給水處理工藝的系統(tǒng)集成與優(yōu)化

隨著水源水質(zhì)污染的不斷加劇和供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的進一步提高，對供水工藝的要求也逐漸提高。因此，在滿足出水水質(zhì)約束的條件下，水處理工藝的集成優(yōu)化成為該領(lǐng)域研究的重要課題。水源水質(zhì)的變化對給水處理工藝的選擇提出了客觀要求。本文以北方地區(qū)典型代表城市——天津市的地表水源為主要研究對象，對其給水處理工藝及技術(shù)開展了較為系統(tǒng)的研究。主要研究成果和結(jié)論如下：采用Kmeans聚類分析方法對天津市灤河水源和黃河水源水質(zhì)進行水質(zhì)分期，把灤河水源劃分為3個水質(zhì)期（低溫低濁期、常溫常濁期、高溫高藻期），黃河水源共劃分為2個水質(zhì)期（低污染期和高污染期）；并給出了各個水質(zhì)期的日期界線、水質(zhì)界線，以及主要的區(qū)分指標(biāo)，為水廠處理工藝的優(yōu)化調(diào)度提供依據(jù)。通過燒杯攪拌試驗，確定了適合天津高藻水源的混凝沉淀單元更優(yōu)運行控制參數(shù)：混合轉(zhuǎn)速n=200轉(zhuǎn)／min或Gt=11280～12000；一級反應(yīng)轉(zhuǎn)速n1=80轉(zhuǎn)／min；二級反應(yīng)轉(zhuǎn)速n2=40轉(zhuǎn)／min；投藥量m=8mg／L，沉淀時間t=20min?？紤]經(jīng)濟因素，因子重要性排序為：m＞G2＞G＞t＞G1。濾池級配優(yōu)化的中試試驗結(jié)果表明：煤砂雙層濾池2中下部濾層的截污能力較大，水頭增長速度較慢（3.5cm／h）；考慮出水水質(zhì)和產(chǎn)水能力，煤砂雙層濾池2為適合天津水源的較優(yōu)級配。針對斜管沉淀池的布水不均勻性問題，提出了不均勻系數(shù)（k）的概念，并分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對k的影響情況：當(dāng)L／B大于4時，k急劇增加，且布水區(qū)的高度不宜小于1.3m?？紤]水流對下滑絮團的影響，定性和定量分析了布水不均勻性對臨界沉速u0的影響：隨著L／B的增加，u0逐漸增大，當(dāng)L／B大于6時（q=10m／h），下滑絮團所受的合力(F合)下降為0；適宜的布水區(qū)高度h1為1.2～1.6m。考慮絮體沉降，斜管管徑越大，沉淀池平均臨界沉速也越大，對絮凝效果的要求也就越高；從絮團下滑的角度考慮，不同表面負荷下存在斜管管徑的*小要求：當(dāng)q=15m／h時，min（d）=18mm；當(dāng)q=30m／h時，min（d）=65mm。同時，一定管徑下也對應(yīng)有更大的表面負荷，當(dāng)管徑d=35mm時，更大表面負荷不能超過27m／h。針對劃分的4個水質(zhì)期（試驗期間無灤河低溫期），建立了各水質(zhì)期內(nèi)給水處理工藝的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）模型，預(yù)測常規(guī)工藝和深度處理系統(tǒng)的處理效率和出水水質(zhì)。常規(guī)工藝ANN模型的濁度相關(guān)系數(shù)均大于0.85，CODMn的相關(guān)系數(shù)均大于0.89；黃河高污染期需要增加深度處理單元來提高出水水質(zhì)，且CODMn的相關(guān)系數(shù)基本大于0.80。ANN模型預(yù)測的相關(guān)系數(shù)均遠大于臨界相關(guān)系數(shù)(R0.01)，說明了該模型的模擬性和預(yù)測穩(wěn)定性。在原水水質(zhì)變化的情況下根據(jù)所建立的ANN模型，利用遺傳算法高效搜索功能確定了預(yù)設(shè)目標(biāo)下（制水成本更低）的較優(yōu)運行控制參數(shù)。結(jié)果表明，對于灤河高藻水源，優(yōu)化參數(shù)結(jié)構(gòu)下強化常規(guī)工藝出水CODMn≤3.0mg／L，出水濁度較非優(yōu)化運行條件降低0.10～0.16NTU，制水成本降低0.017～0.049元／m3；混凝劑HPAC（High-efficiency Poly-Aluminium Chloride）效果好于FeCl3，較優(yōu)預(yù)氧化劑為PPC（高錳酸鹽復(fù)合藥劑）、KMnO4或O3。對于有機物較高的黃河高污染期，選擇工藝為“混凝-氣浮-過濾-O3-BAC”，且FeCl3效果略好于HPAC，PPC預(yù)氧化措施較為經(jīng)濟。利用所建立的層次分析模型，從經(jīng)濟、管理因素和技術(shù)指標(biāo)等多方面，確定了適合天津水源條件的較優(yōu)組合工藝，為水處理系統(tǒng)的調(diào)度提供依據(jù)。對于天津灤河水源和黃河水源的低污染期，較優(yōu)的常規(guī)或強化常規(guī)工藝排序為：“混凝（HPAC）-絮凝-氣浮-過濾”＞“PPC預(yù)氧化-混凝（HPAC）-絮凝-氣浮-過濾”＞“PAC預(yù)處理-混凝（FeCl3）-絮凝-氣浮-過濾”。在黃河高污染期或原水水質(zhì)進一步惡化時，較優(yōu)的深度處理工藝排序為：“混凝（FeCl3）-絮凝-氣浮-過濾-GAC”＞“PPC預(yù)氧化-混凝（FeCl3）-絮凝-氣浮-過濾-GAC”＞“混凝（FeCl3）-絮凝-氣浮-過濾-O3-BAC”。從進一步提高飲用水安全性考慮，需要增加深度處理單元，且較優(yōu)的處理工藝為“混凝-絮凝-氣浮-過濾-O3-BAC”。目前，該研究的優(yōu)選工藝：“預(yù)處理-混合絮凝-氣浮-過濾（-消毒）”已經(jīng)在示范工程中投入運行，其部分運行控制參數(shù)和結(jié)構(gòu)變量為本研究成果。