平潭污水处理厂自控仪表系统技术方案-广州净葩自动化控制设备有限公司
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平潭污水处理厂自控仪表系统技术方案
1.& 绪&&& 论
随着经济的高速增长，水需求在不断增加，而地球上的水资源却在萎缩。可利用水源特别是城市周围水源污染等因素使得水资源缺乏和水体污染己经成为各国面临的严峻问题。水污染造成了巨大的经济损失，水资源的短缺制约了经济的可持续性发展。水资源的缺乏将是世纪人类面临的最大挑战之一，如何更好地减少水污染以及污水的回收利用，已经成为科学家们研究的课题。
1.1污水处理国内外发展现状
美国、日本、西欧等一些发达国家，较早的实现了工业现代化，环境问题特别是水资源污染的严重性也较早的显现出来。世纪以来，经济发达国家相继出现了环境污染和社会公害问题。这些国家政府高度重视，投入了大量的人力、物力、财力进行污水处理的研究，建设了大量污水处理厂。美国是目前世界上污水处理厂最多的国家，平均人就有座，其中为二级生物处理厂；英国共有处理厂约座，平均人座，几乎全部是二级生物处理厂；日本城市废水处理厂约座，平均万人座，但其中二级处理厂及高级处理厂占；瑞典是目前污水处理设施最普及的国家，下水道普及率以上，平均人座污水处理厂，其中为二级生物处理厂。这些国家的经验表明，大力兴建二级污水处理厂对改善水体卫生情况起了很大的作用。这些国家在研究水处理新理论和工艺的同时，也重视污水处理自控系统的研究，先后投资研究高效型、智能型、集约型污水处理设备和自动化控制仪表。一些发达国家经过几十年的努力，污水处理率已经达到了，成功的解决了来自于城市和工业的水污染问题。同时一些国家开始重视污水的回用，如以色列的污水回用率达到了。
水资源短缺是我国的基本国情之一，我国人均水资源占有量只有世界人均水平的四分之一，解决水资源短缺问题就必须对污水进行处理和再利用。我国目前城市污水处理率还相当低。据统计，目前全国年排污量约为亿立方米，全国超过的城市污水未经任何有效的收集处理就直接排放到附近的水体。全国以上的城市水域受到不同程度地污染，近的重点城镇集中饮用水源不符合取水标准。近年来，各地不断发生水体污染影响生产、生活的事故。近年来国家和地方政府对污水处理事业也越来越重视，先后启动了治理&三河三湖&工程，取得了明显的效果。年统计，全国城镇的污水处理率为，根据建设部&到年中国城镇污水处理率要达到&的规划目标，到&十一五&末，中国将需新建座污水处理厂，全国城镇污水集中处理能力将达到万立方米日左右。然而，同发达国家相比，我国城市污水处理事业无论数量、规模、普及率还是机械化、自动化程度，都存在着较大的差距。
&2. &工艺流程介绍
2.1污水处理指标
为了表征废水水质，衡量污水处理系统的效果，国家规定了许多水质指标。水质指标主要包括温度（）、悬浮固体浓度（）、氧化还原（）、化学需氧量（）、溶解氧（）、混合液悬浮固体浓度（）、酸碱度（）、有毒有害有机污染物、细菌总数、总大肠杆菌数等。下面将主要介绍悬浮固体浓度（）、氧化还原（）、化学需氧量（）、溶解氧（）、酸碱度（）等几个常用指标。了解这些指标有利于全面掌握污水在物理学、化学和生物学方面的特性，并掌握污水处理流程和其最终方法。
．悬浮固体（）
悬浮固体是水中未溶解的非胶态的固体物质，在条件适宜时可以沉淀。悬浮固体可分为有机性和无机性两大类，反映污水汇入水体后将发生的淤积情况，其含量的单位为。
．氧化还原（）
是英文的缩写它表示溶液的氧化还原电位。值是水溶液氧化还原能力的测量指标其单位是。它由复合电极和计组成。电极是一种可以在其敏感层表面进行电子吸收或释放的电极该敏感层是一种惰性金属通常是用铂和金来制作。参比电极是和电极一样的银氯化银电极。
．化学需氧量（）
化学需氧量（，），是指在酸性条件下，用强氧化剂将有机物氧化为2和2所消耗的氧量，单位为。当以重铬酸钾为氧化剂时，化学需氧量表示为Cr；当以高锰酸钾为氧化剂时，化学需氧量表示为Mn。与【3】相比，能在较短时间内，较精确地测出废水中耗氧物质的含量，而不受水质的限制，但它不能像那样表示出微生物氧化的有机物量。在城市污水处理分析中，常用5的比值来分析污水的可生化性。可生化性好的污水5&。
．溶解氧（）
溶解氧是指溶解在水里氧的量，通常记作，用每升水里氧气的毫克数表示。水中溶解氧的多少是衡量水体自净能力的一个指标。它跟空气里氧的分压、大气压、水温和水质有密切的关系。在℃、下，纯水里大约溶解氧。有些有机化合物在喜氧菌作用下发生生物降解，要消耗水里的溶解氧。如果有机物以碳来计算，根据22可知，每碳要消耗氧气。当水中的溶解氧值降到时，一些鱼类的呼吸就发生困难。水里的溶解氧由于空气里氧气的溶入及绿色水生植物的光合作用会不断得到补充。但当水体受到有机物污染，耗氧严重，溶解氧得不到及时补充，水体中的厌氧菌就会很快繁殖，有机物因腐败而使水体变黑、发臭。
．酸碱度（）
酸度和碱度是污水的重要污染指标，用值来表示。一般生活污水呈中性或弱碱性，工业污水多呈强酸或强碱性。一般污水的值均在～，当或者都会影响生物处理，并对混凝土和金属有腐蚀作用，这时需要进行污水预处理并对处理设备进行防腐蚀处理。
．温度（）
废水温度过高而引起的危害叫做热污染，废水温度过高，使水体溶解氧浓度降低，相应含氧量随之减少，另一方面，水温升高会导致生物耗氧速度加快，促使水体中溶解氧更快耗尽，水质迅速恶化。因此必须控制废水的温度，一般废水温度控制在℃以内。
2.2污水处理的基本工艺方法
污水处理就是采用各种技术与手段，将污水中所含的污染物质分离去除、回收利用，或将其转化为无害物质，使水得到净化。
现代污水处理技术，按处理程度划分，一般分为三级处理：
一级处理，又称物理处理，主要是去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质，经过一级处理后的污水，可去除左右的悬浮物，一般只能去除左右，达不到排放标准。
二级处理，又称生化处理，它是城市污水处理厂的核心，主要去除水中呈胶体和溶解状态的有机污染物。经二级处理后，的去除率可达以上，污水中值可降至，有机污染物达到国家规定的排放标准。
三级处理，又称深度处理，目的在于进一步去除二级处理未能去除的污染物质，其中包括微生物未能降解的有机物和氮、磷等能够导致水体富营养化的可溶性无机物质。
生物法具有净化能力强、费用低廉、运行可靠性好等优点，是污水处理的主要方法，在污水处理领域中占有重要地位。我国现阶段的城市污水处理以生物法为主，以物理法和化学法为辅。以生物法为主的处理工艺主要有活性污泥法、法、法、法、法、法、及法等。
2.3平潭污水厂采用的工艺介绍
我国是世界上最大的发展中国家，经济实力还比较薄弱，因而一些流程长、投资大、管理复杂的污水处理工艺并不适合我国的国情。所以，设计应用适合我国国情的简捷、高效、实用的污水脱氮除磷工艺即工艺是城市污水处理厂的首选。
2.3.1 A²工艺简介
艺，是目前较为流行的具有一定代表性的污水生物脱氮除磷技术。该工艺的生化部分由厌氧（） 、缺氧（） 、好氧（）三池组成。形成所谓1布置形式。经过多年的系统研究，证实了该工艺不仅在脱氮除磷效果方面优于常规的工艺，而且工艺流程见（图2.1）更为简捷；
图2.1&& A²/O工艺流程图
工艺的特点是：
）缺氧区位于工艺系统首端，优先满足反硝化反应对碳源的需求，强化了处理系统的脱氮功能，避免了回流污泥携带的硝酸盐对厌氧释磷的不良影响，也使所有的回流污泥全部经历完整的厌氧释磷与好氧吸磷过程。
）聚磷菌经过厌氧释磷后直接进入生化效率较高的好氧环境，在厌氧状态下形成的吸磷动力可以得到充分利用，提高了处理系统除磷能力。
）将常规工艺的污泥回流系统与混合液回流（好氧混合液与缺氧混合液）系统合二为一组成了唯一的污泥回流系统，工艺流程大大简化，不仅便于运行管理，也使投资与运行成本大大下降。
2.3.2本系统工艺流程
本工艺设计采用倒置工艺，其总工艺流程见（图2.2）
图2.2&& 污水处理厂总工艺流程图
本污水处理厂包括污水处理和污泥处理两个系统。污水处理系统包括进粗格栅、提升泵房、细格栅、沉砂池、鼓风机房、氧化沟（缺氧池厌氧池好氧池）、二沉池、转纤维转滤池、消毒出水池等，污泥处理系统包括污泥泵房、脱水机房等几部分。
本污水处理厂的污水处理流程是：污水经污水排放管网进入粗格栅，滤除大块固体悬浮物后，再由提升泵将污水提升到细格栅，滤除细小的漂浮物和浮渣，然后流入沉砂池，进行砂水分离，去除水中密度较大的无机颗粒，以保护后续处理设施的证常运行。然后污水进入氧化沟，进行生化处理。经生化处理后的污水进入二沉池进行污泥沉淀，经过污泥沉淀后的污水经紫外线消毒后到出水池，最后排放。二沉池分离的一部分生物活性污泥回流到氧化沟，另一部分剩余污泥流经污泥泵房进入污泥处理系统，剩余污泥进入贮泥池，最后进入脱水机房进行脱水处理，脱水处理后就可进行二次利用。
&& &&3. &控制系统方案设计
3.1污水处理自控系统的难点
污水处理是个多参数（如液位、水质成分、流量、压力等）、多任务（如污水输送、风量控制、水泵的开停等）、多设备（如格栅机、水泵、鼓风机、阀门等），而且具有随机性、时变性和耦合性的复杂系统，所以污水处理是个复杂的过程。污水处理自动控制系统控制的难点主要体现在以下几个方面：
系统规模大
一般污水处理厂的规模较大，系统工艺复杂，流程长，各工艺过程地理分布相距较远，所以控制系统的规模也较大，是一个多变量、多参数、多回路、大滞后、非线性的复杂系统。
污水处理前后工序之问存在互锁关系，而有些参数的在线检测仪存在滞后、较大误差等问题，这样会影响控制的实时性和控制精度，因此需要研究污水控制对象的特性，选择合适的控制参数，保证预期的控制质量。
污水处理涉及到生化反应过程，如污水的曝气过程，从鼓风机开始鼓入空气，到检测到污水中含氧量变化约到分钟，是一个大滞后过程。在解决这个问题时，有的控制策略过于复杂（如采用神经网络控制），有的过于简单（如单回路定值调节），所以研究人工智能与控制理论结合的控制策略，具有重要的意义。
污水处理厂的很多设备都是大功率、大能耗设备，有必要考虑设备的保护和合理配置使用以及节能问题。鼓风机房是污水处理厂的耗能大户，自控系统的优化控制对节能具有重要意义。
污水处理厂的工作环境恶劣，干扰频繁，将会影响控制系统的可靠性和稳定性，必须分析干扰来源，研究对于不同干扰源的行之有效的抑制或消除措施。
控制系统中存在网络通信，如何实现较高的通信速率和通信质量，开放的通信接口，建立完整、可靠的综合自动化系统，也是需要考虑的问题。
3.2设计原则
污水处理控制系统的设计要遵循我国国情，设计时按照以下原则进行：
）严格执行环境保护的各项规定，确保经处理后的污水的排放水质达到有关排放标准；
）采用的系统应技术先进、运行可靠、操作维护管理简单，将先进性和可靠性有机结合；
）在保证处理效果的前提下尽量降低工程投资和运行成本；
）采用的系统必须是开放的，可扩展的。远期对本期工程能延用且不影响其功能。
3.3设计思想
根据污水处理的工艺要求及现场环境，本系统主要采用了工业控制计算机（）可编程控制器（）现场检测仪表的监控模式。本控制系统通过现场检测仪表采集工艺参数，作为主要现场控制单元，根据污水处理工艺流程读取现场仪表信号及各被控设备状态信号，同时将控制信号传至各控制设备。利用作为上位机，进行复杂的数据处理。通过工业以太网将各控制站、中央控制室的工程师站相连，形成一个完整的通讯网络，实现监控。整个自动化监控系统构成（）系统，完成数据采集、处理、监视及对现场设备进行控制的功能。
3.4系统构成
3.4.1系统结构图
整个系统由中央控制室、各分布控制站和现场仪表及电控柜构成三级监控网络。系统结构如图所示。
图3.1&& 系统结构如图
3.4.2各单元功能描述
一、中央控制级
中央控制级分为中央控制室及厂长室远程管理监控计算机。中央控制室设有工程师站和操作员站。工程师站既能完成系统组态、调试及控制参数的在线修改和设置等，又能完成对整个污水处理厂的数据采集、监控，报表及打印等功能：操作员站主要完成对整个污水处理厂的数据采集、监控，报表及打印等功能。在系统正常工作时，工程师站可兼作操作员站，方便了监视与操作，并提高了系统的可靠性。背投显示全厂工艺设备的运行状态、工艺参数以及工艺流程，以便直观的了解全厂一的状况并对出现的问题做出快速反应。厂长室远程管理监控计算机以工业以太网形式与本系统相连，以便于厂长对
整个系统进行管理和监控，并针对实际情况准确发出操作命令。
二、分析式控制站
监控系统共设&三个分布控制站。现场完成对各点信号的采集及控制，提高了系统的可靠性与可维护性。现场站通过工业以太网与中央控制室的工程师站连接。当控制模式选择置于&远程&位置时，操作人员将不能利用电气控制柜或电控箱上的启停按钮对设备进行运行停止操作，此时设备的控制权交给计算机控制，将根据操作员站的控制指令，由控制程序&自动或&手动控制设备的运行。
三、现场控制柜及仪表系统
各现场控制柜具有两部分功能，一是进行现场的手动操作，二是与各个站连接，将各设备状态信号传送到的相关采集模块。现场手动操作具有比分布控制站和中央控制室更高的优先权，只有将状态选择丌关打到自动状态，远程控制程序才起作用。所以在进行自动控制调试前，首先要完成对现场各控制柜的调试，在保证现场设备安全的前提下才能进行远程控制。仪表系统用来连续测量污水处理厂工艺流程中的主要工艺参数，并将测量数据送入计算机数据采集及监控系统。整个污水厂的过程检测仪表分散设置于各个工艺处理构筑物内及工艺管道上。
4. &控制系统硬件设计
要构成一个控制系统，首先应根据控制要求对硬件进行选型配置，然后通过网络把各部件连接起来，形成控制系统的框架。再通过软件编程、组网，从而形成一个能实现一定功能要求的系统。本系统的硬件设计包括仪表的选型、各站的具体设计、中央监控室的设计及数据通讯网络的选择等。
4.1仪表系统
依据污水处理厂生产工艺的特点和介质的特征，为了保证工艺操作安全可靠，正常运行，现场仪表必须及时、准确地反应出工艺的动态参数，所以仪表系统的设计尤为重要。
4.1.1仪表选型原则
仪表选型应根据工艺装置的规模、工艺流程特点和操作要求等因素确定的控制方式进行，主要有以下几个原则：
(1)选用的仪表必须性能先进、运行稳定可靠；
(2)在满足工艺要求的前提下，不必追求过高的测量精度，以节省投资。量程选择应保证仪表长期工作在满量程的左右。
(3)仪表的防护等级应不低于，在短时浸水场合，防护等级为，在长期浸水场合，防护等级为；
(4)仪表应便于安装、检修，部件可换性好；
(5)在同一工程项目中，仪表品种规格不宜过多，应力求统一。本系统采用的现场传感器和变送器以新加坡公司的高性能测量仪表为主。公司为国际著名的仪表生产公司，其产品在国内外有大量的相同工矿情况的应用实例，产品相当可靠，且产品的技术指标如量程、精确度、环境温度、工作压力、电磁干扰、防护等级、***等级等经过严格的测试。
4.1.2本系统主要仪表
根据工艺和控制要求，本系统主要对重要仪表的参数进行检测：
表4.1 本污水处理厂所需仪表类型及数量
超声波液位计
带传感器，支架安装
溶解氧测定仪
在线分析，杆式安装支架
污泥浓度计
空气自动清洗，浸入式支架
电极保护套，浸入式支架
超声波泥位计
带传感器，支架定制
电极保护套，浸入式安装
电磁流量计
传感器，变送器
热式质量空气流量计
插入式安装
4.2 PLC01站设计
站主要负责粗格栅、提升泵、细格栅、沉砂池、氧化沟、二沉池、回流泵房、鼓风机房、转纤维转滤池、消毒出水池等位置仪表的数据采集及设备的远程监控。
4.2.1粗格栅
在粗格栅渠共设有个粗格栅，粗格栅的主要作用是去除污水中大块漂浮物。粗格栅能够根据程序与上位机设定的时间或粗格栅前后液位差实现自动启停。粗格栅的启停可由上位机直接远程控制，也可以通过现场控制柜实现手动控制。
4.2.2提升泵房
提升泵房水泵主要用来将粗格栅渠流出的污水提升到细格栅渠。在提升泵房，需要测量和控制的是三台提升泵的运行状态以及它们的启停。提升泵控制原理图如图
图4.1&& 提升泵控制原理图
三台提升泵通过切换开关既可手动控制也可自动控制，自动控制过程大体如下：首先通过上位机设定每一台提升泵的启动液位，一般情况下，若液位比较低就只启用一台提升泵，即可使水位维持在中水位，当水位上涨到第二台设定启动液位时则再启用第二台提升泵，若此时水位仍然继续上涨，超过第三台设定的启动液位则启用第三台提升泵。还可以设定高低液位报警，当液位超低或超高时都会报警。为检测提升泵水位，在提升泵房前安装超声波液位计，它的检测水位范围是～米，输出～模拟电流信号，送入经过进一步处理运算后通过以太网传输到中控室并在上位机上监视。超声波液位计采用时间行程原理，由传感器向物体表面发射超声波，物体反射回波并能被传感器接收，液位计算出脉冲传送与接收时间，再用声速计算出探头到液位表面的距离，公式为：＝。
根据用户输入的水池深度得到液位＝－。
4.2.3细格栅
设置细格栅的目的在于拦截污水中的大量细小的漂浮物，为污水处理厂的各类设备提供更好的运行条件。对于细格栅的控制，可通过现场柜实现手动控制，也可对细格栅进行远程控制。细格栅的运行状态信号送至站，以监视其运行情况。细格栅也要和螺旋压榨机实现联动，以保证设备安全。
细格栅后装有流量计，测量进水流量，输出～电流信号，送入并在中控室监视。流量计可同时测量液体的流速、瞬时流量、累计流量，具有断电、掉信号记忆功能。采用国际上先进的法拉第流速测量技术，通过智能性流量积算仪，可以精确地完成管道内水流量的精确计算，实现所需要的流量测量和积算。
4.2.4沉砂池
为检测污水的值和温度，在曝气池前安装了温度计，其输出～的模拟信号送入，再送到中控室监视。
沉砂池的作用是为了避免砂粒对处理工艺和设备带来的不利影响。砂粒进入生化池内会使污泥刮板过度磨损，缩短更换周期；进入曝气池，在池底沉积，减少有效容积，有时还会堵塞微孔扩散器；大量砂粒进入浓缩池将可能堵塞排泥管路，使排泥泵过度磨损；砂粒进入带式压滤脱水机将大大损伤脱水机，并使滤布过度磨损。以上情况足以说明除砂对污水处理的重要性，也是城市污水收集系统杜绝砂粒进入污水管道的原因。
沉砂池是在池的一侧通入空气，使污水沿池旋转前进，从而产生与主流垂直的横向恒速环流。通过调节曝气量，控制污水的旋流速度，可使除砂效率稳定。沉砂池内部有一台除砂机、一个提砂阀、一个洗砂阀、一台砂水分离器和两台鼓风机，除砂机其主要作用是将砂粒吸走，需要对其进行监测和控制。除砂机的启停，可由现场控制柜手动控制，也可以由中央控制室的上位机进行远程控制。除砂机、鼓风机、洗砂阀、提砂阀与砂水分离器实行联动运行。联动顺序：除砂机－洗砂提砂阀－鼓风机－砂水分离器。整套除砂系统设备除了可以联动运行外，每个设备也可以单独运行。
4.2.5氧化沟
氧化沟集缺氧、厌氧
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广州净葩自动化控制设备有限公司
联系人：卢世科
联系电话：020-
传真：020-
联系地址：广州市番禺区钟村五羊商务中心B213(祈福医院正对面)
技术支持：&&&&吴建强,黄沈发,丁玲,程南宁,
上海市环境科学研究院,河海大学环境科学与工程学院,上海勘测设计研究院,
环境科学、安全科学
人工湿地中的水生植物向系统中输送大量的DO，并为系统中的微生物提供栖息地，使得系统中连续同时发生硝化和反硝化（SND）反应。DO的高低直接影响到人工湿地系统SND的效果，根据SND的发生机理，可采用复合植物床（系统前端栽种泌氧能力强、后端泌氧能力稍弱的水生植物）和间歇运行的的方式来改善整个系统的脱氮能力。pH过高或过低都会抑制人工湿地系统的SND作用，最适宜值为7．0，据此可以选择适当pH的湿地填料来提高系统的SND作用。当前位置:&&
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第五章污水处理系统的运行管理讲义
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过程系统环境(火用)经济分析与优化的环境效应量化策略研究
Ｖ分类号ＴＱ 学校代号：学 号：１０５６ｌ７８６０８７２００２３７０００２０１０４２华南理工大学硕士学位论文过程系统环境炯经济分析与优化的环境效应量化策略研究（国家重点基础研究发展规划项目：Ｇ２００００２６３０７） （教育部优
秀青年教师资助计划项目）（广东省自然科学基令项目：０４０２０１２８）张遂指导教师： 尹清华教授 华南理工大学化工与能源学院 副导师：申请学位级别：王堂亟± 论文提交日期：２ＱＱ§：Ｑ§ 学位授予单位和口期： 答辩委员会主席： 论文评阅人：专业名称：丝堂工程论文答辩日期：２ＱＱ§：Ｑ鱼 坐直堡工盔生华贲教授 解新安副教授 高学农副教授摘要摘要过程工业快速发展所引发的环境污染使得自然生态平衡和人类生存环境遭到 一定程度的破坏。当前，我国环境污染的突出矛盾是大气污染和水环境污染。 本论文基于过程系统三环节环境Ｊ堋经济学模型，讨论了过程系统废物炯的环 境影响问题，探讨了过程系统环境煳经济分析优化中环境影响的量化策略。过程 系统废物拥的量化策略包括基准态的选择原则、参考环境模型选用及废物炯的计 算。在环境参考模型的基础上，考虑化学炯计算的方便和简洁性，提出了引入国 家环境排放标准作为计算的基准，以此来计算所排放的污染废物的炯值，充分反 映所排放的污染废物对环境的影响程度。同时对废物炯计价进行了分析，结合国 家污水排放收费计算，从热力学分析的角度为政府制定污水排放收费标准提供依 据。所提出的环境量化策略对环境友好工艺路线的开发应用以及新建的污水处理 设施投资与优化设计具有一定的指导意义，从而改变“先排放后治理”的被动局 面，从源头控制污染物的生成。 论文将三环节模型与环境炯经济学结合起来，把过程系统分解为转换、利用 和回收三个子系统，其分解协调优化策略为：先对各子系统分别进行环境煳经济 优化，优化顺序为利用环节、回收环节到转换环节：然后以有效利用Ｊ堋价和待回 收煳价为协调变量，调整后作为子系统优化的新边界条件，迭代序贯优化便能达 到过程系统全局的优化。在各个环节优化时，迸一步将各个子系统分为废物治理 子系统和主子系统，将环境目标与传统焖经济目标分离，运用分解协调技术进行 各个环节的优化。过程系统优化目标函数包括过程系统的投资费用、操作费用和 环境费用，具有明确合理的物理意义和工程意义。采用过程系统的环境娴经济分 解协调优化策略，在各个环节／子系统分别优化的基础上进行全局环境炯经济协 调优化，能够得到全局优化的方案，对简化复杂系统的分析优化具有十分重要的 现实意义。 运用所提出的环境量化策略，在三环节环境炯经济学模型的基础上，以催化 裂化装置的操作调优作为优化目标，结合催化裂化装置的用能特点和污水排放特 点，进行了环境炯经济综合优化，示例了该策略方法的可行性和有效性，为复杂 过程系统的全局优化提供了有效的简化方法，达到整个过程系统的社会效益、环 境效益和经济效益的统一。关键词过程系统；环境影响；煳经济学；过程系统优化ＡＢＳｎ认（了ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｒｅｓｕｌｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｄｅｓｔｒｏｙ ｔｈｅ ｂａｌａｎｃｅ ｏｆ ｎａｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｉｖｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｔｏａｃｅｒｔａｉｎｅｘｔｅｎｔ．Ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅｐｒｏｍｉｎｅｎｔ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎＣｈｉｎａｉｎｃｌｕｄｅ ａｉｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ． Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｔｈｒｅｅ―ｌｉｎｋｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｅｘｅｒｇｏｅｃｏｎｏｍｉｃｏｎｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｗａｓｔｅ ｅｘｅｒｇｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｉｎｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｈｅ ｔｈｅｗａｓｔｅｓ ｆｒｏｍ ｆｏｒ ｃｈｏｏｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｓｔａｔｅｓ，ｔｈｅ ｏｆ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｏｎｒｅｆｅｒｅｎｃｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｔｈｅ ｂｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｓ ａｍｏｄｅｌ，ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｌｙｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｗａｓｔｅｅｘｅｒｇｙ．Ｂａｓｅｄ ｅｘｅｒｇｙｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｔａｋｉｎｇ ｔｈｅｗａｓｔｅ ｎａｔｉｏｎａｌｃｈｅｍｉｃａｌｃａｎｂｙｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｅｍｉｓｓｉｏｎｏｎｓｔａｎｄａｒｄｓｒｅｆｅｒｅｎｃｅ．Ｔｈｕｓ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｓｔｅｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｃａｎｂｅ ｅｓｔｉｍａｔｅｄ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄｃｌｅａｒｌｙ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｃｏｓｔ ｏｆ ｗａｓｔｅ ｅｘｅｒｇｙ ｉｓｓｔｕｄｉｅｄ ｐｒｉｍａｒｉｌｙｗｉｔｈ ｔｈｅ ｎａｔｉｏｎａｌ ｃｈａｒｇｅ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｗａｓｔｅ ｗａｔｅｒ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ．Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ， ｔｈｅ ｇｉｓｔｓ ｆｏｒ ｗｏｒｋｉｎｇ ｏｕｔ ｔｈｅａｒｅｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔ ｃｈａｒｇｅ ｓｔａｎｄａｒｄｓ ｆｏｒ ｗａｓｔｅ ｗａｔｅｒａｎａｌｙｓｉｓ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｖｉｅｗ．Ｔｈｅａｎｅｍｉｓｓｉｏｎｓｐｒｏｖｉｄｅｄ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｔｈｅｆｒｏｍ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｏｆｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｅｆｆｅｃｔｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｈａｓａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆｉｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅｆｏｒｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ―ｆｒｉｅｎｄｌｙｗａｓｔｅ ｗａｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｔｈｅ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ａｎｄ ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ．Ｔｈｕｓ，ｔｈｅ ｐａｓｓｉｖｅ ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｆｉｒｓｔ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｌａｔｅｒ ｄｉｓｐｏｓａｌｃａｎｂｅ ｃｈａｎｇｅｄ． Ｔｈｅｎａｓｃｈｅｍｅｃｏｍｂｉｎｅｄｉｓｔｈｅｔｈｒｅｅ―ｌｉｎｋｔｏｍｏｄｅｌｔｈｅａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｅｘｅｒｇｏｅｃｏｎｏｍｉｃｗｈｉｃｈｓｔｒａｔｅｇｙ ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｐｒｏｃｅｓｓｓｏｌｖｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｔｈｒｅｅｄｅｃｏｍｐｏｓｅｄｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍｉｎｔｏｃａｎｓｕｂｓｙｓｔｅｍｓ．Ｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｓｙｓｔｅｍｌｉｎｋ Ａｎｂｅ ｓｏｌｖｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｒｅｅ―ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌａａｎｄｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎｅｘｅｒｇｏｅｃｏｎｏｍｉｃｉｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｙ．ｔＯｅｘｅｒｇｏｅｃｏｎｏｍｉｃｃａｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｆｉｒｓｔｌｙ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄｅａｃｈｓｕｂｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎｔｈｅｎ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｏｆ ｐｒｏｃｅｓｓｏｂｊｅｃｔｉｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎｆｏｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｃｏｓｔｓｙｓｔｅｍｓ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅｓｃｏｓｔ，ｈａｓ ｔｈｅ ｃｌｅａｒ ｏｆｔｈｅ ａｎｄ ｔｈｅｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔｐｒｏｐｅｒＣＯＳｔ，ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｈｙｓｉｃａｌｍｅａｎｉｎｇｓ．ＴｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎⅡ华南理工大学硕士学位论文ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｓｔｒａｔｅｇｙｃａｎｅｘｅｒｇｏｅｃｏｎｏｍｉｃｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｏｃｅｓｓ ｓｙｓｔｅｍｓａｎｙ ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｒｏｃｅｓｓ ｓｙｓｔｅｍｓ． Ｆｉｎａｌｌｙ，ｂａｓｅｄ ｐａｐｅｒ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅａＮ ｏｎｓｉｍｐｌｉｆｙ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅ ｔｈｒｅｅ―ｌｉｎｋ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｅｘｅｒｇｏｅｃｏｎｏｍｉｃ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｅｘａｍｐｌｅｆｏｒｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＴｈｅａＦＣＣＵ ｂｙ ｕｓｉｎｇｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｙｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｐｐｒｏａｃｈ ｉｓ ｗａｓａｎａｌｓｏ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｗｈｉｃｈｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｉｔｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎｙ ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｒｏｃｅｓｓｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｒｏｃｅｓｓｓｙｓｔｅｍｓ，Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｍｐａｃｔ，Ｅｘｅｒｇｏｅｃｏｎｏｍｊｃｓ，Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｏｃｅｓｓ ｓｙｓｔｅｍｓＩＨ华南理工大学 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：结‘遂日期：ｊ。－５年６月，毒日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在一年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密囱。 （请在以上相应方框内打“４”）导师签名：坳 日期：娇占月多日作者签名：绍造日期：蚺年易ｙｊｌ弓日第一章绪论第一章绪论１．１过程工业与环境污染改革开放以来，我国的经济建设取得了很大成就，２００３年我国国民生产总 值突破１０万亿大关，人民生活基本达到小康水平，我国国民经济每年保持７％的 发展速度。然而与高速发展的经济相伴生的一系列问题的出现，破坏了自然界存 在的有机状态与自然协调发展的关系，使生态平衡和人类生存环境遭到破坏ｍ。 近年来，环境污染的问题愈来愈严重。工业发展的废气以及冰箱、空调等的 致冷剂污染了地球的大气圈，形成酸雨、烟雾；大气臭氧层被破坏使得全球气候 变暖，工业发展中所排放的废水又使得地球上十分有限的水资源受到严重污染， 水生生物快速减少，污染严重的水域，甚至导致大面积鱼类死亡：大量的固体废 物，如废渣、废塑料等不易在自然界降解的其它垃圾，充斥着各个角落，而这些 对人类生存环境的影响往往更加持久。 过程工业（ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎｄｕｓｔｒｙ）是进行物料转化的所有工业过程的总称，包含化学、炼油、石化、能源、冶金、建材、核能、生物技术以及医药等工业过 程，作为基础工业，对于发展国民经济、增强国防力量起着关键作用。 过程工业同时又是环境污染的主要来源，有７０％左右的污染来自工业。１９９９ 年为１９７．３亿吨，生产工艺过程中废气排放量３６０８万吨。工业固体废物产生量 ７．８亿吨，占总产量的８３．３％ｎ，。总体来看，我国工业环境问题有这样几个特 点：第一，由于工业布局不够合理，使城市和一些工业集聚区随着过重的环境负 荷，其环境质量大部分都己恶化到“舒适水平”以下；第二，工业污染物排放的 总量很大；第三，工业污染是与大量浪费资源相伴的，工业生产的资源利用效率 不高；第四，工业结构中对环境影响较大的重污染型行业占的比重较大，形成了 刚性很强的“结构性污染”；第五，小型工业多，资源消耗高，浪费大，污染重【¨。２１世纪是绿色化世纪，资源与环境是密切相关的可持续发展关键问题。就 如何解决过程工业所引发的环境污染问题，人们最初的办法是对生产过程中产生 的污染进行综合治理，企业和政府投入大量资金和人力，对环境污染的治理方法 和技术进行了大量的研究开发，发展了水处理技术，大气污染治理技术，固体废 弃物处理技术和噪声治理技术等环境保护手段，对环境生态起到了有效的保护作 用，但是，随着人类社会的不断发展，生产规模的迅速增长，环境治理的速度远华南理工大学硕士学位论文远落后于环境污染的速度，而且用于治理的费用不断攀升。地球的生态环境随着 工业生产的不断进步而迅速恶化，且已严重威胁着人类的生存。 清洁生产是一种将污染防治战略持续地应用于生产全过程的新的生产方式， 其核心是从源头抓起，预防为主，全过程控制，实现经济与环境的协调发展。就 过程工业来说，实施清洁生产，采用绿色化生产工艺。可以把过程工业污染尽可 能消灭在生产过程中，使工业生产废物最小化，从源头减少污染物的排放，变被 动治理污染为积极预防污染。通过提高资源的利用效率，降低生产成本，提高经 济效益。 在我国，环境污染的突出矛盾是大气污染和水环境污染。由于大气循环规 律，大气环境的污染又加重了承环境的污染。２００３年，全国工业和城镇生活废 水排放总量为４６０．０亿吨，比上年增加４．７％。其中工业废水排放量２１２．４亿 吨，比上年增加２．５％：城镇生活污水排放量２４７．６亿吨，比上年增加６．６％。废 水中化学需氧量（ＣＯＤ）排放总量１３３３．６万吨，比上年减少２．４％。其中工业废 水中ＣＯＤ排放量５１１．９万吨，比上年减少１２．３％；城镇生活污水中ＣＯＤ排放量 ８２ｌ，７万吨，比上年增加５．Ｏ％。废水中氮氮排放总量１２９．７万吨，比上年增加 ０．７％。其中工业废水中氨氮排放量４０．４万吨，比上年减少４．０％；城镇生活污 水中氨氮排放量８９．３万吨，比上年增加３．Ｏ％ｎ，。 我国的废水排放总量一直较大，且呈明显递增趋势。１９９７～２００３年我国废 水排放总量为３９５９．８亿吨，平均每年排放量４２２．８３亿吨，且２００３年比２００２ 年增加４，７％；工业废水排放总量１ ４４１．７亿吨，平均每年排放量２０５．９６亿吨， ２００３年比２００２年增加２．５％ｎ，。工业废水量总体波动不是很大，但我国工业企 业的污染，无论是绝对量，还是单位产品排污量，都比工业发达国家高得多，且工业废水中含有多种对环境危害极大的污染物。根据《发展的基础一一中国可持续发展的资源、生态基础评价报告》中预测的结果：２０１０年我国污水排放量将 达４０２８．３亿吨，水环境污染超载率为一３２．４％；２０２０年污水排放量将达４２０９．９ 亿吨，水环境污水超载率为一２９．４％…。１．２娴经济学理论简介与发展现状煳（Ｅｘｅｒｇｙ）通过能量的量与质的结合科学地揭示了能量的本质。它是在 一定的环境状况下系统能耐相关外界作的最大有用功。体现了能量的真正价值。 炯分析将热力学第一定律和热力学第二定律有机结合起来，能够发现过程用能的 薄弱环节，指出用能改进的潜力与方向。但炯分析法片面强调降低系统的炯损 耗，忽视了煽损耗在系统中作为过程进行的推动力作用，因此很可能得到经济上 并不可行的方案。提高能量利用率并不是一个单纯的热力学问题，实际的设计方第一章绪论案必须是在满足工程实际要求的前提下，达到热力学的完善性与经济上的最大效 益两方面的目标。 １９世纪末，ＧｉｂｂＳ（１８７３）、Ｇｏｕｙ（１８８９）和Ｓｔｏｄｏｌａ（１８９８）分别提出了能量 可用性以及能的质量等概念ｍ”。１８９８年Ｓｔｏｄｏｌａ和Ｇｏｕｙ又把可用能损失与熵 增联系起来研究，奠定了热力学第一定律与第二定律结合的基础ｍ”。２０世纪３０ 年代，又出现了可用性函数和做功能力函数等概念，使得焖的名称和含义较为混 乱。１９５６年南斯拉夫的Ｒａｎｔ提出了用一个新术语Ｅｘｅｒｇｉｅ，统一了炯的名 称，并被广泛接受。直到２０世纪７０年代，我国才有较大规模的炯分析与炯经 济学理论与应用研究ｍ”。 ２０世纪５０年代末和６０年代初，在焖分析的基础上，炳经济学悄然兴起。 炯经济学是以炯作为能量计价的基准，通过能量的正确计价定量地反映出炯流与 经济流之间的关系，使投资费与炯耗费（操作费）有机地统一起来。２０世纪７０ 年代初的全球能源危机后，能源成了举世瞩目的问题，炯经济学也就从单纯的学 术探讨跨进了工程应用领域，并得到了长足发展。在工程应用领域的决策中，不 仅要考虑热力学的合理性和完善性，更要考虑其经济性。炯经济学是热力学第二 定律分析（炯分析）与技术经济学相结合而产生的一门新兴交叉学科。它的目标 是在进行系统的操作评价和优化时，将热力学第二定律分析与经济因素在数学上 结合成单一的模型来考虑，为系统的合理用能提供经济上的保证。炯平衡与费用 平衡方程构成了炯经济学分析优化的基础。费用平衡方程是炯经济学的基本点， 是连结系统中物流、拥流及经济流的纽带，以此构成不同炯流实际价值计算的前 提。拥经济学是能正确给能量计价的科学方法，且能定量地反映能量（炯）流与 经济流之间的关系ｎ“。１．２．１炯经济学基本观点拥经济学认为：（ｉ）系统处于两个环境之中，即由环境温度、环境压力以及 一集环境化学势所描述的物理环境和一集市场价格描写的经济环境；（ｉｉ）能量 在热力学上是不等价的，其价值取决于炯含量；（ｉｉｉ）炯在经济学上是不等价 的。炯平衡与费用平衡方程构成了炯经济学分析优化的基础。 对任何体系，除质量（Ｍａｓｓ）及能量（Ｅｎｅｒｇｙ）平衡式外，还可建立炯 （Ｅｘｅｒｇｙ）与费用平衡式（Ｃｏｓｔ ｂａｌａｎｃｅ）。如图１一ｌ所示，考虑稳流条件下组元 ｊ的煳平衡与费用平衡，假定过程吸热对外作功，且组元的炯传递量分别为凰、觑。、谛及觑。，结合各自的炯价，可以分别写出炯平衡式与费用平衡式：华南理工大学硕士学位论文控制边界Ｗ图卜１组元ｊ炯与费用平衡示意图Ｆｉｇ．１―１Ｇｅｎｅｒａｌ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｘｅｒｇｙ ａｎｄｃｏｓｔｂａｌａｎｃｅｓ ｉｎＪ―ｔｈ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ∑（如），＋屯．』＝∑（觑。）Ｊ＋嘭＋西可ｉＥ（卜１）∑（ｃｅｌ鼓。）』＋ｃⅣ．Ｊ嘭＝ｃｑ，，崴，Ｊ＋∑（ｃｌ应＿），＋毛ｆ（卜２）ｆ觑，、成，分别为进入及离开组元Ｊ的炯流率，盘。与谛分别为所交换的热煳及功，Ｃ则为各自媚流的煳价；Ｄ。、２ｉ分别为组元的炯损与投资费用。 系统炯平衡方法主要应用于计算过程或整个系统不可逆的炯损失，不可逆性 是用能过程热力学系统完善性的量度。通过熘平衡分析计算可以得出系统全局， 各环节直至单元设备的焖损耗大小，确定系统不可逆的位置，查明系统用能的薄 弱环节，指出过程用能改进的方向。费用平衡方程是煳经济学的基本点，是连结 系统中物流、Ｊ媚流及经济流的纽带，以此构成不同佣流实际价值计算的前提。 Ｇａｇｇｉｏｌｉ等¨ｏ…，结合热、电联产系统，采用炯平衡方程与费用平衡方程求 出煳流的平均单价，提出了一套炯成本会计方法，对系统中某一单元ｋ，有：∑觑；＝∑威，＋觑。ｔｎ．ｋ（卜３）ｏｕｔ上∑（觑；Ｃ１）＝∑（蠡，ｃｆ）＋之（１－４）口叫上 ｈ止式中觑和ｃｉ分别为第ｆ股流的炯流率和炯成本单价，威。与之分别为ｋ单元的Ｊ堋损耗率和非能量投资率。 应用煳经济学分析所得的炳流平均单价的概念，以单元输入炯流的单价直接 计算单元内煳损的费用，对系统进行分析优化。但这只是局部分析优化，未考虑 系统内某个单元的变化对其它单元及整个系统的影响。 Ｔｓａｒｓａｒｏｎｉｓ等ｍ ｍ提出了分析和识别能量系统用能薄弱环节的一套方法， 把单元中炯流划分为“燃料”煳与“产品”炯，对第ｋ单元，考虑排弃Ｊ堋计 价，可以写出以下炯流平衡式与费用平衡式：Ｅｘ＆＝Ｅｘｍ＋ＥｘＤｔ－ｔ－ＥｘⅡ（１―５）４第一章绪论ｃ％龟ｘＰｋ＝ｃＲＥｘ＆＋之ｋ一亡№（１―６）式中，下标只只口￡分别表示燃料，产品，炯损耗（Ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ），排 弃拥（Ｌｏｓｓ），Ｃ表示费用流率。 其中，ｋ单元中燃料炯与产品炯单价由下式计算ｃＲ＝ｃＲｆＥｘＲ（１―７） （１－８）ｃ％２Ｃ％｜ＥｘＰｋ式中，ｅ。与ｅ。分别表示燃料与产品的费用流率。 对于具有多种产品的系统，由于所列费用平衡方程数少于产品炯流数，就不 能同时确定联产的几种不同形式炯流的价格，为此必须根据具体的生产情况及经 济因素引入某些联产炯价的边界条件，即附加方程来求解，而且此边界条件只能 是经济学上的，因为无论是热力学还是动力学都不可能给出这些Ｊ朋流应有不同价 值的内在依据。通常采用的方法有：（１）提取法；（２）均值法；（３）副产法；（４）增值法【ｌ¨ｎ１．２．２炯经济学发展概述炯经济学是以煳的传递和转换规律与技术经济学相结合而产生的一门新兴交 叉学科ｍ，，它以经济效益为尺度科学地评价系统用能的完善性。炯经济学以炯作 为能量计价的基准，是迄今给能量计价的唯一科学方法，且通过能量的正确计价 定量地反映出能量（焖）流与经济流之间的关系，使得系统操作费与设备投资费 有机地统一起来，因此炯经济学构成了系统能量综合优化的基础。 Ｋｅｅｎａｎｎ”首先提出使用炯来计价，并针对汽、电联产装置，指出产品的经 济价值在于其煳含量而非能量。ＴｒｉｂｕＳ和Ｅｖａｎｓ等人的开拓性工作“７。”，导致 了５０年代炯经济学的产生，它的目标是在进行系统的操作评价及优化时，将热 力学第二定律分析与经济因素在数学上结合成单一的模型来考虑。系统的优化基 本上是投资费用与Ｊ堋耗费之间的权衡，所以经济目标函数中必须按炯来计价以反 映炯耗的积极作用。以上因素导致了炯经济学理论与方法的产生，其目标为用能 系统的全局技术经济优化。Ｅ卜Ｓａｙｅｄ，Ｇａｇｇｉｏｌｉ，Ｔｓａｔｓａｒｏｎｉ Ｓ，Ｖａｌｅｒｏ及华 贲等ｎ“２０－Ｚ ４］先后推动了炯经济学理论及方法的发展，并将其用于不同系统的分析 优化中，即有能量系统焖经济学方法和过程系统煳经济学方法。 （１）能量系统焖经济学方法 用于能量系统分析优化的煳经济学方法取得了较大的发展。Ｂａｙｅｒ提出了结 构方法ｎ“。它是以结构系数概念为基础，借助局部佣损单价的分析优化方法。它华南理工大学硕士学位论文主要是通过结构键系数（Ｏ＂ｋ．；＝（甜，，甜。），。．，０及露分别为系统及组元ｒ及ｋ的堋损流率｝来考虑炯损的热力学不等价性以及通过投资费用系数｛彘，，＝∑（ａａ／甜。）。：删。，为第ｆ组元的投资费用）考虑投资费用贡献的热经济学指数。 Ｔｒｉｂｕｓ，Ｅｖａｎｓ等以系统组元的孤立优化为基础，假定将系统分成许多独 立的组元或子系统，应用进出系统炯流的局部单位成本，进行局部变量优化的孤 立化方法¨ｓ ｗ。此方法利用作为输入炯的局部边缘价格的拉格朗日乘子，经过一 系列发展，产生了热经济功能分析方法ｍ，、工程功能分析方法“”、及智能功能方 法ｍ，。李世武ｍ，在热经济孤立化思想的基础上，提出了热经济准孤立化优化方 法，即通过各子系统的热经济优化结果间的简单协调，以迅速达到热经济孤立化 成立的条件，此方法能有效地增大热经济孤立化的应用范围及优化结果的可信度。Ｔｓａｒｓａｒｏｎｉｓ等发展的炯经济分析评价方法…一，通过引入“燃料炯”与 “产品焖”的概念及所提出的一系列系统操作状况的评价指标，如炯效率、炯损 耗率、相对成本差及炯经济参数等来分析评价系统中各组元运行的经济有效性， 应用一些经验调优规则来改善整个系统的经济性与用能效率以及进行系统的优化 设计。 Ｖａｌｅｒｏ等发展起来的熘代价理论ｍ，，将系统生产任何产品炯流所需消耗的 炯的真正数量定义为“焖代价”，并以炯代价与炯的比值作为“单位炯代价”；以Ｔｓａｒｓａｒｏｎｉ ｓ等的工作为基础，试图用矩阵代数式来评价进出子系统炯流的单位炯经济成本，从而确定焖经济成本，且将其与子系统炯效率、煳枝点分流比 率及外部焖输入进行关联以研究它们对系统运行的影响；此理论方法的重点在于 分析而非优化，其所得成本与Ｔｒｉｂｕｓ等优化计算所得的边缘成本相同。 在国内，煳分析与炯经济学方法也得到了广泛的研究与应用。宋之平、王加 璇ｍ，将热经济学研究介绍到国内并开展这方面的研究工作。宋之平等…１”在炯及 焖经济学的基础上提出了用于能量系统分析优化的单耗分析理论，并应用此理论 对热电联产系统，海水淡化系统进行了优化设计。王加璇等…１从系统描述入手， 利用事件矩阵及系统燃料一产品及残余的定义，提出了热经济学定价的矩阵法， 且强调在浮动价格结构下的灵敏度分析的重要性。 朱明善等ｎ…“提出了表征能量系统热力学完善性的几种评价指标，即焖损系 数影响因子及第二炯损系数，分别表示某环节ｆ的炯损系数相对变化１％时系统总 效率的相对变化率及单位收益煳时环节的内外局部炯损值；在对换热器与余热系 统进行了热经济学优化的基础上，探讨了大系统中单元优化的热经济学方法，提６第一章绪论出了一个炯经济学分析评价的指标一热经济效益率和“热经济影响因子”的概 念，以此全面反映热力学与经济学因素对系统总特性的影响趋势及程度，导出了 辨别系统中热经济薄弱单元以及可用来进行灵敏度与动态特性分析的指标。 杨东华等ｎ…”提出了三种目的炯效率，提出了“同一流”思想，以唯一确定 单元的收益炯与消耗烟项及单元炯效率，为分析评价用能过程的合理性，提出了 能级平衡分析理论，之后引入了经济学概念，指出实际用能过程中存在一个最佳 经济能级差。项新耀ｔ４１，４ ２，以研究炯的传递速率及影响因素为目的，阐述了煳传递 的基本概念及其产生与应用过程。 华贲和陈清林ｍ，分析了能量系统中能量的多级转换和回收利用的共同特征， 提出了能量系统通用的双子系统模型。任何复杂的能量系统都可以看成由一个主 子系统和一个回收子系统的构成的。由于分解后子系统结构相对简单，所包含的 变量相对较少，所以对复杂的能量系统可以相对容易地分析和优化。 （２）过程系统三环节炯经济学方法 华贲等ｍ?“，从能量在过程系统中的作用和追踪其变化线索入手，提出了三环 节能量平衡和炯经济结构模型，如图１．２和图１．３所示。该模型按过程系统中 能量的演变过程将系统划分为三个不同功能的环节，即能量转换环节、能量利用 环节、能量回收环节，并指出：目的工艺过程所在的能量利用环节是起决定作用的。三环节能量结构模型不仅概括了各种类型与复杂程度的过程系统能量结构与 共性规律，而且建立了较严格的普遍模型。目的工艺过程所在的能量利用环节 （即过程系统的核心部分）是起先决作用的，是过程系统用能的关键环节。在一 定的动力学约束前提下，煳作为过程的推动力，在推动过程以一定的速度进行， 完成物流的过程转换所需消耗的焖量为Ｄ。。能量转换环节和能量回收环节在功 能和特性上与“能量系统”大致相同，但在此作为过程系统的子系统，它们只起 辅助作用。由于过程系统包含核心的能量工艺利用环节，在那里发生的不是能量 的转换，而是通过嫡损的推动力作用完成过程物料的变化，应用炯经济学进行系 统的优化时，很难采用与能量系统相同的策略和方法体系。华贲等ｎ……ｑ巴系统 技术与煳经济学有机结合起来，发展了独具特色的用于过程系统全局优化的三环 节炯经济策略方法。在三环节能量和炯平衡结构模型的基础上，结合炯经济学， 建立了如图１．３所示的过程系统三环节煳经济分析模型。在三环节炯经济学模 型及经济边界条件的基础上，通过炯耗费与投资费的权衡，华贲等ｍ…，给出了以 下过程系统总的炯经济学优化目标函数：ＭｉｎＯ，＝（∑∑ｃ。；＆柳一∑ｃ印ｎ例）＋∑２爿（１－９）７华南理工大学硕士学位论文外供入能ＥＰ图１―２三环节能量结构模型Ｆｉｇ．１－２ Ｔｈｒｅｅ?ｌｉｎｋ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｍｏｄｅｌ∑∑（Ｆｚ，）。（ＦＪ口）』图１―３三环节炯经济模型Ｆｉｇ．１―３ Ｔｈｒｅｅ－ｌｉｎｋ ｅｘｅｒｇｏｅｃｏｎｏｍｉｃ ｍｏｄｅｌ陈步宁ｍ，将物耗目标或销售收入结合到过程系统优化目标函数中，研究了 原材料消耗与能耗费、销售收入与能耗费的煳经济同时优化问题，丰富了三环 节策略方法。陈清林ｍ，针对过程系统炯流计价，指出了传统的按正向的序贯分 析计价方法的不足，提出了当量计价的方法策略；并将新的计价方法用于能量 系统的分析优化，按照能量系统中能量的多级转换与利用的特点，建立了用于第一章绪论能量转换系统分析优化的双子系统模型，发展和丰富了三环节策略方法和炯经 济学理论。１．３环境炯经济学近年来，能源危机，同时伴随工艺过程引发环境污染的日趋严重，引起了 世界范围的广泛关注，实现可持续发展的任务已刻不容缓。因此，一些学者开 始了利用热力学参数炯来探讨污染物排放的环境影响的理论与应用研究“””１。炯 （ｅｘｅｒｇｙ）是体系在一定的环境条件下向相关外界做出最大有用功的能力，体系 的炯源于和环境之间的强度量差。利用｜堋来衡量和评价体系对环境的影响会更 为客观合理。研究能量的利用过程首先需要定义一个范畴即环境，环境是存在 于体系周围的外界的一部分，环境相对于体系来说具有无穷大的广延量，因而 在体系的变化过程中，它的强度量保持恒定。可以在实际自然环境基础上理想 化，从而抽象出一个参考环境状态，作用是为热力学分析提供一个参考点。体 系与参考环境成热力学平衡的状态，即体系与参考环境的所有强度量完全相等 的状态称为体系的寂态，寂态是以用能为目的的过程所能达到的最终状态。体 系的炯被定义为：当该体系经历了一个可逆过程到达它的寂态时，向相关外界 做出的最大有用功。 Ｆｒａｎｇｏｐｏｕｌｏｓｍ，在对大量能量系统分析优化基础上，发现整个能量系统是 由一系列具有内在联系的、特定功能的单元组成，每个单元均可分为主系统和 污染治理系统。Ｆｒａｎｇｏｐｏｕｌｏｓｍ，将污染治理费用和污染物收费分别表示为污染 去除率的函数，通过寻求环境费用的最小值，得到污染物的最优去除率，以及 决定整个系统包括环境在内的最主要影响变量，从而实现系统总费用最小。在 确定排污费用时，将其看作是其计量单位的线性方程，充分考虑市场因素和国 家有关优惠政策，减少污染排放能提高经济效益，将环境效益统一在总的经济 效益中，实现经济和环境的协调，对提高环境效益有较大促进作用，同时将研 究成果应用于带有烟气脱硫的燃气透平装置的优化。 Ｂｏｒｃｈｉｅｌｌｉｎｉｍ，在对三种不同的电厂煳经济学优化的基础上，探讨了二氧 化硫、二氧化氮治理对电厂成本的影响，并给出了同时考虑污染物治理的环境 熘经济学的最优化操作参数。侧重讨论了二氧化碳治理和付税对电厂成本和效 率的影响，为在不同的二氧化碳治理费用和税收前提下电厂的设计和操作最优 化提供依据。 Ｃｕｒｔｉｍ，定义了污染收费因子来计算污染费用，并修正了ＶｏｎＳｐａｋｏｖｓｋｙ等定义的污染函数，新的污染函数与ｋｕｍｍｅｌ的生态经济思想相一致，能使系统 优化时，减少废物排放，达到生态环境的最佳承受量。并且以一区域供热网络９华南理工大学硕士学位论文优化为例，分别给出了用炯和货币为基本单位进行系统优化的模型及各项具体 表达式，使得带有热泵和联产的供热网络在进行供热网络的优化设计和各项设 备优化选型等原本复杂的问题，可以通过求解单一的数学模型的最优化解，达 到整个供热网络的经济与环境的最优。Ｐｅｌｓｔｅｒ“ｎ等提出可借助传统的理论成果和方法如交互参数影响，在现有各个过程的优化及其对环境影响的基础上，确定各自的费用流率，进行过程的优 化和设计。并以一联合循环电厂为例，通过对各种技术和设备进行分析比较， 得到了该电厂在不同排放限制和收费情况下的优化设计方案。 杨少华ｎ”利用考虑环境影响的三环节Ｊ堋经济学模型的炯平衡方程和价值平 衡方程，从过程系统及其予系统费用的定义出发，推导出了过程系统总的环境 炯经济优化目标函数以及转化环节、回收环节和利用环节的环境佣经济优化目 标函数，并给出了过程系统环境媚经济优化的分解协调优化策略。 郑莆燕等””从能量系统的焖平衡出发，将系统对环境的排放煳从炯损失中 分离出来，依据符号炯经济学的原理建立了包含环境影响在内的系统炯、炯成 本和媚经济学成本分析模型，并以燃气轮机功热并供（ＣＧＡＭ）系统为例推导出 了矩阵求解方程，从而得出了能量系统的技术、经济和环境的拥经济综合分析 模型。 杨勇平等ｕ“在传统炯经济学分析的基础上，将环境成本引入到炯经济学分 析中，首先提出了“广义子系统”的概念，建立了包括炯环境成本平衡在内的 各种平衡方程；在系统生产结构的描述中，将系统中的炯流划分成外界输入煳 流、内部炯流以及向外界输出炯流三类，建立了以矩阵形式表示的各种平衡方 程，用于求解系统中各股煳流的单位煳成本、单位煳经济成本、单位环境成 本、单位综合堋经济成本等性能参数。并针对某国产２００ＭＷ机组进行了实例计 算，从而可以使发电机组的经济分析能够适应在新的电力市场环境下实施污染 物排放折价的需要。 朱雪飞ｎ ７，等通过对能量系统的能流分析及其废物流变化特征，提出了增设 废物处理子系统进行系统排放废物的达标处理，并将整个系统划分为能量转换 主子系统及废物治理附属子系统，建立了环境炯经济学并行模型，给出了两个 子系统各自的同时考虑热力学、经济学、环境三个目标的环境炯经济优化目标 及相应的约束条件。运用所提出的环境炯经济分解协调优化策略方法，以二氧 化硫排放为优化目标，对某燃煤电厂进行了环境煽经济优化，示例了该策略方 法的可行性和有效性，为复杂能量系统的全局优化提供了有效的简化方法。１０第一章绪论１．４本课题来源和主要研究内容本课题是国家重点基础研究发展规划项目“高效节能的关键科学问题”第七 子课题（Ｇ２００００２６３０７）、教育部优秀青年教师资助计划项目“过程系统环境炯 经济分析与优化的环境效应量化策略研究”的研究内容。 通过提出基于胡ｊ概念的环境效应评价和量化策略和方法，结合现有的环境量 化体系，形成一套有效的环境量化的炯评价指标和理论评价体系，以评价过程系 统对环境的影响；结合环境量化的拥经济量化模型，发展完善了过程系统环境炯 经济学建模及其优化的策略方法。同时将方法应用于一个工业背景项目的环境炯 分析优化，得到了考虑环境影响的系统优化操作参数。方法的实际应用能有效地 实现同时考虑热力学、经济学以及环境三个目标的过程系统的分析和优化，有助 于改变我国过程工业能耗高、经济效益低、环境污染严重的落后局面，从整体上 推进我国过程工业技术与环境的协调发展。华南理工大学硕士学位论文第二章污染物的环境影响分析目前，工业过程已成为环境污染的主要污染来源。近年来，我国化学工业始 终是全国主要工业污染源和排放大户，环保工作仍面临十分严峻的形势，已成为 影响化学工业发展的制约因素。据统计，我国化学工业排放的废水、废气、废渣 分别占全国工业“三废”排放总量的２０％～３０％、５％～７％、８％～１０％““。本章主 要研究能源消费中产生的工业污染物对环境的影响，其中重点研究工业废水的排 放和治理对环境影响。２．１工业废水的排放和治理水是一切生命赖以生存、人类社会和生产活动不可缺少的基本物质。水在工 业生产中有许多用途，它是传递热量的介质，是工艺过程中的溶剂、洗涤剂，也 是生产原料或反应物作用的介质。但几乎所有的工矿企业在生产过程利用水的同 时，也都不可避免地要产生并排放废水。据统计２００２年工业废水排放量占全国 总废水排放量的４７．１％ｍ，。经过使用的水，往往只消耗了一小部分，其余大部分 则由于使用而改变了水质，或是升高了温度，或是混进了杂质，不能继续使用而 不得不废弃和排放。 工业废水总体上可分为两类。第一类是直接排放来自生产过程的工业废水， 例如，排放来自生产工艺过程、洗涤过程、冲洗设备和车间地板的废水，这类水 在使用过程中与原料、设备、半成品、药剂或成品直接接触，其中必然夹带大量 杂质。此类废水污染较严重、危害较大，是水污染防治的主要对象。第二类主要 来自于工业生产中间接冷却水系统，因为水在使用过程中未直接接触上述物质， 其水质相当洁净，只是水温略有升高，这类废水应尽量循环使用。 工业废水成分十分复杂，反映各企业工业废水的主要污染指标，依工业部门 不同而异。有的废水主要含有机污染物（如碳水化合物、蛋白质），有的废水主 要含无机污染物（如酸、碱、盐），有的则含毒性很大的污染物（如重金属、氰 化物、多氯联苯、有机氯农药），因此，难以用统一的水质指标来反映各工业废 水的污染状况，一般是各工业部门依行业特点确定各工业废水的主要污染指标。 例如，制革废水的主要考核指标是ＢＯＤ、ｐＨ值、悬浮物、硫化物、氯离子、三价 铬等，焦化废水的主要考核指标是ＢＯＤ、氨氮、苯酚、氰等，制糖废水主要是ｐＨ 值、悬浮物、ＢＯＤ等。 常用的废水治理方法一般可分为物理法、化学法和生物法””：第二章污染物的环境影响分析（１）物理法 利用物理作用处理、分离和回收废水中的污染物质。主要包括过滤法、沉淀 法、浮选法等。过滤法是常用的简便废水处理方法，通过筛网或颗粒滤料（如石 英砂）的阻留作用，出去废水中的悬浮物。沉淀法是通过重力沉降作用除去废水 中颗粒物的方法。浮选法是在水中通入空气产生大量微小的气泡作为载体粘附废 水中微细的疏水性悬浮固体和乳化油，使其随气泡浮在水面进而分离出去的方 法。 （２）化学法 利用化学反应或物理化学方法处理或回收废水中的污染物质，通常用于溶解 性污染物。例如，中和法用于处理酸性或碱性废水，加入沉淀剂或酸度的改变可 以使一些污染物以沉淀的形式分离，加入絮凝剂有助于胶体物质的沉淀。萃取法 可用于分离高浓度的含酚或含重金属废水；氧化还原法可以出去废水中的还原性 或氧化性物质。另外还有吸附法、离子交换法、膜分离法等。 （３）生物法 由于废水的组成极其复杂，仅靠物理和化学方法处理通常难以达到好的效 果，而且成本也很高。生物法是利用微生物吸附、分解、同化水中的有机物和某 些无机物，达到净化污水的目的。它具有投资小、效率高、运行费用低、适用性 广的特点，广泛用于工业废水和城市污水的处理。生物处理法可以分为好氧生物 法和厌氧生物法两大类，前者如活性污泥法、生物膜法等，后者一般为厌氧发 酵。也可以利用自然条件进行生化废水处理，如生物塘法、利用土地处理废水 等。 废水处理也可以分为一级处理、二级处理和三级处理ｎ…。 一级处理主要解决悬浮固体、胶体、悬浮油类等污染物的分离，多采用物理 法，如格栅、沉砂池、沉淀池等。可以通过筛滤、沉淀、上浮、预曝气等方法除 去废水中悬浮物和悬浮固体污染物，调节废水的ｐＨ。一级处理能除去悬浮固体 ７０％～８０％，生化需氧量仅去除２５％～４０％，净化效果不高，净化后废水一般不能 达到排放标准。 二级处理主要解决可分解或氧化的呈胶状或溶解状的有机物的分离，通常采 用较经济的生物处理法，它往往是废水处理的主要部分。经过二级处理ＢＯＤ可去 除８０％～９０％，一般城市废污水经过二级处理后要求ＢＯＤ＜３０ｍｇ．Ｌ～，但还含有少 量微生物、不能降解的有机物和氮、磷等无机盐类，一般能达到排放标准，可以 直接排放或用于灌溉。 三级处理是高级处理，进一步去除二级处理未能除去的污染物，包括微生物 不能降解的有机物、磷、氮和可溶性无机盐。处理方法根据不同的要求分别采用华南理工大学硕士学位论文物理化学、活性炭吸附法等。经过高级处理的污水水质可接近饮用水标准，但是 基建费和运行费昂贵，只有少数严重缺水的地区和城市，用来回收利用污水。 随着水污染的日益严重，水资源短缺加剧，水环境问题越来越突出，对污水 的治理也逐渐受到重视。在传统的沉淀、絮凝、过滤和生物处理不断改进、完善 的同时，一些全新的污水处理技术也不断出现。在此仅简单介绍膜技术和高级氧 化技术。这些技术结构紧凑、自动化程度高、特别适合于处理一般生物法不能处 理的高浓度、高毒性、难降解的污水。 ａ、膜技术”“ 膜技术是利用过滤性膜的选择性透过分离杂质的方法，已成功应用于化工、 轻工、食品、制药等各个行业，在废水处理方面也得到了广泛的应用。根据膜孔 的大小和过滤时的推动力，膜分离可分为微滤、超滤、纳滤、电渗析、反渗透 等。 （１）微滤（ＭＦ）：微滤技术主要用于除去固体微粒，在工业污水处理中可 用于涂料行业污水、含油废水、硝化棉废水和含重金属废水等的处理。 （２）超滤（ＵＦ）：同ＭＦ一样，超滤也主要用于除去固体微粒，在工业污水 处理方面应用得最普遍的是电泳涂料污水处理，在含油污水、含重金属废水、含 淀粉及酶的废水、纺织工业脱浆水和纸浆工业污水处理中也已广泛的应用。 （３）纳滤（ＮＦ）：ＮＦ膜可以用于脱除三卤甲烷、农药、洗涤剂等可溶性有 机物及异味、色度和硬度等。因ＮＦ膜结构及性能上的特点，当前已广泛地应用 于生化产品、污水处理、饮用水制备和物料回收等领域。在工业污水处理中， ＮＦ膜主要用于含溶剂废水的处理，以其特殊的分离性能成功地应用于制糖、制 浆造纸、电镀、机械加工以及化工反应催化剂的回收等行业的污水处理上：也研 究采用ＮＦ膜进行日化工业、石油工业、印刷工业废水和含杀虫剂污水等的处 理。 （４）反渗透（Ｒ０）；ＲＯ膜对几乎所有的溶质都有很高的脱除率。Ｒ０技术的 大规模应用主要是苦咸水、海水淡化和难以用其他方法处理的混合物。在污水处 理方面，ＲＯ已广泛应用于城市污水处理和利用、电镀污水处理、纸浆和造纸工 业污水处理、化工污水处理、冶金焦化污水处理、食品工业污水处理、制药污水 处理及放射性污水处理等。Ｒ０法处理出水质量很高，在水处理中通常用于最后 的精制。 （５）电渗析（ＥＤ）；该技术首先用于苦咸水淡化，而后逐渐扩展到海水淡 化及制取饮用水和工业纯水中，在重金属污水处理、放射性污水处理等工业污水 处理中也已得到应用，目前已成为一种重要的膜法水处理技术。１４第二章污染物的环境影响分析总的来说，膜分离技术用于污水处理能耗低、效率高、工艺简单、投资小和 污染轻，膜组件简洁、紧凑，易于自动化操作、维护方便。但廉价、性能完备的 膜制备和膜污损问题影响着膜分离技术在污水处理中更广泛的应用。 ｂ、高级氧化技术ｎ” 高级氧化技术是２０世纪８０年代形成的处理有毒、难降解有机废水技术，它 是通过反应产生羟基自由基，利用自由基极强的氧化性，通过自由基反应将有机 污染物有效地分解，甚至彻底转化为无害的无机物，如二氧化碳、水等。 湿空气氧化技术（ＷｈＯ）是最基本的一种高级氧化技术，它是在高温 （１２５～３２０℃）、高压（０．５～２０ＭＰａ）下，利用空气中的氧作氧化剂，在液相 中将有机污染物氧化为二氧化碳和水等无机物或小分子有机物的化学过程。 ＷｈＯ首先用于处理造纸黑液，之后被用于处理城市污泥，然后广泛用于炼 焦、化工、石油和轻工等工业废水，特别是处理有毒有害废水，如有机农药、染 料、合成纤维、无机有毒物（ＣＮ一、ＳＣＮ一等）和生物难降解的高浓度废水。与常 规处理方法相比，ＷｈＯ有以下特点： （１）应用范围广。几乎可以无选择地有效氧化各类高浓度有机废水，特别 是毒性大、常规方法难降解的废水。 （２）处理效率高。在合适的温度和压力下，ＷｈＯ的ＣＯＤ去除效率可达到９０％ 以上。 （３）氧化速度快。大部分ＷｈＯ在处理废水时，所需的反应停留时间在３０～ ６０ｍｉｎ内，与生物处理相比，废水在反应器中的停留时间要短得多，因此ＷＡＯ的 处理装置比较小，占地少，结构紧凑，易于管理。 为了提高氧化效果，可以加入氧化剂如臭氧、过氧化氢等。也可以加入均相 或非均相催化剂，降低反应活化能，从而在不降低处理效果的情况下，降低反应 温度和压力，这就是所谓的湿空气催化氧化技术（ＣＷＡＯ）。 其他高级氧化技术，还包括超临界水氧化技术、电化学氧化技术、光催化氧 化技术、超声技术、微波技术以及各种技术的组合。２．２环境影响评价方法环境影响评价的主要方法有环境影响指数评价法、分类评价法、环境危险指 数法和媚生态分析方法等。 １、环境影响指数评价法 文献ｍ，在借鉴环境质量指数评价法的基础上提出环境影响指数评价体系，主 要包括单因子和多因子指数。华南理工大学硕士学位论文表２―１Ｔａｂｌｅ ２一ｌ指数评价法的计算公式Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｉｍｐａｃｔ ｉｎｄｅｘ式中，ｅ一一第ｊ种废物的排放浓度 Ｓ；一一第ｊ种废物的排放标准扩一参与计算的废物种类ｍａ）【，；一一单因子指数中最大者 ａｖｅｌｉ一一各单因子指数的平均值均值型多因子指数的基本出发点是各种废物对环境的影响是等权的，当废物 对环境的影响相差较大时，应用计权型指数因子。内梅罗指数特别考虑了污染最 严重的因子，是应用较多的一种加权方法。 ２、分类评价法 这是ＰｉｓｔｉｋｏｐｏｕｌＯＳ等ｍ，在环境影响最小化法中提出的一种计算环境影响 的方法。此方法将废物对环境的影响主要分为六种：大气污染（Ａｉｒ Ｐ０１１ｕｔｉｏｎ）、水污染（Ｗａｔｅｒ Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ）、固体废物（Ｓｏｌｉｄ Ｗａｓｔｅ）、温室效 应（Ｇｌｏｂａｌ Ｗａｒｍｉｎｇ）、臭氧层消耗（Ｏｚｏｎｅ Ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ）、光化学氧化（Ｐｈｏｔｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）。评价步骤如下：（１）定义系统边界；（２）核查所 有流过边界的全局废物，列出排放清单；（３）根据废物对环境破坏不同，提出某 一个废物ｗ的环境影响指标Ｅ１ｗ及总环境影响指标ＧＥＩ，其定义见表２―２。将所 有的废物影响叠加起来，就得到过程的总环境影响指标ＧＥｌ：ＷＧＥｌ＝∑Ｅ１。＝［ＣＴＡＭｗｚｌＣＴＷＭＳＭＤ ＧＷＩＰ０１ＳＯＤｌ］７（２－１）该方法主要有两个优点：①ＧＥｌ包含了大量废物环境影响向量，把这些向 量转化为低维数的集合向量；②ＧＥｌ直接与环境影响相联系，而不是废物流率的加和。１６第二章污染物的环境影响分析表２－２废物ｒ环境影响指标分类ｗＴａｂｌｅ ２―２ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｉｎｄｉｃｅｓ ｆｏｒ ｗａｓｔｅ３、环境危险指数法Ｃａｖｅ等””用环境危险指数脚（Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ化学反应路径的ＥＨＩ用下式计算：ＨａｚａｒｄＩｎｄｅｘ）来评价废物对环境的影响。假定化学品对环境的破坏正比于该化学品的量，并且混合物对 环境的破坏可以加和，一个工厂内化学品的量指的是该物质在工厂中的存贮量。ＥＨＩ＝∑Ｑｆ?ＳＥＨＩｌｉ＝１（２―２）式中，Ｑ一一工厂中化学品ｊ总存贮量；俨一化学品的种类；ＳＥＨＩｉ一一化学品ｊ的比环境危险指数。在计算ＳＥＨＩ；时，主要考虑水生态和陆生态造成的危害， ＳＥＨＩ，＝，（释放１吨ｉ化学品在不同环境块中的浓度，化学品ｉ毒性）ＳＥＨＩｉ＝ＳＷＨＩｆ＋ＳＴＨＩｆ其中，ＳＴＨＩｉ一一陆生态比环境危险指数 ＳＷｉｌｌ；一一水生态比环境危险指数４、炯生态分析方法 Ｒｉｖｅｒｏ““提出用煳生态改进潜力（Ｅｘｅｒｇｏｅｃｏｌｏｇｉ ｃＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔＰｏｔｅｎｔｉａｌ）来评价过程的总体性能。在煳分析中，炯损失和炯效率分别是过程 系统性能的定量和定性指标，将两者结合起来就得到过程改进潜力： Ｐｏｔ＝－ＩｒｒＬｌ一曲＋Ｅｆｌｔ２―３、式中，尸Ｄ卜一过程改进潜力；ｎｒ一不可逆炯损耗；１７华南理工大学硕士学位论文ｒ一过程炯效率；脚一一过程排弃炯损。进一步考虑废物排弃的环境影响，则过程炯生态改进潜力可表示为Ｐｏｔｅ：＝Ｐｏｔ＋∑ＥｆｌｉｘｉＬ２－４、式中，肋厶。一一过程炯生态改进潜力：Ｆ“厂一与排放废物／相关的炯排弃； 五厂一污染物Ｊ的污染因子。通过引入反映过程排放废物生物毒性影响的污染因子乃，炯生态改进潜力就 把Ｊ堋的经济和生态意义结合起来，可作为建立工业过程炯税的基础。 ５、熵评价方法 文献ｍ，提出用熵来评价水质和水处理，水污染实际上是水中含有污染物质的 溶液，含有悬浮物质和生物的溶液及水与固体的混合物。在作熵分析时将水体分 为两个部分：液相部分和固相部分，在液相部分按热力学方法求出熵的增加，而固相部分则按微观表征方法，玻尔兹曼一普朗克公式表述的以概率为基础的信息熵来求出状态的无序程度。２．３水环境影响评价水污染指数可分为三种类型：以相对污染浓度值构造的叠加指数型（Ｉ 型）；以绝对污染浓度值构造的分级型或评分型（ＩＩ型）；以绝对污染强度出现 的概率构造的统计型（ＩｌＩ型）。 １、内梅罗（Ｎｅｍｅｒｏｗ）水质污染指数（Ｉ型）“％ 内梅罗提出了以下水质污染指数：岛＝ 式中：只一一Ｊ用途时的水质污染指数； Ｃ；一一污染物ｆ的实测浓度； Ｓ。一一．，用途时污染物ｉ的水质标准。内梅罗建议将水的用途划分为三类： ①人类直接接触使用的：包括饮用、游泳、制造饮料等；（２－５）②人类间接接触使用的：包括养鱼、工业食品制造、农业用等③人类不接触使用：包括工业冷却水、公共娱乐及航运。１８第二章污染物的环境影响分析且规定了各种用途下相对应的水质标准。 而如果要计算只，，其中的ｆ有多少项，具体选哪些指标，内梅罗建议选取１４ 种水质参数作为计算的依据：温度、颜色、透明度、ｐＨ值、大肠杆菌数、总溶 解固体、悬浮固体、总氮、碱度、氯、铁和锰、硫酸盐、溶解氧等。但实际计算 时，这１４项参数不一定都能用上，因为有的参数目前尚无标准。２、ＲＯＳＳ水质指数ｎ％１９７７年，ＲＯＳＳ在总结前人的水质指数基础上，提出选取１２个常规水质监 测参数中的４个：悬浮固体、ＢＯＤ。、氨氮、溶解氧作为评价参数。并分别给予权 重，溶解氧（ＤＯ）用饱和度与浓度两种表示法，计算公式为：４ＷＱＩ２丽ｉ＝１∑霉（２―６）式中ＷＱＩ一一水质指数； 只一一ｉ污染物的分级评分； Ｗ一一ｆ污染物的权重。表２―３各评价参数权重Ｔａｂｌｅ ２－３ Ｖａｌｕｅｓ ｆｏｒ ｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ｅａｃｈ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒ３、分级评价法“”： 这是国家环保总局曾经推荐使用的一种水质评价方法。 ①评价标准以ＧＢ３８３８―２００２《地表水环境质量标准》以及《污染水质分 级》为参考依据。 ②评价代表值在评价时采用一次值，或采用多次平均值，而且必须与评价 的具体目的相适应，它适用于对一个河段的一点或多点的监测结果、一条河流不 同河段的监测结果，以及同一监测点的不同时间检测结果的评价。 ③评价记分原则分值越高，表示水质越好。根据标准分级的原则和各级的 定义，已确定同级中的每一参数是等权的，而各级间的分值是不等的。２．４污染物产生的热力学分析２．４．１污染物产生的熵分析过程系统是开放系统，与外界存在物质和能量交换，热力学基本公式为ｍ１９华南理工大学硕士学位论文 （２―７）ｄＳ＝ｄｊＳ＋ｄ。Ｓ在ｄ｝时间内系统熵的产生速率ｄｓ：坚＋一ｄｅｓ 出 出ｄｆ（２―８）式中，衄一一系统的熵变化； ｄ：Ｓ一一系统内部熵产生； ｄ。ｓ一一与系统外部有热和物质交换时的熵流。 系统处于稳态时，系统的熵就不随时间而发生变化，即酊／ｄｔ＝Ｏ。由于系统内过程的不可逆性，系统内部熵生产ｄ；Ｓ／ｄｔ＞Ｏ，那么由系统与外界物质和能 量的交换引起的熵流必然为负数（ｄ。Ｓ／ｄｔ＜０）。换句话说，ｄ。Ｓ／ｄ｝通过把由 系统夕｝获得的熵和系统内单位时间内生成的内熵向系统外传递的方式，使系统保 持稳定状态。 当今工业生产体系是以大量消耗自然资源为特征的，把自然界作为取之不 尽、用之不竭的大仓库，其中水、空气更是作为无偿资源使用，因此在生产过程 中消耗大量水、空气和熔剂作为生产介质。空气通常作为助燃剂或氧化剂或冷却 介质，其中组分除少数进入产品和废渣外，大多作为含有复杂成分的污染气体而 排入大气；空气在干燥过程中作为载热体和载湿体。熔剂在冶金中有两种作用： 一是在提炼中吸收未被还原的矿物，在精炼中作为金属中有害杂质的吸收剂，起 分离产品杂质的作用。水在工业生产中占有特别重要的地位，它可以是生产中的 一种原料，也可以作为原料有用组分或杂质的浸出溶剂，或是作为反应的介质。 此外，大量的水还作为冷却剂、水力输送的介质和动力系统的组成部分。生产过 程消耗的水除了转移到产品中蒸发掉的外，大多作为冷却、洗涤废水而排出。 工业“三废”实际是生产中影响环境的物质进入水、气和熔剂的过程，混合过程出＞０，这是一个自发过程。熵能从总体上反映出能量损失程度和物质退化程度，从整个生产过程来看，水和空气、熔剂起着“提取”熵的作用ｍ１，通过 “三废”和废热的形成和排放把由系统外获得的熵和系统内的单位时间内生成的内熵向系统外传递的方式，使系统的总熵保持在一定水平（∞／ａｔ＝０），从而使开放系统保持稳定状态。２．４．２污染物产生的焖分析如前所述， “三废”的形成是熵增加的自发不可逆过程，是生产中物料之间混合的结果。废物相对于原来的组分化学炯减少，资源发生退化，使用价值降低【７ ２ｌｏ第二章污染物的环境影响分析两种或多种物流混合在一个总物流中，原则上是可以可逆地进行，过程所释 放出来的功等于所减少的炯或另一种形式的炯。但在实践中这种过程几乎是不可 能实现的，实际进行的混合过程是高度不可逆的，在绝热的条件下混合前后必将 导致熵的增加，引起浓度炯的损失。参与绝热混合过程的物流温度、压力可以相 同，也可以不同。后者可能引起热炯损或压煳损，这里混合焖损指的是浓度煳损。物流的化学炯表明由于物流组成不同于环境或者由于浓度不同于环境基准浓 度而具有的作功能力。对于排入环境的污染物，无论是其化学组成不同于基准 态，还是其化学组成与基准态相同但浓度不同，在将其处理至环境寂态的过程中 都需要消耗一定的功（资源）。具体可以借助有关文献所列出的各种纯物质的化学佣，又称为标准化学焖或标准佣（ｓｔａｎｄａｒｄ ｅｘｅｒｇｙ）来估算废物炯含量以表明其偏离环境基准态的程度。 在相同的温度矗、压力肌下，ｋ个纯组分混合成为一个多组分混合物的混 合炯损，对理想气体或理想溶液可用下式计算；ｋＤ＆ｗ＝一露瓦∑氆１１１ｔｉ＝ｌ（２―９）式中，Ｄ。一一混合拥损，ｋＪ／ｋｍ０１； ｎ；一一组分的摩尔数； ｘ；一一组分在混合物中的摩尔分数； Ｒ一一通用气体常数，ｋＪ／（ｋｍ０１．Ｋ）。对非理想气体用逸度磊代替噩，对非理想溶液用活度盘，代替丑． 在涉及质量传递和物质转换的单元过程中要求物流之间充分混合、接触，以 减少传质阻力，因此存在混合炯损。以能量为分离剂的过程（如精馏）中，物流 混合使物流组分分离得更完全，这类过程不是污染物产生的来源；而物质转换过 程（如反应）和使用质量分离剂的分离过程（如吸收、萃取）几乎都成为过程系 统的污染物源头。 化学炯损还有另一种情况，原料不是通过主反应完全转化为目的产品，而是 有一部分原料发生副反应转化为不期望的副产品，副产物有的经过回收后可以成 为有用的物质，但是通常往往由于副产物的数量不大，而成分又比较复杂，要进 行回收会有许多困难，故往往将副产物排弃。因此，转化为副产物的那部分原料 熘应视为过程化学熘损，这部分炯损可称为“副产炯损”，可以通过“同一流” 方法ｍ，计算。副反应可以通过第二章所述的反应器污染物减量措旋改变工艺参数 和设备参数、流程结构尽可能加以抑制，但这又与技术经济因素相关联。 不同物流之间的混合炯损与“副产炯损”只是形成污染物炯的一方面原因， 如果能将污染物炯加以分离和回收利用，则可减少炯的排放。分离是混合的逆过２１华南理工大学硕士学位论文程，分离煳是为把混合物分离成纯组分所需的由外界供入的炯，在数值等于混合 焖损。但分离炯只是分离过程消耗的最低限，实际分离过程消耗的炯要远远大于 分离炯。 由此可见，当回收废物中的有用组分费用过高时，只有将废物排向环境。这 时如果不对过程的废物进行无害化处理而直接排放，就会造成环境污染。因此， 废物排放的另一原因是废物炯的利用在当前技术经济水平极限之外。废物不仅仅 是一个物理和化学概念，而且还是一个技术经济概念。２．５本章小结归纳了过程系统中水环境的污染物分类，并回顾了废水处理方法。对过程系 统涉及到的环境影响评价方法作了系统的评述，为过程工业废物削减方案的选择 提供依据，方案投资和操作费用、环境效益的权衡有多种方法，本文提出在环境 佣经济优化的环境量化策略基础上解决这一问题，以达到过程系统技术一经济一 环境优化，经济效益与环境效益的统一。 随着资源和环境的恶化，优化的目标也不仅仅是系统内部的最大经济效益， 而应是社会、经济、资源和环境的可持续发展。环境炯经济学研究，主要是解决 过程系统建模优化中可持续发展目标，特别是环境目标的科学的和定量的表述问题。第三章过程系统环境影响的煳经济量化策略第三章过程系统环境影响的炯经济量化策略３．１废物炯的环境影响排放废物主要涉及生产过程中产生的某些有毒、有害等副产物、以及废气、 废渣及废水等废弃物料。废物炯相对于原来的组分化学炯有效性降低，资源发生 退化，使用价值减小。当回收其中组分在技术经济极限线之外时，应根据环保要 求，将废物处理达标后排向环境。因此在分析废物问题时应把它看成是有益的物 料和能量的潜在源（二次拥源），同时又是一个环境污染源。 过程排向环境的废物通常与环境处于温度、压力、浓度或成分等的不平衡状 态，因而是一个二次煳源。二次炯源有引起环境变化的能力而造成环境污染。物 理炯对环境的潜在影响通常不予考虑，如高压物流排入环境后其压力降到环境压 力，对环境几乎没有影响；由工业废热排放造成的热污染也只限于排放口局部区 域。未被充分利用化学拥，如废物或未燃尽的燃料，能引起环境的破坏，人工合 成物质排入环境也会危害生态系统。 煳可以度量排放的热效应（热炯）和机械效应（机械焖）及评估排放物的化 学效应（化学炯）。对二次炯源的利用越全面、越深入，从中获得的产品就越 多，排放物对环境的负作用就越小。把二次煳源转换为有益产品的过程需要增加 各种费用来实现，为此决定了一个转换二次媚源的最优深度。在此最佳点上，总 费用应该是最小的，而且工艺和设备越先进，此最佳点越往深处移动，其终极目 标是引向无排放的技术工艺。二次炯源的转化有两个方向，一是废物经回收加工 后以副产品的形式出厂：二是废物化学炯转换为能量供给其它装置。 从可持续性出发，应充分考虑污染物的环境影响，力争把污染控制在环境自 净能力范围内，然而这在当前的技术经济水平上还难以付诸实行，在一定时期内 最优污染水平仍将是环境污染控制的目标，理由如下： （１）环境污染是广泛存在的。可持续发展的前提条件是发展，特别对发展中 国家来说，发展经济、摆脱贫穷是可持续发展战略的核心。要发展就要进行生 产，但无论在生产过程中，还是在消费过程中，都不可避免地会产生物质和能量 废弃。要求不排放废物，就等于要求人类不进行生产和消费。 （２）治理环境污染的技术是有限的。这种有限性的表现在：一是有许多环境 污染治理技术人类尚未掌握；二是有些环境污染的治理技术会导致二次污染；三 是治理环境污染的技术或设施本身就需要自然资源的投入；四是几乎所有的环境 污染治理技术都不能做到百分之百回收或消除污染物。华南理工大学硕士学位论文（３）治理环境污染，除了要考虑技术上的可行性之外，还要考虑经济上的可 行性。环境问题实质上是个经济问题，贯彻可持续发展战略的共同主题是在决策 中将经济和生态环境结合起来考虑，离开经济效益这个中心去追求环境效益是不切实际的。（４）治理环境污染仅仅是人类社会和可持续发展战略的目标之一。在多目标 并存的情况下，环境目标不是排列在第一位的目标，环境保护目标和其它目标之 间存在着突出的矛盾。 （５）企业进行环境污染治理，厂内的末端处理也往往作为送往厂外集中处理 的预处理措施，如废水送往城市污水处理厂，废渣送往集中的废料填埋场等。在 这种情况下，厂内末湍处理的目标不再是达标排放，面只需处理到集中处理设施