基于产品水足迹的农产品生产节水潜力研究

何川封明曹岳戚政霞李恺

(1.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；2.泰兴市水务局，江苏 泰兴 225400；3.高港区水利局，江苏 泰州 225321)

引言

当今农产品加工行业逐渐向创新性、专业性的方向发展，用水模式的差异性和加工工艺的差异性导致农产品加工企业节水潜力的巨大差别[1]，因此，精细化确定企业节水潜力是很有必要的。

相较于数据繁多的数据建模分析与不确定性高的生命周期分析[2]，节水潜力研究主要运用水足迹分析进行节水潜力评估。任滋禾等[4]应用水足迹分析，得出雨水利用对于印染企业具有巨大的节水潜力。然而，目前节水潜力研究中对于农产品加工业的节水潜力分析甚少，缺少回用水、雨水收集、设备更新对于农产品节水潜力程度的评估。

基于节水潜力研究现状[6]，以具有行业代表性[7]的脱水蔬菜企业为研究对象，分析雨水收集、废水回用、设备更新等措施对企业节水的贡献，为高质量、高效率建设节水企业提供依据。

1 数据与方法

1.1 数据来源

本研究基于行业代表性与生产多样性的考虑，选取脱水蔬菜重要基地泰州市为研究对象[8,9]。对15家脱水蔬菜企业进行水平衡核算以及水足迹统计。

1.2 脱水蔬菜企业调研与核算模型

根据研究企业的用水概况，水足迹及水平衡核算模型分为2种，如图1、图2所示。地下水新水分别直供生产工艺、冷却、设备清洗系统；自来水直供工作人员生活系统，最后进行污水处理，达到工业用水排放标准后直接排入水体；由于泰州属于丰水区，景观需水较少可忽略不计，故在此不予考虑。自备锅炉企业水平衡关系如式(1)所示，外购蒸汽企业水平衡关系如式(2)所示。因该企业未采用雨水收集回用系统，故目前过程中无绿水足迹。

图1 自备锅炉企业用水流程图

图2 外用蒸汽企业用水流程图

(1)

(2)

2 结果与分析

2.1 不同工艺的脱水蔬菜企业的用水差异

脱水蔬菜加工用水的关键环节通过整理分析，确定有干燥环节、蒸汽制备环节会对企业用水单耗产生影响。因此，工艺角度上，自加工脱水蔬菜节水潜力的确定需进行这2种关键环节的差异分析。

以2016—2019年为例分析各企业干燥工艺不同的情况下的用水差异，结果见图3。由图3可以看出，烘干型企业用水单耗(76.26m3·t-1)>冻干型企业用水单耗(39.97m3·t-1)；标准差分别为17.40m3·t-1和3.19m3·t-1。其中，烘干型企业用水单耗高于调查企业用水单耗平均值(54.00m3·t-1)，冻干型企业用水单耗低于平均值。对于自来水，冻干型企业用水单耗(1.81m3·t-1)>烘干型企业用水单耗(10.76m3·t-1)；对于地下水，烘干型企业用水单耗(48.31m3·t-1)>冻干型企业用水单耗(23.78m3·t-1)；对于蒸汽，烘干型企业用水单耗(18.51m3·t-1)>冻干型企业用水单耗(3.13m3·t-1)。自来水主要供给于办公场所，其中用于生产的地下水和蒸汽烘干型企业均多于冻干型企业，且烘干型企业标准差远大于冻干型，说明烘干型企业干燥工艺环节节水潜力巨大。但由于冻干型公司设备与烘干型公司差异较大，更新冻干型设备资金消耗较大，从经济考虑该节水方案不切实际，故不予考虑。

图3 脱水蔬菜用水单耗比较

以2016—2019年为例分析各企业蒸汽制备工艺不同的情况下的用水差异，结果见图4。由图4可以看出，外购蒸汽企业用水单耗(61.72m3·t-1)>蒸汽自备企业用水单耗(41.83m3·t-1)；标准差分别为21.81m3·t-1和12.33m3·t-1。对于自来水，外购蒸汽企业用水单耗(1.42m3·t-1)>蒸汽自备企业用水单耗(0.745m3·t-1)；对于地下水，外购蒸汽企业用水单耗(41.51m3·t-1)>蒸汽自备企业用水单耗(15.27m3·t-1)；对于蒸汽(蒸汽自备企业蒸汽量计算以用于生产蒸汽的地下水水量为准)，外购蒸汽企业用水单耗(15.46m3·t-1)>蒸汽自备企业用水单耗(14.00m3·t-1)。其中，对于生产的用水单耗，外购蒸汽企业均多于蒸汽自备企业，但蒸汽制备工艺主要影响的蒸汽用水单耗相差不大，确定该工艺环节的节水潜力还需进一步分析。

图4 脱水蔬菜企业各水源用水单耗比较

2.2 节水潜力

2.2.1 企业水平衡核算结果

根据水平衡核算模型，选取2家代表性企业数据对企业的工业用水量进行核算，如表1所示。其中，根据《水果、蔬菜产品中干物质和水分含量测定方法》，取蔬菜含湿率为80%，取出厂成品含湿率为0%，再结合企业年产量与企业生产时间，确定原料夹带水。除原料夹带水外，其余数据都通过实地调查获取。

表1 调研企业用水明细表

2.2.2 产品水足迹测算结果

根据表1数据，计算得到B、L公司蓝水足迹分别为286.9m3·d-1和545.9m3·d-1，计算得蓝水足迹分别为64.1m3·t-1和26.3m3·t-1。将原始数据代入水平衡关系式组中计算，考虑各步骤损耗及测量误差，水平衡式两端误差均控制在5%以内，且其中误差大部分为原料夹带水寻踪误差，故该水平衡核算成立。水足迹计算结果如表2所示。

表2 调研企业水足迹计算结果表

由表2可知，B、L企业总蓝水足迹分别为286.9m3·d-1和545.9m3·d-1，单位产品蓝水足迹分别为64.1m3·t-1和26.3m3·t-1，无绿水足迹，而雨水资源适合用作冷却用水且净化成本较低，是值得充分利用的水资源，且根据相关文献[10]可知，脱水蔬菜生产废水与雨水具有一定的生化相似性，雨水可以汇入废水池与生产废水一起处理，既降低废水水温，又不会增加过多的资金投入，因此，2家公司需要更好地利用雨水资源。另外，两者单位产品蓝水足迹相差较大，说明脱水蔬菜企业水资源利用率具有相当的差异，在生产过程与制汽过程中节水潜力较大。

2.2.3 各项措施对削减企业水足迹的作用

雨水利用一直被视作重要的企业节水手段，对企业用水削减起到了极大的作用。泰州市年均降水量约为1000mm，取汇水面积为屋顶建筑面积0.8×104m2和1.6×104m2，取屋顶表面径流系数0.9，屋顶雨水初期弃流量取2mm径流厚度[11]，雨水池容和初期雨水弃流量公式：

W=10ψHF

(3)

W1=10ψH′F

(4)

式中，W为雨水池容积，m3·a-1；ψ为径流系数；H为设计降雨量，mm·a-1；F为汇水面积，hm2；W1为初期雨水弃流量，m3·a-1；H′为年总雨水初期弃流厚度，为120mm(60×2mm)。计算得到，WB=19.72m3·d-1，WL=39.45m3·d-1；WB1=2.36m3·d-1，WL1=4.73m3·d-1。两者相减得到年降雨可收集到的雨水量Q，QB=17.36m3·d-1，QL=34.72m3·d-1。收集的绿水经处理后即可补充冷却用水，分别可汇入企业污水池绿水量为17.36m3·d-1、34.72m3·d-1，与废水混合简单处理并降温后即可满足回用冷却水要求。根据企业实际情况分析并借鉴目前已有水回用研究成果[12,13]，将该脱水蔬菜企业再生水部分回用于冷却系统，再随冷却系统一起回用于生产工艺，其预期水量分别为76m3·d-1和167m3·d-1，根据雨水量与废水量混合比例，计算出绿水水足迹增加量分别为5.22m3·d-1和11.57m3·d-1，废水回用削减蓝水足迹量分别为70.78m3·d-1和155.43m3·d-1。

设备更新换代可以减少生产过程中的用水量，根据水平衡核算模型和表1分析，配有锅炉的公司L比外购蒸汽的公司B节约了从锅炉到漂洗的串联水量38m3·d-1，且生产环节可以更加灵活多变。以B公司的实际生产情况为基础考虑，取产汽耗水率为调研企业平均值94.9%，B公司建立锅炉产汽环节后，需要增加地下水量76.92m3·d-1，与外购蒸汽相比增加水量3.92m3·d-1，减少漂洗水量28.7m3·d-1，净减少水量24.78m3·d-1，B公司削减蓝水足迹量为24.78m3·d-1。

2.3 改进后企业水平衡核算及水足迹削减量

将改进后脱水蔬菜企业水足迹重新构造水平衡图，进行核算，见图5。

图5 改造后脱水蔬菜企业用水流程图

更新水平衡关系公式：

(5)

经过核算，增加雨水收集系统、污水回用系统和设备更新后，其各项水足迹如表3所示，经处理的雨水和再生水补充到冷却系统中，蓝水削减量为76m3·d-1和167m3·d-1，蓝水足迹削减比例为29.78%和32.66%；B公司建设锅炉—漂洗串联用水环节后，蓝水削减量为28.7m3·d-1，蓝水足迹削减比例为9.70%，结合雨水废水回用设施，共削减蓝水足迹104.7m3·d-1，削减比例为39.48%。由表3可知，雨水收集、废水回用、设备更新均可有效降低脱水蔬菜企业的产品蓝水足迹，B公司节水潜力为3.8×104m3·a-1，L公司节水潜力为6.1×104m3·a-1。

表3 调研企业全面改造后水足迹明细表

3 结论

本研究将水平衡分析与水足迹评价相结合，建立了产品水足迹测算方法，研究结果表明，废水回用节水潜力更大，蓝水足迹削减比例为30%左右；通过雨水利用，绿水足迹增加比例均在2%左右，削减等量蓝水足迹，节水潜力较小；外购蒸汽企业可以通过自制蒸汽，削减产品总水足迹10%左右。