CN113159387A - 一种工业园区污水近零排放的水资源优化配置系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业园区污水近零排放的水资源优化配置系统及方法，该系统包括河流生态系统、工业园区工业企业、企业污水处理站、园区污水处理厂、园区污水处理厂尾水净化湿地和再生水厂。该方法为根据园区内不同企业的用、排水特征，明确目标函数与约束条件，以新鲜水用量最少、经济成本最低以及环境效益最好为目标，构建园区水资源优化配置数学模型，利用遗传算法求解所述数学模型，获得并输出最优的工业园区水资源配置方案。本发明明确各级处理设施最佳的出水去向与水量预计各级水处理工艺的选择与处理程度，为工业园区污水零排放网络管理、污水处理设施设计以及污水处理技术的升级改造提供科学依据。

Description

一种工业园区污水近零排放的水资源优化配置系统及方法

技术领域

本发明涉及一种工业园区污水近零排放的水资源优化配置系统及方法，属于环境污染治理技术领域。

背景技术

目前，关于工业园区污水近零排放的研究主要关注膜处理、高级氧化等单元处理技术的开发和改进，旨在提高废水中污染物的去除效率，但是缺乏统筹工业园区整体，全面考虑企业用水、排水、污水处理、再生回用的全区域、全流程的水资源优化配置方案。因此，构建耦合企业内配水、园区企业间配水、再生水分配和生态用水配置的多层次水资源优化配置模型对于实现工业园区污水近零排放具有重要意义。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种工业园区污水近零排放的水资源优化配置系统及方法，其具体技术方案如下：

一种工业园区污水近零排放的水资源优化配置系统，包括新鲜水供水系统，再生水供水系统，工业园区内的企业由新鲜水供水系统和/或再生水供水系统供水，企业产生的废水经过企业污水站处理，排放到园区污水处理厂，经过园区污水处理厂处理后的水，部分供工业园区内市政杂用，部分输送到园区污水处理厂尾水净化湿地，经过园区污水处理厂尾水净化湿地处理后，部分补给河流生态系统，部分输送到再生水厂，经过再生水厂处理后，部分补给河流生态系统，部分工业回用。

一种工业园区污水近零排放的水资源优化配置方法，包括以下步骤：

步骤一：根据园区内用水、排水、水处理、水回用现状，构建园区污水近零排放水网络结构；

步骤二：根据园区内不同企业的用、排水特征，明确目标函数与约束条件，构建园区水资源优化配置数学模型；

步骤三：利用遗传算法求解所述园区水资源优化配置数学模型，获得并输出最优的工业园区水资源配置方案。

进一步的，所述园区污水近零排放水网络结构包括河流生态系统、工业园区、工业企业、企业污水处理站、园区污水处理厂、园区污水处理厂尾水净化湿地和再生水厂，所述再生水厂处理后的再生水和部分河流子系统取水作为所述工业园区的主要水源。

进一步的，所述园区水资源优化配置数学模型是一种多目标优化模型，所要达到的目标是新鲜水用量W₁最少、经济成本最低W₂以及环境效益W₃最好；

所述新鲜水用水量W₁最少是指工业园区各企业生产从河流生态系统中的取水量最少，其控制方程表示为：

式中，F_i为各个企业使用的新鲜水量，n为园区企业数量，

所述经济成本W₂最低是指各企业使用新鲜水的成本、各级污水处理设施的处理成本之和最低，其控制方程可表示为：

式中，k₁、k₂、k₃、k₄分别为当地新鲜水水价、企业污水处理站吨水处理成本、园区污水处理厂吨水处理成本、污水处理厂尾水处理人工湿地吨水处理成本以及再生水厂吨水处理成本，E_i为各个企业的废水排放量，I_w为进入园区污水处理厂的水量，I_r为进入再生水厂的水量；

所述环境效益W₃最好是指生态补水量最大，即污水处理厂尾水处理人工湿地以及再生水厂出水进入河流生态系统的量最大，其控制方程可表示为：

W₃＝min-(S₁+S₂) (3)

式中，S₁和S₂分别是指污水处理厂尾水处理人工湿地以及再生水厂出水进入河流生态系统的水量。

进一步的，园区水资源优化配置数学模型的约束条件包括：

(1)满足工业生产需水量

每个企业使用的新鲜水和再生水的总量等于生产用水需求量，方程可表示为：

F_i+R_i＝D_i (4)

式中，R_i为企业i使用的再生水量，D_i为企业i的生产用水需求量。

(2)水量守恒

每一个企业进、出水水量守恒，但企业日常生产过程中会存在水量损耗，因此，每个企业的排水量应等于进水量减损耗水量，方程可表示为：

(1-β_i)*(F_i+R_i)＝E_i (5)

式中，β_i为企业i用水的损耗率，E_i为企业i的排水量。

(3)市政用水需求

污水厂出水供给市政的用水量应该小于市政需水量，主要包括园区内绿化灌溉、道路喷淋、消防用水等，方程可表示为：

C₁≤C_d (6)

式中，C₁为污水厂出水供给市政的水量，C_d为区域市政的需水量。

(4)生态补水需求

污水处理厂尾水处理人工湿地与再生水厂补给河流的水量应考虑河流的最小需水量以及保障防洪安全的最大需水量，方程可表示为：

W_R，N≤S₁+S₂≤W_R，F (7)

式中，W_R，N为根据河流生态基流量利用河网数值模拟模型推算的河流最小需水量(t/d)，W_R，F为根据防洪安全推算的河流最大需水量(t/d)。

进一步的，所述步骤三的具体过程为：

将已知变量输入园区水资源优化配置数学模型，已知变量包括当地工业用水水价、各企业生产需水量、各企业排水量、各企业排水污染物浓度、各级污水处理设施的固定成本和运行成本、企业以及各污水处理设施的水损系数；

以NSGA-II算法求解思路为基础，构建适用于提出了适用于高新区多水源-多用户-多级处理水资源优化配置模型的求解算法，设水资源配置方案的种群P大小为N，算法目的是计算P中的每个个体的两个参数种群中支配个体的个体数n_p和种群中被个体支配的个体集合S_p，算法的主要步骤为：

(3.1)找到种群中所有n_p＝0的个体，并保存在当前集合F₁中；

(3.2)对于当前集合F₁中的每个个体i，其所支配的个体集合为S_i，遍历S_i中的每个个体q，如果n_q-1＝0则将个体q保存在集合H中；

(3.3)即F₁中得到的所有个体为第一个非支配层的个体，并以H作为当前集合；

(3.4)重复步骤(3.1)-(3.3)，直到整个种群被分级；

通过模型计算得到同时满足三个目标函数的Pareto最优解集，在此基础上，以区域的经济、环境现状为依据设定外部判据，从Pareto最优解集选出适合该区域的水资源配置最优结果，求解出各企业新鲜水用量、回用水用量、园区污水处理厂处理量、园区污水厂尾水净化湿地处理量、生态补水量、再生水厂处理量、园区回用水总量。

本发明的有益效果是：

1、本发明可以明确各级处理设施最佳的出水去向与水量预计各级水处理工艺的选择与处理程度，为工业园区污水零排放网络管理、污水处理设施设计以及污水处理技术的升级改造提供科学依据。

2、本发明从工业园区的尺度看，以区域内的河流生态系统为中心，实现水资源从自然系统出发，经过取水、用水、排水、水处理等一系列涉水过程后，最终回到河流的全过程，实现了工业园区污水的零排放，同时也保障了区域内河流生态系统的服务功能。

附图说明

图1是本发明的工业园区水网络结构优化模型图。

图2是多目标优化模型算法示意图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明的工业园区近零排放的水资源优化配置模型(即系统)，主要包括包括：河流生态系统、工业园区工业企业、企业污水处理站、园区污水处理厂、园区污水处理厂尾水净化湿地和再生水厂。所述再生水厂处理后的再生水和部分河流子系统取水作为所述工业园区的主要水源；园区工业企业生产废水经过所述企业污水处理站、园区污水处理厂、园区污水处理厂尾水净化湿地、再生水厂后，回用到各企业或排入河流生态系统。

园区污水处理厂出水必须达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准；园区污水处理厂尾水净化湿地出水必须达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)IV类水体标准，用作再生水厂的水源或排入河流生态系统进行生态补水；所述再生水厂出水必须达到《城市污水再生利用工业用水水质》(GB/T 19923-2005)中规定的水质标准，用作工业园区企业用水的水源。

本发明方法，包括以下步骤：

步骤一：根据园区内用水、排水、水处理、水回用现状，构建园区污水近零排放水网络结构；

步骤二：根据园区内不同企业的用、排水特征，明确目标函数与约束条件，构建园区水资源优化配置数学模型；园区水资源优化配置数学模型是一种多目标优化模型，所要达到的目标是新鲜水用量 W₁最少、经济成本最低W₂以及环境效益W₃最好；

所述新鲜水用水量W₁最少是指工业园区各企业生产从河流生态系统中的取水量最少，其控制方程表示为：

式中，F_i为各个企业使用的新鲜水量，n为园区企业数量，

所述经济成本W₂最低是指各企业使用新鲜水的成本、各级污水处理设施的处理成本之和最低，其控制方程可表示为：

式中，k₁、k₂、k₃、k₄分别为当地新鲜水水价、企业污水处理站吨水处理成本、园区污水处理厂吨水处理成本、污水处理厂尾水处理人工湿地吨水处理成本以及再生水厂吨水处理成本，E_i为各个企业的废水排放量，I_w为进入园区污水处理厂的水量，I_r为进入再生水厂的水量；

所述环境效益W₃最好是指生态补水量最大，即污水处理厂尾水处理人工湿地以及再生水厂出水进入河流生态系统的量最大，其控制方程可表示为：

W₃＝min-(S₁+S₂) (3)

式中，S₁和S₂分别是指污水处理厂尾水处理人工湿地以及再生水厂出水进入河流生态系统的水量。

园区水资源优化配置数学模型的约束条件包括：

(1)满足工业生产需水量

每个企业使用的新鲜水和再生水的总量等于生产用水需求量，方程可表示为：

F_i+R_i＝D_i (4)

式中，R_i为企业i使用的再生水量，D_i为企业i的生产用水需求量。

(2)水量守恒

每一个企业进、出水水量守恒，但企业日常生产过程中会存在水量损耗，因此，每个企业的排水量应等于进水量减损耗水量，方程可表示为：

(1-β_i)*(F_i+R_i)＝E_i (5)

式中，β_i为企业i用水的损耗率，E_i为企业i的排水量。

(3)市政用水需求

污水厂出水供给市政的用水量应该小于市政需水量，主要包括园区内绿化灌溉、道路喷淋、消防用水等，方程可表示为：

C₁≤C_d (6)

式中，C₁为污水厂出水供给市政的水量，C_d为区域市政的需水量。

(4)生态补水需求

污水处理厂尾水处理人工湿地与再生水厂补给河流的水量应考虑河流的最小需水量以及保障防洪安全的最大需水量，方程可表示为：

W_R，N≤S₁+S₂≤W_R，F (7)

式中，W_R，N为根据河流生态基流量利用河网数值模拟模型推算的河流最小需水量(t/d)，W_R，F为根据防洪安全推算的河流最大需水量(t/d)。

步骤三：利用遗传算法求解所述园区水资源优化配置数学模型，获得并输出最优的工业园区水资源配置方案，将已知变量输入园区水资源优化配置数学模型，已知变量包括当地工业用水水价、各企业生产需水量、各企业排水量、各企业排水污染物浓度、各级污水处理设施的固定成本和运行成本、企业以及各污水处理设施的水损系数；

以NSGA-II算法求解思路为基础，构建适用于提出了适用于高新区多水源-多用户-多级处理水资源优化配置模型的求解算法，设水资源配置方案的种群P大小为N，算法目的是计算P中的每个个体的两个参数种群中支配个体的个体数n_p和种群中被个体支配的个体集合S_p，算法示意图如图2所示，主要步骤为：

(3.1)找到种群中所有n_p＝0的个体，并保存在当前集合F₁中；

(3.2)对于当前集合F₁中的每个个体i，其所支配的个体集合为S_i，遍历S_i中的每个个体q，如果n_q-1＝0则将个体q保存在集合H中；

(3.3)即F₁中得到的所有个体为第一个非支配层的个体，并以H作为当前集合；

(3.4)重复步骤(3.1)-(3.3)，直到整个种群被分级；

通过模型计算得到同时满足三个目标函数的Pareto最优解集，在此基础上，以区域的经济、环境现状为依据设定外部判据，从Pareto最优解集选出适合该区域的水资源配置最优结果，求解出各企业新鲜水用量、回用水用量、园区污水处理厂处理量、园区污水厂尾水净化湿地处理量、生态补水量、再生水厂处理量、园区回用水总量。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种工业园区污水近零排放的水资源优化配置系统，其特征在于：包括新鲜水供水系统，再生水供水系统，工业园区内的企业由新鲜水供水系统和/或再生水供水系统供水，企业产生的废水经过企业污水站处理，排放到园区污水处理厂，经过园区污水处理厂处理后的水，部分供工业园区内市政杂用，部分输送到园区污水处理厂尾水净化湿地，经过园区污水处理厂尾水净化湿地处理后，部分补给河流生态系统，部分输送到再生水厂，经过再生水厂处理后，部分补给河流生态系统，部分工业回用。

2.一种工业园区污水近零排放的水资源优化配置方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：根据园区内用水、排水、水处理、水回用现状，构建园区污水近零排放水网络结构；

步骤二：根据园区内不同企业的用、排水特征，明确目标函数与约束条件，构建园区水资源优化配置数学模型；

步骤三：利用遗传算法求解所述园区水资源优化配置数学模型，获得并输出最优的工业园区水资源配置方案。

3.根据权利要求2所述的工业园区污水近零排放的水资源优化配置方法，其特征在于：所述园区污水近零排放水网络结构包括河流生态系统、工业园区、工业企业、企业污水处理站、园区污水处理厂、园区污水处理厂尾水净化湿地和再生水厂，所述再生水厂处理后的再生水和部分河流子系统取水作为所述工业园区的主要水源。

4.根据权利要求2所述的工业园区污水近零排放的水资源优化配置方法，其特征在于：所述园区水资源优化配置数学模型是一种多目标优化模型，所要达到的目标是新鲜水用量W₁最少、经济成本最低W₂以及环境效益W₃最好；

所述新鲜水用水量W₁最少是指工业园区各企业生产从河流生态系统中的取水量最少，其控制方程表示为：

式中，F_i为各个企业使用的新鲜水量，n为园区企业数量，

所述经济成本W₂最低是指各企业使用新鲜水的成本、各级污水处理设施的处理成本之和最低，其控制方程可表示为：

式中，k₁、k₂、k₃、k₄分别为当地新鲜水水价、企业污水处理站吨水处理成本、园区污水处理厂吨水处理成本、污水处理厂尾水处理人工湿地吨水处理成本以及再生水厂吨水处理成本，E_i为各个企业的废水排放量，I_w为进入园区污水处理厂的水量，I_r为进入再生水厂的水量；

所述环境效益W₃最好是指生态补水量最大，即污水处理厂尾水处理人工湿地以及再生水厂出水进入河流生态系统的量最大，其控制方程可表示为：

W₃＝min-(S₁+S₂) (3)

式中，S₁和S₂分别是指污水处理厂尾水处理人工湿地以及再生水厂出水进入河流生态系统的水量。

5.根据权利要求2所述的工业园区污水近零排放的水资源优化配置方法，其特征在于：园区水资源优化配置数学模型的约束条件包括：

(1)满足工业生产需水量

每个企业使用的新鲜水和再生水的总量等于生产用水需求量，方程可表示为：

F_i+R_i＝D_i (4)

式中，R_i为企业i使用的再生水量，D_i为企业i的生产用水需求量。

(2)水量守恒

每一个企业进、出水水量守恒，但企业日常生产过程中会存在水量损耗，因此，每个企业的排水量应等于进水量减损耗水量，方程可表示为：

(1-β_i)*(F_i+R_i)＝E_i (5)

式中，β_i为企业i用水的损耗率，E_i为企业i的排水量。

(3)市政用水需求

污水厂出水供给市政的用水量应该小于市政需水量，主要包括园区内绿化灌溉、道路喷淋、消防用水等，方程可表示为：

C₁≤C_d (6)

式中，C₁为污水厂出水供给市政的水量，C_d为区域市政的需水量。

(4)生态补水需求

污水处理厂尾水处理人工湿地与再生水厂补给河流的水量应考虑河流的最小需水量以及保障防洪安全的最大需水量，方程可表示为：

W_R,N≤S₁+S₂≤W_R,F (7)

式中，W_R,N为根据河流生态基流量利用河网数值模拟模型推算的河流最小需水量(t/d)，W_R,F为根据防洪安全推算的河流最大需水量(t/d)。

6.根据权利要求2所述的工业园区污水近零排放的水资源优化配置方法，其特征在于：所述步骤三的具体过程为：

将已知变量输入园区水资源优化配置数学模型，已知变量包括当地工业用水水价、各企业生产需水量、各企业排水量、各企业排水污染物浓度、各级污水处理设施的固定成本和运行成本、企业以及各污水处理设施的水损系数；

以NSGA-II算法求解思路为基础，构建适用于提出了适用于高新区多水源-多用户-多级处理水资源优化配置模型的求解算法，设水资源配置方案的种群P大小为N，算法目的是计算P中的每个个体的两个参数种群中支配个体的个体数n_p和种群中被个体支配的个体集合S_p，算法的主要步骤为：

(3.1)找到种群中所有n_p＝0的个体，并保存在当前集合F₁中；

(3.2)对于当前集合F₁中的每个个体i，其所支配的个体集合为S_i，遍历S_i中的每个个体q，如果n_q-1＝0则将个体q保存在集合H中；

(3.3)即F₁中得到的所有个体为第一个非支配层的个体，并以H作为当前集合；

(3.4)重复步骤(3.1)-(3.3)，直到整个种群被分级；

通过模型计算得到同时满足三个目标函数的Pareto最优解集，在此基础上，以区域的经济、环境现状为依据设定外部判据，从Pareto最优解集选出适合该区域的水资源配置最优结果，求解出各企业新鲜水用量、回用水用量、园区污水处理厂处理量、园区污水厂尾水净化湿地处理量、生态补水量、再生水厂处理量、园区回用水总量。

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