以概率分析方法確定北方地區某水廠的優化運行方案

徐勇鵬¹，崔福義¹，劉國平²
（1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江 哈爾濱，150090；2. 哈爾濱紹和供水有限公司，黑龍江 哈爾濱，150001）

摘 要：我國東北地區水質受氣候影響，處理難度較大，研究北方水廠的優化運行規律能夠保證水質與水量，并且降低運行費用。采用概率分析方法分析整理了東北地區S水廠的連續三年的生產運行數據，探討了水處理系統優化運行規律，并繪制出該水廠混凝工藝運行工況圖和最經濟沉后水濁度指示圖。根據兩圖可以確定使該水廠優化運行的沉后水生產控制目標值，進而確定經濟的混凝劑投加量。按相應的最經濟沉后水濁度優化水廠運行工況，體現了明顯的經濟效益。
關鍵詞：優化運行，運行費用，最經濟沉后水濁度，最佳沉后水濁度 設想

　　我國東北地區受氣候影響，水質條件隨季節變化很大。每年冬季有4～5個月的冰封期，原水在這一時期呈現低溫低濁特性；夏季汛期時，原水濁度較高。近些年松花江水受到了嚴重的污染，水中的有機物含量高。這種北方河流水體，水質條件隨季節變化很大，不同季節的水質具有不同的混凝和絮凝體分離特性，給凈水處理系統增加較大難度^[[xv]]。隨著飲用水水質標準的提高，該種水質的處理難度又有增加。為了使濾后出水達到要求，多數供水企業強化混凝工藝盡力將沉后水濁度控制在2NTU以下，有些水廠甚至要求低于1NTU。較低的沉后水濁度勢必導致混凝投入過大，由此可能導致給水處理系統的運行費用增加^[[xvi]]。
　　 由于保證水質與水量、降低運行成本始終是貫穿水廠運行的目標，因此在這種情況下，用優化的思想指導水廠運行是具有重要意義的^[[xvii]]。本文結合哈爾濱S水廠多年的生產數據，采用概率分析的方法，分析水處理系統優化運行規律，尋找最經濟沉后水濁度^[[xviii]]，并用以指導生產。

1 水廠概況和分析的基本方案

　　哈爾濱S水凈水能力為225000m³/d。工藝流程見圖1。S水廠以地表水為水源，水質運行目標要求出廠水濁度不高于1NTU，COD_Mn不超過3mg/L。
　　 收集S水廠在三年的生產運行數據2萬多組，并根據原水水質狀況，將濁度和水溫分別劃分成不同范圍，分成幾類水質，分析處理S水廠的生產記錄數據，探討S水廠生產工藝各單元環節的運行規律，并尋找適合S水廠處理系統優化優化運行的有效途徑。

圖1 S水廠工藝流程圖

　　圖2是水廠原水水質隨著季節的變化曲線。從圖中可以看出從每年的4月中旬到10月中旬水溫在6℃以上，濁度在20～300NTU之間，pH值在7左右，COD_Mn為5～10mg/L，平均為8mg/L，將此期間水質稱為常溫水質。從每年的10月下旬到第二年4月上旬松花江處于冰封期，水溫在0～5℃，濁度在5～30NTU，原水的平均COD_Mn為5mg/L，是典型的低溫低濁水質。

圖2 1997年原水水質

　　從圖中發現，原水水質的諸多參數中，原水溫度和濁度的變化范圍較大，許多文獻中也提到過，這兩個參數對給水處理各工藝的處理效率有較大影響^[[xix],[xx]]，為了方便研究雜亂的生產數據，將溫度和濁度各分成幾個階段。溫度分成（0～5）、（5～13）、（13～21）、（21～28）4個階段，分別用字母A、B、C、D表示；濁度分成（0～10）、（10～50）、（50～100）、（100以上）4個階段，分別用數字1、2、3、4表示。交叉組合，一共分成16組情況，三年內每組原水水質出現的頻率列在表1中。在16種情況中出現過12種，其中出現概率最大的是A1和A2組，三年內總共出現的概率超過37%。取出現概率大于2.0%的情況作為分析研究內容，按照在表中的的位置，分別定義為A1、A2、B2、B3、B4、C2、C3、C4、D3、D4等10組，A系列表示低溫水質，B、C、D代表常溫水質。

不同水質出現的概率　　　　　 表1

2 單元優化運行分析

2.1 混凝工藝
　　S水廠投加混凝劑硫酸鋁（AS），并用助凝劑活化硅酸（Si）強化混凝。由于混凝劑和助凝劑的質量投加量的配合比例（以下簡稱配比）對混凝效果有影響，適當的配比有可能降低20%左右的混凝劑消耗，并降低沉后水濁度1/3～1/2^[[xxi]]，因此以下著重討論配比和沉后水濁度的關系。
　　 由于生產數據比較分散，平均結果可能掩蓋某些因素。而在實際生產中經常出現配比相同，沉后水濁度不同的現象。在分析隨機性較大的生產數據時，應考慮在相同配比下不同沉后水濁度出現的概率。將配比分成5段：（5～15）、（15～25）、（25～35）、（35～45）、（45～55）；把所有出現過的沉后水濁度分成7個區間：（0，1）、（1，1.5） 、（1.5，2）、（2，2.5） 、（2.5，3） 、（3，3.5）、（3.5，4），分別計算在相同配比下，沉后水濁度在各個區間內出現的概率，結果見圖3。

a （C3組）　　　　　　　　　　　　　　 b （A1與A2）

圖3 各種同配比下不同沉后水濁度出現的概率

　　圖3a是以C3為例的原水水質條件下，沉后水濁度在不同區間內出現概率的曲線。。從圖中可以看出，曲線的最大值和配比成反比，配比增加，峰值向數值軸方向移動，即混凝劑和助凝劑的配合比例在（5～15）內，沉后水濁度在（2.5～3）NTU的區間內出現的概率最大，當配比增加到（35～45）時，出現概率最大的沉后水濁度降低至（1.5～2.0）NTU，隨著配比值的增加，出現概率最大點的沉后水濁度繼續降低。同樣B、C、D系列等統計結果與圖4a相似。圖3b為低溫原水條件下的情況。同圖3a一樣，每條曲線都有一個最大值，該點對應著該投加配合比例下，出現概率最大的沉后水濁度。與圖3a不同的是：1）最高概率的沉后水濁度出現在（2.5～3.5）NTU內，而且隨著配比增加，最大值的位置在此區間內有向遠離數值軸方向移動的微弱趨勢，即隨著配比的變化，出現概率最大的濁度有升高的趨勢；2）對于常溫水質：B、C、D系列水質，混凝藥劑配比在25以上，低于2NTU的沉后水濁度出現概率較大；而對于低溫低濁水質，混凝藥劑配比在15～25之間，較低的沉后水濁度出現概率大。
　　同樣，可以得出其它各組水質的配比與沉后水濁度的出現概率之間相互關系的曲線，并將各組數據匯總在一起，同時計算各沉后水濁度區間混凝投加量與配比的平均值，結果見圖4和圖5。在圖4中分類軸（x）和數值軸（y）的網格線圍成的每一個網格代表一個工況，圖中的數據點所處的網格是生產上出現概率最大的工況區域。圖中曲線表明，為了降低沉后水濁度，宜采用高配比（25～45）進行混凝，也可以根據圖4中的指示，依據沉后水濁度目標值，確定獲得該沉后水濁度可能性最大的混凝劑和助凝劑投加量的配比值，然后根據圖5中（以C3水質為例）混凝劑投加量指示圖，確定該配比下的能夠獲得沉后水濁度目標值可能性最大的混凝劑投加量。例如，沉淀出水目標值為2NTU，在每年的6月份水溫一般為15～20℃，濁度一般為60～100NTU，是C3類原水水質，根據圖4中的C3曲線可以確定沉后水濁度2NTU時對應的配比應為25～35。并結合圖5中2NTU的曲線確定混凝劑量為40～45mg/L，也可知助凝劑量為1.4～1.5mg/L。

圖4 配比和出現概率最高的沉后水濁度情況圖

圖5 混凝劑投加量指示圖（C3）

2.2沉淀和過濾工藝
　　綜合可變費用中包含沉淀池排泥費用和反沖洗水費用^[2]，需要合理確定排泥周期和濾池周期。
　　文獻^[[xxii]]提到沉淀池排泥水費在給水處理系統綜合可變費用中所占的比例較小，可以采用簡單的時間模式控制沉淀池排泥周期和排泥歷時。通過在不同水質期間進行排泥試驗，結果表明，即低溫低濁水質期間，將排泥周期定為3h，排泥歷時定為1.5min，其它情況下，將排泥周期定為2h，排泥歷時定為2min，即能保證沉淀出水水質，又比較經濟節水。
　　由于取自松花江的原水水質隨季節性的變化較大，濾池的運行周期不能固定不變，需要根據不同水質條件確定與其相應的周期。圖6是三年內10組不同原水水質條件下，每個沉后水濁度區間內濾池周期平均值的統計結果。

圖6 過濾周期和沉后水濁度的關系

　　從圖中可知，過濾周期隨著沉后水濁度的升高而降低；每種水質的每個沉后水區間內對應著不同的過濾周期，選取該值作為下一步計算經濟費用的參考值。反沖洗時間根據水廠數據，低溫低濁期間和其它的水質期間處理工藝的運行參數不同，因此需要分別考慮。根據兩種情況下水廠生產記錄，水廠反沖洗排水濁度低于10NTU作為目標值，確定常溫水質期間反沖洗參數為，單獨氣洗2min，氣水混合洗4 min，水洗4 min；低溫低濁期間的沖洗時間為氣沖2min，氣水混合沖4min和水沖5min。

3 系統優化運行分析

3.1 綜合可變費用和最經濟沉后水濁度
　　那么，如何確定沉后水濁度的生產控制目標值呢？下面將結合給水處理系統運行過程中的可變運行費用，討論使綜合可變運行費用最低的最經濟沉后水濁度的變化確定方法。
　　綜合可變費用是混凝劑費用、助凝劑費用、排泥水費用和反沖洗水費用的綜合，S水廠的混凝劑是硫酸鋁，單價為630元/噸，助凝劑活化硅酸的單價為290元/噸，排泥水單價＝水資源費（0.3元/m³）+藥劑單耗，反沖洗水費的單價為1.5元/m³。根據原水分類方法，將10組水質的各項可變費用計算并繪圖（如圖7，以C3水質為例），發現：在綜合可變費用中，混凝劑的費用所占的比例最大；助凝劑的費用和反沖洗水費相當，各占10%左右；排泥水費用比例最小，只有4%左右。因此，降低運行費用的關鍵是降低混凝劑費用，排泥水費所占的比重最小，可以采用簡單的方式確定排泥周期和排泥歷時^[8]。

圖7 可變費用與沉后水濁度的關系曲線（C3）

　　曲線上使綜合可變費用最小的沉后水濁度稱為最經濟沉后水濁度，10組水質的最經濟沉后水濁度列于表，統計結果列于表2中。由于水溫是影響混凝沉淀效果的重要因素，對比表2中相同水溫下不同原水濁度對應的最經濟沉后水濁度，發現1）在低溫條件下（A系列），隨著原水濁度升高，最經濟沉后水濁度降低，這是由于A1水質是較難處理的水質；2）B和C系列水質隨著原水濁度的升高最經濟沉后水濁度也升高，其原因是，原水濁度高的藥劑量大，因此最經濟沉后水濁度升高；3）D系列水質經常出現在夏季洪水期，運行工況很不穩定，應該視具體情況而定，因此，表中的數據不能說明其規律。
　　 經過上述分析，可知，在實際生產中，可以確定最經濟沉后水濁度為沉后水濁度目標值，并通過圖4和5就可以制定混凝劑和助凝劑的投加量。

3.2 有機物指標對最經濟沉后水濁度的約束
　　最經濟沉后水濁度可以使現行水處理系統的可變費用最低，但從圖2看，生活污水和工業廢水的大量排放使水源的污染非常嚴重，COD_Mn平均在8mg/L左右，最高可至14mg/L，對給水處理系統的優化運行條件產生影響，不僅要使濾后水濁度低于1NTU，而且有機物指標耗氧量也要低于3mg/L。嚴重污染在一定程度上會導致濾后水濁度（取過濾周期內的平均值）的增加和隨之帶來的有機物泄漏^[[xxiii]] ，因此，給水處理系統優化運行受有機物約束，滿足約束條件的沉后水濁度為最佳沉后水濁度。圖8是10中水質條件下的濾后水COD_Mn和沉后水濁度的關系圖。為了保證濾后水COD_Mn低于3mg/L，要求沉后水濁度不超過一個限值，將有機物約束條件計算結果列于表2中。從結果中發現，最經濟沉后水濁度皆小于有機物指標約束的限值，上述最佳沉后水濁度在數值上等于最經濟沉后水濁度。

圖8 平均濾后水CODMn和沉后水濁度的關系

3.3 沉后水濁度的生產控制目標
　　前面的分析結果表明，在不同原水水質期間，使運行費用最低的最經濟沉后水濁度不同。將表2中的最經濟沉后水濁度繪制圖9中，在生產實踐中可以根據圖中的指示確定沉后水濁度生產控制目標。
　　圖9a中的曲面是S水廠的最經濟沉后水濁度指示圖，圖9b是滿足有機物約束條件的沉后水濁度范圍。從兩圖中可知圖9b中的濁度值均較圖9a中的濁度值偏高，圖9a中的最經濟沉后水濁度在數值上等于滿足有機物約束的最佳沉后水濁度。

最經濟（最佳）沉后水濁度　　　　　　　　　　　　 表2

　　同時，從兩圖中可知，隨著原水水溫和濁度的變化，最經濟沉后水的變化曲面是一個中間低、四周高的下凹形的曲面，當原水濁度和溫度較低或者較高時所對應的最經濟沉后水濁度處于曲面的高處，此范圍的原水水質的混凝效果一般，最經濟的沉后水濁度較高。當原水溫度較高和濁度適中的情況下，最經濟沉后水濁度處在曲面的低凹處，此時的原水條件混凝的效果較好，最經濟沉后水濁度相對偏低。對于地處北方地區的S水廠，原水水質變化較大，不同時期的沉后水濁度目標值不同，為使水處理系統運行最接近優化狀態，可以參考圖9指示，制定生產運行中的沉后水濁度目標值。然后根據圖4和圖5中的指示，確定混凝劑和助凝劑的投加量。

　　圖9是在前面介紹的原水分類的基礎上，將有機物指標作為約束條件最終獲得的，給水處理系統優化運行還受到比較多的條件約束，可以參考有機物約束的討論方法確定最經濟沉后水濁度。
　　以上原水的分類方法比較適合北方地區季節變化較大的河流水體，如果對于湖泊水體或者南方地區溫度變化不明顯的水體，則需要在原水分類方法上找到影響因素較大的水質參數進行分類，繪制出最經濟沉后水濁度圖。
　　在對三年的生產運行數據的分析之后，在S水廠調整運行條件以最經濟沉后水濁度運行1年。圖11是2000年優化運行結果與前三年平均運行結果的對比圖。從圖中可知，除在6、7、8、9和12月份，2000年的綜合可變費用稍高一些，在一年的大部分時間都較前三年的平均水平每月每噸水大約可以節省0.01元；一年可以較前三年節省約5%的綜合可變費用。

圖10 經濟比較

4 結論

　　1.用概率分析方法討論了混凝劑和助凝劑投加量配合比例和沉后水濁度的對應關系，得出常溫水質混凝工藝的優化運行工況圖，可以依據沉后水濁度目標值確定混凝劑和助凝劑的投加量，以及低溫低濁水質混凝工藝優化運行的混凝劑和助凝劑的投加量確定方法。
　　2.水廠的綜合可變費用60%以上是混凝劑費用，沉淀池排泥費用最少，只占4%左右，控制混凝是優化運行的關鍵。在不同水質條件下，綜合可變費用隨著沉后水濁度變化的趨勢不同，根據二者相互關系分別歸納出使綜合可變費用最低的最經濟沉后水濁度的范圍。
　　3.符合有機物約束的最佳沉后水濁度在數值上等于是最經濟沉后水濁度。根據不同的原水水質分組，按相應的最經濟沉后水濁度優化水廠運行工況，體現了明顯的經濟效益。

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