宾县水厂水处理系统高效经济运行的生产性试验研究

崔福义　石明岩 李良才
（哈尔滨建筑大学） （宾县自来水公司）

　　摘　要：本文通过在宾县水厂的生产性试验，对水处理系统运行工况与费用的基本关系进行了研究，证实了最经济沉淀水浊度的存在；试验表明虽然该浊度值同原水水质条件相关，但变化幅度不大，在生产上实现高效经济运行是可能的。同时发现在该厂的具体条件下，混凝剂费是影响运行费用的主要因素，降低混凝剂消耗是降低运行费用的关键。
　　关键词：水处理；运行；经济

　　研究给水处理系统的高效经济运行技术，是保证水厂高效、安全、经济供水的重要措施。为此，笔者在文献[1、2]中，提出了给水处理系统高效经济运行的基本策略，并通过实验室小试对一些相关关系进行了初步的研究，认为以沉淀水浊度为基本参数控制水处理系统的运行条件，是实现高效经济运行的基本要素，同时高效运行还受包括水质安全性在内的若干限制条件的约束。在此基础上，本文拟通过在宾县水厂的生产性试验，更进一步研究高效经济运行的一些相关问题。

1. 水厂概况

　　宾县水厂位于黑龙江省，以二龙山水库水为水源，水质（如浊度、水温等）变化相对较缓，除暴雨季节出现的短暂高浊度外，原水浊度全年基本在10~150NTU范围内变化。
　　该厂水处理系统设计能力为2×10⁴m³/d，实际供水量约为7×10³m³/d。水处理工艺流程为：初级串联旋转混合池——网格反应池——斜管沉淀池及小间距斜板沉淀池（两池并联）——普通快滤池。混凝剂为聚合铝。该厂的水质目标是出厂水浊度不超过3NTU，常规运行方式为控制沉淀水浊度在7NTU左右。

2. 单元运行工况分析

　　为了考察该厂水处理系统的运行工况与费用的关系，自1996年起，在不同季节选择各种水质条件进行生产性试验。每组试验中，原水水质参数基本不变，以改变混凝剂投加量的方法改变沉淀水浊度，在保证出厂水浊度合格的前提下，以不同的沉淀水浊度为控制目标运行，得到相应的各项单元运行数据。4组典型试验的原水主要水质条件如表1（平均值）。

表1 试验的原水水质条件一览表

2.1 沉淀水浊度与混凝剂投量的相关性
　　 根据试验数据绘制沉淀水浊度与混凝剂投加量的相关曲线（图1），发现在原水水质一定时，投药量与沉淀水浊度之间符合如下关系：

　　　　　　　　m=ks_-a （1）

　　式中 m—混凝剂投加量（mg/L）；
　　　　 s—沉淀水浊度（NTU）；
　　　　 k、a—与原水浊度、温度和水处理流量等因素有关的系数。
　　例如对于第一组试验，k为39.967，a为0.3211，回归相关系数r=0.997。上述基本关系符合文献[1]提出的变化规律，但对于系数值还应进行研究。

2.2 沉淀水浊度与沉淀池单位排泥水量的关系
　　在文献^[1]中曾提出单位排泥水量q（%）（生产单位水量所消耗的排泥水量）同浊度差（原水浊度y-沉淀水浊度s）的关系式：

_q=k1(y-s)/C （2）

　　式中 C——排泥水浓度(kg/m³)；
　　　　 k₁——系数；
　　其余符号同前。
　　式（2）中的C值在生产上不易确定，而且可能受诸多因素影响而变化。本试验结果表明（图2），在该厂的水质及运行条件下，沉淀池单位排泥水量与浊度差的关系可以用下式表达：

　　　　　　　　　　　　　　q=0.0098e^0.0716(y-s)　　　（3）

　　相关系数r=0.988。

2.3　沉淀水浊度与滤池反冲洗用水量的关系
　　该水厂的滤池平均滤速为6.2~6.3m/h，反冲洗强度为11.1~11.3L/s.m²。根据过滤工艺单元优化的结果，确定最佳反冲洗历时为5min。
　　对应于不同的沉淀水浊度条件，测定相应的过滤周期，如表2。试验发现：沉淀水浊度不超过10NTU左右时，过滤周期由压力周期决定；超过该浊度值后，过滤周期由水质周期决定。即当沉淀水浊度增加到一定程度时，滤层内的截污量增加迅速，水质周期短于压力周期，成为决定过滤周期的控制因素。

表2 沉淀水浊度对过滤周期的影响

　　　　　　　注：有*号的数据为水质周期，其余为压力周期

　　根据反冲洗历时、反冲洗强度及过滤周期，可确定滤池的反冲洗耗水率，即滤池反冲洗用水量与产水量的比值，以L(%)表示。试验得到不同沉淀水浊度下的L值，如图3所示。可以发现，在压力周期为控制周期的情况下，反冲洗耗水率随沉淀水浊度的增加有缓慢增加，而且二者基本呈线性关系，该规律与小试结果是一致的^[2]；在以水质周期为控制周期的情况下，反冲洗耗水率增长迅速，偏离先前的线性关系。

3. 运行费用分析

3.1 原水水质不变情况下的运行费用关系
　　在此考虑水处理系统运行中主要的可变费用（以下简称可变费用），包括混凝剂费、沉淀排泥水费和反冲洗水费。该水厂的上述各项费用单价为：混凝剂2450元/t，排泥水0.235元/t，反冲洗水0.239元/t。结合前述单元工况分析结果，可以得到各种水质及工况条件下的可变费用变化情况。以第一组试验结果为例，在原水水质基本不变的情况下，各单项费用曲线及合成费用曲线如图4。
　　可以发现：1）在合成费用中，混凝剂费所占比例最大，起控制作用，因此，设法降低混凝剂费是减少运行费用的关键所在；2）沉淀池排泥水费所占比重最小，而且受沉淀水浊度的影响也较小；３）反冲洗水费随沉淀水浊度的增加而增加，特别是在水质周期为控制周期的情况下增加迅速；４）合成费用曲线有极小值，当沉淀水浊度为10.6NTU时，可变费用最低，因而，该浊度值是在此条件下的最经济沉淀水浊度。

3.2 水质条件对最低运行费用的影响
　　在不同的原水水质条件下重复上述试验，可得到一系列的费用曲线以及相应的最经济沉淀水浊度。将表1中的4组试验结果列于表3中。

表3 不同水质条件下的试验结果

　　由表1、3可以发现：1）在原水浊度相近时，水温降低，最经济沉淀水浊度升高（第1、2两组试验）；在原水水温相近时，原水浊度升高，最经济沉淀水浊度升高（第3、4两组试验），这一现象说明，需要混凝剂越多、越难处理的水质对应的最经济沉淀水浊度越高；2）在试验的水质范围内，最经济沉淀水浊度的变化幅度为2NTU（10.1～12.1NTU），可见对于该水处理系统而言，最经济沉淀水浊度受原水水质影响不大，较为稳定。
3.3 优化运行与常规运行方式的比较
　　该水厂常规以沉淀水浊度7NTU为目标运行。将此常规运行条件下的可变费用与优化运行条件下的最低可变费用比较，以评价两种运行方式的经济效益（表4）。从表4中可以看出，优化运行方式较常规方式可以降低运行费用，可变费用节约率最高可达20%以上；优化运行方式的优越性在原水低温或低浊期更为明显。该水厂受北方气候影响，原水低温低浊期较长，因此，采用优化运行方式对于提高供水效益是很有意义的。

表4 优化方式与常规方式的经济效益比较

4. 结论

　　1） 本生产性试验研究证实，使运行费用最低的最经济沉淀水浊度是存在的；
　　2） 对于该水处理系统而言，药剂费在运行费用中占有相当大的比例，因此， 降低药耗、减少药剂费是降低运行费用的关键；
　　3）最经济沉淀水浊度同原水水质有关，但在本研究范围内变化幅度不大，在沉淀水浊度为10.1—12.1NTU的范围内，都可以收到良好的效果，因此在生产上实现高效经济运行是可行的。
　　本文的研究是针对特定的水厂、仅从满足现行水质标准要求的角度进行的。若在水源水质受到较大污染的情况下，还需考虑按最经济沉淀水浊度运行对水质安全性的影响，对此将专门论述。

参考文献

　　[1] 崔福义等，给水处理系统高效经济运行研究之一——策略与模式，哈尔滨建筑大学学报，1999.6；
　　[2] 石明岩等，给水处理系统高效经济运行研究之二——相关关系的试验研究，哈尔滨建筑大学学报，1999.6。