簡介：給水處理系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行是保證處理水質(zhì)和降低運(yùn)行成本的重要手段。本文提出了解決優(yōu)化運(yùn)行問題的高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略和最佳沉淀水濁度的概念，論述了根據(jù)最佳沉淀水濁度的變化來實(shí)現(xiàn)高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的變沉淀水濁度運(yùn)行模式，初步探討了該模式隨水質(zhì)、水量等因素變化的基本規(guī)律與約束條件。關(guān)鍵字：水處理經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

　　供水系統(tǒng)是城市不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)施，供水的質(zhì)量與價(jià)格關(guān)系到國計(jì)民生。采取技術(shù)措施，保證供水質(zhì)量、降低供水價(jià)格是十分必要的。作為供水系統(tǒng)的重要組成部分，給水處理工藝設(shè)施是決定水質(zhì)與水價(jià)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)其工況進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，從而在滿足用戶水質(zhì)要求的同時(shí)最大限度地降低水處理成本，很有意義。這是涉及給水處理系統(tǒng)優(yōu)化的問題。為此，本文提出了解決該優(yōu)化問題的高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略，并就實(shí)現(xiàn)這一策略的基本模式進(jìn)行探討。

　　1、給水處理系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行問題與解決策略

　　給水處理系統(tǒng)的優(yōu)化，包括優(yōu)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化運(yùn)行。在設(shè)計(jì)一套給水處理系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)已有的設(shè)計(jì)條件（如水量、水質(zhì)），選定最佳的工藝系統(tǒng)、最佳的設(shè)施組合、最佳的工藝參數(shù)等，從而保證在給定的設(shè)計(jì)工況條件下系統(tǒng)是最優(yōu)的。這就是優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。

　　在實(shí)際運(yùn)行中，處理系統(tǒng)接受的原水來自江河湖泊，受自然條件等因素的影響，水質(zhì)是不斷變化的，有時(shí)變化幅度是很大的，如來自同一條河流的原水濁度可能在幾十度至幾千度之間變化；水量也可能受用水情況影響而有較大變化。因此給水處理系統(tǒng)的運(yùn)行條件屬于非穩(wěn)定工況。設(shè)計(jì)工況僅是實(shí)際運(yùn)行工況范圍中的一個(gè)點(diǎn)，只有在該點(diǎn)上，實(shí)際工況符合設(shè)計(jì)條件，系統(tǒng)可以處于最優(yōu)運(yùn)行狀況；在其它條件下，不能保證運(yùn)行工況最優(yōu)。況且，受設(shè)計(jì)水平、地區(qū)經(jīng)濟(jì)因素（如藥劑價(jià)格）變化、水處理構(gòu)筑物狀況等的影響，即使實(shí)際工況與設(shè)計(jì)條件相符，也不能保證運(yùn)行工況就一定是最優(yōu)的。上述分析說明，一個(gè)設(shè)計(jì)上達(dá)到最優(yōu)的水處理系統(tǒng)，并不能保證在運(yùn)行時(shí)總是最優(yōu)的，甚至可能是遠(yuǎn)離優(yōu)化工況的。這就提出了一個(gè)優(yōu)化運(yùn)行的問題。在此，所謂最優(yōu)運(yùn)行工況指對(duì)于已建成的水處理系統(tǒng)，以最低的運(yùn)行費(fèi)用處理水、使之達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

　　在生產(chǎn)運(yùn)行中，水處理系統(tǒng)受多種因素影響，達(dá)到運(yùn)行的最優(yōu)化往往是困難的。若僅考慮影響運(yùn)行費(fèi)用的若干主要因素、忽略次要因素，則可使問題得以簡化，有可能較大程度地發(fā)揮水處理系統(tǒng)的能力、使之在近于優(yōu)化的較經(jīng)濟(jì)條件下運(yùn)行，在此將該種運(yùn)行策略稱為高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式。

　　給水處理系統(tǒng)的高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必然受一些條件的約束，其中水質(zhì)衛(wèi)生安全性是最重要的約束之一。隨著水污染的加劇及用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的提高，安全飲用水是近年來人們關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)問題。在給水處理系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)首要考慮的就是處理后的水質(zhì)要符合相關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，符合水質(zhì)衛(wèi)生安全性的要求。給水處理系統(tǒng)的高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須以水質(zhì)的衛(wèi)生安全性水平不降低為前提。

　　2、給水處理系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)函數(shù)

　?。?）運(yùn)行費(fèi)用構(gòu)成分析

　　常規(guī)給水處理系統(tǒng)由混合、反應(yīng)、沉淀、過濾、消毒等環(huán)節(jié)組成，在此也以該典型系統(tǒng)為研究對(duì)象。其運(yùn)行費(fèi)用主要由以下幾部分構(gòu)成。

　　電費(fèi)：包括系統(tǒng)的水頭損失、附屬機(jī)電設(shè)備的電耗等。這部分費(fèi)用主要由泵站決定，與處理系統(tǒng)無關(guān)。

　　人工費(fèi)、折舊大修費(fèi)，以及消毒劑費(fèi)用等：與運(yùn)行條件關(guān)系不大，有些是屬于管理范疇的問題。

　　混凝劑費(fèi)及自用水費(fèi)：自用水主要在沉淀池排泥、濾池反沖洗兩部分消耗。這些費(fèi)用是水處理系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用構(gòu)成中的重要組成，是處理過程中的主要消耗，而且是可以通過工況調(diào)節(jié)來改變的，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性起控制作用。因此，采取技術(shù)措施、降低該部分費(fèi)用，是給水處理系統(tǒng)高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行所主要考慮的問題。

　　混凝劑投加量、沉淀池排泥水量、濾池反沖洗水量同原水水質(zhì)、處理構(gòu)筑物的性能、運(yùn)行條件有關(guān)，相互之間又是有關(guān)連影響的。其費(fèi)用又同各自的價(jià)格有關(guān)。一般而言，在一定條件下，減小混凝劑量，就會(huì)減少沉淀池排泥水量、但加大濾池反沖洗水量。這3部分費(fèi)用之和如何變化、是否存在滿足運(yùn)行工況約束條件的最小值，就是高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行課題要解決的核心問題。若上述問題的答案是肯定的，則該最小值的變化規(guī)律、在生產(chǎn)上如何實(shí)現(xiàn)，是需要進(jìn)一步回答的問題。

　?。?）經(jīng)濟(jì)函數(shù)

　　為了進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，需要對(duì)各項(xiàng)費(fèi)用進(jìn)行定量描述。在此采用下述費(fèi)用函數(shù)^{[1、2、3]。}

　　混凝劑費(fèi)?；炷齽┑耐都恿渴艿降挠绊懸蛩睾芏?，也有各種不同的數(shù)學(xué)模型形式。在此僅考慮最主要的、帶有共性的影響因素，并以如下的函數(shù)形式描述：

　　f_{1=m·C1=s^{-aybQcT-dC1(1)}}

　　式中f_{1——處理單位水量的混凝劑費(fèi)(元m^3)；}

　　　　m——混凝劑單耗(kgm^3)；

　　　　s——沉淀水濁度(NTU)；

　　　　y——原水濁度(NTU)；

　　　　Q——處理水量(m^3h)；

　　　　T——水溫（℃）；

　　　　C_{1——混凝劑單價(jià)(元kg)；}

　　　　a、b、c、d——系數(shù)。

　　若考慮其他影響因素，可以將其加上相應(yīng)指數(shù)后同樣乘入上式。

　　沉淀池排泥水費(fèi)。根據(jù)原水和沉淀池出水濁度，可以近似計(jì)算排泥水量和排泥水費(fèi)：

₍₂₎

　　式中f_{2——排泥水費(fèi)(元m^3)；}

　　　　C_{2——排泥水單價(jià)(元m^3)；}

　　　　q——單位排泥水量(m^{3泥水m3水)；}

　　　　C——排泥水濃度(kgm^3)；

　　　　k_{1——系數(shù)；}

　　　　其余符號(hào)同前。

　　濾池反沖洗水費(fèi)。反沖洗水量及水費(fèi)可用下式表達(dá)：

_{f3=L·C3=k2·s·C3　　　　　(3)}

　　式中f_{3——處理單位水量的反沖洗水費(fèi)(元m^3)；}

　　　　C_{3——反沖洗水價(jià)(元m^3)；}

　　　　L——處理單位水量的反沖洗耗水率(%)；

　　　　k_{2——系數(shù)；}

　　　　其余符號(hào)同前。

　　綜合上述各式，可以得到給水處理系統(tǒng)運(yùn)行的混凝劑、水耗費(fèi)用總和f為：

　　　　　　　　　(4)

　　式(4)所描述的運(yùn)行費(fèi)用雖然是水處理工藝系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的一部分，但它代表了運(yùn)行費(fèi)用構(gòu)成中的主要可變部分，改變運(yùn)行工況可以使上述費(fèi)用構(gòu)成的各項(xiàng)發(fā)生變化，從而影響到水處理的成本。在此將式(4)稱為水處理系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)函數(shù)。

　　3、高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基本模式及約束條件

　　（1）變濁度運(yùn)行模式

　　對(duì)式(4)進(jìn)行分析，不難發(fā)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)函數(shù)中的各項(xiàng)都包含沉淀水濁度s。事實(shí)上，沉淀水濁度是控制水處理工況及水處理費(fèi)用的一個(gè)關(guān)鍵的過程參數(shù)。在技術(shù)上，沉淀水濁度的高低直接影響到混凝劑投量及沖洗、過濾的效能，改變著沉淀、過濾環(huán)節(jié)處理負(fù)荷的分配；在經(jīng)濟(jì)上，則反映了混凝劑、排泥水、反沖洗水消耗的比例，即改變了各部分的費(fèi)用。從水處理技術(shù)原理可知，沉淀水濁度可以在一定的范圍內(nèi)變動(dòng)，而保證處理后水質(zhì)符合水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

　　由此提出實(shí)現(xiàn)水處理工藝系統(tǒng)高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的變濁度模式：根據(jù)相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用因素(混凝劑、用水價(jià)格等)，工藝特性因素及約束條件，確定最佳沉淀水濁度及變化規(guī)律；生產(chǎn)上，以該最佳沉淀水濁度為系統(tǒng)調(diào)控目標(biāo)，對(duì)混凝劑投量進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，并根據(jù)需要適時(shí)地進(jìn)行沉淀池排泥及濾池反沖洗。這種變沉淀水濁度目標(biāo)值的運(yùn)行方式，突破了傳統(tǒng)上的定沉淀水濁度目標(biāo)值的運(yùn)行模式，可以在保證水質(zhì)的前提下，降低處理系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，使水處理系統(tǒng)的整體功效得到較大限度的發(fā)揮。

　　這一變濁度運(yùn)行模式實(shí)現(xiàn)的前提是最佳沉淀水濁度是存在的、而且是滿足生產(chǎn)上必要的約束條件的。

　　（2）最佳沉淀水濁度

　　將式(4)對(duì)s求偏導(dǎo)，有：

₍₅₎

　　顯然存在點(diǎn)。進(jìn)一步，求f對(duì)s的2階偏導(dǎo)，有：

　　　　　　　　　　　(6)

　　由于存在唯一的點(diǎn)及0，所以經(jīng)濟(jì)函數(shù)f有且有唯一的極小值f_{min。令，由式(5)得到fmin所對(duì)應(yīng)的沉淀水濁度sm為：}

₍₇₎

　　若滿足一定的約束條件，s_{m就是最佳沉淀水濁度。}

　　式(7)說明，最佳沉淀水濁度受下列因素影響：水質(zhì)及運(yùn)行參數(shù)(原水濁度、水溫、流量等)，原水濁度越高、水量負(fù)荷越大、水溫越低，最佳沉淀水濁度越高；經(jīng)濟(jì)因素，混凝劑價(jià)格、沉淀排泥水費(fèi)越高、反沖洗水費(fèi)越低、最佳沉淀水濁度越高。

　　（3）約束條件

　　在生產(chǎn)上能否按最佳沉淀水濁度運(yùn)行，要受到一系列的條件制約，其中包括：

　　a.水質(zhì)衛(wèi)生安全性。沉淀水濁度升高，加重了濾池的負(fù)擔(dān)，會(huì)使濾后水濁度有所上升，相應(yīng)地有機(jī)物泄漏增加，有水質(zhì)下降的可能。在保證濾后水滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求及保證水質(zhì)衛(wèi)生安全的范圍內(nèi)，最佳沉淀水濁度才有意義。即要求s_{m〈s1（s1為滿足衛(wèi)生安全性要求的沉淀水濁度上限）。}

　　b.生產(chǎn)操作的可行性。沉淀水濁度升高，導(dǎo)致濾池負(fù)擔(dān)加重，過濾周期縮短，濾池發(fā)生頻繁的反沖洗。若沖洗過于頻繁，雖然在經(jīng)濟(jì)上合理，但在實(shí)踐中會(huì)帶來過于繁瑣等問題，亦不可取。最佳沉淀水濁度過低，可能沉淀池的處理能力達(dá)不到要求。即要求s_{2〈sm〈s3（s2、s3為滿足處理構(gòu)筑物性能要求的沉淀水濁度上、下限）。}

　　c.抗沖擊安全余量。沉淀水濁度高，濾池的截污能力得到較大程度的發(fā)揮，相應(yīng)地抗沖擊負(fù)荷能力減弱。但是濾池是水質(zhì)把關(guān)的最后屏障，一旦原水水質(zhì)、水量、處理構(gòu)筑物性能等因某種因素發(fā)生突變，若濾池抗沖擊負(fù)荷的能力小，就可能發(fā)生雜質(zhì)穿透的水質(zhì)事故。所以最佳沉淀水濁度應(yīng)不超過某一抗沖擊安全濁度限。即要求s_{m〈s4（s4為滿足抗沖擊安全要求的沉淀水濁度上限）。}

　　綜上，s_{1、s2、s3、s4就構(gòu)成了最佳沉淀水濁度的基本約束條件。}

　　4、結(jié)論與展望

　　研究表明，綜合水質(zhì)衛(wèi)生安全與經(jīng)濟(jì)兩方面因素考慮，沉淀水濁度存在最優(yōu)值，而且該值是隨水質(zhì)及水處理工藝條件變化的。生產(chǎn)上應(yīng)根據(jù)影響運(yùn)行費(fèi)用的主要因素來確定最佳沉淀水濁度值，以變濁度的運(yùn)行方式取代傳統(tǒng)的定濁度運(yùn)行方式，可以實(shí)現(xiàn)水處理系統(tǒng)的高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

　　對(duì)于最佳沉淀水濁度變化的規(guī)律、約束條件、生產(chǎn)上實(shí)現(xiàn)的方式等，還需要進(jìn)一步研究，將在另文中加以論述。

　　參考文獻(xiàn)

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AMETHODFOREFFECTIVEANDECONOMICALOPERATIONOFWATERTREATMENTSYSTEM

CUIFuyiSHIMingyanZHAOTianhui

　　Abstract：Theoptimaloperationforadrinkingwatertreatmentsystemisimportantbothforthequalityandforthecost.Astrategyofeffectiveandeconomicaloperationforthesystemandtheconceptofoptimalturbidityforsettledwateraredeveloped,theoptimalturbidityisvariablewiththevariationoftherawwaterqualityandtheconditionofthesystem.Accordingtothisstrategy,amethodofoperationbyvaryingtheturbidityofsettledwaterisproposed.Thebasicrelationshipandlimitationforthisoperationmethodisdiscussed.

　　Keywords：watertreatmenteconomyoperation