工业企业水资源循环经济系统优化决策

第八章　工业水资源循环经济管理实例

“清洁生产”是循环经济思想在企业层面“小循环”的体现和应用，与“循环经济”都是基于工业生态学原理和可持续发展理念，为了实现资源的节约、集约利用和生态环境保护，所倡导的一种人类生产和生活方式。其是从生态—经济大系统的整体优化出发，对物质转化的全过程不断采取战略性、综合性、预防性措施以提高物料和能源的利用率减少甚至消除废料的生成和排放，降低生产活动对资源的过渡使用以及对人类和环境造成的风险，实现社会的可持续发展。其中推行资源的循环再利用是一个重要的发展方向。采用清洁工艺技术，既能节约能量、减少能耗、提高原料的利用率、使废物资源化、改进生产过程、创造更多财富，又能减少污染物的扩散，保护和改善环境。

第一节　企业层面循环经济(清洁生产)基本原理

一、传统资源利用模式

传统的资源利用模式基本上是对原料和资源的“线性”利用，对中间过程的“副产品”或“边角料”利用没有充分考虑，对末端的“废弃物”以直接排入环境或是以简单地处理方式为主，对资源利用效率不高，对环境影响较大(图8-1)。

图8-1　两种传统资源利用模式

由图8-1可看出，传统资源利用模式1是工业社会发展初期所采取的资源利用模式，生产过程对排放的污染物不做任何处理，将环境视为“无偿的清洁夫”在环境利用方面以产品为中心决定取舍，这种运作方式造就了工业内部的对产品的高度依赖性。而传统资源利用模式2(即“末端治理”模式)是上世纪80年代之后至今在多数地方所采用的资源利用模式，其虽对生产中排放的污染物进行末端处理但其与生产过程相割裂是一种被动的处理，由于污染物并未从根本上消除，不断在环境内蓄积，也容易造成二次污染。

二者相同之处在于对进入生产过程的原料、资源、能源的索取量都非常大，而所谓的私人物品(即废弃物)会不断增多，而公共物品(即资源、环境)会变得日益稀缺，即所谓的“熵”(熵表示人类生存环境的一种不稳定状态，负值表示比较稳定)会越来越大。

二、清洁生产模式

从环境经济学的角度上讲，政府通过对企业征收排污费是为了使企业这种对水环境污染的外部不经济性内部化，即转移到企业的生产成本上以体现出环境的价值，促使经济主体自觉采用清洁生产工艺，充分合理地利用环境对污染物的自净能力以实现整个社会的可持续发展(图8-2)。

图8-2　清洁生产模式

从图8-2可看出，清洁生产模式与传统的资源利用模式相比能充分发挥进入生产过程的原料、资源、能源的效益，对生产过程中所排出的“废弃物”经处理后使其能从新投入到生产中的某些环节，这样能大大降低原料、资源、能源的开采和使用量，对于资源相对贫乏的地区尤为重要，并且因其排放到环境的“最终”废物的量很小，可借助环境的自净能力对污染物进行充分的降解，这样就能较好地协调经济发展与资源利用和环境保护的关系。采用清洁生产模式后，废水处理部门会尽可能地多收集废水和尽可能地将废水处理合格后回用给用户，因此从理论上分析其没有闲置污水处理设备或偷排污水的意愿;而用户为了能少支付排污费和水费就有不断减少使用水资源的意愿。这就将上述两方均统一到实现清洁生产和循环利用水资源的目的上来。采用循环利用模式可以大大降低企业生产成本，节省的部分主要来自排污费、水价差额和由于循环利用节约下来的市水费;采用循环利用模式可以大大减轻对附近水域的污染甚至基本杜绝;同时利用经济杠杆的作用提高了人(包括企业用户在内)的节能、环保的意识，与空洞的理论宣传效果相比更好。

因此从理论上分析，循环利用水资源是可行的，通过采用“源削减”和“再循环”的途径有利于推动清洁生产过程和促进经济的可持续发展。

第二节　工业企业水资源循环经济系统优化决策

一、水资源换利用工程概况

洛阳LYC轴承有限公司工业废水处理站担负着对全厂各单位排放的工业废水和生活污水的收集、处理、再生利用的任务。其总占地面积5646m2，包括四个提升站、三个泵房、各构筑池、办公楼(含污泥脱水车间)等设施。废水处理站筹建于20世纪90年代初，工程共分两期，前后共计投资约1000万元，整体土建工程于1991年开工建设，1993年完工，由于历史原因，1999年一期工程开始调试运行并于当年顺利通过环保部门验收，归属原洛阳轴承集团有限公司安技环保处管理，使进站的废水经处理后满足国家一级排放标准的要求。随着水资源使用成本的增加和人们环保意识的提高，公司领导决定于2000年9月开工建设二期工程并于2001年1月完工，进入调试运行阶段，2001年5月通过公司有关部门的验收。废水处理站设计最大日处理量10000吨，针对处理后的水若满足企业再生水回用标准则回用于厂区生产和绿化、冲洗(人体非全身性接触)之用;若不能满足企业再生水利用标准，则按国家一级排放标准(GB 8978—1996)达标排放进入城市下水管网。

废水处理站主要担负着公司厂区内全部工业废水及部分生活污水的收集、处理与回用(或达标排放)的任务。因公司是以生产轴承为主的机械制造行业，这样进站废水中污染因子以COD、SS、石油类为主，依次采用沉砂、隔油、混凝-沉淀、吸附-生化、过滤等工艺并增加了二氧化氯消毒处理单元(图1)，设计日处理水量为1万立方米，根据处理后出水水质分别采用《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)或《中水回用水质标准》(Q/LZ G1716—2003)来控制出水达标排放至大明渠或回用至厂区内作为生产冷却水，部分工艺用水，绿化、卫生间冲洗用水、人体非全身性接触用水等对水质要求不高的非饮用水(即中水)(图2);对相关处理单元排出的污泥经浓缩、脱水后制成泥饼外运，最终运至城市垃圾填埋场，至此完成废水处理的全过程。自中水回用以来，废水处理站根据实际运行效果先后进行了一些技术改造，如: 2001年，改造电解法二氧化氯发生器两台; 2002年，花费13万元对沉淀池内的斜管进行更换，同年，花10万余元更换一台化学法二氧化氯发生器及盐酸储罐一个; 2003年，对射流、回流系统进行了改进设计并调试运行成功以及一些管道、水泵等设备的改造。

自2001年5月中水回用工程正式投入运行以来，年处理水量超过220万吨，回用水量超过200万吨，回用率超过90%，水处理成本一般不超过0.4元/吨，尤其是2004年，为公司创造净利润超过550万元(见图8-3、8-4和表8-1)。

图8-3　系统工艺流程简图

图8-4　LYC公司水资源调配简图

表8-1　2001年～2004年企业水资源处理与回用效益表

图8-5　2001年～2004年洛轴集团公司污水处理与中水回用示意图

图8-6　2001年～2004年洛轴集团公司节约水费与排污费所占百分比示意图

从图8-5水处理曲线图上可以直观地反映出处理水量、中水回用总量与回用率呈上升趋势，也基本反应了该种生产模式能做到污水全部进站处理。从图8-6水资源利用效果对比图上反映了中水的再循环利用的效益，节约市水费用占总收益的比例在逐年上涨，尤其是2004年已超过80%，效益十分显著。

由于整个水资源得到了在循环利用为下游水域的水环境改善做出了较大的贡献，原先洛阳市的第一大污染源大明渠已有明显改善，成为第三大污染源(因为沿线其他企业仍在排污)，并且废水处理与回用这种清洁生产模式得到了环保部门和行业内有关人士的称赞，洛阳市的一些大、中、小学将其作为环保专业实习基地和对学生进行环境保护教育的场所，外地的一些企业也慕名来此参观，成为公司展示企业形象的一个重要窗口。

二、系统存在的问题

原洛轴公司是1954年我国“一五”期间建设的156项重点工程之一，作为一个国有特大型老企业，由于企业体制和运营机制上的原因，企业一直走的是粗放型的发展路子，耗能高、效益低、环境污染严重。公司厂区内无论是生产用水还是生活用水，均取自城市上水，用水量大且生产废水和生活污水直排入厂区附近的露天的大明渠中。传统的企业生产模式所带来的弊端如下:

洛轴公司向下游水域年排放COD7.82吨、SS7.60吨、石油类221.11吨、铜8.02吨、六价铬4.40吨、氰化物0.50吨、铅1.94吨、锌0.98吨。由于该渠还容纳有沿线附近的一拖、洛铜、洛矿等国有大型企业及一些小厂矿的各种生产废水、生活污水，因此该渠水面经常可见到油污、浮渣并时常散发出刺鼻气味，它曾是洛阳市第一大水污染源。

公司年用市上水约220万吨，LYC公司年水资源利用的费用支出为286万元(按当时水价1.3元/吨计算);年上缴排污费共计100万元，合计年水资源成本386万元。

公司职工对于水资源的节约和水环境的保护意识也不强并且在一定程度上视其与企业生产相矛盾，因此产生了许多环境污染的问题。

由于该废水站常年24小时运行，相关的一些水处理设施(设备)存在着不同程度的问题。公司拟将一笔设备技改资金拟用于该站，以解决现存的技术、设备问题，使该站能提高废水再生利用水平。

三、问题与对策分析

经认真调查分析，亟待解决的问题如下:

高浓度乳化液废水的处理;

提高二级水处理系统的充氧效果和微生物对废水的处理效率;

改进虹吸滤池的过滤效果，降低出水的SS;

改进消毒效果，减少水中细菌总数。

经分析，相应的对策如下:

设计新的水处理工艺;

对现有设备进行改造;

对现有设备进行彻底更换。

进而，可构造出决策局势见表8-2:

表8-2　决策局势表

四、量化目标及其效果白化值

希望达到的具体目标:

p=1，减少废水外溢，减少甚至不缴纳超标排污费;

p=2，提高出水水质，提高水资源再生利用水平，降低企业生产成本;

p=3，降低废水处理站技改投资，降低水处理设备运行成本。

针对目标p=1，其效果白化值的衡量，按污染治理后，排污费的减少量计算，得到白化值矩阵(矩阵内元素的单位为万元)如下:

针对目标p=2，其效果白化值的衡量，按提高水处理效果，提高再生水量，降低企业生产成本计算，得到白化值矩阵(矩阵内元素的单位为万元)如下:

针对目标p=3，其效果白化值的衡量，按废水处理站技改投资，水处理设备运行成本计算，得到白化值矩阵(矩阵内元素单位为万元)如下:

五、计算不同目标的局势效果测度

对目标p=1，选用上限效果测度，计算得:

对目标p=2，选用上限效果测度，计算得测度矩阵:

对目标p=3，选用下限效果测度，计算得测度矩阵:

六、计算综合效果测度，将多目标决策问题化为单目标决策问题

通过效果测度的计算，实际已经将不同目标下的效果白化值进行了无量纲标准化处理，将其均化为分布在0～1之间的数字，这样便于对比，也便于将多目标决策转化为单目标决策问题。

对综合效果的计算，可采用均值法或加权法。通过综合比较分析，采用本决策问题采用加权法较为适宜，目标p=1，p=2，p=3的权重分别为0.35，0.40，0.25，由R(1)，R(2)，R(3)可得到局势ij的综合效果测度:

综合效果测度矩阵即为:

该矩阵中第一行表示针对“高浓度乳化液废水处理”的各局势效果测度;第二行表示针对“提高二级水处理系统的充氧效果和微生物对废水的处理效率”的各局势效果测度;第三行表示针对“改进虹吸滤池的过滤效果，降低出水的SS”的各局势效果测度;第四行表示针对“改进消毒效果，减少水中细菌总数”的各局势效果测度。

该矩阵中第一列表示“设计新的水处理工艺”综合效果测度;第二列表示“对现有设备进行改造”综合效果测度;第三列表示“对现有设备进行彻底更换”综合效果测度。

七、按最佳效果，选择最佳局势进行决策

按行决策:综合效果测度第一行最大值为R11=0.356，这表示对“高浓度乳化液废水进行处理”(事件a1)而言，采用“设计新的水处理工艺”(对策b1)最为有效合理;第二行最大值为R22=0.688，这表示对“提高二级水处理系统的充氧效果和微生物对废水的处理效率”(事件a2)而言，采用“对现有设备进行改造”(对策b2)最为有效合理;第三行最大值为R32=0.481，这表示对“改进虹吸滤池的过滤效果，降低出水的SS”(事件a3)而言，采用“对现有设备进行改造”(对策b2)最为有效合理;第四行最大值为R43=0.618，这表示对“改进消毒效果，减少水中细菌总数”(事件a4)而言，采用“对现有设备进行彻底更换”(对策b3)最为有效合理;按列决策:综合效果第一列最大值为R21=0.443;第二列最大值为R22=0.688;第三列最大值为R43=0.618。

综合决策:根据行列决策的结果，得到如下决策矩阵:

由矩阵DR可知，其第二行的最大值为R22=0.688。

八、决策结论

应用灰色系统理论，构建灰色局势决策模型求解后，可得最优方案如下:

R11=0.356，欲对高浓度乳化液废水进行处理，设计新的水处理工艺最为有效合理;

R22=0.688，欲提高二级水处理系统的充氧效果和微生物对废水的处理效率，对现有设备进行改造最为有效合理;

R32=0.481，欲改进虹吸滤池的过滤效果，降低出水的SS，对现有设备进行改造最为有效合理;

R43=0.618，欲改进消毒效果，减少水中细菌总数，对现有设备进行彻底更换最为有效合理。

因此，洛阳LYC轴承有限公司若将这笔设备技改资金拟用于该站，可按上述最优方案进行技改资金的使用配置。