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水环境材料 悬浮填料的绿色设计 ＊ 江 帆 陈维平 李元元 张 华南理工大学机械工程学院, 广州 510640 摘要 将绿色设计和优化设计结合起来应用到悬浮填料设计中, 建立基于绿色设计的悬浮填料优化模型, 使设计的产 品既满足产品的性能目标, 又满足环境目标。 并采用融合悬浮填料的功能、几何、加工、工况分析、工艺等全部设计信 息的设计平台进行设计实践, 达到了塑胶悬浮填料的 CAD CAM CAE CAPP 一体化, 在设计时采用一系列仿真手段来 消除后续产品试制过程中产品浪费和环境污染。 关键词 绿色设计 悬浮填料 优化模型 环境影响 CAD CAM CAE CAPP 一体化 ＊广东省科技攻关计划 2003C34504 1 引言 绿色设计 Green Design 也称为面向环境的设计 Design for Environment ,是系统地考虑环境影响并集 成到产品最初设计过程中的技术和方法 。绿色设计 概念的核心是从整个产品系统的角度考虑,即在整个 产品的生命周期内 , 从原材料的提取、制造、运输、使 用到废弃各个阶段对环境产生的影响 。这里的环境 包括了自然生态环境 、 社会系统和人类健康等因素。 从产品的角度看 ,任何产品在其整个生命周期内的各 个过程中对环境都要产生一定的影响和损害 ,主要的 影响过程因素包括 能量的使用; 原材料的提取; 零部 件和产品的制造 ; 包装与运输 ; 产品的使用; 产品使用 后的处理方式 [ 1～ 3] 。 本研究将绿色设计理论与优化设计理论相结合, 建立基于绿色设计的悬浮填料优化模型 ,在设计中充 分考虑悬浮填料环境属性 [ 4,5] 。并采用综合产品自身 数据和环境定义数据 [ 6] 的塑胶悬浮填料设计平台进 行设计实践 ,在设计时全面考虑产品应用工况 、 模具 设计 、 加工等问题,使产品设计一次合格 ,减少设计开 发中的环境污染 。 2 基于绿色设计的悬浮填料的优化模型 塑胶悬浮填料的绿色设计 ,是在整个悬浮填料的 生命周期内,着重考虑它的环境属性 自然资源的利 用、 环境影响及可回收性等 , 并将其作为设计目标, 在满足环境目标的要求的同时 ,并行地考虑并保证填 料的应有的基本功能 、使用寿命 、经济性和质量等。 塑胶悬浮填料的设计关键环节是材料选择 、结构设 计、 回收处理设计 ,在这 3 个环节中以环境属性为目 标,建立 3个目标函数 ,构造多目标优化模型。 基于绿色理论的塑胶材料选择 ,主要考虑材料自 身制备过程的环境性、材料的易加工性 、材料在加工 成悬浮填料过程的环境性 、填料在废弃后的易处理 性、 废弃处理过程中的环境性 。分别取这些因素为选 择的参数, 定义设计变量 。以选用材料的总污染与总 加工及处理难度 PD 为选材目标, 建立优化模型 如下 minPD f x1, x2, x3, x4, x5 x1x2x3x4x5 s. t . 0 ≤ xi≤1 1 式中 x1 材料自身制备过程的环境污染度 ; x2 材料的加工难度; x3 材料在加工成悬浮填料过程的环境污 染度; x4 填料在废弃后的处理难度; x5 废弃处理过程中的环境污染度。 悬浮填料的结构关系到悬浮填料的水力特性 、 生 物膜附着性 、 空间体积及形状 、 机械强度 ,在设计塑胶 悬浮填料的结构时, 充分考虑悬浮填料能达到这些性 能,同时也要考虑结构的环境属性 易加工, 少或 无废料 。以填料结构对水力特性作用 x1、填料结构 对生物膜附着性作用 x2、填料结构对空间体积及形 状的作用 x3、填料结构对机械强度的作用 x4作为结 构设计变量 ,以整个悬浮填料产品的易加工性和少无 废料 PW 为设计目标 ,建立优化模型如下 minPW f x1, x2, x3, x4 a1x1a2x2a3x3a4x4 s . t . 0 ≤ai≤1 ximin≤ xi≤ximax 2 86 环 境 工 程 2005年 8 月第23 卷第4 期 式中 ai 权重因子 。 基于绿色设计理念的产品设计在产品设计阶段 就 要 考 虑 回 收 设 计 Design forRecovering ②将产品模型的 STEP 文件导 入MOLDFLOW 中, 使用MOLDFLOW 系统模拟悬浮填 料的注塑过程 [ 7] , 根据塑胶的注塑工艺性对产品结 构、 浇口位置等注塑参数进行相应修改 , 将修改的模 型导出STEP 文件 ; ③将修改后的STEP 文件传回 Pro Engineering ,根据经过流动分析修改过的模型更新悬 浮填料的模具结构 ,并将模具分解成零件 ,分别存成 STEP 文 件; ④将 各个 零件 的 STEP 文件 导入 到 MasterCAM 系统 ,对每个零件的加工性进行实际模拟 如图 4 所示 , 提供一个合理的加工方案 ,并对加工 性不好的地方进行修改; ⑤使用 CAPP 系统编写零件 的加工工艺及部件 、 模具的装配工艺, 并将反馈信息 传回数据库 ; ⑥将最终模型传回 CAD 系统, 出工程 图,存档。 图 2 悬浮填料的产品级建模 图 3 悬浮填料的开模图 4 结束语 本研究应用绿色设计理论进行悬浮填料的设计 开发, 建立基于该理论的优化设计模型 , 根据该优化 87 环 境 工 程 2005年 8 月第23 卷第4 期 图 4 下型腔加工模拟 模型对悬浮填料的选材 、 结构设计、回收处理 3 个环 节进行以环境影响为目标的优化, 达到设计出来的悬 浮填料在生产过程中环境污染小及废弃后能有效地 回收再利用 。并采用融合几何结构 、塑胶流动分析、 模具设计 、模具加工工艺等的 CAD CAM CAE CAPP 一体化设计平台进行悬浮填料设计实践 ,减少产品试 制这一中间环节 ,实现产品设计一次合格 ,降低产品 设计成本, 减少环境污染 。进一步完善绿色设计技 术,在设计中全面考虑原材料的选取到产品失效报废 整个过程的环境影响 ,并将这一技术应用到水环境材 料和水环境装备的开发设计中是下一步研究重点 。 参考文献 1 Don Fullerton,Wenbo Wu. Policies for green design. Journal of environment economics and management ,1998. 36 6 131～ 148. 2 J. Y. Zhu, A. Deshmukh. Application of Baesian decision networks to life cycle engineeringin greendesignandmanufacturing.Engineering applications of artificial intelligence , 2003. 16 91～ 103. 3 栾忠权. 绿色设计的策略及方法. 北京机械工业学院学报, 2002. 17 3 51～ 58. 4 R. Bello- Mendoza, M . F. Castillo-Rivera . Start -up of an Anaerobic Hybrid UASB Filter Reactor Treating Wastewater from a Coffee Processing Plant. Anaerobe Environment Micorbiology ,1998. 4 219～ 225. 5 刘惟信. 机械最优化设计. 北京 清华大学出版社, 1994. 9. 6 景旭文, 赵良才, 易红. 产品动态全息概念设计模型的研究. 华东船 舶工业学院学报,2002. 16 5 61～ 66. 7 Holdsworth, David A, Reid lain M . An investigation of biases in the full correlation analysis technique. Advances in Space Research, 1997. 20 6 1269～ 1272. 8 汤宏群, 苏广才. MoldFlow 在注塑成型中的应用. 广西大学学报, 2003. 28 6 61～ 63. 作者通讯处 江帆 510640 华南理工大学机械工程学院 2003 级博 士班 电话 13802806152 2004- 12-24 收稿 上接第 85页 表 6 路线一、二经济运行费用比较元 m3 混凝阶段氧化镁除硅离子交换合 计 路线一0. 5240. 42. 603. 524 路线二1. 2440. 231. 474 从表 6可以看出,由于混凝强化工艺使出水硬度 得到降低,减轻了离子交换处理单元的运行负荷,使得 该路线在离子交换处理单元的运行费用上低于路线 一。其整体运行费用较路线一相比具有明显的优势。 4 结论 投加钙剂、镁剂的除硅工艺和混凝强化除硅工艺 在技术上都是可行的 ,其出水 SiO2含量均可达到稠 油集输及注蒸汽系统设计规范 SY0027-94 对热采 锅炉给水水质的要求 。但是, 混凝强化处理单元将除 油、 除悬浮物和除硅同步实现 ,简化了处理流程,使得 工艺路线二在技术上要优于采用投加钙剂、 镁剂除硅 的工艺路线一。此外 ,在混凝强化处理单元中投加低 剂量的氢氧化钙后 ,出水硬度得到降低 , 减轻了后续 离子交换处理单元的工作负荷 ,使得工艺路线二在离 子交换处理单元的运行费用上低于工艺路线一。其 整体运行费用与工艺路线一相比具有明显的优势。 综合技术经济比较, 推荐采用混凝强化作为红浅稠油 区稠油废水回用热采锅炉处理工艺中的除硅技术 。 参考文献 1 闻岳, 章非娟, 余志荣. 稠油废水处理再生后回用于热采锅炉的研 究. 给水排水, 2004. 30 1 43～ 45. 2 邵磊, 宋存义, 卢寿慈. 工业锅炉中硅化合物的危害及其处理方法. 锅炉压力容器安全技术,1999. 5 23～ 26. 3 雷乐成, 杨岳平, 汪大, 李伟. 污水回用新技术及工程设计. 北京 化学工业出版社,2002. 4 章非娟, 张玉先,俞庭康. 水污染控制工程试验. 北京 高等教育出 版社, 1988. 5 金若菲, 王栋, 周集体, 滕丽曼, 姜苏. 混凝法处理含硅酸盐废水的 实验研究. 工业水处理,2003. 23 1 42～ 44. 作者通讯处 裘湛 200092 上海市四平路 1239 号 同济大学 0304 号信箱 电话 021 65985866 H E -mail uasbegsbyahoo. com. cn 2004- 09-21 收稿 88 环 境 工 程 2005年 8 月第23 卷第4 期 systematical discharging and unsystmatically flying dust. At last, the measures of integrated control of air pollution is put forward which aimed at environmental problems. Keywords energy heavy industry area, atmospheric environmental capacity , atmospheric environmental management and Longmen STUDY ON SILICON REMOVAL IN HEAVY OIL WASTEWATER RECOVERY FOR THERMAL BOILERSQiu Zhan et al 83 Abstract The heavy oil wastewater from Hongqian oilfield was treated by a conventional technology using compounds of calcium or magnesium and enhanced coagulation to remove silicon at high temperature above 70 ℃. The results showed thatsilicon dioxide in the treated effluent from the two processes can both meet the requirement of feed water quality for thermal boilers, but enhanced coaglation process was more feasible than other processes in terms of economical efficiency analysis. Keywords heavy oil wastewater, thermal boilers, reuse and silicon removal GREENDESIGN OF SUSPENDED PACKING FOR TREATING WATER ENVIRONMENT Jiang Fan et al 86 Abstract In this paper, the green design and optimizaiton design are integrated, and it is applied to designing of suspended packing. The optimization model of suspended packing based on green design is established, so it satisfied an aim of its physics and environment. A new development plat including function, structure, machinability, working status analysis, technology, and so on, is applied to designing of suspended packing, which realizes integration of CAD, CAM, CAE, and CAPP. This design reduces the pollution and waste, because it removed the trial-manufacture after product design. Keywords green design, suspended packing, optimization model, environment influence and integration of CAD, CAM, CAE, and CAPP A FULL-SCALE STUDY ON PHOSPHORUS REMOVAL FROM BIOLOGICAL A O PROCESS ENHANCED BY ZEOLITEWu Zhichao et al 89 Abstract In a full-scale test, nitrate of returning mixed -flow from aerobic tank is increased as zeolite enhances biological nitrification, it restrains poly -phosphate organisms to release phosphorus andmakes A O nitrogen removal process little effect of phosphorus removal. A O nitrogen removal processwants chemical phosphorus removal. Aluminum sulfate and ferrous sulfate have a good effect of phosphorus removal, and the effect is nothing to do with the position of throwing chemical flocculant. After throwing in Al2 SO4318H2O with TP∶ Al mol1∶ 1. 5, the rate of phosphorus removal ismore than 85. After throwing in FeSO47H2O with TP∶ Fe mol1∶ 1, the rate of phosphorus removal is more than 80. And after throwing in 30 mg L Al2 SO4318H2O and 20mg L FeSO47H2O in a tank, the rate of phosphorus removal is about 90. Keywords chemical phosphorus removal, A O nitrogen removal process, zeolite and pilot scale test STUDY ON FLOW NON -UNI DISTRIBUTION OF RISING TUBES FOR CONSTANT- SECTION DIFFUSERHuang Juwen et al 92 Abstract The specical environemntal condition of Bailong Gang Outfall of Shanghai Sewage Projectphase -Ⅱ the largest sewage project in China so far is presented. Through physical model experiments, the T -junction and nozzle s effect on coefficient of spray nozzles was studied. The test results show that by controlling the T -junction and riser tube s resistance coefficients, the unbalanced riser flow distribution has been achieved. Keywords rising tube, spray nozzle, resistance coefficient, model test and flow distribution INFLUENCE ON PHOSPHOR REMOVAL AND IMPROVEMENT ON TRIPLE OXIDATION DITCH SYSTEMYang Weihua et al 96 Abstract In order to know why the triple oxidation ditch system has so low phosphor removal efficiency, a full -scale experiment on triple oxidation ditch in Handan is carried out. When the side ditch is in denitrification, the environment is not strict anaerobic and the style of discharging sludge in middle ditch is unsuitable to phosphor removal. The time of sendimentation is too long to keep the phosphor in activated sludge and the return of supernatant of sludge thickener is also disadvantage to phosphor removal. All of these are effects on phosphor removal in triple oxidation ditch system. We change the style of discharging sludge from middle ditch to side ditch and put forward a new manner of nitrogen and phosphor removal as improvement. Keywords triple oxidation ditch, biodephosphoration and eutrophication Sponsor Central Research Institute of Building and Construction of MCC Group Publisher Industrial Construction Magazine Agency Editor The Editorial Department of Environmental Engineering 33, Xitucheng Road, Haidian District , Beijing 100088, China Telephone 01082227637、82227638 Fax 01082227637 Chief EditorWeng Zhongying Domestic All Local Posts DistributorChina International Book Trading Corporation P . O. Box 399, Beijing China Journalistic Code ISSN1000-8942 CN11-2097 X E-mail Addresshjgc mail . yj. cn. net hjgc hjgc. com. cn WWW Addresshttp www. hjgc. com. cn 6 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 23,No. 4, Aug . , 2005