水處理系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行

水處理系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行

摘要研究、建立了水處理系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型，提出了最優(yōu)沉淀出水濁度的概念和各流程間流量最優(yōu)分配的觀點(diǎn)，探討了系統(tǒng)局部最優(yōu)和整體最優(yōu)的關(guān)系。此外，還研制了優(yōu)化運(yùn)行軟件包，并成功地運(yùn)用于小型試驗(yàn)系統(tǒng)。結(jié)果表明，優(yōu)化運(yùn)行能節(jié)省10%～30%的運(yùn)行費(fèi)用，對(duì)水處理系統(tǒng)運(yùn)行與優(yōu)化設(shè)計(jì)都具有指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞水處理系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行數(shù)學(xué)模型

水處理系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的目的在于：通過(guò)提高水廠的技術(shù)管理水平，合理使用水廠現(xiàn)有處理設(shè)施，提高供水水質(zhì)，降低供水成本，使系統(tǒng)在不斷變化的運(yùn)行工況中，經(jīng)常處于良好的運(yùn)行狀態(tài)，本文將主要討論系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的問(wèn)題。

1優(yōu)化運(yùn)行數(shù)學(xué)模型

一般大型水廠采用分期建設(shè)，每期建設(shè)由于考慮到場(chǎng)地條件、當(dāng)時(shí)的工藝技術(shù)以及原水水質(zhì)、處理效率、投資與經(jīng)營(yíng)費(fèi)用等因素而選擇了不同凈水工藝及處理設(shè)備；而在一些老廠的擴(kuò)建、改造中，又不斷采用新工藝、新技術(shù)以增加產(chǎn)量，提高質(zhì)量，因此形成了水廠處理系統(tǒng)多流程、多工藝、多池型的特點(diǎn)。

由于不同流程、不同凈水工藝、不同處理構(gòu)筑物型式的處理能力、處理效率及運(yùn)行費(fèi)用不同，而且各種構(gòu)筑物的運(yùn)行參數(shù)又都互相聯(lián)系、互相制約，因此就存在著整個(gè)處理系統(tǒng)在一定的運(yùn)行條件下，各流程在處理能力上的相互協(xié)調(diào)、各處理構(gòu)筑物在處理效率上的相互協(xié)調(diào)，從而達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的處理費(fèi)用最小、能源消耗最低，即系統(tǒng)處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。

目標(biāo)函數(shù)

水處理系統(tǒng)日常運(yùn)行費(fèi)用主要包括：藥費(fèi)、沉淀池(包括澄清池，下同)排泥費(fèi)和濾池反沖洗費(fèi)，一泵站的提升費(fèi)用暫不計(jì)算在內(nèi)。

式中F--運(yùn)行費(fèi)用，元/d

mi--第i流程的混凝劑投加量，mg/L

n--處理工藝流程數(shù)

eni--第i流程沉淀池單位排泥耗電量，kW·h/m3

pi--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，m3

Tni--第i流程沉淀池排泥周期，h

Ni--第i濾站濾池個(gè)數(shù)

Ti--第i濾站濾池過(guò)濾周期，h

ewi--第i濾站反沖洗單位用水耗電量，kW·h/m3

egi--第i濾站反沖洗單位用氣耗電量，kW·h/m3

QCi--第i流程的混凝沉淀進(jìn)水流量，m3/d

qwi、qgi--第i濾站單個(gè)濾池一次反沖洗用水量、用氣量，m3

k1、k2、k3、k4--藥價(jià)(元/t)、電價(jià)(元/kW·h)、排泥耗水價(jià)(元/m3)、反洗水價(jià)(元/m3)

約束條件

淀池：C1min≤C1i≤C1max

濾池：C2i≤C2max(2)

式中C1i、C2i--第i流程沉淀池、濾池出水濁度，NTU

C1min--經(jīng)沉淀池處理后能達(dá)到的最小出水濁度，NTU

C1max--允許的沉淀池最大出水濁度，NTU

C2max--要求的濾后出水濁度的上限，該值要小于或等于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的合格濁度，NTU

此外，由于水廠各流程之間相互連通，而且優(yōu)化運(yùn)行要求合理調(diào)配各流程的水量負(fù)荷，各流程的沉淀出水濁度與濾池進(jìn)水濁度也不一定相同，故有下述約束

C1i＇=C1i+△Ci(3)

式中C1i——第i流程濾池進(jìn)水濁度，NTU

△Ci——第i流程沉淀池與濾池之間的水質(zhì)波動(dòng)，NTU

各種構(gòu)筑物處理規(guī)模的要求

沉淀池：QCimin≤QCi≤QCimax

濾池：QLimin≤QLi≤QLimax(4)

式中QCi、QLi--第i流程混凝沉淀及濾站處理的水量，m3/d

QCimax、QCimin、

QLimax、QLimin--相應(yīng)構(gòu)筑物處理規(guī)模的上下限,m3/d

可將過(guò)濾水量約束轉(zhuǎn)化為濾速約束，即：

vimin≤vi≤vimax(5)

式中vi、vimax、vimin--第i系統(tǒng)濾池濾速及其上下限，m/h

處理流程流量平衡要求

式中Q--原水總流量，m3/d

QS--分質(zhì)供水時(shí)，經(jīng)沉淀凈化后送用戶使用的水量，m3/d

ΔQCi--第i流程沉淀池排泥耗水量，m3/d

濾池運(yùn)行周期的要求

確定濾池運(yùn)行周期，要考慮到水頭損失和出水濁度以及最大過(guò)濾時(shí)間的要求。

Ti＝min｛TiL,TiH,Timax｝(7)

式中TiL、TiH、Timax--

第i系統(tǒng)濾池的雜質(zhì)穿透周期、水頭損失周期以及允許的最大過(guò)濾周期，h

雜質(zhì)穿透深度的要求

為使雜質(zhì)在濾層中合理分布，既充分利用濾層的截污能力，又不允許雜質(zhì)穿透，有下述約束：

Limin≤Li≤Limax(8)

式中Li、Limax、Limin--第i系統(tǒng)濾池雜質(zhì)穿透深度及上下限，cm

2小型試驗(yàn)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行考核

為研究水處理系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行而制作了小型試驗(yàn)系統(tǒng)，主要流程見(jiàn)圖1，并根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)大量實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)回歸分析，建立了各單元處理過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)［2］。目標(biāo)函數(shù)及結(jié)束條件

由于試驗(yàn)系統(tǒng)采用了兩種濾池，形成了系統(tǒng)的多流程模式，則系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行數(shù)學(xué)模型式即為：

目標(biāo)函數(shù)F=min{10-6k1mQ+24(k2en+k3p),W/Tn+24[(k4+k2ew1)qw1+k2egqg]/T1,24(k4+k2ew2)qw2/T2}(9)

約束條件：

≤C1≤15

0≤C22≤

20≤L1≤60

6≤v1≤12

8≤v2≤14

T1=min{T1H,T1max}

T2=min{T2H,T2L,T2max}

Timax=48(i=1,2)

Q=Q1+Q2+24×10-3W/Tn(10)

式中m=×=×109{[Q(++)]}-

T1H=()/()

T2H=()/()

T2L=()/()L1=

目標(biāo)函數(shù)中，均質(zhì)濾料濾池由T1H決定其運(yùn)行周期，而對(duì)雙層濾料濾池，取T2H和T2L中較小者作為濾池的運(yùn)行周期。顯然只有當(dāng)T2＝T2L＝T2H時(shí)，濾池才處于最佳工作狀態(tài)，既完全利用了濾池的水力能力，又充分發(fā)揮了濾層的截污能力，同時(shí)說(shuō)明當(dāng)整個(gè)凈水處理系統(tǒng)處于最佳工況時(shí)，恰好濾池也處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。

約束條件中，C22為雙層濾料濾池在濾層深度46cm處的出水濁度；由C1、v1可計(jì)算均質(zhì)濾料雜質(zhì)穿透深度L1，該處出水濁度為1NTU，因此對(duì)穿透深度的約束已包含了對(duì)濾后水質(zhì)的要求。

模型解法

上述模型中，變量C1、C22及v1或v2均為連續(xù)變量，模型為有約束非線性規(guī)劃問(wèn)題，可用多種方法求解。本項(xiàng)目采用一種求解非線性規(guī)劃的組合型算法，此算法功能較強(qiáng)，求解較快，根據(jù)此算法編制了優(yōu)化運(yùn)行軟件。此外，模型中一些經(jīng)濟(jì)參數(shù)如藥價(jià)、電價(jià)、反洗水單價(jià)、排泥耗電量、反沖洗耗電量等均根據(jù)天津某水廠、南京某水廠有關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算得到。選取4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1多流程優(yōu)化運(yùn)行與常規(guī)運(yùn)行結(jié)果對(duì)比原水流量Q運(yùn)行方式濾前濁度C1投藥量m濾速過(guò)濾周期穿透深度濾后濁度C22排泥周期Tn排泥體積W單位費(fèi)用[元/()]節(jié)省率υ1υ2T1T2T2HT2LL1L210060優(yōu)化常規(guī)

1812

優(yōu)化常規(guī)

優(yōu)化常規(guī)

優(yōu)化常規(guī)

單流程優(yōu)化運(yùn)行

為了對(duì)比不同工藝流程的處理能力、耗水、耗能及各項(xiàng)費(fèi)用，將本試驗(yàn)系統(tǒng)分為兩個(gè)單流程運(yùn)行，即混凝沉淀加均質(zhì)濾料濾池為流程1；混凝沉淀加雙層濾料濾池為流程2，并根據(jù)式(1)～(8)分別建立兩個(gè)單流程優(yōu)化模型(模型略)。由于單流程沒(méi)有各流程間的流量協(xié)調(diào)問(wèn)題，同時(shí)根據(jù)濾速與濾前濁度的制約關(guān)系，應(yīng)使盡量多的濾池投入運(yùn)行，以降低濾速，這樣有利于提高水質(zhì)或降低混凝劑投量，因而濾速不再作為調(diào)控變量，故單流程運(yùn)行優(yōu)化問(wèn)題求解比較容易。本文仍采用組合型算法求解，對(duì)流程1、流程2分別選取4組試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行計(jì)算(結(jié)果略)。

3優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果分析及討論

沉淀池最優(yōu)出水濁度的動(dòng)態(tài)特性

①當(dāng)原水流量、濁度一定時(shí)，沉淀出水濁度C1的大小直接關(guān)系到水處理費(fèi)用的高低。運(yùn)行時(shí)如果允許C1較高，則混凝沉淀的費(fèi)用可相應(yīng)降低，但卻增加了濾池的運(yùn)行費(fèi)用；反之如果要求C1較低，則提高了混凝沉淀的處理費(fèi)用，而降低了濾池的運(yùn)行費(fèi)用。因此，必然存在著一個(gè)使總運(yùn)行費(fèi)用最小的沉淀出水濁度，即系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行意義下的最優(yōu)沉淀出水濁度C*，見(jiàn)圖2。

②原水流量、濁度變化時(shí)，C*也隨之變化，其變化幅度與原水有關(guān)參數(shù)變化幅度有關(guān)。表2為流程2的C*與原水濁度C0或原水流量Q之間的變化關(guān)系，即C*∝(C0/Q)。此式表明，沉淀池出水濁度是聯(lián)系混凝沉淀與過(guò)濾的中間變量，它的大小既受到原水水質(zhì)及混凝沉淀設(shè)備處理效率的影響，同時(shí)也受到濾池水量負(fù)荷的制約，需根據(jù)運(yùn)行條件的變化合理確定。

表2流程2中沉淀池最優(yōu)出水濁度℃與原水濁度或原水流量的關(guān)系Q=100L/hC030405060708090100C*=60NTUQ6080100120140160180C*

③比較本試驗(yàn)各流程最優(yōu)運(yùn)算結(jié)果可知，流程不同，各單元運(yùn)行費(fèi)用不同，則最優(yōu)沉淀出水濁度C*不同。如流程1，由于均質(zhì)濾料濾池采用氣水反沖洗，節(jié)省大量的反洗用水，故費(fèi)用比單獨(dú)水反洗要低得多，試驗(yàn)中，均質(zhì)濾料濾池反洗一次的費(fèi)用是雙層濾料濾池的%。故當(dāng)處理相同規(guī)模、相同水質(zhì)的原水時(shí)，由于氣水反洗費(fèi)用低，則優(yōu)化運(yùn)行適當(dāng)提高反洗費(fèi)用、降低投藥費(fèi)，使最優(yōu)沉淀出水濁度得以提高，即圖2中的最優(yōu)點(diǎn)C*向右偏移。

④對(duì)某凈水廠來(lái)說(shuō)，處理流程已定，則最優(yōu)沉淀出水濁度C*就取決于水廠采用的藥劑品種、價(jià)格及當(dāng)?shù)氐乃畠r(jià)。若系統(tǒng)采用的藥費(fèi)較高，而水價(jià)相對(duì)較低的話，則系統(tǒng)優(yōu)化必然要減小投藥量，提高沉淀出水濁度，從而減小投藥費(fèi)用；反之，在水資源短缺或長(zhǎng)距離輸水的地方，水價(jià)較高，若藥費(fèi)相對(duì)較低，則系統(tǒng)優(yōu)化必然是加大投藥量，降低沉淀出水濁度，以節(jié)省反洗費(fèi)用。如本試驗(yàn)系統(tǒng)采用的藥劑不變，而水價(jià)由原來(lái)的元/m3漲到元/m3或元/m3，則C*由原來(lái)的8NTU相應(yīng)降到NTU或NTU，且反洗耗水量也隨水價(jià)的提高而減少至原耗水量的%和%。

合理分配水量負(fù)荷

在多流程處理系統(tǒng)中，除了調(diào)節(jié)濾前濁度外，還可通過(guò)合理分配各流程水量負(fù)荷，使系統(tǒng)處于最佳工況。從表1看出，在試驗(yàn)系統(tǒng)中，兩濾池的流量分配都是優(yōu)先分配均質(zhì)濾料濾池，該濾池濾速均為滿足各種約束下的最大濾速，其原因就在于均質(zhì)濾料濾池運(yùn)行費(fèi)用低。如兩濾池沖洗一次的時(shí)間均按30min計(jì)算，系統(tǒng)總處理能力為80～120L/h,據(jù)此計(jì)算兩濾池10d的處理水量，則均質(zhì)濾料濾池的處理水量是雙層濾料濾池的%～194%。

排泥周期的確定

在總費(fèi)用中，雖然沉淀池排泥費(fèi)很小，只占總費(fèi)用的1%以下，但系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的意義在于確保沉淀池出水質(zhì)量，并減少排泥耗水量，從而減少水廠污泥系統(tǒng)的負(fù)荷，減少相應(yīng)的處理費(fèi)用。

在優(yōu)化運(yùn)行計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)投藥量較少，沉淀出水濁度較高時(shí)，排泥周期較長(zhǎng)，這是由于定量排泥的緣故。在實(shí)際生產(chǎn)中，沉淀池排泥周期過(guò)長(zhǎng)，易造成污泥濃度過(guò)高，排泥阻力增大，排泥機(jī)械電耗增加，故在優(yōu)化計(jì)算中，確定最大排泥周期為24h。這樣在泥量大時(shí)，采用定量、不定時(shí)排泥；泥量小時(shí)，采用定時(shí)、按實(shí)際泥量排泥，既可保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，又可降低排泥耗水率。

系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行與濾池最優(yōu)運(yùn)行的關(guān)系

筆者在參考文獻(xiàn)［2］討論了濾池最優(yōu)運(yùn)行條件，即TH＝TL。由表1看出，系統(tǒng)處于最優(yōu)運(yùn)行時(shí)，雙層濾料濾池的TH≠TL，由于優(yōu)化運(yùn)行對(duì)濾后水質(zhì)要求較高(C22≤NTU)，所以運(yùn)行周期多由TL決定。

當(dāng)原水流量、濁度一定時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整濾前濁度C1來(lái)調(diào)整TH、TL，見(jiàn)圖3。

由圖3可知：

①當(dāng)C1較低時(shí)，過(guò)濾周期由TH決定；而C1較高時(shí)，過(guò)濾周期由TL決定。

②當(dāng)C1＝NTU時(shí)，TH＝TL＝h，濾池處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，但總運(yùn)行費(fèi)用不是最?。欢?dāng)C1＝NTU時(shí)，TH＝h,TL＝h，過(guò)濾周期取h，此時(shí)系統(tǒng)的總運(yùn)行費(fèi)用最小。即整體最優(yōu)時(shí)局部不一定最優(yōu)，而局部最優(yōu)時(shí)整體不一定最優(yōu)。

在本優(yōu)化運(yùn)行計(jì)算中，通過(guò)調(diào)整各運(yùn)行參數(shù)，使雙層濾料濾池的TH與TL比較接近，在系統(tǒng)處于最優(yōu)運(yùn)行的前提下，盡可能使濾池也處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。

３.5系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益

由表1看出，試驗(yàn)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行與常規(guī)運(yùn)行相比，當(dāng)濾后水質(zhì)相同時(shí)，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用19%～36%，而第3組優(yōu)化運(yùn)行與常規(guī)運(yùn)行費(fèi)用相差不多，但優(yōu)化運(yùn)行濾后水質(zhì)明顯好。

根據(jù)天津某水廠1997年2月藥耗(不包括消毒劑)，排泥電耗及反洗水、電耗等實(shí)際運(yùn)行資料，計(jì)算其費(fèi)用為9元/m3，如水廠日處理能力按50×104t、優(yōu)化運(yùn)行節(jié)省費(fèi)用按10%～20%計(jì)算，則年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用(～)萬(wàn)元。

根據(jù)水廠一年實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，當(dāng)原水水質(zhì)較差時(shí)，月投藥量是2月份投藥量的3～4倍，排泥量及反洗耗水量也相應(yīng)增大，故年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)遠(yuǎn)大于上述計(jì)算值。

4結(jié)論

①根據(jù)原水變化及對(duì)出水水質(zhì)的要求，在對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行全面分析、綜合調(diào)整的基礎(chǔ)上，確定系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行意義下的沉淀出水濁度。不同地區(qū)、不同藥劑品種、不同處理流程，其最優(yōu)沉淀出水濁度的變化范圍及變化幅度也不同。

在多流程的凈水廠中，各流程處理規(guī)模應(yīng)根據(jù)優(yōu)化計(jì)算予以確定，優(yōu)先使用運(yùn)行狀態(tài)好、耗損低的處理設(shè)備。

這樣，在處理系統(tǒng)中通過(guò)縱向調(diào)節(jié)各處理構(gòu)筑物的水質(zhì)負(fù)荷，橫向協(xié)調(diào)各流程間的水量負(fù)荷，以及合理確定排泥周期、過(guò)濾周期等運(yùn)行參數(shù)，使系統(tǒng)適應(yīng)運(yùn)行條件的變化，并處于良好的工作狀態(tài)。

②水處理系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行不僅可節(jié)