用Fluent6.3对网和料堆周围流场进行数值模拟,结果显示:网下部孔隙率(ε_L)相同,上部孔隙率(ε_H)由0增至0.1时,网后气流扰动减弱,基于湍流结构和料堆受力判定ε_H取0.1较好;网上部孔隙率(ε_H)相同,下部孔隙率(ε_L)由0.3增至0.6时,紧贴料堆表面风速随ε_L增大而增大,ε_L为0.3时最优.比较非均匀抑尘网最佳工况(ε_H=0.1/ε_L=0.3)与均匀网(ε=0.1和ε=0.3)的料堆表面受力显示:ε_H=0.1/ε_L=0.3非均匀网可使起尘量最大的迎风面的各个区域剪切力均显著减小,中下部比ε=0.1时减小85.2%,上部比ε=0.3时减小84.3%,料堆表面剪切力总和的减少量可达均匀网时的50%左右.     

基于贝叶斯优化的三维水动力-水质模型参数估值方法

随着水质目标管理要求的提升,基于复杂的三维水动力-水质模型的决策成为流域精准治理的必需.水质模型通常具有复杂的结构,包含大量的方程和参数,而参数取值的准确性会影响模型对水体系统表征的可靠性,进而影响根据模型结果进行水环境管理的效果,因此,有必要探究适用于复杂水质模型的高效参数估值方法.传统的自动参数估值方法应用于复杂的水质模型时会面临计算瓶颈,而贝叶斯优化适用于高运算成本模型的优化问题.本研究提出基于贝叶斯优化的复杂水质模型参数估值方法,主要包括:①重要影响参数识别;②重要参数敏感性排序与筛选;③采用贝叶斯优化对筛选出的参数进行估值;④方法的适用性评估.同时,将该方法应用于云南异龙湖的三维水动力-水质模型的参数估值中,发现进行参数估值后模型lg(NSE)均大于0.65,表明模型达到了满意的级别.研究表明,当贝叶斯优化算法的采集函数为EI时,仅需要141次迭代lg(NSE)即可达到0.766,该方法对复杂水质模型的参数估值具有一定的借鉴意义.     

采油污水对离子交换膜的污染研究

为了缓解油田污水对离子交换膜的污染程度,使电渗析技术更好地用于油田污水处理,从而实现含聚合物采油污水的良性循环,针对含聚采油污水对离子交换膜的污染情况进行了考察.实验考察了相同工况下,淡室溶液电导率下降到0.9mS·cm-1所经历的时间、平均电流和膜面电阻等参数的变化,确定了离子交换膜的污染状况,分别考察了含聚合物采油污水中的固体悬浮物、聚合物和原油对离子交换膜性能的影响.实验结果表明,部分固体悬浮物集聚在阴离子交换膜和阳离子交换膜表面甚至内部从而造成膜污染,但相对于阴膜,悬浮物对阳膜性能的影响更严重;聚合物可聚集在阴膜表面,对于阴膜的透过性有一定的影响;原油在阴膜表面甚至内部形成致密的油膜,对其造成严重污染,但对阳膜的影响较小.利用酸碱液以及非离子表面活性剂(AEO-9)作为清洗剂,并添加少量的助洗剂(如三聚磷酸钠),阴膜过滤能力可以得到有效恢复.     

基于多目标优化与综合评价的海绵城市规划设计

海绵城市源头减排设施已被广泛应用于城市雨水径流削减与污染控制,但仍缺乏一种综合评价方法来实现其科学规划设计.本研究构建了一种基于多目标优化与综合评价相耦合的海绵城市规划设计方法,以建设成本、雨水综合径流系数、污染物综合控制率为目标函数,以源头减排设施建设规模和海绵城市径流控制指标作为边界条件,建立基于快速分类的非支配遗传算法（NSGA-Ⅱ）的多目标优化模型;然后结合层次分析法对优化解集进行综合指标评价,得出最优化设计方案.利用该方法以研究区A为案例,构建了一套建设成本最小化、水文水质效益最大化的设计方案,并通过海绵城市建设前后的暴雨洪水管理模型（SWMM）,评估最优化方案的降雨径流控制与径流污染控制效果.研究结果表明,海绵城市建设能大幅削减雨水径流量,年径流总量控制率达70.1%;雨水峰值流量削减率超过40%,同时延后径流峰值出现时间;有效降低雨水径流污染,研究区各类污染物综合削减率均超过30%.本文提出的多目标优化与综合评价方法,能够基于特定的目标与需求,针对性提出适合区域发展的海绵建设方案,为海绵城市规划设计提供技术支持.     

基于水量-水质耦合过程的流域水生态承载力优化方法与例证

水质与水量是影响水生态系统健康的重要因子,开展以生态需水和功能区水质达标为核心的水生态承载力研究对改善流域生态用水不足和水污染具有重要意义.当前流域水生态承载力优化方法将水量和水质作为独立系统处理,忽视了其耦合关系.基于河流水质模型和水资源模型,建立了流域水环境容量与环境流量的函数关系,并作为水生态承载力优化模型的约束条件,构建了以人口与产业规模最大化为目标的水生态承载力的优化模型.最后,对水污染严重且水资源短缺的盘龙江流域进行了实证研究.结果表明:建立的水生态承载力模型能够反映水量与水质的耦合作用,从而提高了流域水生态承载力决策的科学性;盘龙江流域的水生态承载力为20.56万人和119.24亿元GDP,2014年的流域现状值超载了234%;流域水生态承载力与环境流量比例具有显著的补偿关系,呈现倒V型非线性变化过程;当外流域调水的水质高于或等于受水区水质时,受水区的水生态承载力可得到一定程度的提高.     

污水再生处理微滤-反渗透工艺药剂使用及费用分析

在微滤/超滤-反渗透(MF/UF-RO)工艺运行过程中,需要投加多种药剂,以保障反渗透系统的正常运行.系统分析了北京市某再生水厂MF-RO工艺的药剂使用情况.结果表明,该MF-RO工艺投加了杀菌剂、阻垢剂、还原剂、非氧化性杀菌剂、中和剂、清洗剂等,在产水量约为7000m3/d时,药剂总投加量为3347.3kg/周,每吨产水的平均耗药量为68.32g/m3.该厂每周药剂总费用约为19,120元,每吨产水的药剂成本为39.02分/t,其中阻垢剂费用占药剂成本的比例最大,达47.44%.     

新型介质阻挡放电反应器同时处理废气和废液研究

为了充分发挥介质阻挡放电处理污染物的能力.本研究依据介质阻挡放电降解废气和废液的原理,设计了一种介质阻挡放电同时处理废液和废气的反应器,并对模拟废气甲苯和染料废水进行处理.实验过程中对甲苯和染料废水分别单独处理和两者同时处理的效果进行了比较.结果表明,甲苯在单独处理和同染料废水同时处理时都可达到较高的降解效果,两者同时处理时甲苯的降解效率可达88.6%.并且在甲苯降解效率基本保持不变的情况下,本反应器可以实现对染料废水的同步降解,其中处理50 mg·L-1活性艳蓝60min时,降解率可达95.4%,每小时处理量为35.8 mg.通过同时处理甲苯和染料废水提高了反应器的能量利用效率.     

A methodology for the design of efficient resource conservation networks using adaptive swarm intelligence

The implementation of resource conservation schemes in industry can be enhanced through the application of systematic design methodologies. In particular, process integration methods allow resource consumption and waste generation in industrial plants to be reduced through the identification of efficient material reuse/recycle schemes. Various approaches, ranging from graphical pinch analysis to mathematical programming, have been developed by different researchers. Mathematical programming techniques provide considerable flexibility in the representation of network design problems, although in many cases, these approaches result in mixed integer non-linear programming (MINLP) models which are difficult to solve. This paper presents a simplified approach using a zero–one programming or “knapsack” formulation for the design of industrial material reuse/recycle networks. It is possible to solve the resulting model using an efficient heuristic algorithm based on adaptive particle swarm optimization. Two sample applications are provided to illustrate the methodology. The first case shows the application of the methodology to the implementation of industrial water conservation and the second case demonstrates its use in the design of a hydrogen gas reuse/recycle scheme in a refinery.     

芦苇湿地系统对鸭粪废水中COD的模拟去除及纳污量核算

通过原状芦苇土柱灌溉鸭粪废水的室内模拟试验,探讨了芦苇湿地系统对鸭粪废水中COD的净化规律,并估算了芦苇湿地系统对COD的最大纳污量.结果表明,不同浓度的养鸭废水对芦苇的生物量影响不同,低、中、高浓度处理下芦苇生物量分别较对照增长36.1%、24.4%、24.3%;不同时期湿地系统对COD的净化效果不同,生长期要明显好于抽穗期和开花期;同一时期不同浓度处理条件下芦苇湿地系统对COD的净化效果亦存在明显差异,高浓度处理下湿地系统对废水中COD的去除率明显高于低浓度和中浓度处理.芦苇湿地系统对鸭粪废水中COD的净化可以用指数方程表示,而且在相同进水浓度下,降解常数(k)与温度成线性关系.高浓度处理条件下,估算出白洋淀芦苇湿地系统对COD的最大纳污量约为26629t·a-1.     

电场预处理强化微藻处理猪场废水的效果优化研究

近年来,基于微藻的废水处理技术受到越来越多的关注,但猪场废水所具有的高色、高浊、高盐等水质特点限制了微藻的处理效果和生长情况.为解决该问题,本研究考虑采用电场处理技术与微藻废水处理相结合的思路,对猪场废水厌氧消化出水进行深度处理.先比较4种不同阳极材料(石墨、铝、不锈钢、钛)的废水预处理效果,再进一步考察各组电场预处理...     

污水排海工程的扩散器水力设计与模型试验研究

通过SZ36-1油田二期终端污水排海工程扩散器的水力设计，比较了扩散器的水力设计的两种计算方法，对水力计算中有关参数及局部阻力系数进行了选用，并通过模型试验进行了验证。表明所用计算方法及其结果是可信的，阻力系数的选取是合适的。     

污水生物处理单元能量平衡与分析方法研究与应用

在提出污染物内能概念的基础上，对污水生物处理工艺能量平衡和分析的原理与方法进行了探讨，建立了能量平衡研究的基本模型。据此对国内四座不同工艺的城市污水处理厂进行了生物处理单元的能量衡算，并采用两类指标对处理单元耗能状况进行了评价。应用能量平衡分析方法可进行处理工艺的设计遴选和建成后运转效果的评判，以及指导处理厂有针对性地采取节能降耗措施。     

Modelling and optimisation for design of hydrogen networks for multi-period operation

Hydrogen management is a problem of increasing importance: hydrogen consumption of refineries is rising sharply with additional capacities of hydrocracking and hydrotreating units in order to comply with cleaner fuel specifications. Product Specifications for transportation fuels are becoming increasingly stringent to ensure production of environmentally more benign fuels. Hydrogen management techniques currently do not account for varying operating conditions of hydrogen consuming processes and assume constant operating conditions. A novel approach is developed for the design of flexible hydrogen networks that can remain optimally operable under multiple periods of operation. The proposed methodology for multi-period design of hydrogen networks can take into account pressure differences, maximum capacity of existing equipment, and optimal placement of new equipment such as compressors.     

“三生空间”统筹的科学基础与优化途径探析

党的十八大提出了将优化国土空间开发格局作为生态文明建设的首要举措,以及“促进生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”的目标要求。通过文献调研和总结归纳法,系统梳理了“三生空间”统筹优化的研究进展。总结发现,现有工作主要从国土空间利用质量、土地利用适宜性评价、资源环境承载力与比较优势等角度开展了“三生空间”统筹优化研究。但由于对“三生空间”科学内涵的认识不足、定量识别方法与分类体系的构建不完善,目前“三生空间”统筹优化的技术途径存在诸多问题尚待明晰。未来“三生空间”统筹优化的技术途径应以美丽中国建设愿景为目标导向,以人地耦合系统理论为核心,系统构建识别与优化国土空间的理论体系与技术框架。     

基于模糊聚类神经网络的煤炭资源分类研究

采用模糊聚类神经网络方法建立了煤炭资源分类模型 ,通过自适应算法与误差逆传播算法相结合 ,解决了以往神经网络不能处理模糊问题的缺陷 ,从而更适应现实评价条件的需要。     

均相Fenton法处理干法腈纶废水工艺优化与分析

采用均相Fenton法处理干法腈纶废水,并通过单因素试验和基于中心组合设计的响应面法考察了H2O2投加量、Fe2+投加量、初始pH值及反应时间的影响及其交互作用.同时,建立了以COD去除率为响应值的二次响应曲面模型,并采用方差分析对模型进行了验证.结果表明,影响COD去除效果的各因子显著性顺序依次为:Fe2+投加量>H2O2投加量>初始pH值>反应时间;Fe2+投加量与初始pH值的交互作用最为显著;反应最优组合条件为:H2O2投加量90.0mmol.L-1,Fe2+投加量30.0mmol.L-1、初始pH值3.1,反应时间113.6min,该条件下COD去除率为47.1%,与模型预测值48.5%基本一致.