1、水处理系统优化运行摘要：研究、建立了水处理系统优化运行的数学模型，提出了最优沉淀出水浊度的概念和各流程间流量最优分配的观点，探讨了系统局部最优和整体最优的关系。此外，还研制了优化运行软件包，并成功地运用于小型试验系统。结果表明，优化运行能节省 10%30%的运行费用，对水处理系统运行与优化设计都具有指导作用。 关键词：水处理系统 优化运行 数学模型 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
2、，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
3、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/dmi-第 i 流程的混凝剂投加量，mg/Ln-处理工艺流程数eni-第 i 流程沉淀池单位排泥耗电量，kWh/m3pi-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，m3Tni-第 i 流程沉淀池排泥周期，hNi-第 i 滤站滤池个数Ti-第 i 滤站滤池过滤周期，hewi-第 i 滤站反冲洗单位用水耗电量，kWh/m3egi-第 i 滤站反冲洗单位用气
4、耗电量，kWh/m3QCi-第 i 流程的混凝沉淀进水流量，m3/dqwi、qgi-第 i 滤站单个滤池一次反冲洗用水量、用气量，m3k1、k2、k3、k4-药价(元/t)、电价(元/kWh)、排泥耗水价(元/m3)、反洗水价(元/m3)1.2 约束条件淀池：C1minC1iC1max滤池：C2iC2max(2)式中 C1i、C2i-第 i 流程沉淀池、滤池出水浊度，NTUC1min-经沉淀池处理后能达到的最小出水浊度，NTUC1max-允许的沉淀池最大出水浊度，NTUC2max-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
5、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，NTUCi第 i 流程沉淀池与滤池之间的水质波动，NTU1.3 各种构筑物处理规模的要求沉淀池：QCiminQCiQCimax滤池：QLiminQLiQLimax(4)式中 QCi、QLi-第 i 流程混凝沉淀及滤站处理的水量，m3/dQCimax、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：viminvivimax(5)式中 vi、vimax、vimin-第 i 系统
6、滤池滤速及其上下限，m/h1.4 处理流程流量平衡要求式中 Q-原水总流量，m3/dQS-分质供水时，经沉淀净化后送用户使用的水量，m3/dQCi-第 i 流程沉淀池排泥耗水量，m3/d1.5 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。TiminTiL,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，h1.6 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：LiminLiLimax(8)式中 Li、Limax、Limin-
7、第 i 系统滤池杂质穿透深度及上下限，cm2 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=min10-6k1mQ+24(k2en+k3p),W/Tn+24(k4+k2ew1)qw1+k2egqg/T1,24(k4+k2ew2)qw2/T2 (9)约束条件：2.8C1150C220.520L1606v1128v214
8、T1=minT1H,T1max T2=minT2H,T2L,T2maxTimax=48 (i=1,2)Q=Q1+Q2+2410-3W/Tn (10)式中2 m=28.2C00.973C1-0.549Q-0.885Tn=6.24109m1.231Q(0.325C0+21.25-0.6C1+4.1m)-1.678T1H=(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=8.697C10.5068
9、v10.0649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T2T2LT2H 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
10、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。选取 4 组试验数据进行优化运行计算，结果见表 1。表 1 多流程优化运行与常规运行结果对比原水流量 Q（L/h)原水浊度 C0（NTU）运行方式滤前浊度 C1（NTU）投药量 m（mg/L）滤速（m/h）过滤周期（h）穿透深度（cm）滤后浊度 C22（NTU）排泥周期 Tn（h）排泥体积 W（L）单位费用元/(d.m3)节省率（%）12T1T2T2HT2LL1L210060优化常规8.06.78.211812107.91014.6216.625.723.126.025.729.324.145.142.40.50.42481.651.860.01950.030636.312070优化常规7.54.58.4114.7121111.91314.920.718.221.218.218.328.429.645.842.40.50.418.681.861.860.02000.025120.328050优化常规8.514.78.115.359.9
