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水处理系统优化运行

时间:2009-03-28 15:25来源: 作者:
关键词:污水处理,废水处理
水处理系统优化运行的目的在于:通过提高水厂的技术管理水平,合理使用水厂现有处理设施,提高供水水质,降低供水成本,使系统在不断变化的运行工况中,经常处于良好的运行状态 [1] 。 水处理系统优化运行主要包括两部分内容:系统状态模拟仿真与系统运行
  

  水处理系统优化运行的目的在于:通过提高水厂的技术管理水平,合理使用水厂现有处理设施,提高供水水质,降低供水成本,使系统在不断变化的运行工况中,经常处于良好的运行状态[1]
  水处理系统优化运行主要包括两部分内容:系统状态模拟仿真与系统运行优化。前一部分,笔者已撰文作了较详细的论述[2],本文将主要讨论系统运行优化的问题。

1 优化运行数学模型

  一般大型水厂采用分期建设,每期建设由于考虑到场地条件、当时的工艺技术以及原水水质、处理效率、投资与经营费用等因素而选择了不同净水工艺及处理设备;而在一些老厂的扩建、改造中,又不断采用新工艺、新技术以增加产量,提高质量,因此形成了水厂处理系统多流程、多工艺、多池型的特点。
  由于不同流程、不同净水工艺、不同处理构筑物型式的处理能力、处理效率及运行费用不同,而且各种构筑物的运行参数又都互相联系、互相制约,因此就存在着整个处理系统在一定的运行条件下,各流程在处理能力上的相互协调、各处理构筑物在处理效率上的相互协调,从而达到整个系统的处理费用最小、能源消耗最低,即系统处于经济运行状态。
1.1 目标函数
  水处理系统日常运行费用主要包括:药费、沉淀池(包括澄清池,下同)排泥费和滤池反冲洗费,一泵站的提升费用暂不计算在内。

     

  式中 F--运行费用,元/d
     mi--第i流程的混凝剂投加量,mg/L
     n--处理工艺流程数
     eni--第i流程沉淀池单位排泥耗电量,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滤站滤池个数
     Ti--第i滤站滤池过滤周期,h
     ewi--第i滤站反冲洗单位用水耗电量,kW·h/m3
     egi--第i滤站反冲洗单位用气耗电量,kW·h/m3
     QCi--第i流程的混凝沉淀进水流量,m3/d
     qwi、qgi--第i滤站单个滤池一次反冲洗用水量、用气量,m3
     k1、k2、k3、k4--药价(元/t)、电价(元/kW·h)、排泥耗水价(元/m3)、反洗水价(元/m3)
1.2 约束条件
   淀池:C1min≤C1i≤C1max
   滤池:C2i≤C2max(2)
   式中C1i、C2i--第i流程沉淀池、滤池出水浊度,NTU
   C1min--经沉淀池处理后能达到的最小出水浊度,NTU
   C1max--允许的沉淀池最大出水浊度,NTU
   C2max--要求的滤后出水浊度的上限,该值要小于或等于水质标准的合格浊度,NTU
  此外,由于水厂各流程之间相互连通,而且优化运行要求合理调配各流程的水量负荷,各流程的沉淀出水浊度与滤池进水浊度也不一定相同,故有下述约束:

  C1i'=C1i+△Ci    (3)
  式中 C1i——第i流程滤池进水浊度,NTU
     △Ci——第i流程沉淀池与滤池之间的水质波动,NTU
1.3 各种构筑物处理规模的要求
  沉淀池:QCimin≤QCi≤QCimax
  滤池:QLimin≤QLi≤QLimax(4)
  式中QCi、QLi--第i流程混凝沉淀及滤站处理的水量,m3/d
    QCimax、QCimin
  QLimax、QLimin--相应构筑物处理规模的上下限,m3/d
  可将过滤水量约束转化为滤速约束,即:
      vimin≤vivimax(5)
  式中 vi、vimax、vimin--第i系统滤池滤速及其上下限,m/h
1.4 处理流程流量平衡要求

    

  式中  Q--原水总流量,m3/d
     QS--分质供水时,经沉淀净化后送用户使用的水量,m3/d
     ΔQCi--第i流程沉淀池排泥耗水量,m3/d
1.5 滤池运行周期的要求
  确定滤池运行周期,要考虑到水头损失和出水浊度以及最大过滤时间的要求。
      Ti=min{TiL,TiH,Timax}(7)
  式中 TiL、TiH、Timax--
  第i系统滤池的杂质穿透周期、水头损失周期以及允许的最大过滤周期,h
1.6 杂质穿透深度的要求
  为使杂质在滤层中合理分布,既充分利用滤层的截污能力,又不允许杂质穿透,有下述约束:
       Limin≤Li≤Limax(8)
  式中 Li、Limax、Limin--第i系统滤池杂质穿透深度及上下限,cm

2 小型试验系统优化运行考核

  为研究水处理系统优化运行而制作了小型试验系统,主要流程见图1,并根据数理统计原理,通过对试验系统大量实际运行数据回归分析,建立了各单元处理过程的数学模型,详见参考文献[2]。

2.1 目标函数及结束条件
  由于试验系统采用了两种滤池,形成了系统的多流程模式,则系统优化运行数学模型式(1)即为:
  目标函数:

  F=min{10-6k1mQ+24(k2en+k3p),W/Tn+24[(k4+k2ew1)qw1+k2egqg]/T1,24(k4+k2ew2)qw2/T2}     (9)
  约束条件:
  2.8≤C1≤15
  0≤C22≤0.5
  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[2] m=28.2×C00.973C1-0.549Q-0.885Tn=6.24×109{m1.231[Q(0.325C0+21.25-0.6C1+4.1m)]}-1.678
       T1H=(2.4054-0.0209v1)/(0.0308C10.2745v10.4007)
       T2H=(2.0729-0.0251v2)/(0.00617C10.3923v20.7952)
       T2L=(934.49C20.186)/(C10.723v20.949)L1=8.697C10.5068v10.0649
  目标函数中,均质滤料滤池由T1H决定其运行周期,而对双层滤料滤池,取T2H和T2L中较小者作为滤池的运行周期。显然只有当T2=T2L=T2H时,滤池才处于最佳工作状态,既完全利用了滤池的水力能力,又充分发挥了滤层的截污能力,同时说明当整个净水处理系统处于最佳工况时,恰好滤池也处于最佳运行状态。
  约束条件中,C22为双层滤料滤池在滤层深度46cm处的出水浊度;由C1、v1可计算均质滤料杂质穿透深度L1,该处出水浊度为1 NTU,因此对穿透深度的约束已包含了对滤后水质的要求。
2.2 模型解法
  上述模型中,变量C1、C22及v1或v2均为连续变量,模型为有约束非线性规划问题,可用多种方法求解。本项目采用一种求解非线性规划的组合型算法,此算法功能较强,求解较快,根据此算法编制了优化运行软件。此外,模型中一些经济参数如药价、电价、反洗水单价、排泥耗电量、反冲洗耗电量等均根据天津某水厂、南京某水厂有关技术经济数据计算得到。

2.3 单流程优化运行
  为了对比不同工艺流程的处理能力、耗水、耗能及各项费用,将本试验系统分为两个单流程运行,即混凝沉淀加均质滤料滤池为流程1;混凝沉淀加双层滤料滤池为流程2,并根据式(1)~(8)分别建立两个单流程优化模型(模型略)。由于单流程没有各流程间的流量协调问题,同时根据滤速与滤前浊度的制约关系,应使尽量多的滤池投入运行,以降低滤速,这样有利于提高水质或降低混凝剂投量,因而滤速不再作为调控变量,故单流程运行优化问题求解比较容易。本文仍采用组合型算法求解,对流程1、流程2分别选取4组试验原始数据进行优化运行计算(结果略)。

3 优化运行结果分析及讨论

3.1 沉淀池最优出水浊度的动态特性
  ① 当原水流量、浊度一定时,沉淀出水浊度C1的大小直接关系到水处理费用的高低。运行时如果允许C1较高,则混凝沉淀的费用可相应降低,但却增加了滤池的运行费用;反之如果要求C1较低,则提高了混凝沉淀的处理费用,而降低了滤池的运行费用。因此,必然存在着一个使总运行费用最小的沉淀出水浊度,即系统优化运行意义下的最优沉淀出水浊度C*,见图2。

  ② 原水流量、浊度变化时,C*也随之变化,其变化幅度与原水有关参数变化幅度有关。表2为流程2的C*与原水浊度C0或原水流量Q之间的变化关系,即C*∝(C0/Q)。此式表明,沉淀池出水浊度是联系混凝沉淀与过滤的中间变量,它的大小既受到原水水质及混凝沉淀设备处理效率的影响,同时也受到滤池水量负荷的制约,需根据运行条件的变化合理确定。

表2 流程2中沉淀池最优出水浊度℃与原水浊度或原水流量的关系
Q=100L/h C0 30 40 50 60 70 80 90 100
C* 3.43 4.64 6.01 6.36 8.10 9.55 10.7 11.96
C0=60NTU Q 60 80 100 120 140 160 180  
C* 10.9 8.66 7.06 5.84 5.23 4.60 4.03  

  ③ 比较本试验各流程最优运算结果可知,流程不同,各单元运行费用不同,则最优沉淀出水浊度C*不同。如流程1,由于均质滤料滤池采用气水反冲洗,节省大量的反洗用水,故费用比单独水反洗要低得多,试验中,均质滤料滤池反洗一次的费用是双层滤料滤池的41.32%。故当处理相同规模、相同水质的原水时,由于气水反洗费用低,则优化运行适当提高反洗费用、降低投药费,使最优沉淀出水浊度得以提高,即图2中的最优点C*向右偏移。
  ④ 对某净水厂来说,处理流程已定,则最优沉淀出水浊度C*就取决于水厂采用的药剂品种、价格及当地的水价。若系统采用的药费较高,而水价相对较低的话,则系统优化必然要减小投药量,提高沉淀出水浊度,从而减小投药费用;反之,在水资源短缺或长距离输水的地方,水价较高,若药费相对较低,则系统优化必然是加大投药量,降低沉淀出水浊度,以节省反洗费用。如本试验系统采用的药剂不变,而水价由原来的0.4 元/m3涨到0.8 元/m3或1.2 元/m3,则C*由原来的8 NTU相应降到6.0 NTU或3.8 NTU,且反洗耗水量也随水价的提高而减少至原耗水量的90.1%和77.4%。
3.2 合理分配水量负荷
  在多流程处理系统中,除了调节滤前浊度外,还可通过合理分配各流程水量负荷,使系统处于最佳工况。从表1看出,在试验系统中,两滤池的流量分配都是优先分配均质滤料滤池,该滤池滤速均为满足各种约束下的最大滤速,其原因就在于均质滤料滤池运行费用低。如两滤池冲洗一次的时间均按30 min计算,系统总处理能力为80~120 L/h,据此计算两滤池10 d的处理水量,则均质滤料滤池的处理水量是双层滤料滤池的99.7%~194%。
3.3 排泥周期的确定
  在总费用中,虽然沉淀池排泥费很小,只占总费用的1%以下,但系统优化运行的意义在于确保沉淀池出水质量,并减少排泥耗水量,从而减少水厂污泥系统的负荷,减少相应的处理费用。
  在优化运行计算中发现,当投药量较少,沉淀出水浊度较高时,排泥周期较长,这是由于定量排泥的缘故。在实际生产中,沉淀池排泥周期过长,易造成污泥浓度过高,排泥阻力增大,排泥机械电耗增加,故在优化计算中,确定最大排泥周期为24 h。这样在泥量大时,采用定量、不定时排泥;泥量小时,采用定时、按实际泥量排泥,既可保证系统正常运行,又可降低排泥耗水率。
3.4 系统最优运行与滤池最优运行的关系
  笔者在参考文献[2]讨论了滤池最优运行条件,即TH=TL。由表1看出,系统处于最优运行时,双层滤料滤池的TH≠TL,由于优化运行对滤后水质要求较高(C22≤0.5 NTU),所以运行周期多由TL决定。
  当原水流量、浊度一定时,可以通过调整滤前浊度C1来调整TH、TL,见图3。

  由图3可知:
  ① 当C1较低时,过滤周期由TH决定;而C1较高时,过滤周期由TL决定。
  ② 当C1=7.6 NTU时,TH=TL=26.7 h,滤池处于最佳运行状态,但总运行费用不是最小;而当C1=10.8 NTU时,TH=23.06 h,TL=20.68 h,过滤周期取20.68 h,此时系统的总运行费用最小。即整体最优时局部不一定最优,而局部最优时整体不一定最优。
  在本优化运行计算中,通过调整各运行参数,使双层滤料滤池的TH与TL比较接近,在系统处于最优运行的前提下,尽可能使滤池也处于良好的运行状态。
3.5 系统优化运行的经济效益

  由表1看出,试验系统优化运行与常规运行相比,当滤后水质相同时,节省运行费用19%~36%,而第3组优化运行与常规运行费用相差不多,但优化运行滤后水质明显好。
  根据天津某水厂1997年2月药耗(不包括消毒剂),排泥电耗及反洗水、电耗等实际运行资料,计算其费用为0.029 9 元/m3,如水厂日处理能力按50×104 t、优化运行节省费用按10%~20%计算,则年节省运行费用(54.6~109.1)万元。
  根据水厂一年实际运行数据,当原水水质较差时,月投药量是2月份投药量的3~4倍,排泥量及反洗耗水量也相应增大,故年节省运行费远大于上述计算值。

4 结论

  ① 根据原水变化及对出水水质的要求,在对系统运行全面分析、综合调整的基础上,确定系统优化运行意义下的沉淀出水浊度。不同地区、不同药剂品种、不同处理流程,其最优沉淀出水浊度的变化范围及变化幅度也不同。
  在多流程的净水厂中,各流程处理规模应根据优化计算予以确定,优先使用运行状态好、耗损低的处理设备。
  这样,在处理系统中通过纵向调节各处理构筑物的水质负荷,横向协调各流程间的水量负荷,以及合理确定排泥周期、过滤周期等运行参数,使系统适应运行条件的变化,并处于良好的工作状态。
  ② 水处理系统优化运行不仅可节省运行费、提高运行管理的技术水平,而且在水厂实际运行中,面对不断变化的原水条件及随之变化的工艺设备特征参数,运行管理人员借助优化运行计算软件模拟系统各种可能的运行状态,从中寻求系统最佳运行工况,避免了系统运行的盲目性及运行参数调节与处理效果滞后的弊端,保证水厂生产的优质、安全、可靠。