田一梅，周 穎
（天津大學 環境科學與工程學院， 天津 300072 ）

　　摘　要：以水處理系統經濟運行為目標，以濾池為例通過兩個水處理流程運行優化的分析對比，論證了均質濾料濾池是比常規濾池更為優良的過濾處理工藝，并從一個側面說明設計優化在系統經濟運行中具有重要的基礎作用。?
　　關鍵詞：水處理；濾池；設計優化； 運行優化?
　　中圖分類號：TU991.24
　　文獻標識碼：C
　　文章編 號： 1000-4602(2002)07-0051-03

　　水處理系統的優化研究包括設計優化和運行優化。設計優化是運行優化的基礎，運行優化又為設計優化提供必要的信息、依據及檢驗，二者相輔相成，互為依托。現以濾池為例，研究不同濾池對于系統優化運行的影響。?

1 試驗模型

　　目前，我國水廠中常用的濾池有兩類：一類采用常規的單層或雙層濾料，高速水流反沖洗；另一類采用均質濾料，氣水反沖洗。由于缺少兩類濾池生產運行中可類比的、系統性的數據資料，故制作了均質濾料、雙層濾料兩個濾池模型。為使兩種濾池的運行過程及各種技 術經濟參數具有可比性，其前均采用水泵混合、孔室絮凝和斜管沉淀，并由此形成兩個處理流程。?

2 過濾過程的數學模擬

　　試驗采用回歸正交設計方法［1］對過濾過程進行數學模擬。
2.1 回歸正交設計
2.1.1 確定影響因素
　　通過對過濾系統運行狀況的分析研究，確定濾前濁度C、濾速V及過濾周期T為影響過濾的基本相關因素。它們之間相互協調的內在動態關系可通過建立下述過濾周期數學 模型予以確定。?
?　　　　T=α／Vβ·Cγ　　　　　　　　(1)
　　 式中 α、β、γ——待定參數，通過回歸正交試驗確定
2.1.2 　因素水平、編碼與試驗方案 ?
　　為確定上述模型中的待定參數，將模型中各因素之間的非線性關系進行線性變換，即對式(1)兩邊取對數，得：?
　　　　　lnT=lnα-βlnV-γlnC　　　　(2)?
　　令?y=lnT，b0=lnα，b1=-β，b2=-γ，則式(2) 變為：
?　　　　y=b0+b1lnV+b2lnC?　　　　(3)
　　其中?b₀、b₁、b₂?為回歸方程中的待定參數，采用一次回歸正交設計確定。?
　　為使回歸系數的計算簡單規范，對各因素水平進行了編碼。首先根據設計手冊和運行經驗確定均質濾料濾池、雙層濾料濾池濾速的取值范圍分別為7～11m/h和9～13m/h，濾前濁度的變化范圍為5～15NTU，再通過下列兩式確定濾速V、濾前濁度C分別與規范變量x１、x2的編碼關系。?
　　　　?x₁=［2(lnV-lnV_max)／lnV_max-lnV_min)］+1　
?　　　　x₂=[2(lnC-lnCmax)／lnC_max-lnC_min］＋1　　　　　　　　　　(4)?
　　當各因素分別取最大值、算術平均值、最小值時，規范變量xi的取值分別為1(上水平)、0(基準水平)、-1(下水平)，因素水平編碼見表1。經上述變換后，式(3)中y對lnＶ、lnC的回歸問題就轉化為y對x1、x2的回歸問題，回歸系數的計算變得簡單方便。

表1 因素水平編碼表 因 素 濾 池 編碼記號 基準水平(0) 變化間距 上水平(+1) 下水平(-1) V(m/h) 均質濾料濾池雙層濾料濾池 Ｘ₁ 9
11 2
2 11
13 7
9 Ｃ(NTU) 均質濾料濾池雙層濾料濾池 Ｘ₂ 10 5 15 5

　　表2為試驗計劃，其中最后兩次試驗是為檢驗回歸方程的擬合精度而做的重復試驗。為了減少試驗次數，保持試驗的正交性，重復試驗選擇在基準水平上進行。

表2 試驗計劃 試驗號 均質濾料濾池 雙層濾料濾池 X1(V)　 Ｘ2(C) 1(V)　　　　 Ｘ2(C) 1 -1(7) -1(5) -1(9) -1(5) 2 -1(7) +1(15) -1(9) +1(15) 3 +1(11) -1(5) +1(13) -1(5) 4 +1(11) +1(15) +1(13) +1(15) 5 0(9) 0(10) 0(11) 0(10) 6 0(9) 0(10) 0(11) 0(10)

2.2 建立過濾回歸方程
　　按試驗計劃進行試驗，根據試驗結果并考慮到重復試驗的因素，按照最小二乘法原理列表計算各回歸系數，得到回歸方程。?
均質濾料濾池：
?　　　　　y_均=2.8355-0.08x₁-0.14x₂?　　　(5)
　　雙層濾料濾池：
　　　　　?y_雙=2.9535-0.133x₁-0.1845x₂?　(6)
　　將編碼公式(4)分別代入式(5)、(6)，由于濾前濁度很難控制在試驗計劃的各相應水平上，Cmax和Cmin取原水相應數據的平均值并代回原方程(1)，最終得過濾周期Ｔ與濾速Ｖ、濾前濁度Ｃ的定量關系方程：
　　　　　　T_均=66.175/(V^0.354·C^0.270)?　　　　　　　　(7) ?
?　　　　　T雙=178.484/(V0.723·C0.356) (8)

3 試驗系統優化運行

3.1 全系統優化運行數學模型
　　水處理系統運行優化以日運行費用最小為目標，以系統內部的工藝要求(水質、水量、濾池運行周期及濾層雜質穿透深度等)為約束條件，尋求經濟合理的運行狀態。關于全系統優化運行數學模型，筆者曾撰文作過詳細論述［2］，故本文僅給出一般式：
　　目標函數：?
　　　　　minF=∑f(Qij，Cij)?　　　　　　　　　　　(9)?
　　約束條件：?
?　　　　Hk(Q_ij，C_ij)=0，(k=1，2，…，n)
?　　　　Gk(Qij，Cij)≥0，(k=n+1，…，m)?　　　　(10)?
　　式中 Q_ij——i流程j構筑物的處理水量?
?　　　　_ij——i流程j構筑物的出水濁度?
　　將各流程初始運行條件即原水流量、濁度代入式(9)、(10)中，即可求出系統在各運行條件下的最佳運行參數。?
3.2 濾池優化運行技術經濟分析
3.2.1 出水水質 ?
　　試驗中均質濾料濾池的出水濁度均為0NTU，雙層濾料池的出水濁度分別為1.6、0.4、3.5、0.2、0.6、2.4NTU。可見，與常規濾池相比均質濾料濾池具有明顯的優勢，符合國家對供水企業高質、低耗的要求。
3.2.2 運行費用
　　在相同原水條件和運行條件(最大過濾水頭相同)下對兩流程進行了最優運行狀態的仿真計算，即以全系統最佳運行狀態為目標，根據上述建立的試驗系統模擬模型式(7)、(8)和優化模型式(9)、(10)，計算了兩個流程分別處于最佳運行狀況下的各種技術經濟參數，部分計算結果見表3。

表3 消耗及總運行費用比較 原水流量(L/h) 濁度(NTU) 濾速(m/h) 流 程 投藥量(mg/L) 節藥耗(%) 反洗耗水 量(L/d) 節水耗(%) 反洗水電耗(10³kW·h) 反洗氣電耗(10³kW·h) 反洗總電耗(10³kW·h) 增電耗(%) 總費用［元/(d·m³)］ 節省率(%) 80 50 9 均質濾料濾池雙層濾料濾池 6.82
9.89 31.04 55.7
68.5 18.74 2.29
3.32 2.23 4.52
3.32 36.14 0.0199
0.0258 22.87 100 50 11 均質濾料濾池雙層濾料濾池 6.07
8.56 29.09 61.4
79.5 22.76 2.53
3.86 2.46 4.99
3.86 29.29 0.0175
0.0233 24.89 120 70 13 均質濾料濾池雙層濾料濾池 6.24
9.28 32.76 80.1
99.3 19.34 3.30
4.82 3.2 6.50
4.82 34.85 0.0181
0.0246 26.42

　　由表3可知，不同濾池的系統運行費用也不同。均質濾料濾池比雙層濾料濾池可節省藥耗20%～32%，節省反沖洗水耗18%～22%。在反沖洗電耗中，雖然均質濾料濾池的反洗水電耗低，但由于增加了反洗氣電耗，使反洗總電耗提高29%～36%，又由于電費比藥費、水費所占比例少得多，故系統總的運行費用降低了22%～26%。?

4 結論 ?

　　① 系統采用工藝不同，最優運行效益也不同。采用均質濾料濾池有利于提高水質、減少消耗、降低制水成本。?
　　② 設計優化是系統經濟合理運行的基礎。但只有將設計優化與運行優化結合起來，才能確定系統最佳的結構與狀態，從而實現系統最佳的功能與效益。

參考文獻：

　　［1］朱偉勇，段曉東.最優設計在工業中的應用［M］.沈陽：遼寧科學技術出版社，1993.
　　［2］田一梅，單金林，陳浙良，等.水處理系統優化運行［J］.中國給水排水，1999，15(5)：5-9.

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　　電　話：(022)27400830?
　　收稿日期：2002-03-07