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給水處理工藝的系統集成與優化

瀏覽量: 點擊次數:438 更新時間:2022-09-15   時間:2022-09-15

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。


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