给水处理系统高效经济运行研究之一——策略与模式

崔福义　石明岩　赵天慧

　　摘要：给水处理系统优化运行是保证处理水质和降低运行成本的重要手段。本文提出了解决优化运行问题的高效经济运行策略和最佳沉淀水浊度的概念，论述了根据最佳沉淀水浊度的变化来实现高效经济运行的变沉淀水浊度运行模式，初步探讨了该模式随水质、水量等因素变化的基本规律与约束条件。
　　关键词：水处理、经济、运行

　　供水系统是城市不可缺少的基础设施，供水的质量与价格关系到国计民生。采取技术措施，保证供水质量、降低供水价格是十分必要的。作为供水系统的重要组成部分，给水处理工艺设施是决定水质与水价的关键环节，对其工况进行合理调节，从而在满足用户水质要求的同时最大限度地降低水处理成本，很有意义。这是涉及给水处理系统优化的问题。为此，本文提出了解决该优化问题的高效经济运行策略，并就实现这一策略的基本模式进行探讨。

　　1、给水处理系统的优化运行问题与解决策略

　　给水处理系统的优化，包括优化设计与优化运行。在设计一套给水处理系统时，应根据已有的设计条件（如水量、水质），选定最佳的工艺系统、最佳的设施组合、最佳的工艺参数等，从而保证在给定的设计工况条件下系统是最优的。这就是优化设计问题。
　　在实际运行中，处理系统接受的原水来自江河湖泊，受自然条件等因素的影响，水质是不断变化的，有时变化幅度是很大的，如来自同一条河流的原水浊度可能在几十度至几千度之间变化；水量也可能受用水情况影响而有较大变化。因此给水处理系统的运行条件属于非稳定工况。设计工况仅是实际运行工况范围中的一个点，只有在该点上，实际工况符合设计条件，系统可以处于最优运行状况；在其它条件下，不能保证运行工况最优。况且，受设计水平、地区经济因素（如药剂价格）变化、水处理构筑物状况等的影响，即使实际工况与设计条件相符，也不能保证运行工况就一定是最优的。上述分析说明，一个设计上达到最优的水处理系统，并不能保证在运行时总是最优的，甚至可能是远离优化工况的。这就提出了一个优化运行的问题。在此，所谓最优运行工况指对于已建成的水处理系统，以最低的运行费用处理水、使之达到水质标准的要求。
　　在生产运行中，水处理系统受多种因素影响，达到运行的最优化往往是困难的。若仅考虑影响运行费用的若干主要因素、忽略次要因素，则可使问题得以简化，有可能较大程度地发挥水处理系统的能力、使之在近于优化的较经济条件下运行，在此将该种运行策略称为高效经济运行方式。
　　给水处理系统的高效经济运行，必然受一些条件的约束，其中水质卫生安全性是最重要的约束之一。随着水污染的加剧及用水水质标准的提高，安全饮用水是近年来人们关注的一个热点问题。在给水处理系统运行时首要考虑的就是处理后的水质要符合相关水质标准的要求，符合水质卫生安全性的要求。给水处理系统的高效经济运行，必须以水质的卫生安全性水平不降低为前提。

　　2、给水处理系统运行的经济函数

　　（1）运行费用构成分析
　　常规给水处理系统由混合、反应、沉淀、过滤、消毒等环节组成，在此也以该典型系统为研究对象。其运行费用主要由以下几部分构成。
　　电费：包括系统的水头损失、附属机电设备的电耗等。这部分费用主要由泵站决定，与处理系统无关。
　　人工费、折旧大修费，以及消毒剂费用等：与运行条件关系不大，有些是属于管理范畴的问题。
　　混凝剂费及自用水费：自用水主要在沉淀池排泥、滤池反冲洗两部分消耗。这些费用是水处理系统运行费用构成中的重要组成，是处理过程中的主要消耗，而且是可以通过工况调节来改变的，对系统运行的经济性起控制作用。因此，采取技术措施、降低该部分费用，是给水处理系统高效经济运行所主要考虑的问题。
　　混凝剂投加量、沉淀池排泥水量、滤池反冲洗水量同原水水质、处理构筑物的性能、运行条件有关，相互之间又是有关连影响的。其费用又同各自的价格有关。一般而言，在一定条件下，减小混凝剂量，就会减少沉淀池排泥水量、但加大滤池反冲洗水量。这3部分费用之和如何变化、是否存在满足运行工况约束条件的最小值，就是高效经济运行课题要解决的核心问题。若上述问题的答案是肯定的，则该最小值的变化规律、在生产上如何实现，是需要进一步回答的问题。
　　（2）经济函数
　　为了进行经济性分析，需要对各项费用进行定量描述。在此采用下述费用函数^[1、2、3]。
　　混凝剂费。混凝剂的投加量受到的影响因素很多，也有各种不同的数学模型形式。在此仅考虑最主要的、带有共性的影响因素，并以如下的函数形式描述：

　　f₁ = m·C₁ = s^-ay^bQ^cT ^-dC₁ (1)

　　式中 f₁——处理单位水量的混凝剂费(元/m³)；
　　　　 m——混凝剂单耗(kg/m³)；
　　　　 s——沉淀水浊度(NTU)；
　　　　 y——原水浊度(NTU)；
　　　　 Q——处理水量(m³/h)；
　　　　 T——水温（℃）；
　　　　 C₁——混凝剂单价(元/kg)；
　　　　 a、b、c、d——系数。

　　若考虑其他影响因素，可以将其加上相应指数后同样乘入上式。
　　沉淀池排泥水费。根据原水和沉淀池出水浊度，可以近似计算排泥水量和排泥水费：

 　　　　 　　　　(2)

　　式中 f₂——排泥水费(元/m³)；
　　　　 C₂——排泥水单价(元/m³)；
　　　　 q——单位排泥水量(m³泥水/m³水)；
　　　　 C——排泥水浓度(kg/m³)；
　　　　 k₁——系数；
　　　　其余符号同前。
　　滤池反冲洗水费。反冲洗水量及水费可用下式表达：

_{f3=L·C3=k2·s·C3} 　　　　　(3)

　　式中 f₃——处理单位水量的反冲洗水费(元/m³)；
　　　　 C₃——反冲洗水价(元/m³)；
　　　　 L——处理单位水量的反冲洗耗水率(%)；
　　 　　k₂——系数；
　　 　　其余符号同前。

　　综合上述各式，可以得到给水处理系统运行的混凝剂、水耗费用总和f为：

　　　　　　　　　(4)

　　　式(4)所描述的运行费用虽然是水处理工艺系统运行费用的一部分，但它代表了运行费用构成中的主要可变部分，改变运行工况可以使上述费用构成的各项发生变化，从而影响到水处理的成本。在此将式(4)称为水处理系统运行的经济函数。

　　3、高效经济运行的基本模式及约束条件

　　（1）变浊度运行模式
　　对式(4)进行分析，不难发现经济函数中的各项都包含沉淀水浊度s。事实上，沉淀水浊度是控制水处理工况及水处理费用的一个关键的过程参数。在技术上，沉淀水浊度的高低直接影响到混凝剂投量及冲洗、过滤的效能，改变着沉淀、过滤环节处理负荷的分配；在经济上，则反映了混凝剂、排泥水、反冲洗水消耗的比例，即改变了各部分的费用。从水处理技术原理可知，沉淀水浊度可以在一定的范围内变动，而保证处理后水质符合水质标准的要求。
　　由此提出实现水处理工艺系统高效经济运行的变浊度模式：根据相应的经济费用因素(混凝剂、用水价格等)，工艺特性因素及约束条件，确定最佳沉淀水浊度及变化规律；生产上，以该最佳沉淀水浊度为系统调控目标，对混凝剂投量进行相应的调节，并根据需要适时地进行沉淀池排泥及滤池反冲洗。这种变沉淀水浊度目标值的运行方式，突破了传统上的定沉淀水浊度目标值的运行模式，可以在保证水质的前提下，降低处理系统的运行费用，使水处理系统的整体功效得到较大限度的发挥。
　　这一变浊度运行模式实现的前提是最佳沉淀水浊度是存在的、而且是满足生产上必要的约束条件的。
　　（2）最佳沉淀水浊度
　　将式(4)对s求偏导，有：

　　　　　(5)

　　显然存在点。进一步，求f对s的2阶偏导，有：

　　　　　　　　　　　(6)

　　由于存在唯一的点及>0，所以经济函数f有且有唯一的极小值f_min。令，由式(5)得到f_min所对应的沉淀水浊度s_m为：

(7)

　　若满足一定的约束条件，s_m就是最佳沉淀水浊度。

　　式(7)说明，最佳沉淀水浊度受下列因素影响：水质及运行参数(原水浊度、水温、流量等)，原水浊度越高、水量负荷越大、水温越低，最佳沉淀水浊度越高；经济因素，混凝剂价格、沉淀排泥水费越高、反冲洗水费越低、最佳沉淀水浊度越高。
　　（3）约束条件
　　在生产上能否按最佳沉淀水浊度运行，要受到一系列的条件制约，其中包括：
　　a.水质卫生安全性。沉淀水浊度升高，加重了滤池的负担，会使滤后水浊度有所上升，相应地有机物泄漏增加，有水质下降的可能。在保证滤后水满足水质标准的要求及保证水质卫生安全的范围内，最佳沉淀水浊度才有意义。即要求s_m〈s₁（s₁为满足卫生安全性要求的沉淀水浊度上限）。
　　b.生产操作的可行性。沉淀水浊度升高，导致滤池负担加重，过滤周期缩短，滤池发生频繁的反冲洗。若冲洗过于频繁，虽然在经济上合理，但在实践中会带来过于繁琐等问题，亦不可取。最佳沉淀水浊度过低，可能沉淀池的处理能力达不到要求。即要求s₂〈s_m〈s₃（s₂、 s₃为满足处理构筑物性能要求的沉淀水浊度上、下限）。
　　c.抗冲击安全余量。沉淀水浊度高，滤池的截污能力得到较大程度的发挥，相应地抗冲击负荷能力减弱。但是滤池是水质把关的最后屏障，一旦原水水质、水量、处理构筑物性能等因某种因素发生突变，若滤池抗冲击负荷的能力小，就可能发生杂质穿透的水质事故。所以最佳沉淀水浊度应不超过某一抗冲击安全浊度限。即要求s_m〈s₄（s₄为满足抗冲击安全要求的沉淀水浊度上限）。
　　综上，s₁、s₂、s₃、s₄就构成了最佳沉淀水浊度的基本约束条件。

　　4、结论与展望

　　研究表明，综合水质卫生安全与经济两方面因素考虑，沉淀水浊度存在最优值，而且该值是随水质及水处理工艺条件变化的。生产上应根据影响运行费用的主要因素来确定最佳沉淀水浊度值，以变浊度的运行方式取代传统的定浊度运行方式，可以实现水处理系统的高效经济运行。
　　对于最佳沉淀水浊度变化的规律、约束条件、生产上实现的方式等，还需要进一步研究，将在另文中加以论述。

　　参考文献
　　1. 许保玖、安鼎年，给水处理理论与设计，中国建筑工业出版社，1992
　　2. 陈积福、袁维颖，最优化理论在水处理中的应用，水利电力出版社，1992
　　3. 于东江，水厂最佳投矾剂量的确定，给水排水，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

国家自然科学基金资助项目（59778023）