1、文檔來源為：從網絡收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持水處理系統優化運行摘要：研究、建立了水處理系統優化運行的數學模型,提出了最優沉淀出水濁度的概念和各流程間流量最優分配的觀點，探討了系統局部最優和整體最優的關系。此外，還研制了優化運行軟件包，并成功地運用于小型試驗系統。結果表明，優化運行能節省10%30%的運行費用，對水處理系統運行與優化設計都具有指導作用。關鍵詞：水處理系統優化運行數學模型水處理系統優化運行的目的在于：通過提高水廠的技術管理水平，合理使用水廠現有處理設施，提高供水水質，降低供水成本，使系統在不斷變化的運行工況中，經常處于良好的運行狀態1。水處理系統優化運行主要包括兩部

2、分內容：系統狀態模擬仿真與系統運行優化。前一部分，筆者已撰文作了較詳細的論述2,本文將主要討論系統運行優化的問題。1優化運行數學模型一般大型水廠采用分期建設，每期建設由于考慮到場地條件、當時的工藝技術以及原水水質、處理效率、投資與經營費用等因素而選擇了不同凈水工藝及處理設備；而在一些老廠的擴建、改造中，又不斷采用新工藝、新技術以增加產量，提高質量，因此形成了水廠處理系統多流程、多工藝、多池型的特點。由于不同流程、不同凈水工藝、不同處理構筑物型式的處理能力、處理效率及運行費用不同，而且各種構筑物的運行參數又都互相聯系、互相制約，因此就存在著整個處理系統在一定的運行條件下，各流程在處理能力上的相互

3、協調、各處理構筑物在處理效率上的相互協調，從而達到整個系統的處理費用最小、能源消耗最低，即系統處于經濟運行狀態。1.1 目標函數水處理系統日常運行費用主要包括：藥費、沉淀池（包括澄清池，下同）排泥費和濾池反沖洗費，一泵站的提升費用暫不計算在內。式中F-運行費用，元/dmi-第i流程的混凝劑投加量，mg/Ln-處理工藝流程數eni-第i流程沉淀池單位排泥耗電量，kW-h/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濾站濾池個數Ti-第i濾站濾池過濾周期，hewi-第i濾站反沖洗單位用水耗電量，kWh/m3egi-第i濾站反沖洗

4、單位用氣耗電量，kW-h/m3QCi-第i流程的混凝沉淀進水流量，m3/dqwi、qgi-第i濾站單個濾池一次反沖洗用水量、用氣量，m3k1、k2、k3、k4-藥價（元/t）、電價（元/kWh）>排泥耗水價（元/m3）、反洗水價（元/m3）1.2 約束條件淀池：C1min<Cliwcimax濾池：C2iwC2max（2）式中C1i、C2i-第i流程沉淀池、濾池出水濁度，NTUC1min-經沉淀池處理后能達到的最小出水濁度，NTUC1max-允許的沉淀池最大出水濁度，NTUC2max-要求的濾后出水濁度的上限，該值要小于或等于水質標準的合格濁度，NTU此外，由于水廠各流程之間相互連通

5、，而且優化運行要求合理調配各流程的水量負荷，各流程的沉淀出水濁度與濾池進水濁度也不一定相同，故有下述約束：C1i，=C1i+ACi（3）式中C1i第i流程濾池進水濁度，NTUCi第i流程沉淀池與濾池之間的水質波動，NTU1.3 各種構筑物處理規模的要求沉淀池：QCiminwQCHQCimax濾池：QLiminwQLiwQLimax(4)式中QCi、QLi-第i流程混凝沉淀及濾站處理的水量，m3/dQCimax、QCimin、QLimax、QLimin-相應構筑物處理規模的上下限，m3/d可將過濾水量約束轉化為濾速約束，即：vimin<vi<vimax(5)式中vi、vimax、vi

6、min-第i系統濾池濾速及其上下限，m/h1.4 處理流程流量平衡要求式中Q-原水總流量，m3/dQS-分質供水時，經沉淀凈化后送用戶使用的水量，m3/dAQC-第i流程沉淀池排泥耗水量，m3/d1.5 濾池運行周期的要求確定濾池運行周期，要考慮到水頭損失和出水濁度以及最大過濾時間的要求。Ti=minTiL,TiH,Timax(7)式中TiL、TiH、Timax-第i系統濾池的雜質穿透周期、水頭損失周期以及允許的最大過濾周期，h1.6 雜質穿透深度的要求為使雜質在濾層中合理分布，既充分利用濾層的截污能力，又不允許雜質穿透，有下述約束：Limin<Li<Limax(8)式中Li、Li

7、max、Limin-第i系統濾池雜質穿透深度及上下限，cm2小型試驗系統優化運行考核為研究水處理系統優化運行而制作了小型試驗系統，主要流程見圖1,并根據數理統計3文檔來源為 :從網絡收集整理.word 版本可編輯.歡迎下載支持原理，通過對試驗系統大量實際運行數據回歸分析，建立了各單元處理過程的數學模型，詳見參考文獻2。2.1 目標函數及結束條件由于試驗系統采用了兩種濾池，形成了系統的多流程模式，則系統優化運行數學模型式(1)即為：目標函數：F=min10-6k1mQ+24(k2en+k3p),W/Tn+24(k4+k2ew1)qw1+k2egqg/T1,24(k4+k2ew2)qw2/T2(9

8、)約束條件：2.8 WC1W150WC22c0.520WL1W606<v1<128Wv2W14T1=minT1H,T1maxT2=minT2H,T2L,T2maxTimax=48(i=1,2)Q=Q1+Q2+2410-3W/Tn(10)式中2m=28.2CO0.973C1-0.549Q-0.885Tn=6.24109m1.231Q(0.325C0+21.25-0.6C1+4.1m)-1.678T1H=(2.4054-0.0209v1)/(T2H=(2.0729-0.0251v2)/(T2L=(目標函數中，均質濾料濾池由T1H決定其運行周期，而對雙層濾料濾池，取T2H和T2L中較小者

9、作為濾池的運行周期。顯然只有當T2=T2L=T2H時，濾池才處于最佳工作狀態，既完全利用了濾池的水力能力，又充分發揮了濾層的截污能力，同時說明當整個凈水處理系統處于最佳工況時，恰好濾池也處于最佳運行狀態。約束條件中，C22為雙層濾料濾池在濾層深度46cm處的出水濁度；由C1、v1可計算均質濾料雜質穿透深度L1，該處出水濁度為1NTU，因此對穿透深度的約束已包含了對濾后水質的要求。2.9 模型解法上述模型中，變量C1、C22及v1或v2均為連續變量，模型為有約束非線性規劃問題，可用多種方法求解。本項目采用一種求解非線性規劃的組合型算法，此算法功能較強，求解較快，根據此算法編制了優化運行軟件。此外

10、，模型中一些經濟參數如藥價、電價、反洗水單價、排泥耗電量、反沖洗耗電量等均根據天津某水廠、南京某水廠有關技術經濟數據計算得到。選取4組試驗數據進行優化運行計算，結果見表1。表1多流程優化運行與常規運行結果對比原水流量Q(L/h)原水濁度C0(NTU)運行方式濾前濁度C1(NTU)投藥量m(mg/L)濾速(m/h)過濾周期(h)穿透深度(cm)濾后濁度C22(NTU)排泥周期Tn(h)排泥體積W(L)單位費用元/(d.m3)節省率()U1U2T1T2T2HT2LL1L210060優化常規8.01812107.91014.6216.625.724.145.142.40.50.42481.650.0

11、30636.312070優化常規7.514.7121111.91314.920.718.229.645.842.40.50.418.681.868050優化常規8.55.359.976.0915.818.43237.544.853.10.53.52481.2310050優化常規7.87.61297.97.914.714.326.13444.943.50.50.62481.192.10 單流程優化運行為了對比不同工藝流程的處理能力、耗水、耗能及各項費用，將本試驗系統分為兩個單流程運行，即混凝沉淀加均質濾料濾池為流程1；混凝沉淀加雙層濾料濾池為流程2，并根據式(8)分別建立兩個單流程優化模型(模型

12、略)。由于單流程沒有各流程間的流量協調問題，同時根據濾速與濾前濁度的制約關系，應使盡量多的濾池投入運行，以降低濾速，這樣有利于提高水質或降低混凝劑投量，因而濾速不再作為調控變量，故單流程運行優化問題求解比較容易。本文仍采用組合型算法求解，對流程1、流程2分別選取4組試驗原始數據進行優化運行計算（結果略）。3優化運行結果分析及討論3.1 沉淀池最優出水濁度的動態特性 當原水流量、濁度一定時，沉淀出水濁度C1的大小直接關系到水處理費用的高低。運行時如果允許C1較高，則混凝沉淀的費用可相應降低，但卻增加了濾池的運行費用；反之如果要求C1較低，則提高了混凝沉淀的處理費用，而降低了濾池的運行費用。因此，

13、必然存在著一個使總運行費用最小的沉淀出水濁度，即系統優化運行意義下的最優沉淀出水濁度C*，見圖2。 原水流量、濁度變化時，C*也隨之變化，其變化幅度與原水有關參數變化幅度有關。表2為流程2的C*與原水濁度C0或原水流量Q之間的變化關系，即C*8（C0/Q）。此式表明，沉淀池出水濁度是聯系混凝沉淀與過濾的中間變量，它的大小既受到原水水質及混凝沉淀設備處理效率的影響，同時也受到濾池水量負荷的制約，需根據運行條件的變化合理確定。表2流程2中沉淀池最優出水濁度與原水濁度或原水流量的關系Q=100L/hC00C*C0=60NTUQ180C* 比較本試驗各流程最優運算結果可知，流程不同，各單元運行費用不同

14、，則最優沉淀出水濁度C*不同。如流程1，由于均質濾料濾池采用氣水反沖洗，節省大量的反洗用水，故費用比單獨水反洗要低得多，試驗中，均質濾料濾池反洗一次的費用是雙層濾料濾池的41.32%。故當處理相同規模、相同水質的原水時，由于氣水反洗費用低，則優化運行適當提高反洗費用、降低投藥費，使最優沉淀出水濁度得以提高，即圖2中的最優點C*向右偏移。 對某凈水廠來說，處理流程已定，則最優沉淀出水濁度C*就取決于水廠采用的藥劑品種、價格及當地的水價。若系統采用的藥費較高，而水價相對較低的話，則系統優化必然要減小投藥量，提高沉淀出水濁度，從而減小投藥費用；反之，在水資源短缺或長距離輸水的地方，水價較高，若藥費相

15、對較低，則系統優化必然是加大投藥量，降低沉淀出水濁度，以節省反洗費用。如本試驗系統采用的藥劑不變，而水價由原來的0.4元/m3漲到0.8元/m3或1.2元/m3,則C*由原來的8NTU相應降到6.0NTU或3.8NTU,且反洗耗水量也隨水價的提高而減少至原耗水量的90.1%和77.4%。3.2 合理分配水量負荷7文檔來源為：從網絡收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持在多流程處理系統中，除了調節濾前濁度外，還可通過合理分配各流程水量負荷，使系統處于最佳工況。從表1看出，在試驗系統中，兩濾池的流量分配都是優先分配均質濾料濾池，該濾池濾速均為滿足各種約束下的最大濾速，其原因就在于均質濾料濾池運

16、行費用低。如兩濾池沖洗一次的時間均按30min計算，系統總處理能力為80120L/h,據此計算兩濾池10d的處理水量，則均質濾料濾池的處理水量是雙層濾料濾池的99.7%194%。3.3 排泥周期的確定在總費用中，雖然沉淀池排泥費很小，只占總費用的1%以下，但系統優化運行的意義在于確保沉淀池出水質量，并減少排泥耗水量，從而減少水廠污泥系統的負荷，減少相應的處理費用。在優化運行計算中發現，當投藥量較少，沉淀出水濁度較高時，排泥周期較長，這是由于定量排泥的緣故。在實際生產中，沉淀池排泥周期過長，易造成污泥濃度過高，排泥阻力增大，排泥機械電耗增加，故在優化計算中，確定最大排泥周期為24ho這樣在泥量大

17、時，采用定量、不定時排泥；泥量小時，采用定時、按實際泥量排泥，既可保證系統正常運行，又可降低排泥耗水率。3.4 系統最優運行與濾池最優運行的關系筆者在參考文獻2討論了濾池最優運行條件，即TH=TL。由表1看出，系統處于最優運行時，雙層濾料濾池的TH*TL,由于優化運行對濾后水質要求較高(C22W0.5NTU),所以運行周期多由TL決定。當原水流量、濁度一定時，可以通過調整濾前濁度C1來調整TH、TL,見圖3。由圖3可知：當C1較低時，過濾周期由TH決定；而C1較高時，過濾周期由TL決定。當C1=7.6NTU時，TH=TL=26.7h,濾池處于最佳運行狀態，但總運行費用不是最小；而當C1=10.

18、8NTU時，TH=23.06h,TL=20.68h,過濾周期取20.68h,此時系統的總運行費用最小。即整體最優時局部不一定最優，而局部最優時整體不一定最優。在本優化運行計算中，通過調整各運行參數，使雙層濾料濾池的TH與TL比較接近，在系統處于最優運行的前提下，盡可能使濾池也處于良好的運行狀態。3 .5系統優化運行的經濟效益由表1看出，試驗系統優化運行與常規運行相比，當濾后水質相同時，節省運行費用19%36%,而第3組優化運行與常規運行費用相差不多，但優化運行濾后水質明顯好。根據天津某水廠1997年2月藥耗(不包括消毒劑)，排泥電耗及反洗水、電耗等實際運行資料，計算其費用為0.0299元/m3,如水廠日處理能力按50X104t、優化運行節省費用按10%20%計算，則年節省運行費用(54.6109.1)萬元。根據水廠一年實際運行數