崔福義　石明巖　趙天慧

　　摘要：給水處理系統優化運行是保證處理水質和降低運行成本的重要手段。本文提出了解決優化運行問題的高效經濟運行策略和最佳沉淀水濁度的概念，論述了根據最佳沉淀水濁度的變化來實現高效經濟運行的變沉淀水濁度運行模式，初步探討了該模式隨水質、水量等因素變化的基本規律與約束條件。
　　關鍵詞：水處理、經濟、運行

　　供水系統是城市不可缺少的基礎設施，供水的質量與價格關系到國計民生。采取技術措施，保證供水質量、降低供水價格是十分必要的。作為供水系統的重要組成部分，給水處理工藝設施是決定水質與水價的關鍵環節，對其工況進行合理調節，從而在滿足用戶水質要求的同時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優化的問題。為此，本文提出了解決該優化問題的高效經濟運行策略，并就實現這一策略的基本模式進行探討。

　　1、給水處理系統的優化運行問題與解決策略

　　給水處理系統的優化，包括優化設計與優化運行。在設計一套給水處理系統時，應根據已有的設計條件（如水量、水質），選定最佳的工藝系統、最佳的設施組合、最佳的工藝參數等，從而保證在給定的設計工況條件下系統是最優的。這就是優化設計問題。
　　在實際運行中，處理系統接受的原水來自江河湖泊，受自然條件等因素的影響，水質是不斷變化的，有時變化幅度是很大的，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。因此給水處理系統的運行條件屬于非穩定工況。設計工況僅是實際運行工況范圍中的一個點，只有在該點上，實際工況符合設計條件，系統可以處于最優運行狀況；在其它條件下，不能保證運行工況最優。況且，受設計水平、地區經濟因素（如藥劑價格）變化、水處理構筑物狀況等的影響，即使實際工況與設計條件相符，也不能保證運行工況就一定是最優的。上述分析說明，一個設計上達到最優的水處理系統，并不能保證在運行時總是最優的，甚至可能是遠離優化工況的。這就提出了一個優化運行的問題。在此，所謂最優運行工況指對于已建成的水處理系統，以最低的運行費用處理水、使之達到水質標準的要求。
　　在生產運行中，水處理系統受多種因素影響，達到運行的最優化往往是困難的。若僅考慮影響運行費用的若干主要因素、忽略次要因素，則可使問題得以簡化，有可能較大程度地發揮水處理系統的能力、使之在近于優化的較經濟條件下運行，在此將該種運行策略稱為高效經濟運行方式。
　　給水處理系統的高效經濟運行，必然受一些條件的約束，其中水質衛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標準的提高，安全飲用水是近年來人們關注的一個熱點問題。在給水處理系統運行時首要考慮的就是處理后的水質要符合相關水質標準的要求，符合水質衛生安全性的要求。給水處理系統的高效經濟運行，必須以水質的衛生安全性水平不降低為前提。

　　2、給水處理系統運行的經濟函數

　　（1）運行費用構成分析
　　常規給水處理系統由混合、反應、沉淀、過濾、消毒等環節組成，在此也以該典型系統為研究對象。其運行費用主要由以下幾部分構成。
　　電費：包括系統的水頭損失、附屬機電設備的電耗等。這部分費用主要由泵站決定，與處理系統無關。
　　人工費、折舊大修費，以及消毒劑費用等：與運行條件關系不大，有些是屬于管理范疇的問題。
　　混凝劑費及自用水費：自用水主要在沉淀池排泥、濾池反沖洗兩部分消耗。這些費用是水處理系統運行費用構成中的重要組成，是處理過程中的主要消耗，而且是可以通過工況調節來改變的，對系統運行的經濟性起控制作用。因此，采取技術措施、降低該部分費用，是給水處理系統高效經濟運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、處理構筑物的性能、運行條件有關，相互之間又是有關連影響的。其費用又同各自的價格有關。一般而言，在一定條件下，減小混凝劑量，就會減少沉淀池排泥水量、但加大濾池反沖洗水量。這3部分費用之和如何變化、是否存在滿足運行工況約束條件的最小值，就是高效經濟運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律、在生產上如何實現，是需要進一步回答的問題。
　　（2）經濟函數
　　為了進行經濟性分析，需要對各項費用進行定量描述。在此采用下述費用函數^[1、2、3]。
　　混凝劑費。混凝劑的投加量受到的影響因素很多，也有各種不同的數學模型形式。在此僅考慮最主要的、帶有共性的影響因素，并以如下的函數形式描述：

　　f₁ = m·C₁ = s^-ay^bQ^cT ^-dC₁ (1)

　　式中 f₁——處理單位水量的混凝劑費(元/m³)；
　　　　 m——混凝劑單耗(kg/m³)；
　　　　 s——沉淀水濁度(NTU)；
　　　　 y——原水濁度(NTU)；
　　　　 Q——處理水量(m³/h)；
　　　　 T——水溫（℃）；
　　　　 C₁——混凝劑單價(元/kg)；
　　　　 a、b、c、d——系數。

　　若考慮其他影響因素，可以將其加上相應指數后同樣乘入上式。
　　沉淀池排泥水費。根據原水和沉淀池出水濁度，可以近似計算排泥水量和排泥水費：

 　　　　 　　　　(2)

　　式中 f₂——排泥水費(元/m³)；
　　　　 C₂——排泥水單價(元/m³)；
　　　　 q——單位排泥水量(m³泥水/m³水)；
　　　　 C——排泥水濃度(kg/m³)；
　　　　 k₁——系數；
　　　　其余符號同前。
　　濾池反沖洗水費。反沖洗水量及水費可用下式表達：

_{f3=L·C3=k2·s·C3} 　　　　　(3)

　　式中 f₃——處理單位水量的反沖洗水費(元/m³)；
　　　　 C₃——反沖洗水價(元/m³)；
　　　　 L——處理單位水量的反沖洗耗水率(%)；
　　 　　k₂——系數；
　　 　　其余符號同前。

　　綜合上述各式，可以得到給水處理系統運行的混凝劑、水耗費用總和f為：

　　　　　　　　　(4)

　　　式(4)所描述的運行費用雖然是水處理工藝系統運行費用的一部分，但它代表了運行費用構成中的主要可變部分，改變運行工況可以使上述費用構成的各項發生變化，從而影響到水處理的成本。在此將式(4)稱為水處理系統運行的經濟函數。

　　3、高效經濟運行的基本模式及約束條件

　　（1）變濁度運行模式
　　對式(4)進行分析，不難發現經濟函數中的各項都包含沉淀水濁度s。事實上，沉淀水濁度是控制水處理工況及水處理費用的一個關鍵的過程參數。在技術上，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、過濾環節處理負荷的分配；在經濟上，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用。從水處理技術原理可知，沉淀水濁度可以在一定的范圍內變動，而保證處理后水質符合水質標準的要求。
　　由此提出實現水處理工藝系統高效經濟運行的變濁度模式：根據相應的經濟費用因素(混凝劑、用水價格等)，工藝特性因素及約束條件，確定最佳沉淀水濁度及變化規律；生產上，以該最佳沉淀水濁度為系統調控目標，對混凝劑投量進行相應的調節，并根據需要適時地進行沉淀池排泥及濾池反沖洗。這種變沉淀水濁度目標值的運行方式，突破了傳統上的定沉淀水濁度目標值的運行模式，可以在保證水質的前提下，降低處理系統的運行費用，使水處理系統的整體功效得到較大限度的發揮。
　　這一變濁度運行模式實現的前提是最佳沉淀水濁度是存在的、而且是滿足生產上必要的約束條件的。
　　（2）最佳沉淀水濁度
　　將式(4)對s求偏導，有：

　　　　　(5)

　　顯然存在點。進一步，求f對s的2階偏導，有：

　　　　　　　　　　　(6)

　　由于存在唯一的點及>0，所以經濟函數f有且有唯一的極小值f_min。令，由式(5)得到f_min所對應的沉淀水濁度s_m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：水質及運行參數(原水濁度、水溫、流量等)，原水濁度越高、水量負荷越大、水溫越低，最佳沉淀水濁度越高；經濟因素，混凝劑價格、沉淀排泥水費越高、反沖洗水費越低、最佳沉淀水濁度越高。
　　（3）約束條件
　　在生產上能否按最佳沉淀水濁度運行，要受到一系列的條件制約，其中包括：
　　a.水質衛生安全性。沉淀水濁度升高，加重了濾池的負擔，會使濾后水濁度有所上升，相應地有機物泄漏增加，有水質下降的可能。在保證濾后水滿足水質標準的要求及保證水質衛生安全的范圍內，最佳沉淀水濁度才有意義。即要求s_m〈s₁（s₁為滿足衛生安全性要求的沉淀水濁度上限）。
　　b.生產操作的可行性。沉淀水濁度升高，導致濾池負擔加重，過濾周期縮短，濾池發生頻繁的反沖洗。若沖洗過于頻繁，雖然在經濟上合理，但在實踐中會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不到要求。即要求s₂〈s_m〈s₃（s₂、 s₃為滿足處理構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揮，相應地抗沖擊負荷能力減弱。但是濾池是水質把關的最后屏障，一旦原水水質、水量、處理構筑物性能等因某種因素發生突變，若濾池抗沖擊負荷的能力小，就可能發生雜質穿透的水質事故。所以最佳沉淀水濁度應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，s₁、s₂、s₃、s₄就構成了最佳沉淀水濁度的基本約束條件。

　　4、結論與展望

　　研究表明，綜合水質衛生安全與經濟兩方面因素考慮，沉淀水濁度存在最優值，而且該值是隨水質及水處理工藝條件變化的。生產上應根據影響運行費用的主要因素來確定最佳沉淀水濁度值，以變濁度的運行方式取代傳統的定濁度運行方式，可以實現水處理系統的高效經濟運行。
　　對于最佳沉淀水濁度變化的規律、約束條件、生產上實現的方式等，還需要進一步研究，將在另文中加以論述。

　　參考文獻
　　1. 許保玖、安鼎年，給水處理理論與設計，中國建筑工業出版社，1992
　　2. 陳積福、袁維穎，最優化理論在水處理中的應用，水利電力出版社，1992
　　3. 于東江，水廠最佳投礬劑量的確定，給水排水，第5期，41-42，1992

A METHOD FOR EFFECTIVE AND ECONOMICAL OPERATION OF WATER TREATMENT SYSTEM

CUI Fuyi SHI Mingyan ZHAO Tianhui

　　Abstract：The optimal operation for a drinking water treatment system is important both for the quality and for the cost. A strategy of effective and economical operation for the system and the concept of optimal turbidity for settled water are developed, the optimal turbidity is variable with the variation of the raw water quality and the condition of the system. According to this strategy, a method of operation by varying the turbidity of settled water is proposed. The basic relationship and limitation for this operation method is discussed.
　　Key words：water treatment economy operation

國家自然科學基金資助項目（59778023）