第３３ 卷第１２ 期
２０１３ 年１２ 月
環 境 科 學 學 報
Ａｃｔａ Ｓｃｉｅｎｔｉａｅ Ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ
Ｖｏｌ． ３３，Ｎｏ． １２
Ｄｅｃ． ， ２０１３
基金项目： 国家水体污染控制与治理科技重大专项（Ｎｏ． ２０１２ＺＸ０７２０２⁃００１）；高等学校博士学科点专项科研基金资助（Ｎｏ． ２０１１００４１１２０００１）
Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｍａｊｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｐｒｏｇｒａｍ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ（Ｎｏ． ２０１２ＺＸ０７２０２⁃００１） ａｎｄ ｔｈｅ Ｓｐｅｃｉａｌｉｚｅｄ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｆｕｎｄ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｄｏｃｔｏｒａｌ Ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ Ｈｉｇｈｅｒ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ （Ｎｏ． ２０１１００４１１２０００１）
作者简介： 于金巧（１９８８—），女，Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｙｕｊｑ２０１３＠１６３． ｃｏｍ； ∗通讯作者（责任作者），Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｚｈａｎｇｙｕｎ＠ ｄｌｕｔ． ｅｄｕ． ｃｎ
Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ： ＹＵ Ｊｉｎｑｉａｏ（１９８８—）， ｆｅｍａｌｅ，Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｙｕｊｑ２０１３＠１６３． ｃｏｍ； ∗Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ，Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｚｈａｎｇｙｕｎ＠ ｄｌｕｔ． ｅｄｕ． ｃｎ
于金巧，张芸，陈郁，等． ２０１３． 印染集中區水網絡優化研究［Ｊ］． 环境科学学报，３３（１２）：３２６０⁃３２６６
Ｙｕ Ｊ Ｑ， Ｚｈａｎｇ Ｙ， Ｃｈｅｎ Ｙ， ｅｔ ａｌ． ２０１３． Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｎ ａ ｄｙｅｉｎｇ ａｎｄ ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｒｅａ［Ｊ］． Ａｃｔａ Ｓｃｉｅｎｔｉａｅ
Ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，３３（１２）：３２６０⁃３２６６
印染集中區水網絡優化研究
于金巧，張芸∗，陳郁，劉素玲，李金花
工業生態與環境工程教育部重點實驗室，大連理工大學環境學院，大連１１６０２４
收稿日期：２０１３⁃０３⁃１４ 修回日期：２０１３⁃０５⁃２３ 錄用日期：２０１３⁃０６⁃０６
摘要：耗水量大、水环境污染严重是印染集中区的一个突出问题． 本文建立水网络数学模型，对印染集中区用水排水网络进行系统规划，该模型
以集中区总成本最低为目标函數，模拟了以多级组合工艺为特点的汙水處理設施数学模型． 运用该模型对东北某印染集中区水网络进行设计
和優化改進，在保證廢水達標排放、成本最低的條件下，構建了企業內及企業間最佳回用網絡，確定了汙水處理設施工藝最優方案，並明確各級
处理工艺中不同品质的处理水回用集中区企业的最优途径，为集中区内汙水處理設施提标改造计划提供参考． 研究结果表明：该模型在工业集
中區或工業園用水規劃及廢水減量方面具有實用價值和較好的應用前景．
關鍵詞：印染集中區；水網絡；優化模型
文章編號：０２５３⁃２４６８（２０１３）１２⁃３２６０⁃０７ 中圖分類號：Ｘ３２ 文獻標識碼：Ａ
Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｎ ａ ｄｙｅｉｎｇ ａｎｄ ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ
ａｒｅａ
ＹＵ Ｊｉｎｑｉａｏ， ＺＨＡＮＧ Ｙｕｎ∗， ＣＨＥＮ Ｙｕ， ＬＩＵ Ｓｕｌｉｎｇ， ＬＩ Ｊｉｎｈｕａ
Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｃｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ （ＭＯＥ）， Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｄａｌｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｄａｌｉａｎ １１６０２４
Ｒｅｃｅｉｖｅｄ １４ Ｍａｒｃｈ ２０１３； ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｉｎ ｒｅｖｉｓｅｄ ｆｏｒｍ ２３ Ｍａｙ ２０１３； ａｃｃｅｐｔｅｄ ６ Ｊｕｎｅ ２０１３
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｌａｒｇｅ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｅｒｉｏｕｓ ｗａｔｅｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ａｒｅ ｐｒｏｍｉｎｅｎｔ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｄｙｅｉｎｇ ａｎｄ ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｒｅａ． Ｉｎ ｔｈｉｓ
ｐａｐｅｒ， ａ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｗａｔｅｒ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ． Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ， ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｉｎｉｍｕｍ
ｔｏｔａｌ ａｎｎｕａｌ ｃｏｓｔ ａｓ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ， ｃｏｎｓｉｄｅｒｓ ｔｈｅ ｓｈａｒｅｄ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｂｙ ｍｕｌｔｉｓｔａｇｅ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｔｈｉｓ
ｍｏｄｅｌ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｏｆ ａ ｄｙｅｉｎｇ ａｎｄ ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｒｅａ ｉｎ ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ． Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ
ｗａｔｅｒ ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｔｈａｔ ｔｏｔａｌ ａｎｎｕａｌ ｃｏｓｔ ｉｓ ｔｈｅ ｌｏｗｅｓｔ ａｎｄ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｉｓ ｄｉｓｃｈａｒｇｅｄ ｗｉｔｈ ｓｔａｎｄａｒｄ ｌｅｖｅｌ． Ｔｈｕｓ， ｔｈｅ
ｏｐｔｉｍａｌ ｗａｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ ｗａｙ ｏｆ ｔｒｅａｔｅｄ ｗａｔｅｒ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｑｕａｌｉｔｙ ｃａｎ ｂｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｕｐｇｒａｄｉｎｇ ａｎｄ
ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｌａｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｒｅａ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｎｄ ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ ｉｎ ｗａｔｅｒ ｕｓｅ
ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ａｎｄ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｙｅｉｎｇ ａｎｄ ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｒｅａ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ｄｙｅｉｎｇ ａｎｄ ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｒｅａ； ｗａｔｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ； ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ
１ 引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）
印染集中區聚集著以染整廠、印花廠、水洗廠
爲代表采用以水爲媒介的濕加工工藝的企業，此類
企業耗水、排水量大，水回收利用率低，且廢水治理
难度大． 因此，对印染集中区用水、排水网络进行研
究，系統規劃企業用水途徑，合理分配不同品質的
水資源，提高水資源利用率，己成爲印染集中區可
持续发展战略最重要的内容． 为了提高工业水资源
利用率，优化工业用水系统，国内外研究者在２０ 世
纪８０ 年代开发出数学规划法水网络优化技术，并应
用于單個企業用水網絡規劃，在增加水資源利用
率、節約水資源及成本等方面取得很大成效
（Ｋａｒｕｐｐｉａｈ ａｎｄ Ｇｒｏｓｓｍａｎｎ， ２００８； Ｋｈｏｒ ｅｔ ａｌ． ２０１２；
１２ 期于金巧等：印染集中區水網絡優化研究
李英，２００３；王洪卫等，２００５；冯霄等，２０１２）． 其中，李
英（２００３）將水夾點技術與數學規劃相結合，使分步
设计过程用水网络． 王洪卫等（２００５）等提出不确定
性條件下水網絡優化設計方法，即水網絡優化設計
柔性綜合，應用多目標優化方法中的分層法，首先
滿足柔性要求，然後優化水網絡，使設計水網絡滿
足柔性要求且用水量最少． 冯霄等（２０１２）等针对工
業用水系統中循環冷卻水進行了優化研究，分別建
立了以流率最小和連接數最少爲目標的數學模型．
而國內研究者主要是針對單個企業水網絡優化進
行深入研究，对企业间水网络优化研究较少． Ｃｈｅｗ
等（２００８）首次將數學規劃法應用于工業園水網絡
優化中，建立企業間廢水回用的水網絡優化模型，
计算出低成本、低耗水的最优水网络； Ｌｉｍ 等
（２０１０）同樣運用數學規劃法建立數學模型，通過水
網絡設計，將傳統工業園改造爲綠色生態工業園，
並運用生命周期評價和生命周期成本評價將設計
前後工業園進行對比，得出設計後的工業園更加經
济环保的结论． Ｓｏｔｅｌｏ⁃Ｐｉｃｈａｒｄｏ 等（２０１１） 建立重新
改造工業園模型，並將已有汙水處理設施考慮到模
型優化中；但以上研究尚未建立大多數集中區采用
的多级汙水處理工艺模型． Ｙｕ 等（２０１３）针对印染
工業園水網絡優化方法進行研究，並建立了多級工
藝組合水處理設施模型，確定出經濟節水的用水途
徑，但文章爲避免用水節點直接回用本節點排水的
計算缺陷，忽略了各企業各用水節點之間水循環利
用途徑，本文將借鑒該研究成果，並改進優化模型，
重新建立完善的印染集中區水網絡優化模型．
綜上所述，本文利用數學規劃法，綜合考慮印
染集中區的用水、排水狀況與特點，建立了完善的
印染集中區水網絡優化模型；同時將大多數集中區
采用的多級水處理組合工藝模式汙水處理設施納
入數學模型中，確定最佳汙水處理途徑及回用途
徑，明確汙水處理組合工藝等級，以期爲工業園汙
水處理設施設計及提標改造提供參考信息．
２ 模型建立（Ｍｏｄｅｌ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ）
２． １ 数学规划法
數學規劃方法既對系統進行統籌規劃，尋求最
优方案的数学方法． 其数学模型由目标函數、约束
條件組成，目標函數是描述規劃目標與決策變量間
的函數關系式，約束條件既環境約束、需求條件、自
然條件、設備能力等限制．
數學規劃法方法在水網絡優化的應用中能全
面模擬水網絡結構及節點用水的操作條件，綜合水
質特性、需水要求、環境容量、經濟效益等多種複雜
因素设计出耗水少、经济合理的用水网络． 其基本
步驟首先是按照企業或集中區特點，建立涵蓋所有
可能用水途徑的水網絡超結構圖；然後在超結構的
基礎上，依據物質平衡、限制條件等，建立數學模
型，研究約束條件下目標函數的極值問題，最終計
算獲得最佳用水途徑．
２． ２ 水网络超结构
印染集中区的水网络超结构如图１ 所示，其中
各符號含義和單位見附錄，根據印染集中區特點，
該超級結構包括企業用水節點超結構、企業廢水集
中池超結構、汙水處理設施超結構，具體描述如圖１
所示．
图１ 水网络超结构图（ａ． 企业过程节点超结构；ｂ． 企业废水
集中池超结构；ｃ． 汙水處理設施超结构）
Ｆｉｇ． １ Ｓｕｐｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ｗａｔｅｒ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｐａｒｋｓ （ ａ．
Ｓｕｐｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ｗａｔｅｒ ｎｏｄｅ； ｂ． Ｓｕｐｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ
ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｐｏｏｌ； ｃ． Ｓｕｐｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ｗａｔｅｒ
ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｆａｃｉｌｉｔｙ）
２． ２． １ 企业过程节点超结构 企业过程节点的水
网络超结构如图１ａ 所示． 各个企业过程节点的用水
可以分別來源于新鮮水、企業內過程節點所排廢
水、其他企業過程節點所排廢水、各段汙水設施的
回用水． 而企业各过程节点所排废水可以回用于自
身企業及其他企業過程節點或直接排放到企業廢
水集中池中，與其他廢水混合排入汙水處理設施
中． 企业各过程节点的需水量、需水水质标准、排水
量、廢水水質均爲已知條件．
２． ２． ２ 企业废水集中池超结构 各个企业设有的
废水缓冲池，其水网络超结构如图１ｂ 所示． 未被企
業內部利用的廢水全部集中到廢水集中池中，然後
排放到汙水處理設施中進行末端處理．
２． ２． ３ 汙水處理設施超结构 印染集中区汙水處
３２６１
环 境 科 学 学 报３０ 卷
理設施大部分采用多級水處理組合工藝，一般由生
物處理、混凝處理、消毒脫色等工藝組成，每級處理
设施都有自己的固定的处理效率． 本文中汙水處理
廠超結構圖見圖１ｃ，各企業廢水集中進入第一級處
理設施中，經過一級處理後，可以被回用到企業過
程節點中，或者進入下一段處理設施，若水質達標
也可以排放． 除一级处理設施外，其他级处理設施
廢水都來自于上一級．
本模型以包括新鮮水成本、汙水處理設施成
本、管道成本在內的集中區總成本最低爲目標函
数． 最终确定新鲜水使用量、企业间及企业内废水
的循環途徑、汙水處理組合工藝等級、廢水處理途
徑及回用途徑．
２． ３ 公式建立
首先，在超結構的基礎上，依據物質平衡、限制
條件等，建立約束條件，公式中各符號的含義和單
位見附錄．
２． ３． １ 企业过程节点 根据企业过程节点超结构
圖，依據企業用水水量及水質限定條件，建立水量
平衡、物質平衡公式及水質限制不等式，作爲模型
的约束条件，具体见公式（１） ～ （５），其中，ｃｆ代表第
ｆ 种污染物浓度，其他相关符号与流量类似．
ＦＩｐ，ｉ ＝ ΣＪｐ
ｊ ＝ １ ｆｓｓｐ，ｉ，ｊ ＋ ΣＰ
ｘ ＝ １，ｘ≠ｐΣＪｘ
ｊ ＝ １ ｆｐｓｐ，ｘ，ｉ，ｊ ＋ ｆｓｃｐ，ｉ （１）
ｆｓｓｐ，ｉ，ｊ ＝ ０（ｉ ＝ ｊ） （２）
ＦＵｐ，ｊ ＝ ｆｗｐ，ｊ ＋ ΣＩｐ
ｉ ＝ １，ｉ≠ｊｆｓｓｐ，ｉ，ｊ ＋ ΣＰ
ｘ ＝ １，ｘ≠ｐΣＩｘ
ｉ ＝ １ ｆｐｓｘ，ｐ，ｉ，ｊ ＋
ΣＷ
ｗ ＝ １ ｆｔｓｗ，ｐ，ｊ （３）
ｃｗｆ × ｆｗｐ，ｊ ＋ ΣＩｐ
ｉ ＝ １ ｃｓｐ，ｉ，ｆ × ｆｓｓｐ，ｉ，ｊ ＋ ΣＰ
ｘ ＝ １，ｘ≠ｐΣＩｘ
ｉ ＝ １ ｃｐｘ，ｉ，ｆ ×
ｆｐｓｘ，ｐ，ｉ，ｊ ＋ ΣＷ
ｗ ＝ １ ｃｔｏｕｔ ｗ，ｆ × ｆｔｓｗ，ｐ，ｊ ＝ ｃｕｐ，ｊ，ｆ ＦＵｐ，ｊ （４）
ｃｕｍｉｎ ｐ，ｊ，ｆ ≤ ｃｕｐ，ｊ，ｆ ≤ ｃｕｍａｘ ｐ，ｊ，ｆ （５）
２． ３． ２ 企业废水集中池 根据企业废水集中池超
結構圖，企業廢水集中池的水量及物質平衡公式見
（６） ～ （７）．
ＦＣｐ ＝ ΣＩｐ
ｉ ＝ １ ｆｓｃｐ，ｉ （６）
ｃｃｐ，ｆ × ＦＣｐ ＝ ΣＩｐ
ｉ ＝ １ ｃｓｐ，ｉ，ｆ × ｆｓｃｐ，ｉ （７）
２． ３． ３ 汙水處理設施公式 根据汙水處理設施超
結構圖，建立水量平衡、物質平衡公式，同時依據汙
水處理廠汙染物排放標准，建立水質限制不等式，
作为模型约束条件，具体见公式（８） ～ （１４）．
ＦＴ１ ＝ ΣＰ
ｐ ＝ １ ｆｃｔｐ （８）
ｃｔｉｎ
１，ｆ × ＦＴ１ ＝ ΣＰ
ｐ ＝ １ ｃｃｐ，ｆ × ｆｃｔｐ （９）
ＦＴｗ ＝ ΣＰ
ｐ ＝ １ ΣＪｐ
ｊ ＝ １ ｆｔｓｗ，ｐ，ｊ ＋ ＦＴｗ ＋１ ＋ ｆｅｗ （ｗ ≠ Ｗ）
（１０）
ＦＴＷ ＝ ΣＰ
ｐ ＝ １ ΣＪｐ
ｊ ＝ １ ｆｔｓＷ，ｐ，ｊ ＋ ｆｅＷ （１１）
ｃｔｉｎ ｗ，ｆ ＝ ｃｔｏｕｔ ｗ －１，ｆ （ｗ ≠ １） （１２）
ｃｔｏｕｔ ｗ，ｆ ＝ ｃｔｉｎ ｗ，ｆ × （１ － Ｒｗ ） （１３）
ｆｅｗ × ｃｅｍｉｘ ｆ ≤ ｆｅｗ × ｃｔｏｕｔ ｗ，ｆ ≤ ｆｅｗ × ｃｅｍａｘ ｆ （１４）
２． ３． ４ 管道的确定 下列公式分别用来决定缓冲
池和過程節點、緩沖池和處理設施、處理設施和過
程節點之間的管道是否存在，其中Ｘ１ｘ
，ｉ 、Ｘ２ｐ 、Ｘ３ｗ，ｐ 为
二進制變量，要注意一點，同一處理設施回用到同
一公司的不同過程節點的處理中水只需一條管道，
因此公式如下：
ΣＪｐ
ｊ ＝ １ ｆｐｓｘ，ｐ，ｉ，ｊ － ｍａｘ（ΣＪｐ
ｊ ＝ １ ΣＩｐ
ｉ ＝ １ ｆｐｓｘ，ｐ，ｉ，ｊ ） × Ｘ１ｘ
，ｉ ≤ ０ （１５）
ｆｃｔｐ － ｍａｘ（ｆｃｔｐ ） × Ｘ２ｐ
≤ ０ （１６）
ΣＪｐ
ｊ ＝ １ ｆｔｓｗ，ｐ，ｊ － ｍａｘ（ΣＪｐ
ｊ ＝ １ ｆｔｓｗ，ｐ，ｊ ） × Ｘ３ｗ，ｐ ≤ ０ （１７）
２． ３． ５ 目标函數 目标函數总成本最少，其中包括
新鮮水成本ＷＣ、汙水處理設施成本ＴＣ、管道成本
ＰＣ． 各成本表达式如下：
ＴＡＣ ＝ ＷＣ ＋ ＴＣ ＋ ＰＣ （１８）
ＷＣ ＝ φ（Ｈｒ，ＣＵＷ，Σｆｗ） （１９）
ＴＣｗ ＝ φ（Ｘ４ｗ ，ＣＵＦｗ ，Ｈｒ，ＣＵＯｗ ，ＦＴｗ ） （２０）
ＰＣ ＝ ｇ（Ｘｎ ，ＣＵＰ，Ｄ，Σｆ） （２１）
Ｘ４ｗ 为二進制函數，来决定各段汙水處理設施是
否存在，因爲如果上一級汙水處理設施不存在，則
其下面各級汙水處理設施都不存在，限制公式如下：
ＦＴｗ － ｍａｘ（ＦＴｗ ） × Ｘ４ｗ ≤ ０ （２２）
Ｘ４ｗ ＝ Πｗ
ｗ ＝ １
Ｘ４ｗ （２３）
３ 案例研究（Ｃａｓｅ ｓｔｕｄｙ）
本文以中國東北地區的某印染工業集中區爲
例，應用以上所建模型建立最優水網絡，該區域擁
有染色企業、印花企業、水洗企業、紡織企業、服裝
加工企業等一條完善的紡織産業鏈．
３２６２
１２ 期于金巧等：印染集中區水網絡優化研究
３． １ 印染厂耗水、排水代谢途径分析
包括染色廠和印花廠在內的印染行業工藝流
程主要分为前处理、染色／ 印花、后整理３ 个工序．
前處理：指在染色、印花之前，利用各種助劑除
去成品布上的雜質，增加布的白度和柔軟性，這個
过程需要大量的水作为生产介质． 前处理包括烧毛
工序、退煮工序、氧漂工序、絲光工序，其中燒毛是
將紗線或織物迅速通過火焰或在熾熱的金屬表面
擦過，燒去表面茸毛，因此需要用冷卻水冷卻具有
相当热度的织物表面． 其他工序消耗的水主要用于
試劑處理後的水洗過程．
染色：將織物在染液中經過短暫的浸漬後，隨
即用軋輥軋壓，本工藝染色水介質消耗較少，可以
忽略，主要是隨後的水洗過程耗水．
印花：印花是用染料或顔料在紡織品上施印花
紋的工藝過程，完成固色後需洗去浮色，本工序的
主要水耗用于水洗過程．
後整理：布料再經過物理或化學方法進一步提
高面料品質的過程叫做後整理，包括定型、拉幅、預
縮，後整理過程用水爲冷卻用水．
除上述水消耗外，退煮、漂白、絲光、染色工序
還需水蒸氣加熱烘幹布料，水蒸氣冷凝形成冷凝
水，各節點的冷凝水、冷卻水由于水質較好，符合生
产要求，可以回用到生产工艺中． 印染企业各工段
耗水、排水代謝途徑見圖２．
圖２ 印染企業各工段耗水、排水代謝途徑
Ｆｉｇ． ２ Ｗａｔｅｒ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ ａｐｐｒｏａｃｈ ｏｆ ｔｈｅ Ｄｙｅｉｎｇ ａｎｄ Ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ
ｐｌａｎｔ（ＤＦＰ）
３． ２ 水洗厂耗水分析
水洗廠的流程較爲簡單，由以下工序組成．
砂洗：既使用堿性助劑、氧化助劑和柔軟劑，配
以石墨，使布料呈現褪色、陳舊的效果同時提高布
料的柔軟舒適度，該工序是水洗廠主要的耗水節點．
甩幹：使用離心泵脫水機將布料脫水，該工序
不耗水，僅産生少量的水，水質與砂洗工序相同．
烘幹：使用水蒸氣，通過烘幹機，將布料烘幹，
烘幹産生的少量冷凝水回用到水洗用水．
總結印染廠及水洗廠用水標准見表１．
表１ 印染廠及水洗廠用水標准
Ｔａｂｌｅ １ Ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ＤＦＰ ａｎｄ ｗａｓｈｉｎｇ ｐｌａｎｔ
企業類型工序ＣＯＤ
／ （ｍｇ·Ｌ －１ ） ｐＨ ＳＳ
／ （ｍｇ·Ｌ －１ ） 色度（倍） 总碱度＋ 总硬度／
（以ＣａＣＯ３ 计，ｍｇ·Ｌ －１ ）
染色厂与印花厂锅炉蒸汽／ ≥７． ０ ≤１０ ／ ≤３０
冷却水≤８０ ６． ０ ～９． ０ ≤２０ ／ ≤７００
水洗（前处理） ≤５０ ６． ０ －９． ０ ≤３０ ≤２５ ≤４５０
水洗（染色） ≤５０ ６． ５ －８． ５ ≤１０ ≤１０ ≤２０
排放≤１００ ６． ０ －９． ０ ≤３０ ≤４０
水洗厂砂洗≤５０ ６． ０ －９． ０ ≤３０ ≤２５ ≤４５０
３． ３ 多段汙水處理設施选择
在該印染集中區實際運行兩級廢水處理工藝，
分別是ＵＡＳＢ⁃好氧生物處理組合工藝、混凝技術，經
过前两级处理ＣＯＤ 与ＳＳ 的去除效果好，但脱色效
果低，处理水不能回用到印染与水洗厂中． 汙水處
理設施管理者考慮，對原有設施進行提標改造，添
加後續深度處理工藝，達到部分中水處理回用的
目的．
應用本文多級汙水處理設施數學模型，可以明
確各級汙水設施汙水處理流量及回用途徑和流量
的分配，同時確定後續深度處理工藝等級，從而得
到成本最省的多級工藝汙水處理方案，爲提標改造
決策提供參考．
本文增加兩級深度汙水處理回用工藝，分別爲
臭氧技术、膜处理技术． 臭氧技术深度处理工艺的
特点为ＣＯＤ 去除率很低，但有较强的脱色、消毒和
３２６３
环 境 科 学 学 报３０ 卷
矿化的效果，适用于印染中水回用处理工艺． 研究
成果表明，在適當的操作條件下，臭氧氧化處理技
术的ＣＯＤ 去除率能稳定达到至少４０％，若加入催
化剂， 去除率还能够进一步提高（ Ｃｉａｒｄｅｌｌｉ ａｎｄ
Ｒａｎｉｅｒｉ， ２０００； Ｓｅｌｃｕｋ， ２００５； Ｗａｎｇ ｅｔ ａｌ． ， ２０１２）．
膜處理技術在印染廢水處理中，效果好，脫色率高，
管理簡單，但膜需要經常更換，運行費用高，不被廣
泛采用． 随着用水成本的提高，膜处理技术处理废
水能夠直接回用的優勢，越來越被重視．
在優化模型公式中不設定一級、二級汙水處理
水的在印染厂和水洗厂的回用． 本文中设计汙水處
理設施设计规模为１００００ ｔ·ｄ－１，进水ＣＯＤ 为１５００
ｍｇ·Ｌ－１，结合实践调查和文献查阅得出如表２ 所示
的去除率；同時結合上面設計條件，經文獻查閱及
實際經驗，得出各段處理工藝運行成本，如表２
所示．
表２ 選擇工藝及各汙染物去除率、成本
Ｔａｂｌｅ ２ Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｒａｔｅ ａｎｄ ｃｏｓｔ ｆｏｒ ｅａｃｈ ｃｈｏｓｅｎｓｔａｇｅ
编号工艺名称ＣＯＤ 去除率ＳＳ 去除率色度去除率
固定成本
／ 万元
運行成本系數
／ （元·ｔ －１ ）
一级生物处理工艺８５％ ７０％ ８０％ １０００ １
二级混凝工艺６０％ ７０％ ５０％ １００ ０． ２５
三级臭氧氧化工艺４０％ ／ ８０％ ４５０ ０． ６
四级膜系统技术８０％ ９０％ ／ ３０００ ０． １
表３ 为印染集中区各企业过程节点数据． 本文
根據各個企業的水代謝途徑進行分析，調查進水及
排水節點，弄清企業水流途徑，確定企業各工序的
用水要求与出水水质． 在此为简化计算，将用水要
求一致且出水水質相似的節點合並（如，將前處理
工段所有用水節點合並，所有工序蒸汽、冷卻用水
節點合並），並取各節點流量、水質指標的平均值．
表３ 印染集中區各企業過程節點數據
Ｔａｂｌｅ ３ Ｄａｔａ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｎｏｄｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｙｅｉｎｇ ａｎｄ ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ ｐｌａｎｔ
企業名稱用水節點
日水流量
／ ｔ
ＣＯＤ
／ （ｍｇ·Ｌ －１ ）
ＳＳ
／ （ｍｇ·Ｌ －１ ）
染色厂Ⅰ前处理１６２０ １９００ ２４０
Ⅱ染色２８０ ４５０ ６０
Ⅲ冷凝１００ ２５ ７
Ⅳ冷却１２０ ２５ ７
印染廠１ Ⅰ前处理４００ １５００ ２５０
Ⅱ印染１２０ ３５０ ６０
Ⅲ冷凝６０ ２５ ７
Ⅳ冷却９０ ２５ ７
印染廠２ Ⅰ前处理１５９０ ２５００ ３００
Ⅱ印染４００ ３５０ ７０
Ⅲ冷凝１１０ ２５ ７
Ⅳ冷却１４０ ２５ ７
印染厂３ Ⅰ前处理２９００ １５００ ２００
Ⅱ印染８００ ５５０ ７０
Ⅲ冷凝２２０ ２５ ７
Ⅳ冷却２７０ ２５ ７
水洗厂砂洗２００ ５５０ １００
各企業間及各企業與汙水處理設施距離見
表４．
表４ 各企業距離
Ｔａｂｌｅ ４ Ｄｉｓｔａｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｗｏ ｐｌａｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘａｍｐｌｅ ｍ
企業名稱染色廠
印染
廠１
印染
廠２
印染
厂３ 水洗厂
汙水處
理設施
染色厂０ ４１０ ６２０ １５０ ３００ ５０
印染廠１ ４１０ ０ ２１０ ５００ １５０ ３９０
印染廠２ ６２０ ２１０ ０ ７００ ３５０ ６１０
印染厂３ １５０ ５００ ７００ ０ ３６０ １６０
水洗厂３００ １５０ ３５０ ３６０ ０ ３００
汙水處理設施５０ ３９０ ６１０ １６０ ３００ ０
３． ４ 计算结果
本数学优化问题为混合整数非线性规划． 选取
新鲜水费用为４ 元·ｔ－１，年工作日为３００ ｄ，运用
ｌｉｎｇｏ 软件编程，并且采用软件中的全局求解器求解
计算． 该求解器运用分支定界方法（ ｂｒａｎｃｈ ａｎｄ
ｂｏｕｎｄ ｍｅｔｈｏｄ）以非整数规划最优解为树根，最优目
標值爲上屆，按決策變量整數值，將模型分解爲多
个凸分支． 分支定界法是一种求解整数规划问题的
最常用算法，可以有效求解混合整数规划问题． 其
優點是不必對解空間進行遍曆搜索就能夠找到全
局最优解，加快求解速度． 但当分支越多，要求的子
問題越多，且子問題的約束條件也會增多，求解過
程變的複雜費時．
对计算结果整理后，实际水网络如图３ 所示． 其
中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別代表印染或染色廠的前處理、
３２６４
１２ 期于金巧等：印染集中區水網絡優化研究
印染、冷凝、冷卻過程節點，Ⅴ代表水洗廠過程節
点，直线上数据代表流量，单位为ｔ·ｄ－１． 结果确定了
汙水處理設施等级为３ 级，并明确了企业内部及企
業之間的水循環回收利用最優途徑，主要包括：印
染廠和染色廠中的冷凝、冷卻水應回用于前處理工
序，见图３ 企业内废水回用；印染二厂的部分冷却水
回用于水洗廠，這樣可使集中區整體成本花費下
降，见图３ 企业间废水回用途径；各印染厂印花与染
色水洗水和鍋爐蒸汽用水除一部分來自新鮮水外，
还可来自于三级汙水處理回用水，见图３ 汙水處理
設施中水回用途徑．
二级汙水處理設施的出水，只有一部分流入三
级处理設施进行深度处理，另一部分达标排放． 计
算结果明确了各部分的流量． 最终计算结果表明，
通過該優化模型優化，該水網絡汙水排放量由以前
的９４２０ ｔ·ｄ－１，降低污水排放量为２１７３ ｔ·ｄ－１，回用
率達７７％．
圖３ 印染集中區最優水網絡
Ｆｉｇ． ３ Ｏｐｔｉｍａｌ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘａｍｐｌｅ
４ 結論（Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ）
１） 基于以上研究，本文所建立的水网络优化方
法能夠通過綜合印染集中區中各企業用水指標、排
水特點，兼顧水質特性、需水要求、環境容量、經濟
效益等因素，搭建經濟節水的企業內及企業間水回
用途径． 该方法保证在整体集中区总成本最低的基
礎上，使所研究的系統用水在達到水質標准的同
時，實現水資源的合理分配，使得印染集中區中新
鮮水的使用降低，水資源利用率提高．
２） 本文所建立的包含多级汙水處理設施的水
网络优化模型，能够经济合理的分配各级汙水處理
设施处理水，明确了各级处理設施向企业输送处理
中水的最優回用途徑、回用量及外界環境排放量，
更加符合实际情况． 管理者可以参考本优化模型结
果，对汙水處理設施的提标改造，作出提高水资源
利用率，節約成本的決策．
３） 本文的计算结果表明，若处理設施的污染物
去除率提高及處理成本降低，集中區內水的回收利
用率隨之上升．
責任作者簡介：張芸（１９６６—），女，教授，博士，博士生導師，
主要从事清洁生产和循环经济方向的研究． Ｅ⁃ｍａｉｌ：
３２６５
环 境 科 学 学 报３０ 卷
ｚｈａｎｇｙｕｎ＠ ｄｌｕｔ． ｅｄｕ． ｃｎ．
附錄 主要符號意義和單位
ｃｕｐ，ｊ，ｆ企业ｐ 的过程节点ｊ 出水的第ｆ 种污染物浓度
（ｍｇ·Ｌ－１ ）
ｃｗｆ新鲜水的第ｆ 种污染物浓度值（ｍｇ·Ｌ－１ ）
ｃｃｐ，ｆ 企业ｐ 的污水缓冲池第ｆ 种污染物浓度值
（ｍｇ·Ｌ－１ ）
ｃｓｐ，ｉ，ｆ企业ｐ 的过程节点ｉ 出水的第ｆ 种污染物浓度
（ｍｇ·Ｌ－１ ）
ｃｐｘ，ｉ，ｆ企业ｘ 的过程节点ｉ 出水的第ｆ 种污染物浓度
（ｍｇ·Ｌ－１ ）
ｃｕｍｉｎｐ，ｊ，ｆ 企业ｐ 的过程节点ｊ 需水第ｆ 种污染物浓度最小
限值（ｍｇ·Ｌ－１ ）
ｃｕｍａｘｐ，ｊ，ｆ 企业ｐ 的过程节点ｊ 需水第ｆ 种污染物浓度最
大限值（ｍｇ·Ｌ－１ ）
ｃｔｏｕｔ ｗ，ｆ ｗ 级汙水處理設施出水第ｆ 种污染物浓度值
（ｍｇ·Ｌ－１ ）
ｃｔｉｎ ｗ，ｆ ｗ 级汙水處理設施入水第ｆ 种污染物浓度值
（ｍｇ·Ｌ－１ ）
ｃｅｍｉｘ ｆ 排放标准第ｆ 种污染物浓度最小限值（ｍｇ·Ｌ－１ ）
ｃｅｍａｘ ｆ 排放标准第ｆ 种污染物浓度最大限值（ｍｇ·Ｌ－１ ）
ＦＩｐ，ｉ企业ｐ 过程节点ｉ 排水水总量（ｔ·ｄ－１ ）
ｆｓｓｐ，ｉ，ｊ企业ｐ 内过程节点ｉ 流入节点ｊ 的水流量（ｔ·ｄ－１ ）
ｆｓｃｐ，ｉ企业ｐ 的过程节点ｉ 排入污水缓冲池水量（ｔ·ｄ－１ ）
ＦＵｐ，ｊ企业ｐ 过程节点ｊ 用水总量（ｔ·ｄ－１ ）
ｆｗｐ，ｊ企业ｐ 的过程节点ｊ 新鲜水需水量（ｔ·ｄ－１ ）
ｆｐｓｘ，ｐ，ｉ，ｊ企业ｘ 的过程节点ｉ 流入企业ｐ 的过程节点ｊ 的
流量（ｔ·ｄ－１ ）
ｆｔｓｗ，ｐ，ｊ ｗ 级汙水處理設施流入企业ｐ 的过程节点ｊ 的回
用水量（ｔ·ｄ－１ ）
ＦＣｐ企业ｐ 污水缓冲池水量（ｔ·ｄ－１ ）
ｆｃｔｐ企业ｐ 污水缓冲池中流入汙水處理設施的流量
（ｔ·ｄ－１ ）
ＦＴｗ ｗ 级汙水處理設施处理水量（ｔ·ｄ－１ ）
ｆｅｗ ｗ 级汙水處理設施排放环境的水量（ｔ·ｄ－１ ） Ｒｗ ｗ 级汙水處理設施的对第ｆ 种污染物浓度的转化因子
ＣＵＷ 新鲜水成本（元·ｔ－１ ）
ＣＵＦｗ ｗ 级汙水處理設施固定成本（元）
ＣＵＯｗ ｗ 级汙水處理設施运行成本（元·ｔ－１ ）
ＣＵＰ 管道成本（元） Ｈｒ 企业年工作日（ｄ） Ｄｐ，ｘ企业ｐ 与企业ｘ 之间的距离（ｍ） Ｄｐ企业ｐ 与汙水處理設施之间的距离（ｍ）
二進制函數
Ｘ１ｘ，ｐ 决定企业ｘ 与企业ｐ 过程节点之间管道的二進制函數
Ｘ２ｐ
决定汙水處理設施与企业缓冲池之间管道的二进制
函數
Ｘ３ｗ，ｐ 决定汙水處理設施与企业之间管道的二進制函數
Ｘ４ｗ 决定ｗ 级汙水處理設施的二進制函數
希臘字母
ρ 水密度（ｋｇ·ｍ－３ ）
下標
ｉ 过程节点
ｊ 过程节点
ｆ 污染物质
ｗ 处理設施级数
ｐ 企业
ｘ 企业
Ｗ 末级汙水處理設施
上標
ｉｎ 进水
ｏｕｔ 出水
ｍｉｘ 最小限
ｍａｘ 最大限
集合
Ｐ ｛ｐ ＝ １， ２，． ． ． ， Ｎｐｌａｎｔｓ ｜Ｐ 企业集合｝ Ｉｐ ｛ｉ ＝ １， ２，． ． ． ， Ｎｓｏｕｒｃｅｓ ｜Ｉｐ过程节点集合｝ Ｊｐ ｛ｊ ＝ １， ２，． ． ． ， Ｎｓｉｎｋｓ ｜Ｊｐ过程节点集合｝ Ｗ ｛ｗ ＝ １， ２，． ． ． ， Ｎｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｔａｇｅｓ ｜Ｗｔ 处理設施集合｝
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ｄｙｅｉｎｇ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｂｙ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｏｚｏｎａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．
Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｖｏｌｓ， ３６８⁃３７３：３７９３⁃３７９６
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ｏｐｔｉｍａｌ ｗａｔｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｎ ａ ｄｙｅｉｎｇ ａｎｄ ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｐａｒｋ
［Ｊ］． Ｃｌｅａｎ Ｔｅｃｈｎ Ｅｎｖｉｒｏｎ Ｐｏｌｉｃｙ， ＤＯＩ １０． １００７／ ｓ１００９８⁃ ０１３⁃
０５９２⁃８
３２６６
