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)鍵字：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)［1］。

水處理系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行主要包括兩部分內(nèi)容：系統(tǒng)狀態(tài)模擬仿真與系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化。前一部分，筆者已撰文作了較詳細(xì)的論述［2］，本文將主要討論系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的問題。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)。

1.1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)

1.2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：除惱僻C返1蛛i燥＇眉=迷C屆1分i摧+稠△免C啞i級枯角獅吵(式3背)

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數(shù)險(xiǎn)按目晉標(biāo)億函級數(shù)品：F=min{10-6k1mQ+24(k2en+k3p),W/Tn+24[(k4+k2ew1)qw1+k2egqg]/T1,24(k4+k2ew2)qw2/T2}(9)

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騎兄波2熔.鉆8望≤拴C脆1拌≤椒1夫5

剃棉堪0憐≤雹C池2翻2姐≤川0這.唯5

過閥加2翠0只≤錢L鼠1聯(lián)≤亞6暫0

敢女慎6祖≤虹v預(yù)1括≤赤1丙2

除毒止8植≤閱v谷2款≤宴1傻4長

遲塑傘T遲1扇=膠m微i秩n烏{暴T彎1充H綠,堡T鑄1多m文a潔x軋}隨

花啟拉T交2惡=佩m績i治n脖{攀T升2老H去,舉T慧2較L裹,本T經(jīng)2倦m豆a慎x族}

宮嗚而T筑i晴m迅a侍x你=黑4棵8踏莫圍(適i閃=佳1務(wù),別2揚(yáng))

亭殖貸Q塔=現(xiàn)Q恐1敵+霸Q祝2青+枝2墓4梨×鋤1恨0集-辛3醉W昨/廣T津n里椒洋微貪母賀轎(虹1膚0揭)

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6.78.21

1812

107.9

1014.62

16.625.7

23.126.025.729.3

24.145.1

42.40.5

0.424

81.65

1.860.0195

0.030636.312070優(yōu)化常規(guī)7.5

4.58.41

14.712

1111.9

1314.9

20.718.2

21.218.218.328.4

29.645.8

42.40.5

0.418.6

81.86

1.860.0200

0.025120.328050優(yōu)化常規(guī)8.5

14.78.11

5.359.9

76.0

915.8

18.432

19.232.43229.9

37.544.8

53.10.5

3.524

81.23

1.860.0201

0.02030.9810050優(yōu)化常規(guī)7.8

10.26.98

7.612

97.9

7.914.7

14.326.1

16.326.226.129.0

3444.9

43.50.5

0.624

81.19

1.860.0179

0.022319.732.3單流程優(yōu)化運(yùn)行

為了對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)。由于單流程沒有各流程間的流量協(xié)調(diào)問題，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)化問題求解比較容易。本文仍采用組合型算法求解，對流程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3.1沉淀池最優(yōu)出水濁度的動態(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*3.434.646.016.368.109.5510.711.96C0=60NTUQ6080100120140160180C*10.98.667.065.845.234.604.03③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41.32%。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對某凈水廠來說，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，在水資源短缺或長距離輸水的地方，水價(jià)較高，若藥費(fèi)相對較低，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)由原來的0.4元/m3漲到0.8元/m3或1.2元/m3，則C*由原來的8NTU相應(yīng)降到6.0NTU或3.8NTU，且反洗耗水量也隨水價(jià)的提高而減少至原耗水量的90.1%和77.4%。

3.2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99.7%～194%。

3.3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，這是由于定量排泥的緣故。在實(shí)際生產(chǎn)中，沉淀池排泥周期過長，易造成污泥濃度過高，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。

3.4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)行對濾后水質(zhì)要求較高(C22≤0.5NTU)，所以運(yùn)行周期多由TL決定。

當(dāng)原水流量、濁度一定時(shí)，可以通過調(diào)整濾前濁度C1來調(diào)整TH、TL，見圖3。由圖3可知：①當(dāng)C1較低時(shí)，過濾周期由TH決定；而C1較高時(shí)，過濾周期由TL決定。

②當(dāng)C1＝7.6NTU時(shí)，TH＝TL＝26.7h，濾池處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，但總運(yùn)行費(fèi)用不是最小；而當(dāng)C1＝10.8NTU時(shí)，TH＝23.06h,TL＝20.68h，