目前，我國水廠中常用的濾池有兩類：一類采用常規(guī)的單層或雙層濾料，高速水流反沖洗；另一類采用均質(zhì)濾料，氣水反沖洗。由于缺少兩類濾池生產(chǎn)運行中可類比的、系統(tǒng)性的數(shù)據(jù)資料，故制作了均質(zhì)濾料、雙層濾料兩個濾池模型。為使兩種濾池的運行過程及各種技 術(shù)經(jīng)濟參數(shù)具有可比性，其前均采用水泵混合、孔室絮凝和斜管沉淀，并由此形成兩個處理流程。?

2 過濾過程的數(shù)學(xué)模擬

　　試驗采用回歸正交設(shè)計方法［1］對過濾過程進行數(shù)學(xué)模擬。
2.1 回歸正交設(shè)計
2.1.1 確定影響因素
　　通過對過濾系統(tǒng)運行狀況的分析研究，確定濾前濁度C、濾速V及過濾周期T為影響過濾的基本相關(guān)因素。它們之間相互協(xié)調(diào)的內(nèi)在動態(tài)關(guān)系可通過建立下述過濾周期數(shù)學(xué) 模型予以確定。?
?　　　　T=α／Vβ·Cγ　　　　　　　　(1)
　　 式中 α、β、γ——待定參數(shù)，通過回歸正交試驗確定
2.1.2 　因素水平、編碼與試驗方案 ?
　　為確定上述模型中的待定參數(shù)，將模型中各因素之間的非線性關(guān)系進行線性變換，即對式(1)兩邊取對數(shù)，得：?
　　　　　lnT=lnα-βlnV-γlnC　　　　(2)?
　　令?y=lnT，b0=lnα，b1=-β，b2=-γ，則式(2) 變?yōu)椋?br> ?　　　　y=b0+b1lnV+b2lnC?　　　　(3)
　　其中?b₀、b₁、b₂?為回歸方程中的待定參數(shù)，采用一次回歸正交設(shè)計確定。?
　　為使回歸系數(shù)的計算簡單規(guī)范，對各因素水平進行了編碼。首先根據(jù)設(shè)計手冊和運行經(jīng)驗確定均質(zhì)濾料濾池、雙層濾料濾池濾速的取值范圍分別為7～11m/h和9～13m/h，濾前濁度的變化范圍為5～15NTU，再通過下列兩式確定濾速V、濾前濁度C分別與規(guī)范變量x１、x2的編碼關(guān)系。?
　　　　?x₁=［2(lnV-lnV_max)／lnV_max-lnV_min)］+1　
?　　　　x₂=[2(lnC-lnCmax)／lnC_max-lnC_min］＋1　　　　　　　　　　(4)?
　　當各因素分別取最大值、算術(shù)平均值、最小值時，規(guī)范變量xi的取值分別為1(上水平)、0(基準水平)、-1(下水平)，因素水平編碼見表1。經(jīng)上述變換后，式(3)中y對lnＶ、lnC的回歸問題就轉(zhuǎn)化為y對x1、x2的回歸問題，回歸系數(shù)的計算變得簡單方便。

　　表2為試驗計劃，其中最后兩次試驗是為檢驗回歸方程的擬合精度而做的重復(fù)試驗。為了減少試驗次數(shù)，保持試驗的正交性，重復(fù)試驗選擇在基準水平上進行。

2.2 建立過濾回歸方程
　　按試驗計劃進行試驗，根據(jù)試驗結(jié)果并考慮到重復(fù)試驗的因素，按照最小二乘法原理列表計算各回歸系數(shù)，得到回歸方程。?
均質(zhì)濾料濾池：
?　　　　　y_均=2.8355-0.08x₁-0.14x₂?　　　(5)
　　雙層濾料濾池：
　　　　　?y_雙=2.9535-0.133x₁-0.1845x₂?　(6)
　　將編碼公式(4)分別代入式(5)、(6)，由于濾前濁度很難控制在試驗計劃的各相應(yīng)水平上，Cmax和Cmin取原水相應(yīng)數(shù)據(jù)的平均值并代回原方程(1)，最終得過濾周期Ｔ與濾速Ｖ、濾前濁度Ｃ的定量關(guān)系方程：
　　　　　　T_均=66.175/(V^0.354·C^0.270)?　　　　　　　　(7) ?
?　　　　　T雙=178.484/(V0.723·C0.356) (8)

3 試驗系統(tǒng)優(yōu)化運行

3.1 全系統(tǒng)優(yōu)化運行數(shù)學(xué)模型
　　水處理系統(tǒng)運行優(yōu)化以日運行費用最小為目標，以系統(tǒng)內(nèi)部的工藝要求(水質(zhì)、水量、濾池運行周期及濾層雜質(zhì)穿透深度等)為約束條件，尋求經(jīng)濟合理的運行狀態(tài)。關(guān)于全系統(tǒng)優(yōu)化運行數(shù)學(xué)模型，筆者曾撰文作過詳細論述［2］，故本文僅給出一般式：
　　目標函數(shù)：?
　　　　　minF=∑f(Qij，Cij)?　　　　　　　　　　　(9)?
　　約束條件：?
?　　　　Hk(Q_ij，C_ij)=0，(k=1，2，…，n)
?　　　　Gk(Qij，Cij)≥0，(k=n+1，…，m)?　　　　(10)?
　　式中 Q_ij——i流程j構(gòu)筑物的處理水量?
?　　　　_ij——i流程j構(gòu)筑物的出水濁度?
　　將各流程初始運行條件即原水流量、濁度代入式(9)、(10)中，即可求出系統(tǒng)在各運行條件下的最佳運行參數(shù)。?
3.2 濾池優(yōu)化運行技術(shù)經(jīng)濟分析
3.2.1 出水水質(zhì) ?
　　試驗中均質(zhì)濾料濾池的出水濁度均為0NTU，雙層濾料池的出水濁度分別為1.6、0.4、3.5、0.2、0.6、2.4NTU。可見，與常規(guī)濾池相比均質(zhì)濾料濾池具有明顯的優(yōu)勢，符合國家對供水企業(yè)高質(zhì)、低耗的要求。
3.2.2 運行費用
　　在相同原水條件和運行條件(最大過濾水頭相同)下對兩流程進行了最優(yōu)運行狀態(tài)的仿真計算，即以全系統(tǒng)最佳運行狀態(tài)為目標，根據(jù)上述建立的試驗系統(tǒng)模擬模型式(7)、(8)和優(yōu)化模型式(9)、(10)，計算了兩個流程分別處于最佳運行狀況下的各種技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)，部分計算結(jié)果見表3。

　　由表3可知，不同濾池的系統(tǒng)運行費用也不同。均質(zhì)濾料濾池比雙層濾料濾池可節(jié)省藥耗20%～32%，節(jié)省反沖洗水耗18%～22%。在反沖洗電耗中，雖然均質(zhì)濾料濾池的反洗水電耗低，但由于增加了反洗氣電耗，使反洗總電耗提高29%～36%，又由于電費比藥費、水費所占比例少得多，故系統(tǒng)總的運行費用降低了22%～26%。?

4 結(jié)論 ?

　　① 系統(tǒng)采用工藝不同，最優(yōu)運行效益也不同。采用均質(zhì)濾料濾池有利于提高水質(zhì)、減少消耗、降低制水成本。?
　?、?設(shè)計優(yōu)化是系統(tǒng)經(jīng)濟合理運行的基礎(chǔ)。但只有將設(shè)計優(yōu)化與運行優(yōu)化結(jié)合起來，才能確定系統(tǒng)最佳的結(jié)構(gòu)與狀態(tài)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)最佳的功能與效益。

參考文獻：

　　［1］朱偉勇，段曉東.最優(yōu)設(shè)計在工業(yè)中的應(yīng)用［M］.沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1993.
　?。?］田一梅，單金林，陳浙良，等.水處理系統(tǒng)優(yōu)化運行［J］.中國給水排水，1999，15(5)：5-9.

　　電　話：(022)27400830?
　　收稿日期：2002-03-07