滤池运行优化的对比研究

田一梅，周 颖
（天津大学 环境科学与工程学院， 天津 300072 ）

　　摘　要：以水处理系统经济运行为目标，以滤池为例通过两个水处理流程运行优化的分析对比，论证了均质滤料滤池是比常规滤池更为优良的过滤处理工艺，并从一个侧面说明设计优化在系统经济运行中具有重要的基础作用。?
　　关键词：水处理；滤池；设计优化； 运行优化?
　　中图分类号：TU991.24
　　文献标识码：C
　　文章编 号： 1000-4602(2002)07-0051-03

　　水处理系统的优化研究包括设计优化和运行优化。设计优化是运行优化的基础，运行优化又为设计优化提供必要的信息、依据及检验，二者相辅相成，互为依托。现以滤池为例，研究不同滤池对于系统优化运行的影响。?

1 试验模型

　　目前，我国水厂中常用的滤池有两类：一类采用常规的单层或双层滤料，高速水流反冲洗；另一类采用均质滤料，气水反冲洗。由于缺少两类滤池生产运行中可类比的、系统性的数据资料，故制作了均质滤料、双层滤料两个滤池模型。为使两种滤池的运行过程及各种技 术经济参数具有可比性，其前均采用水泵混合、孔室絮凝和斜管沉淀，并由此形成两个处理流程。?

2 过滤过程的数学模拟

　　试验采用回归正交设计方法［1］对过滤过程进行数学模拟。
2.1 回归正交设计
2.1.1 确定影响因素
　　通过对过滤系统运行状况的分析研究，确定滤前浊度C、滤速V及过滤周期T为影响过滤的基本相关因素。它们之间相互协调的内在动态关系可通过建立下述过滤周期数学 模型予以确定。?
?　　　　T=α／Vβ·Cγ　　　　　　　　(1)
　　 式中 α、β、γ——待定参数，通过回归正交试验确定
2.1.2 　因素水平、编码与试验方案 ?
　　为确定上述模型中的待定参数，将模型中各因素之间的非线性关系进行线性变换，即对式(1)两边取对数，得：?
　　　　　lnT=lnα-βlnV-γlnC　　　　(2)?
　　令?y=lnT，b0=lnα，b1=-β，b2=-γ，则式(2) 变为：
?　　　　y=b0+b1lnV+b2lnC?　　　　(3)
　　其中?b₀、b₁、b₂?为回归方程中的待定参数，采用一次回归正交设计确定。?
　　为使回归系数的计算简单规范，对各因素水平进行了编码。首先根据设计手册和运行经验确定均质滤料滤池、双层滤料滤池滤速的取值范围分别为7～11m/h和9～13m/h，滤前浊度的变化范围为5～15NTU，再通过下列两式确定滤速V、滤前浊度C分别与规范变量x１、x2的编码关系。?
　　　　?x₁=［2(lnV-lnV_max)／lnV_max-lnV_min)］+1　
?　　　　x₂=[2(lnC-lnCmax)／lnC_max-lnC_min］＋1　　　　　　　　　　(4)?
　　当各因素分别取最大值、算术平均值、最小值时，规范变量xi的取值分别为1(上水平)、0(基准水平)、-1(下水平)，因素水平编码见表1。经上述变换后，式(3)中y对lnＶ、lnC的回归问题就转化为y对x1、x2的回归问题，回归系数的计算变得简单方便。

表1 因素水平编码表 因 素 滤 池 编码记号 基准水平(0) 变化间距 上水平(+1) 下水平(-1) V(m/h) 均质滤料滤池双层滤料滤池 Ｘ₁ 9
11 2
2 11
13 7
9 Ｃ(NTU) 均质滤料滤池双层滤料滤池 Ｘ₂ 10 5 15 5

　　表2为试验计划，其中最后两次试验是为检验回归方程的拟合精度而做的重复试验。为了减少试验次数，保持试验的正交性，重复试验选择在基准水平上进行。

表2 试验计划 试验号 均质滤料滤池 双层滤料滤池 X1(V)　 Ｘ2(C) 1(V)　　　　 Ｘ2(C) 1 -1(7) -1(5) -1(9) -1(5) 2 -1(7) +1(15) -1(9) +1(15) 3 +1(11) -1(5) +1(13) -1(5) 4 +1(11) +1(15) +1(13) +1(15) 5 0(9) 0(10) 0(11) 0(10) 6 0(9) 0(10) 0(11) 0(10)

2.2 建立过滤回归方程
　　按试验计划进行试验，根据试验结果并考虑到重复试验的因素，按照最小二乘法原理列表计算各回归系数，得到回归方程。?
均质滤料滤池：
?　　　　　y_均=2.8355-0.08x₁-0.14x₂?　　　(5)
　　双层滤料滤池：
　　　　　?y_双=2.9535-0.133x₁-0.1845x₂?　(6)
　　将编码公式(4)分别代入式(5)、(6)，由于滤前浊度很难控制在试验计划的各相应水平上，Cmax和Cmin取原水相应数据的平均值并代回原方程(1)，最终得过滤周期Ｔ与滤速Ｖ、滤前浊度Ｃ的定量关系方程：
　　　　　　T_均=66.175/(V^0.354·C^0.270)?　　　　　　　　(7) ?
?　　　　　T双=178.484/(V0.723·C0.356) (8)

3 试验系统优化运行

3.1 全系统优化运行数学模型
　　水处理系统运行优化以日运行费用最小为目标，以系统内部的工艺要求(水质、水量、滤池运行周期及滤层杂质穿透深度等)为约束条件，寻求经济合理的运行状态。关于全系统优化运行数学模型，笔者曾撰文作过详细论述［2］，故本文仅给出一般式：
　　目标函数：?
　　　　　minF=∑f(Qij，Cij)?　　　　　　　　　　　(9)?
　　约束条件：?
?　　　　Hk(Q_ij，C_ij)=0，(k=1，2，…，n)
?　　　　Gk(Qij，Cij)≥0，(k=n+1，…，m)?　　　　(10)?
　　式中 Q_ij——i流程j构筑物的处理水量?
?　　　　_ij——i流程j构筑物的出水浊度?
　　将各流程初始运行条件即原水流量、浊度代入式(9)、(10)中，即可求出系统在各运行条件下的最佳运行参数。?
3.2 滤池优化运行技术经济分析
3.2.1 出水水质 ?
　　试验中均质滤料滤池的出水浊度均为0NTU，双层滤料池的出水浊度分别为1.6、0.4、3.5、0.2、0.6、2.4NTU。可见，与常规滤池相比均质滤料滤池具有明显的优势，符合国家对供水企业高质、低耗的要求。
3.2.2 运行费用
　　在相同原水条件和运行条件(最大过滤水头相同)下对两流程进行了最优运行状态的仿真计算，即以全系统最佳运行状态为目标，根据上述建立的试验系统模拟模型式(7)、(8)和优化模型式(9)、(10)，计算了两个流程分别处于最佳运行状况下的各种技术经济参数，部分计算结果见表3。

表3 消耗及总运行费用比较 原水流量(L/h) 浊度(NTU) 滤速(m/h) 流 程 投药量(mg/L) 节药耗(%) 反洗耗水 量(L/d) 节水耗(%) 反洗水电耗(10³kW·h) 反洗气电耗(10³kW·h) 反洗总电耗(10³kW·h) 增电耗(%) 总费用［元/(d·m³)］ 节省率(%) 80 50 9 均质滤料滤池双层滤料滤池 6.82
9.89 31.04 55.7
68.5 18.74 2.29
3.32 2.23 4.52
3.32 36.14 0.0199
0.0258 22.87 100 50 11 均质滤料滤池双层滤料滤池 6.07
8.56 29.09 61.4
79.5 22.76 2.53
3.86 2.46 4.99
3.86 29.29 0.0175
0.0233 24.89 120 70 13 均质滤料滤池双层滤料滤池 6.24
9.28 32.76 80.1
99.3 19.34 3.30
4.82 3.2 6.50
4.82 34.85 0.0181
0.0246 26.42

　　由表3可知，不同滤池的系统运行费用也不同。均质滤料滤池比双层滤料滤池可节省药耗20%～32%，节省反冲洗水耗18%～22%。在反冲洗电耗中，虽然均质滤料滤池的反洗水电耗低，但由于增加了反洗气电耗，使反洗总电耗提高29%～36%，又由于电费比药费、水费所占比例少得多，故系统总的运行费用降低了22%～26%。?

4 结论 ?

　　① 系统采用工艺不同，最优运行效益也不同。采用均质滤料滤池有利于提高水质、减少消耗、降低制水成本。?
　　② 设计优化是系统经济合理运行的基础。但只有将设计优化与运行优化结合起来，才能确定系统最佳的结构与状态，从而实现系统最佳的功能与效益。

参考文献：

　　［1］朱伟勇，段晓东.最优设计在工业中的应用［M］.沈阳：辽宁科学技术出版社，1993.
　　［2］田一梅，单金林，陈浙良，等.水处理系统优化运行［J］.中国给水排水，1999，15(5)：5-9.

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　　电　话：(022)27400830?
　　收稿日期：2002-03-07