給水處理工藝的系統集成與優化

隨著水源水質污染的不斷加劇和供水水質標準的進一步提高，對供水工藝的要求也逐漸提高。因此，在滿足出水水質約束的條件下，水處理工藝的集成優化成為該領域研究的重要課題。水源水質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開展了較為系統的研究。主要研究成果和結論如下：采用Kmeans聚類分析方法對天津市灤河水源和黃河水源水質進行水質分期，把灤河水源劃分為3個水質期（低溫低濁期、常溫常濁期、高溫高藻期），黃河水源共劃分為2個水質期（低污染期和高污染期）；并給出了各個水質期的日期界線、水質界線，以及主要的區分指標，為水廠處理工藝的優化調度提供依據。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運行控制參數：混合轉速n=200轉／min或Gt=11280～12000；一級反應轉速n1=80轉／min；二級反應轉速n2=40轉／min；投藥量m=8mg／L，沉淀時間t=20min。考慮經濟因素，因子重要性排序為：m＞G2＞G＞t＞G1。濾池級配優化的中試試驗結果表明：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）；考慮出水水質和產水能力，煤砂雙層濾池2為適合天津水源的較優級配。針對斜管沉淀池的布水不均勻性問題，提出了不均勻系數（k）的概念，并分析了不同結構參數對k的影響情況：當L／B大于4時，k急劇增加，且布水區的高度不宜小于1.3m。考慮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q=15m／h時，min（d）=18mm；當q=30m／h時，min（d）=65mm。同時，一定管徑下也對應有更大的表面負荷，當管徑d=35mm時，更大表面負荷不能超過27m／h。針對劃分的4個水質期（試驗期間無灤河低溫期），建立了各水質期內給水處理工藝的神經網絡（ANN）模型，預測常規工藝和深度處理系統的處理效率和出水水質。常規工藝ANN模型的濁度相關系數均大于0.85，CODMn的相關系數均大于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，且CODMn的相關系數基本大于0.80。ANN模型預測的相關系數均遠大于臨界相關系數(R0.01)，說明了該模型的模擬性和預測穩定性。在原水水質變化的情況下根據所建立的ANN模型，利用遺傳算法高效搜索功能確定了預設目標下（制水成本更低）的較優運行控制參數。結果表明，對于灤河高藻水源，優化參數結構下強化常規工藝出水CODMn≤3.0mg／L，出水濁度較非優化運行條件降低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，較優預氧化劑為PPC（高錳酸鹽復合藥劑）、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預氧化措施較為經濟。利用所建立的層次分析模型，從經濟、管理因素和技術指標等多方面，確定了適合天津水源條件的較優組合工藝，為水處理系統的調度提供依據。對于天津灤河水源和黃河水源的低污染期，較優的常規或強化常規工藝排序為：“混凝（HPAC）-絮凝-氣浮-過濾”＞“PPC預氧化-混凝（HPAC）-絮凝-氣浮-過濾”＞“PAC預處理-混凝（FeCl3）-絮凝-氣浮-過濾”。在黃河高污染期或原水水質進一步惡化時，較優的深度處理工藝排序為：“混凝（FeCl3）-絮凝-氣浮-過濾-GAC”＞“PPC預氧化-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，且較優的處理工藝為“混凝-絮凝-氣浮-過濾-O3-BAC”。目前，該研究的優選工藝：“預處理-混合絮凝-氣浮-過濾（-消毒）”已經在示范工程中投入運行，其部分運行控制參數和結構變量為本研究成果。