崔福義 石明巖 李良才
（哈爾濱建筑大學(xué)） （賓縣自來水公司） 摘 要：本文通過在賓縣水廠的生產(chǎn)性試驗，對水處理系統(tǒng)運行工況與費用的基本關(guān)系進(jìn)行了研究，證實了最經(jīng)濟(jì)沉淀水濁度的存在；試驗表明雖然該濁度值同原水水質(zhì)條件相關(guān)，但變化幅度不大，在生產(chǎn)上實現(xiàn)高效經(jīng)濟(jì)運行是可能的。同時發(fā)現(xiàn)在該廠的具體條件下，混凝劑費是影響運行費用的主要因素，降低混凝劑消耗是降低運行費用的關(guān)鍵。
關(guān)鍵詞：水處理；運行；經(jīng)濟(jì) 研究給水處理系統(tǒng)的高效經(jīng)濟(jì)運行技術(shù)，是保證水廠高效、安全、經(jīng)濟(jì)供水的重要措施。為此，筆者在文獻(xiàn)[1、2]中，提出了給水處理系統(tǒng)高效經(jīng)濟(jì)運行的基本策略，并通過實驗室小試對一些相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了初步的研究，認(rèn)為以沉淀水濁度為基本參數(shù)控制水處理系統(tǒng)的運行條件，是實現(xiàn)高效經(jīng)濟(jì)運行的基本要素，同時高效運行還受包括水質(zhì)安全性在內(nèi)的若干限制條件的約束。在此基礎(chǔ)上，本文擬通過在賓縣水廠的生產(chǎn)性試驗，更進(jìn)一步研究高效經(jīng)濟(jì)運行的一些相關(guān)問題。 1. 水廠概況 賓縣水廠位于黑龍江省，以二龍山水庫水為水源，水質(zhì)（如濁度、水溫等）變化相對較緩，除暴雨季節(jié)出現(xiàn)的短暫高濁度外，原水濁度全年基本在10~150NTU范圍內(nèi)變化。
該廠水處理系統(tǒng)設(shè)計能力為2×104m3/d，實際供水量約為7×103m3/d。水處理工藝流程為：初級串聯(lián)旋轉(zhuǎn)混合池——網(wǎng)格反應(yīng)池——斜管沉淀池及小間距斜板沉淀池（兩池并聯(lián)）——普通快濾池?；炷齽榫酆箱X。該廠的水質(zhì)目標(biāo)是出廠水濁度不超過3NTU，常規(guī)運行方式為控制沉淀水濁度在7NTU左右。 2. 單元運行工況分析 為了考察該廠水處理系統(tǒng)的運行工況與費用的關(guān)系，自1996年起，在不同季節(jié)選擇各種水質(zhì)條件進(jìn)行生產(chǎn)性試驗。每組試驗中，原水水質(zhì)參數(shù)基本不變，以改變混凝劑投加量的方法改變沉淀水濁度，在保證出廠水濁度合格的前提下，以不同的沉淀水濁度為控制目標(biāo)運行，得到相應(yīng)的各項單元運行數(shù)據(jù)。4組典型試驗的原水主要水質(zhì)條件如表1（平均值）。 表1 試驗的原水水質(zhì)條件一覽表 試驗號 | 原水水質(zhì) | 濁度（NTU） | 水溫（℃） | pH值 | 1 | 71.8 | 7.8 | 7.93 | 2 | 72.0 | 0.8 | 8.15 | 3 | 17.7 | 11.5 | 8.61 | 4 | 98.8 | 11.4 | 8.09 |
2.1 沉淀水濁度與混凝劑投量的相關(guān)性
根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制沉淀水濁度與混凝劑投加量的相關(guān)曲線（圖1），發(fā)現(xiàn)在原水水質(zhì)一定時，投藥量與沉淀水濁度之間符合如下關(guān)系： m=ks-a （1） 式中 m—混凝劑投加量（mg/L）；
s—沉淀水濁度（NTU）；
k、a—與原水濁度、溫度和水處理流量等因素有關(guān)的系數(shù)。
例如對于第一組試驗，k為39.967，a為0.3211，回歸相關(guān)系數(shù)r=0.997。上述基本關(guān)系符合文獻(xiàn)[1]提出的變化規(guī)律，但對于系數(shù)值還應(yīng)進(jìn)行研究。 
2.2 沉淀水濁度與沉淀池單位排泥水量的關(guān)系
在文獻(xiàn)[1]中曾提出單位排泥水量q（%）（生產(chǎn)單位水量所消耗的排泥水量）同濁度差（原水濁度y-沉淀水濁度s）的關(guān)系式： q=k1(y-s)/C （2） 式中 C——排泥水濃度(kg/m3)；
k1——系數(shù)；
其余符號同前。
式（2）中的C值在生產(chǎn)上不易確定，而且可能受諸多因素影響而變化。本試驗結(jié)果表明（圖2），在該廠的水質(zhì)及運行條件下，沉淀池單位排泥水量與濁度差的關(guān)系可以用下式表達(dá)： q=0.0098e0.0716(y-s) ?。?） 相關(guān)系數(shù)r=0.988。 
2.3 沉淀水濁度與濾池反沖洗用水量的關(guān)系
該水廠的濾池平均濾速為6.2~6.3m/h，反沖洗強(qiáng)度為11.1~11.3L/s.m2。根據(jù)過濾工藝單元優(yōu)化的結(jié)果，確定最佳反沖洗歷時為5min。
對應(yīng)于不同的沉淀水濁度條件，測定相應(yīng)的過濾周期，如表2。試驗發(fā)現(xiàn)：沉淀水濁度不超過10NTU左右時，過濾周期由壓力周期決定；超過該濁度值后，過濾周期由水質(zhì)周期決定。即當(dāng)沉淀水濁度增加到一定程度時，濾層內(nèi)的截污量增加迅速，水質(zhì)周期短于壓力周期，成為決定過濾周期的控制因素。 表2 沉淀水濁度對過濾周期的影響   沉淀水濁度（NTU）
| 5.0 | 8.1 | 10.6 | 13.8 | 過濾周期（h） | 22.2 | 20.4 | 17 | 7* |
注：有*號的數(shù)據(jù)為水質(zhì)周期，其余為壓力周期 根據(jù)反沖洗歷時、反沖洗強(qiáng)度及過濾周期，可確定濾池的反沖洗耗水率，即濾池反沖洗用水量與產(chǎn)水量的比值，以L(%)表示。試驗得到不同沉淀水濁度下的L值，如圖3所示。可以發(fā)現(xiàn)，在壓力周期為控制周期的情況下，反沖洗耗水率隨沉淀水濁度的增加有緩慢增加，而且二者基本呈線性關(guān)系，該規(guī)律與小試結(jié)果是一致的[2]；在以水質(zhì)周期為控制周期的情況下，反沖洗耗水率增長迅速，偏離先前的線性關(guān)系。 
3. 運行費用分析 3.1 原水水質(zhì)不變情況下的運行費用關(guān)系
在此考慮水處理系統(tǒng)運行中主要的可變費用（以下簡稱可變費用），包括混凝劑費、沉淀排泥水費和反沖洗水費。該水廠的上述各項費用單價為：混凝劑2450元/t，排泥水0.235元/t，反沖洗水0.239元/t。結(jié)合前述單元工況分析結(jié)果，可以得到各種水質(zhì)及工況條件下的可變費用變化情況。以第一組試驗結(jié)果為例，在原水水質(zhì)基本不變的情況下，各單項費用曲線及合成費用曲線如圖4。
可以發(fā)現(xiàn)：1）在合成費用中，混凝劑費所占比例最大，起控制作用，因此，設(shè)法降低混凝劑費是減少運行費用的關(guān)鍵所在；2）沉淀池排泥水費所占比重最小，而且受沉淀水濁度的影響也較??；３）反沖洗水費隨沉淀水濁度的增加而增加，特別是在水質(zhì)周期為控制周期的情況下增加迅速；４）合成費用曲線有極小值，當(dāng)沉淀水濁度為10.6NTU時，可變費用最低，因而，該濁度值是在此條件下的最經(jīng)濟(jì)沉淀水濁度。 
3.2 水質(zhì)條件對最低運行費用的影響
在不同的原水水質(zhì)條件下重復(fù)上述試驗，可得到一系列的費用曲線以及相應(yīng)的最經(jīng)濟(jì)沉淀水濁度。將表1中的4組試驗結(jié)果列于表3中。 表3 不同水質(zhì)條件下的試驗結(jié)果 試驗號 | 最經(jīng)濟(jì)沉淀水濁度（NTU） | 最低可變費用（元/km3水） | |
1 | 10.6 | 55.53 | 2 | 12.1 | 77.20 | 3 | 10.1 | 30.17 | 4 | 11.5 | 73.50 |
由表1、3可以發(fā)現(xiàn)：1）在原水濁度相近時，水溫降低，最經(jīng)濟(jì)沉淀水濁度升高（第1、2兩組試驗）；在原水水溫相近時，原水濁度升高，最經(jīng)濟(jì)沉淀水濁度升高（第3、4兩組試驗），這一現(xiàn)象說明，需要混凝劑越多、越難處理的水質(zhì)對應(yīng)的最經(jīng)濟(jì)沉淀水濁度越高；2）在試驗的水質(zhì)范圍內(nèi)，最經(jīng)濟(jì)沉淀水濁度的變化幅度為2NTU（10.1～12.1NTU），可見對于該水處理系統(tǒng)而言，最經(jīng)濟(jì)沉淀水濁度受原水水質(zhì)影響不大，較為穩(wěn)定。
3.3 優(yōu)化運行與常規(guī)運行方式的比較
該水廠常規(guī)以沉淀水濁度7NTU為目標(biāo)運行。將此常規(guī)運行條件下的可變費用與優(yōu)化運行條件下的最低可變費用比較，以評價兩種運行方式的經(jīng)濟(jì)效益（表4）。從表4中可以看出，優(yōu)化運行方式較常規(guī)方式可以降低運行費用，可變費用節(jié)約率最高可達(dá)20%以上；優(yōu)化運行方式的優(yōu)越性在原水低溫或低濁期更為明顯。該水廠受北方氣候影響，原水低溫低濁期較長，因此，采用優(yōu)化運行方式對于提高供水效益是很有意義的。 表4 優(yōu)化方式與常規(guī)方式的經(jīng)濟(jì)效益比較 | 原水水質(zhì) | 可變費用（元/km3水） | 節(jié)約可變費用（%） | 原水濁度（NTU） | 水溫（℃） | 常規(guī)方式 | 優(yōu)化方式 | 72.0 | 7.8 | 59.38 | 55.53 | 6.48 | 72.0 | 0.8 | 96.02 | 77.20 | 19.60 | 17.7 | 11.5 | 38.82 | 30.17 | 22.28 | 98.8 | 11.5 | 79.19 | 73.50 | 7.18 |
4. 結(jié)論 1） 本生產(chǎn)性試驗研究證實，使運行費用最低的最經(jīng)濟(jì)沉淀水濁度是存在的；
2） 對于該水處理系統(tǒng)而言，藥劑費在運行費用中占有相當(dāng)大的比例，因此， 降低藥耗、減少藥劑費是降低運行費用的關(guān)鍵；
3）最經(jīng)濟(jì)沉淀水濁度同原水水質(zhì)有關(guān)，但在本研究范圍內(nèi)變化幅度不大，在沉淀水濁度為10.1—12.1NTU的范圍內(nèi)，都可以收到良好的效果，因此在生產(chǎn)上實現(xiàn)高效經(jīng)濟(jì)運行是可行的。
本文的研究是針對特定的水廠、僅從滿足現(xiàn)行水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求的角度進(jìn)行的。若在水源水質(zhì)受到較大污染的情況下，還需考慮按最經(jīng)濟(jì)沉淀水濁度運行對水質(zhì)安全性的影響，對此將專門論述。 參考文獻(xiàn) [1] 崔福義等，給水處理系統(tǒng)高效經(jīng)濟(jì)運行研究之一——策略與模式，哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報，1999.6；
[2] 石明巖等，給水處理系統(tǒng)高效經(jīng)濟(jì)運行研究之二——相關(guān)關(guān)系的試驗研究，哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報，1999.6。 | 
