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水处理系统优化运行摘要研究、建立了水处理系统优化运行的数学模型，提出了最优沉淀出水浊度的概念和各流程间流量最优分配的观点，探讨了系统局部最优和整体最优的关系。此外，还研制了优化运行软件包，并成功地运用于小型试验系统。结果表明，优化运行能节省10%30%的运行费用，对水处理系统运行与优化设计都具有指导作用。关键词水处理系统 优化运行 数学模型水处理系统优化运行的目的在于：通过提高水厂的技术管理水平，合理使用水厂现有处理设施，提高供水水质，降低供水成本，使系统在不断变化的运行工况中，经常处于良好的运行状态，本文将主要讨论系统运行优化的问题。1 优化运行数学模型一般大型水厂采用分期建设，每期建设由于考虑到场地条件、当时的工艺技术以及原水水质、处理效率、投资与经营费用等因素而选择了不同净水工艺及处理设备；而在一些老厂的扩建、改造中，又不断采用新工艺、新技术以增加产量，提高质量，因此形成了水厂处理系统多流程、多工艺、多池型的特点。由于不同流程、不同净水工艺、不同处理构筑物型式的处理能力、处理效率及运行费用不同，而且各种构筑物的运行参数又都互相联系、互相制约，因此就存在着整个处理系统在一定的运行条件下，各流程在处理能力上的相互协调、各处理构筑物在处理效率上的相互协调，从而达到整个系统的处理费用最小、能源消耗最低，即系统处于经济运行状态。 目标函数 水处理系统日常运行费用主要包括：药费、沉淀池(包括澄清池，下同)排泥费和滤池反冲洗费，一泵站的提升费用暂不计算在内。式中F-运行费用，元/dmi-第i流程的混凝剂投加量，mg/Ln-处理工艺流程数eni-第i流程沉淀池单位排泥耗电量，kWh/m3pi-第i流程沉淀池排泥耗水率Wi-第i流程沉淀池一次排泥量，m3Tni-第i流程沉淀池排泥周期，hNi-第i滤站滤池个数Ti-第i滤站滤池过滤周期，hewi-第i滤站反冲洗单位用水耗电量，kWh/m3egi-第i滤站反冲洗单位用气耗电量，kWh/m3QCi-第i流程的混凝沉淀进水流量，m3/dqwi、qgi-第i滤站单个滤池一次反冲洗用水量、用气量，m3k1、k2、k3、k4-药价(元/t)、电价(元/kWh)、排泥耗水价(元/m3)、反洗水价(元/m3) 约束条件 淀池：C1minC1iC1max滤池：C2iC2max(2)式中C1i、C2i-第i流程沉淀池、滤池出水浊度，NTUC1min-经沉淀池处理后能达到的最小出水浊度，NTUC1max-允许的沉淀池最大出水浊度，NTUC2max-要求的滤后出水浊度的上限，该值要小于或等于水质标准的合格浊度，NTU此外，由于水厂各流程之间相互连通，而且优化运行要求合理调配各流程的水量负荷，各流程的沉淀出水浊度与滤池进水浊度也不一定相同，故有下述约束C1i=C1i+Ci (3)式中C1i第i流程滤池进水浊度，NTUCi第i流程沉淀池与滤池之间的水质波动，NTU 各种构筑物处理规模的要求 沉淀池：QCiminQCiQCimax滤池：QLiminQLiQLimax(4)式中QCi、QLi-第i流程混凝沉淀及滤站处理的水量，m3/dQCimax、QCimin、QLimax、QLimin-相应构筑物处理规模的上下限,m3/d可将过滤水量约束转化为滤速约束，即：viminvivimax(5)式中 vi、vimax、vimin-第i系统滤池滤速及其上下限，m/h 处理流程流量平衡要求 式中Q-原水总流量，m3/dQS-分质供水时，经沉淀净化后送用户使用的水量，m3/dQCi-第i流程沉淀池排泥耗水量，m3/d 滤池运行周期的要求 确定滤池运行周期，要考虑到水头损失和出水浊度以及最大过滤时间的要求。TiminTiL,TiH,Timax(7)式中 TiL、TiH、Timax-第i系统滤池的杂质穿透周期、水头损失周期以及允许的最大过滤周期，h 杂质穿透深度的要求 为使杂质在滤层中合理分布，既充分利用滤层的截污能力，又不允许杂质穿透，有下述约束：LiminLiLimax(8)式中 Li、Limax、Limin-第i系统滤池杂质穿透深度及上下限，cm2 小型试验系统优化运行考核为研究水处理系统优化运行而制作了小型试验系统，主要流程见图1，并根据数理统计原理，通过对试验系统大量实际运行数据回归分析，建立了各单元处理过程的数学模型，详见参考文献2。 目标函数及结束条件由于试验系统采用了两种滤池，形成了系统的多流程模式，则系统优化运行数学模型式即为：目标函数F=min10-6k1mQ+24(k2en+k3p),W/Tn+24(k4+k2ew1)qw1+k2egqg/T1,24(k4+k2ew2)qw2/T2(9)约束条件：C1150C2220L1606v1128v214T1=minT1H,T1maxT2=minT2H,T2L,T2maxTimax=48 (i=1,2)Q=Q1+Q2+2410-3W/Tn(10)式中m=109Q(+)-T1H=()/()T2H=()/()T2L=()/()L1=目标函数中，均质滤料滤池由T1H决定其运行周期，而对双层滤料滤池，取T2H和T2L中较小者作为滤池的运行周期。显然只有当T2T2LT2H时，滤池才处于最佳工作状态，既完全利用了滤池的水力能力，又充分发挥了滤层的截污能力，同时说明当整个净水处理系统处于最佳工况时，恰好滤池也处于最佳运行状态。约束条件中，C22为双层滤料滤池在滤层深度46cm处的出水浊度；由C1、v1可计算均质滤料杂质穿透深度L1，该处出水浊度为1 NTU，因此对穿透深度的约束已包含了对滤后水质的要求。 模型解法 上述模型中，变量C1、C22及v1或v2均为连续变量，模型为有约束非线性规划问题，可用多种方法求解。本项目采用一种求解非线性规划的组合型算法，此算法功能较强，求解较快，根据此算法编制了优化运行软件。此外，模型中一些经济参数如药价、电价、反洗水单价、排泥耗电量、反冲洗耗电量等均根据天津某水厂、南京某水厂有关技术经济数据计算得到。选取4组试验数据进行优化运行计算，结果见表1。表1 多流程优化运行与常规运行结果对比原水流量Q运行方式滤前浊度C1投药量m滤速过滤周期穿透深度滤后浊度C22排泥周期Tn排泥体积W单位费用元/()节省率12T1T2T2HT2LL1L210060优化常规1812优化常规优化常规优化常规 单流程优化运行 为了对比不同工艺流程的处理能力、耗水、耗能及各项费用，将本试验系统分为两个单流程运行，即混凝沉淀加均质滤料滤池为流程1；混凝沉淀加双层滤料滤池为流程2，并根据式(1)(8)分别建立两个单流程优化模型(模型略)。由于单流程没有各流程间的流量协调问题，同时根据滤速与滤前浊度的制约关系，应使尽量多的滤池投入运行，以降低滤速，这样有利于提高水质或降低混凝剂投量，因而滤速不再作为调控变量，故单流程运行优化问题求解比较容易。本文仍采用组合型算法求解，对流程1、流程2分别选取4组试验原始数据进行优化运行计算(结果略)。3 优化运行结果分析及讨论 沉淀池最优出水浊度的动态特性 当原水流量、浊度一定时，沉淀出水浊度C1的大小直接关系到水处理费用的高低。运行时如果允许C1较高，则混凝沉淀的费用可相应降低，但却增加了滤池的运行费用；反之如果要求C1较低，则提高了混凝沉淀的处理费用，而降低了滤池的运行费用。因此，必然存在着一个使总运行费用最小的沉淀出水浊度，即系统优化运行意义下的最优沉淀出水浊度C*，见图2。 原水流量、浊度变化时，C*也随之变化，其变化幅度与原水有关参数变化幅度有关。表2为流程2的C*与原水浊度C0或原水流量Q之间的变化关系，即C*(C0/Q)。此式表明，沉淀池出水浊度是联系混凝沉淀与过滤的中间变量，它的大小既受到原水水质及混凝沉淀设备处理效率的影响，同时也受到滤池水量负荷的制约，需根据运行条件的变化合理确定。表2 流程2中沉淀池最优出水浊度与原水浊度或原水流量的关系Q=100L/hC030405060708090100C*=60NTUQ6080100120140160180C* 比较本试验各流程最优运算结果可知，流程不同，各单元运行费用不同，则最优沉淀出水浊度C*不同。如流程1，由于均质滤料滤池采用气水反冲洗，节省大量的反洗用水，故费用比单独水反洗要低得多，试验中，均质滤料滤池反洗一次的费用是双层滤料滤池的%。故当处理相同规模、相同水质的原水时，由于气水反洗费用低，则优化运行适当提高反洗费用、降低投药费，使最优沉淀出水浊度得以提高，即图2中的最优点C*向右偏移。 对某净水厂来说，处理流程已定，则最优沉淀出水浊度C*就取决于水厂采用的药剂品种、价格及当地的水价。若系统采用的药费较高，而水价相对较低的话，则系统优化必然要减小投药量，提高沉淀出水浊度，从而减小投药费用；反之，在水资源短缺或长距离输水的地方，水价较高，若药费相对较低，则系统优化必然是加大投药量，降低沉淀出水浊度，以节省反洗费用。如本试验系统采用的药剂不变，而水价由原来的 元/m3涨到 元/m3或 元/m3，则C*由原来的8 NTU相应降到 NTU或 NTU，且反洗耗水量也随水价的提高而减少至原耗水量的%和%。 合理分配水量负荷 在多流程处理系统中，除了调节滤前浊度外，还可通过合理分配各流程水量负荷，使系统处于最佳工况。从表1看出，在试验系统中，两滤池的流量分配都是优先分配均质滤料滤池，该滤池滤速均为满足各种约束下的最大滤速，其原因就在于均质滤料滤池运行费用低。如两滤池冲洗一次的时间均按30 min计算，系统总处理能力为80120 L/h,据此计算两滤池10 d的处理水量，则均质滤料滤池的处理水量是双层滤料滤池的%194%。 排泥周期的确定 在总费用中，虽然沉淀池排泥费很小，只占总费用的1%以下，但系统优化运行的意义在于确保沉淀池出水质量，并减少排泥耗水量，从而减少水厂污泥系统的负荷，减少相应的处理费用。在优化运行计算中发现，当投药量较少，沉淀出水浊度较高时，排泥周期较长，这是由于定量排泥的缘故。在实际生产中，沉淀池排泥周期过长，易造成污泥浓度过高，排泥阻力增大，排泥机械电耗增加，故在优化计算中，确定最大排泥周期为24 h。这样在泥量大时，采用定量、不定时排泥；泥量小时，采用定时、按实际泥量排泥，既可保证系统正常运行，又可降低排泥耗水率。 系统最优运行与滤池最优运行的关系 笔者在参考文献2讨论了滤池最优运行条件，即THTL。由表1看出，系统处于最优运行时，双层滤料滤池的THTL，由于优化运行对滤后水质要求较高(C22 NTU)，所以运行周期多由TL决定。当原水流量、浊度一定时，可以通过调整滤前浊度C1来调整TH、TL，见图3。由图3可知： 当C1较低时，过滤周期由TH决定；而C1较高时，过滤周期由TL决定。 当C1 NTU时，THTL h，滤池处于最佳运行状态，但总运行费用不是最小；而当C1 NTU时，TH h,TL h，过滤周期取 h，此时系统的总运行费用最小。即整体最优时局部不一定最优，而局部最优时整体不一定最优。在本优化运行计算中，通过调整各运行参数，使双层滤料滤池的TH与TL比较接近，在系统处于最优运行的前提下，尽可能使滤池也处于良好的运行状态。.5 系统优化运行的经济效益由表1看出，试验系统优化运行与常规运行相比，当滤后水质相同时，节省运行费用19%36%，而第3组优化运行与常规运行费用相差不多，但优化运行滤后水质明显好。根据天津某水厂1997年2月药耗(不包括消毒剂)，排泥电耗及反洗水、电耗等实际运行资料，计算其费用为 9 元/m3，如水厂日处理能力按50104 t、优化运行节省费用按10%20%计算，则年节省运行费用()万元。根据水厂一年实际运行数据，当原水水质较差时，月投药量是2月份投药量的34倍，排泥量及反洗耗水量也相应增大，故年节省运行费远大于上述计算值。4 结论 根据原水变化及对出水水质的要求，在对系统运行全面分析、综合调整的基础上，确定系统优化运行意义下的沉淀出水浊度。不同地区、不同药剂品种、不同处理流程，其最优沉淀出水浊度的变化范围及变化幅度也不同。在多流程的净水厂中，各流程处理规模应根据优化计算予以确定，优先使用运行状态好、耗损低的处理设备。这样，在处理系统中通过纵向调节各处理构筑物的水质负荷，横向协调各流程间的水量负荷，以及合理确定排泥周期、过滤周期等运行参数，使系统适应运行条件的变化，并处于良好的工作状态。 水处理系统优化运行不仅可节省运行费、提高运行管理的技术水平，而且在水厂实际运行中，面对不断变化的原水条件及随之变化的工艺设备特征参数，运行管理人员借助优化运行计算软件模拟系统各种可能的运行状态，从中寻求系统最佳运行工况，避免了系统运行的盲目性及运行参数调节与处理效果滞后的弊端，保证水厂生产的优质、安全、可靠。参考文献1 Renner R C,Hegg B A,Bender Jcorrection program optimizes performance at waterAWWA,19932 田一梅，张宏伟等.水处理系统运行状态数学模拟的研究.中国给水排水，1998；14(4)：1013