給水處理系統(tǒng)高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行研究之一(策略與模式)

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簡(jiǎn)介： 給水處理系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行是保證處理水質(zhì)和降低運(yùn)行成本的重要手段。本文提出了解決優(yōu)化運(yùn)行問題的高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略和最佳沉淀水濁度的概念，論述了根據(jù)最佳沉淀水濁度的變化來實(shí)現(xiàn)高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的變沉淀水濁度運(yùn)行模式，初步探討了該模式隨水質(zhì)、水量等因素變化的基本規(guī)律與約束條件。
關(guān)鍵字：水處理 經(jīng)濟(jì) 運(yùn)行

　　供水系統(tǒng)是城市不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)施，供水的質(zhì)量與價(jià)格關(guān)系到國(guó)計(jì)民生。采取技術(shù)措施，保證供水質(zhì)量、降低供水價(jià)格是十分必要的。作為供水系統(tǒng)的重要組成部分，給水處理工藝設(shè)施是決定水質(zhì)與水價(jià)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)其工況進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，從而在滿足用戶水質(zhì)要求的同時(shí)最大限度地降低水處理成本，很有意義。這是涉及給水處理系統(tǒng)優(yōu)化的問題。為此，本文提出了解決該優(yōu)化問題的高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略，并就實(shí)現(xiàn)這一策略的基本模式進(jìn)行探討。

　　1、給水處理系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行問題與解決策略

　　給水處理系統(tǒng)的優(yōu)化，包括優(yōu)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化運(yùn)行。在設(shè)計(jì)一套給水處理系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)已有的設(shè)計(jì)條件（如水量、水質(zhì)），選定最佳的工藝系統(tǒng)、最佳的設(shè)施組合、最佳的工藝參數(shù)等，從而保證在給定的設(shè)計(jì)工況條件下系統(tǒng)是最優(yōu)的。這就是優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。

　　在實(shí)際運(yùn)行中，處理系統(tǒng)接受的原水來自江河湖泊，受自然條件等因素的影響，水質(zhì)是不斷變化的，有時(shí)變化幅度是很大的，如來自同一條河流的原水濁度可能在幾十度至幾千度之間變化；水量也可能受用水情況影響而有較大變化。因此給水處理系統(tǒng)的運(yùn)行條件屬于非穩(wěn)定工況。設(shè)計(jì)工況僅是實(shí)際運(yùn)行工況范圍中的一個(gè)點(diǎn)，只有在該點(diǎn)上，實(shí)際工況符合設(shè)計(jì)條件，系統(tǒng)可以處于最優(yōu)運(yùn)行狀況；在其它條件下，不能保證運(yùn)行工況最優(yōu)。況且，受設(shè)計(jì)水平、地區(qū)經(jīng)濟(jì)因素（如藥劑價(jià)格）變化、水處理構(gòu)筑物狀況等的影響，即使實(shí)際工況與設(shè)計(jì)條件相符，也不能保證運(yùn)行工況就一定是最優(yōu)的。上述分析說明，一個(gè)設(shè)計(jì)上達(dá)到最優(yōu)的水處理系統(tǒng)，并不能保證在運(yùn)行時(shí)總是最優(yōu)的，甚至可能是遠(yuǎn)離優(yōu)化工況的。這就提出了一個(gè)優(yōu)化運(yùn)行的問題。在此，所謂最優(yōu)運(yùn)行工況指對(duì)于已建成的水處理系統(tǒng)，以最低的運(yùn)行費(fèi)用處理水、使之達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

　　在生產(chǎn)運(yùn)行中，水處理系統(tǒng)受多種因素影響，達(dá)到運(yùn)行的最優(yōu)化往往是困難的。若僅考慮影響運(yùn)行費(fèi)用的若干主要因素、忽略次要因素，則可使問題得以簡(jiǎn)化，有可能較大程度地發(fā)揮水處理系統(tǒng)的能力、使之在近于優(yōu)化的較經(jīng)濟(jì)條件下運(yùn)行，在此將該種運(yùn)行策略稱為高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式。

　　給水處理系統(tǒng)的高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必然受一些條件的約束，其中水質(zhì)衛(wèi)生安全性是最重要的約束之一。隨著水污染的加劇及用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的提高，安全飲用水是近年來人們關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)問題。在給水處理系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)首要考慮的就是處理后的水質(zhì)要符合相關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，符合水質(zhì)衛(wèi)生安全性的要求。給水處理系統(tǒng)的高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須以水質(zhì)的衛(wèi)生安全性水平不降低為前提。

　　2、給水處理系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)函數(shù)

　?。?）運(yùn)行費(fèi)用構(gòu)成分析

　　常規(guī)給水處理系統(tǒng)由混合、反應(yīng)、沉淀、過濾、消毒等環(huán)節(jié)組成，在此也以該典型系統(tǒng)為研究對(duì)象。其運(yùn)行費(fèi)用主要由以下幾部分構(gòu)成。

　　電費(fèi)：包括系統(tǒng)的水頭損失、附屬機(jī)電設(shè)備的電耗等。這部分費(fèi)用主要由泵站決定，與處理系統(tǒng)無關(guān)。

　　人工費(fèi)、折舊大修費(fèi)，以及消毒劑費(fèi)用等：與運(yùn)行條件關(guān)系不大，有些是屬于管理范疇的問題。

　　混凝劑費(fèi)及自用水費(fèi)：自用水主要在沉淀池排泥、濾池反沖洗兩部分消耗。這些費(fèi)用是水處理系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用構(gòu)成中的重要組成，是處理過程中的主要消耗，而且是可以通過工況調(diào)節(jié)來改變的，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性起控制作用。因此，采取技術(shù)措施、降低該部分費(fèi)用，是給水處理系統(tǒng)高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行所主要考慮的問題。

　　混凝劑投加量、沉淀池排泥水量、濾池反沖洗水量同原水水質(zhì)、處理構(gòu)筑物的性能、運(yùn)行條件有關(guān)，相互之間又是有關(guān)連影響的。其費(fèi)用又同各自的價(jià)格有關(guān)。一般而言，在一定條件下，減小混凝劑量，就會(huì)減少沉淀池排泥水量、但加大濾池反沖洗水量。這3部分費(fèi)用之和如何變化、是否存在滿足運(yùn)行工況約束條件的最小值，就是高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行課題要解決的核心問題。若上述問題的答案是肯定的，則該最小值的變化規(guī)律、在生產(chǎn)上如何實(shí)現(xiàn)，是需要進(jìn)一步回答的問題。

　?。?）經(jīng)濟(jì)函數(shù)

　　為了進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，需要對(duì)各項(xiàng)費(fèi)用進(jìn)行定量描述。在此采用下述費(fèi)用函數(shù)^{[1、2、3]}。

　　混凝劑費(fèi)。混凝劑的投加量受到的影響因素很多，也有各種不同的數(shù)學(xué)模型形式。在此僅考慮最主要的、帶有共性的影響因素，并以如下的函數(shù)形式描述：

　　f₁ = m·C₁ = s^-ay^bQ^cT ^-dC₁ (1)

　　式中 f₁——處理單位水量的混凝劑費(fèi)(元/m³)；

　　　　 m——混凝劑單耗(kg/m³)；

　　　　 s——沉淀水濁度(NTU)；

　　　　 y——原水濁度(NTU)；

　　　　 Q——處理水量(m³/h)；

　　　　 T——水溫（℃）；

　　　　 C₁——混凝劑單價(jià)(元/kg)；

　　　　 a、b、c、d——系數(shù)。

　　若考慮其他影響因素，可以將其加上相應(yīng)指數(shù)后同樣乘入上式。

　　沉淀池排泥水費(fèi)。根據(jù)原水和沉淀池出水濁度，可以近似計(jì)算排泥水量和排泥水費(fèi)：

 　　　　 　　　　(2)

　　式中 f₂——排泥水費(fèi)(元/m³)；

　　　　 C₂——排泥水單價(jià)(元/m³)；

　　　　 q——單位排泥水量(m³泥水/m³水)；

　　　　 C——排泥水濃度(kg/m³)；

　　　　 k₁——系數(shù)；

　　　　其余符號(hào)同前。

　　濾池反沖洗水費(fèi)。反沖洗水量及水費(fèi)可用下式表達(dá)：

_{f3=L·C3=k2·s·C3} 　　　　　(3)

　　式中 f₃——處理單位水量的反沖洗水費(fèi)(元/m³)；

　　　　 C₃——反沖洗水價(jià)(元/m³)；

　　　　 L——處理單位水量的反沖洗耗水率(%)；

　　 　　k₂——系數(shù)；

　　 　　其余符號(hào)同前。

　　綜合上述各式，可以得到給水處理系統(tǒng)運(yùn)行的混凝劑、水耗費(fèi)用總和f為：

　　　　　　　　　(4)

　　式(4)所描述的運(yùn)行費(fèi)用雖然是水處理工藝系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的一部分，但它代表了運(yùn)行費(fèi)用構(gòu)成中的主要可變部分，改變運(yùn)行工況可以使上述費(fèi)用構(gòu)成的各項(xiàng)發(fā)生變化，從而影響到水處理的成本。在此將式(4)稱為水處理系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)函數(shù)。

　　3、高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基本模式及約束條件

　?。?）變濁度運(yùn)行模式

　　對(duì)式(4)進(jìn)行分析，不難發(fā)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)函數(shù)中的各項(xiàng)都包含沉淀水濁度s。事實(shí)上，沉淀水濁度是控制水處理工況及水處理費(fèi)用的一個(gè)關(guān)鍵的過程參數(shù)。在技術(shù)上，沉淀水濁度的高低直接影響到混凝劑投量及沖洗、過濾的效能，改變著沉淀、過濾環(huán)節(jié)處理負(fù)荷的分配；在經(jīng)濟(jì)上，則反映了混凝劑、排泥水、反沖洗水消耗的比例，即改變了各部分的費(fèi)用。從水處理技術(shù)原理可知，沉淀水濁度可以在一定的范圍內(nèi)變動(dòng)，而保證處理后水質(zhì)符合水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

　　由此提出實(shí)現(xiàn)水處理工藝系統(tǒng)高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的變濁度模式：根據(jù)相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用因素(混凝劑、用水價(jià)格等)，工藝特性因素及約束條件，確定最佳沉淀水濁度及變化規(guī)律；生產(chǎn)上，以該最佳沉淀水濁度為系統(tǒng)調(diào)控目標(biāo)，對(duì)混凝劑投量進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，并根據(jù)需要適時(shí)地進(jìn)行沉淀池排泥及濾池反沖洗。這種變沉淀水濁度目標(biāo)值的運(yùn)行方式，突破了傳統(tǒng)上的定沉淀水濁度目標(biāo)值的運(yùn)行模式，可以在保證水質(zhì)的前提下，降低處理系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，使水處理系統(tǒng)的整體功效得到較大限度的發(fā)揮。

　　這一變濁度運(yùn)行模式實(shí)現(xiàn)的前提是最佳沉淀水濁度是存在的、而且是滿足生產(chǎn)上必要的約束條件的。

　?。?）最佳沉淀水濁度

　　將式(4)對(duì)s求偏導(dǎo)，有：

　　　　　(5)

　　顯然存在點(diǎn)。進(jìn)一步，求f對(duì)s的2階偏導(dǎo)，有：

　　　　　　　　　　　(6)

　　由于存在唯一的點(diǎn)及>0，所以經(jīng)濟(jì)函數(shù)f有且有唯一的極小值f_min。令，由式(5)得到f_min所對(duì)應(yīng)的沉淀水濁度s_m為：

(7)

　　若滿足一定的約束條件，s_m就是最佳沉淀水濁度。

　　式(7)說明，最佳沉淀水濁度受下列因素影響：水質(zhì)及運(yùn)行參數(shù)(原水濁度、水溫、流量等)，原水濁度越高、水量負(fù)荷越大、水溫越低，最佳沉淀水濁度越高；經(jīng)濟(jì)因素，混凝劑價(jià)格、沉淀排泥水費(fèi)越高、反沖洗水費(fèi)越低、最佳沉淀水濁度越高。

　?。?）約束條件

　　在生產(chǎn)上能否按最佳沉淀水濁度運(yùn)行，要受到一系列的條件制約，其中包括：

　　a.水質(zhì)衛(wèi)生安全性。沉淀水濁度升高，加重了濾池的負(fù)擔(dān)，會(huì)使濾后水濁度有所上升，相應(yīng)地有機(jī)物泄漏增加，有水質(zhì)下降的可能。在保證濾后水滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求及保證水質(zhì)衛(wèi)生安全的范圍內(nèi)，最佳沉淀水濁度才有意義。即要求s_m〈s₁（s₁為滿足衛(wèi)生安全性要求的沉淀水濁度上限）。

　　b.生產(chǎn)操作的可行性。沉淀水濁度升高，導(dǎo)致濾池負(fù)擔(dān)加重，過濾周期縮短，濾池發(fā)生頻繁的反沖洗。若沖洗過于頻繁，雖然在經(jīng)濟(jì)上合理，但在實(shí)踐中會(huì)帶來過于繁瑣等問題，亦不可取。最佳沉淀水濁度過低，可能沉淀池的處理能力達(dá)不到要求。即要求s₂〈s_m〈s₃（s₂、 s₃為滿足處理構(gòu)筑物性能要求的沉淀水濁度上、下限）。

　　c.抗沖擊安全余量。沉淀水濁度高，濾池的截污能力得到較大程度的發(fā)揮，相應(yīng)地抗沖擊負(fù)荷能力減弱。但是濾池是水質(zhì)把關(guān)的最后屏障，一旦原水水質(zhì)、水量、處理構(gòu)筑物性能等因某種因素發(fā)生突變，若濾池抗沖擊負(fù)荷的能力小，就可能發(fā)生雜質(zhì)穿透的水質(zhì)事故。所以最佳沉淀水濁度應(yīng)不超過某一抗沖擊安全濁度限。即要求s_m〈s₄（s₄為滿足抗沖擊安全要求的沉淀水濁度上限）。

　　綜上，s₁、s₂、s₃、s₄就構(gòu)成了最佳沉淀水濁度的基本約束條件。

　　4、結(jié)論與展望

　　研究表明，綜合水質(zhì)衛(wèi)生安全與經(jīng)濟(jì)兩方面因素考慮，沉淀水濁度存在最優(yōu)值，而且該值是隨水質(zhì)及水處理工藝條件變化的。生產(chǎn)上應(yīng)根據(jù)影響運(yùn)行費(fèi)用的主要因素來確定最佳沉淀水濁度值，以變濁度的運(yùn)行方式取代傳統(tǒng)的定濁度運(yùn)行方式，可以實(shí)現(xiàn)水處理系統(tǒng)的高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

　　對(duì)于最佳沉淀水濁度變化的規(guī)律、約束條件、生產(chǎn)上實(shí)現(xiàn)的方式等，還需要進(jìn)一步研究，將在另文中加以論述。

　　參考文獻(xiàn)

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　　3. 于東江，水廠最佳投礬劑量的確定，給水排水，第5期，41-42，1992

A METHOD FOR EFFECTIVE AND ECONOMICAL OPERATION OF WATER TREATMENT SYSTEM

CUI Fuyi SHI Mingyan ZHAO Tianhui

　　Abstract：The optimal operation for a drinking water treatment system is important both for the quality and for the cost. A strategy of effective and economical operation for the system and the concept of optimal turbidity for settled water are developed, the optimal turbidity is variable with the variation of the raw water quality and the condition of the system. According to this strategy, a method of operation by varying the turbidity of settled water is proposed. The basic relationship and limitation for this operation method is discussed.

　　Key words：water treatment economy operation