以概率分析方法确定北方地区某水厂的优化运行方案 徐勇鹏1，崔福义1，刘国平2
（1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨，150090；2. 哈尔滨绍和供水有限公司，黑龙江 哈尔滨，150001） 摘 要：我国东北地区水质受气候影响，处理难度较大，研究北方水厂的优化运行规律能够保证水质与水量，并且降低运行费用。采用概率分析方法分析整理了东北地区S水厂的连续三年的生产运行数据，探讨了水处理系统优化运行规律，并绘制出该水厂混凝工艺运行工况图和最经济沉后水浊度指示图。根据两图可以确定使该水厂优化运行的沉后水生产控制目标值，进而确定经济的混凝剂投加量。按相应的最经济沉后水浊度优化水厂运行工况，体现了明显的经济效益。
关键词：优化运行，运行费用，最经济沉后水浊度，最佳沉后水浊度 设想 我国东北地区受气候影响，水质条件随季节变化很大。每年冬季有4～5个月的冰封期，原水在这一时期呈现低温低浊特性；夏季汛期时，原水浊度较高。近些年松花江水受到了严重的污染，水中的有机物含量高。这种北方河流水体，水质条件随季节变化很大，不同季节的水质具有不同的混凝和絮凝体分离特性，给净水处理系统增加较大难度[[xv]]。随着饮用水水质标准的提高，该种水质的处理难度又有增加。为了使滤后出水达到要求，多数供水企业强化混凝工艺尽力将沉后水浊度控制在2NTU以下，有些水厂甚至要求低于1NTU。较低的沉后水浊度势必导致混凝投入过大，由此可能导致给水处理系统的运行费用增加[[xvi]]。
由于保证水质与水量、降低运行成本始终是贯穿水厂运行的目标，因此在这种情况下，用优化的思想指导水厂运行是具有重要意义的[[xvii]]。本文结合哈尔滨S水厂多年的生产数据，采用概率分析的方法，分析水处理系统优化运行规律，寻找最经济沉后水浊度[[xviii]]，并用以指导生产。 1 水厂概况和分析的基本方案 哈尔滨S水净水能力为225000m3/d。工艺流程见图1。S水厂以地表水为水源，水质运行目标要求出厂水浊度不高于1NTU，CODMn不超过3mg/L。
收集S水厂在三年的生产运行数据2万多组，并根据原水水质状况，将浊度和水温分别划分成不同范围，分成几类水质，分析处理S水厂的生产记录数据，探讨S水厂生产工艺各单元环节的运行规律，并寻找适合S水厂处理系统优化优化运行的有效途径。 
图1 S水厂工艺流程图 图2是水厂原水水质随着季节的变化曲线。从图中可以看出从每年的4月中旬到10月中旬水温在6℃以上，浊度在20～300NTU之间，pH值在7左右，CODMn为5～10mg/L，平均为8mg/L，将此期间水质称为常温水质。从每年的10月下旬到第二年4月上旬松花江处于冰封期，水温在0～5℃，浊度在5～30NTU，原水的平均CODMn为5mg/L，是典型的低温低浊水质。 
图2 1997年原水水质 从图中发现，原水水质的诸多参数中，原水温度和浊度的变化范围较大，许多文献中也提到过，这两个参数对给水处理各工艺的处理效率有较大影响[[xix],[xx]]，为了方便研究杂乱的生产数据，将温度和浊度各分成几个阶段。温度分成（0～5）、（5～13）、（13～21）、（21～28）4个阶段，分别用字母A、B、C、D表示；浊度分成（0～10）、（10～50）、（50～100）、（100以上）4个阶段，分别用数字1、2、3、4表示。交叉组合，一共分成16组情况，三年内每组原水水质出现的频率列在表1中。在16种情况中出现过12种，其中出现概率最大的是A1和A2组，三年内总共出现的概率超过37%。取出现概率大于2.0%的情况作为分析研究内容，按照在表中的的位置，分别定义为A1、A2、B2、B3、B4、C2、C3、C4、D3、D4等10组，A系列表示低温水质，B、C、D代表常温水质。 不同水质出现的概率 表1 浊度（NTU） 水温（℃） | <10 | 10~50 | 50～100 | 100以上 | 1 | 2 | 3 | 4 | 0~5 | A | 18.96 | 18.05 | 1.48 | — | 5～13 | B | — | 2.50 | 8.40 | 3.97 | 13～21 | C | — | 8.06 | 11.92 | 4.09 | 21～28 | D | — | 1.59 | 12.60 | 8.40 |
2 单元优化运行分析 2.1 混凝工艺
S水厂投加混凝剂硫酸铝（AS），并用助凝剂活化硅酸（Si）强化混凝。由于混凝剂和助凝剂的质量投加量的配合比例（以下简称配比）对混凝效果有影响，适当的配比有可能降低20%左右的混凝剂消耗，并降低沉后水浊度1/3～1/2[[xxi]]，因此以下着重讨论配比和沉后水浊度的关系。
由于生产数据比较分散，平均结果可能掩盖某些因素。而在实际生产中经常出现配比相同，沉后水浊度不同的现象。在分析随机性较大的生产数据时，应考虑在相同配比下不同沉后水浊度出现的概率。将配比分成5段：（5～15）、（15～25）、（25～35）、（35～45）、（45～55）；把所有出现过的沉后水浊度分成7个区间：（0，1）、（1，1.5） 、（1.5，2）、（2，2.5） 、（2.5，3） 、（3，3.5）、（3.5，4），分别计算在相同配比下，沉后水浊度在各个区间内出现的概率，结果见图3。 
a （C3组） b （A1与A2） 图3 各种同配比下不同沉后水浊度出现的概率 图3a是以C3为例的原水水质条件下，沉后水浊度在不同区间内出现概率的曲线。。从图中可以看出，曲线的最大值和配比成反比，配比增加，峰值向数值轴方向移动，即混凝剂和助凝剂的配合比例在（5～15）内，沉后水浊度在（2.5～3）NTU的区间内出现的概率最大，当配比增加到（35～45）时，出现概率最大的沉后水浊度降低至（1.5～2.0）NTU，随着配比值的增加，出现概率最大点的沉后水浊度继续降低。同样B、C、D系列等统计结果与图4a相似。图3b为低温原水条件下的情况。同图3a一样，每条曲线都有一个最大值，该点对应着该投加配合比例下，出现概率最大的沉后水浊度。与图3a不同的是：1）最高概率的沉后水浊度出现在（2.5～3.5）NTU内，而且随着配比增加，最大值的位置在此区间内有向远离数值轴方向移动的微弱趋势，即随着配比的变化，出现概率最大的浊度有升高的趋势；2）对于常温水质：B、C、D系列水质，混凝药剂配比在25以上，低于2NTU的沉后水浊度出现概率较大；而对于低温低浊水质，混凝药剂配比在15～25之间，较低的沉后水浊度出现概率大。
同样，可以得出其它各组水质的配比与沉后水浊度的出现概率之间相互关系的曲线，并将各组数据汇总在一起，同时计算各沉后水浊度区间混凝投加量与配比的平均值，结果见图4和图5。在图4中分类轴（x）和数值轴（y）的网格线围成的每一个网格代表一个工况，图中的数据点所处的网格是生产上出现概率最大的工况区域。图中曲线表明，为了降低沉后水浊度，宜采用高配比（25～45）进行混凝，也可以根据图4中的指示，依据沉后水浊度目标值，确定获得该沉后水浊度可能性最大的混凝剂和助凝剂投加量的配比值，然后根据图5中（以C3水质为例）混凝剂投加量指示图，确定该配比下的能够获得沉后水浊度目标值可能性最大的混凝剂投加量。例如，沉淀出水目标值为2NTU，在每年的6月份水温一般为15～20℃，浊度一般为60～100NTU，是C3类原水水质，根据图4中的C3曲线可以确定沉后水浊度2NTU时对应的配比应为25～35。并结合图5中2NTU的曲线确定混凝剂量为40～45mg/L，也可知助凝剂量为1.4～1.5mg/L。 
图4 配比和出现概率最高的沉后水浊度情况图 
图5 混凝剂投加量指示图（C3） 2.2沉淀和过滤工艺
综合可变费用中包含沉淀池排泥费用和反冲洗水费用[2]，需要合理确定排泥周期和滤池周期。
文献[[xxii]]提到沉淀池排泥水费在给水处理系统综合可变费用中所占的比例较小，可以采用简单的时间模式控制沉淀池排泥周期和排泥历时。通过在不同水质期间进行排泥试验，结果表明，即低温低浊水质期间，将排泥周期定为3h，排泥历时定为1.5min，其它情况下，将排泥周期定为2h，排泥历时定为2min，即能保证沉淀出水水质，又比较经济节水。
由于取自松花江的原水水质随季节性的变化较大，滤池的运行周期不能固定不变，需要根据不同水质条件确定与其相应的周期。图6是三年内10组不同原水水质条件下，每个沉后水浊度区间内滤池周期平均值的统计结果。 
图6 过滤周期和沉后水浊度的关系
从图中可知，过滤周期随着沉后水浊度的升高而降低；每种水质的每个沉后水区间内对应着不同的过滤周期，选取该值作为下一步计算经济费用的参考值。反冲洗时间根据水厂数据，低温低浊期间和其它的水质期间处理工艺的运行参数不同，因此需要分别考虑。根据两种情况下水厂生产记录，水厂反冲洗排水浊度低于10NTU作为目标值，确定常温水质期间反冲洗参数为，单独气洗2min，气水混合洗4 min，水洗4 min；低温低浊期间的冲洗时间为气冲2min，气水混合冲4min和水冲5min。 3 系统优化运行分析 3.1 综合可变费用和最经济沉后水浊度
那么，如何确定沉后水浊度的生产控制目标值呢？下面将结合给水处理系统运行过程中的可变运行费用，讨论使综合可变运行费用最低的最经济沉后水浊度的变化确定方法。
综合可变费用是混凝剂费用、助凝剂费用、排泥水费用和反冲洗水费用的综合，S水厂的混凝剂是硫酸铝，单价为630元/吨，助凝剂活化硅酸的单价为290元/吨，排泥水单价＝水资源费（0.3元/m3）+药剂单耗，反冲洗水费的单价为1.5元/m3。根据原水分类方法，将10组水质的各项可变费用计算并绘图（如图7，以C3水质为例），发现：在综合可变费用中，混凝剂的费用所占的比例最大；助凝剂的费用和反冲洗水费相当，各占10%左右；排泥水费用比例最小，只有4%左右。因此，降低运行费用的关键是降低混凝剂费用，排泥水费所占的比重最小，可以采用简单的方式确定排泥周期和排泥历时[8]。 
图7 可变费用与沉后水浊度的关系曲线（C3）
曲线上使综合可变费用最小的沉后水浊度称为最经济沉后水浊度，10组水质的最经济沉后水浊度列于表，统计结果列于表2中。由于水温是影响混凝沉淀效果的重要因素，对比表2中相同水温下不同原水浊度对应的最经济沉后水浊度，发现1）在低温条件下（A系列），随着原水浊度升高，最经济沉后水浊度降低，这是由于A1水质是较难处理的水质；2）B和C系列水质随着原水浊度的升高最经济沉后水浊度也升高，其原因是，原水浊度高的药剂量大，因此最经济沉后水浊度升高；3）D系列水质经常出现在夏季洪水期，运行工况很不稳定，应该视具体情况而定，因此，表中的数据不能说明其规律。
经过上述分析，可知，在实际生产中，可以确定最经济沉后水浊度为沉后水浊度目标值，并通过图4和5就可以制定混凝剂和助凝剂的投加量。 3.2 有机物指标对最经济沉后水浊度的约束
最经济沉后水浊度可以使现行水处理系统的可变费用最低，但从图2看，生活污水和工业废水的大量排放使水源的污染非常严重，CODMn平均在8mg/L左右，最高可至14mg/L，对给水处理系统的优化运行条件产生影响，不仅要使滤后水浊度低于1NTU，而且有机物指标耗氧量也要低于3mg/L。严重污染在一定程度上会导致滤后水浊度（取过滤周期内的平均值）的增加和随之带来的有机物泄漏[[xxiii]] ，因此，给水处理系统优化运行受有机物约束，满足约束条件的沉后水浊度为最佳沉后水浊度。图8是10中水质条件下的滤后水CODMn和沉后水浊度的关系图。为了保证滤后水CODMn低于3mg/L，要求沉后水浊度不超过一个限值，将有机物约束条件计算结果列于表2中。从结果中发现，最经济沉后水浊度皆小于有机物指标约束的限值，上述最佳沉后水浊度在数值上等于最经济沉后水浊度。 
图8 平均滤后水CODMn和沉后水浊度的关系
3.3 沉后水浊度的生产控制目标
前面的分析结果表明，在不同原水水质期间，使运行费用最低的最经济沉后水浊度不同。将表2中的最经济沉后水浊度绘制图9中，在生产实践中可以根据图中的指示确定沉后水浊度生产控制目标。
图9a中的曲面是S水厂的最经济沉后水浊度指示图，图9b是满足有机物约束条件的沉后水浊度范围。从两图中可知图9b中的浊度值均较图9a中的浊度值偏高，图9a中的最经济沉后水浊度在数值上等于满足有机物约束的最佳沉后水浊度。 最经济（最佳）沉后水浊度 表2 原水 | 原水温度（℃） | 原水浊度（NTU） | 最经济沉后水浊度（NTU） | 有机物指标约束条件（NTU） | 最佳沉淀水浊度（NTU） | A1 | 0～5 | 10以下 | 3.7 | ≦4 | 3.7 | A2 | 0～5 | 10～50 | 3.2 | ≦4 | 3.2 | B2 | 5～13 | 10～50 | 2.2 | ≦4 | 2.2 | B3 | 5～13 | 50～100 | 2.6 | ≦3.4 | 2.6 | B4 | 5～13 | 100以上 | 2.7 | ≦4 | 2.7 | C2 | 13～21 | 10～50 | 1.8 | ≦2.2 | 1.8 | C3 | 13～21 | 50～100 | 2.7 | ≦3.4 | 2.7 | C4 | 13～21 | 100以上 | 2.8 | ≦2.8 | 2.8 | D3 | 21～28 | 50～100 | 3.3 | ≦4 | 3.3 | D4 | 21～28 | 100以上 | 2.3 | ≦2.5 | 2.3 |
同时，从两图中可知，随着原水水温和浊度的变化，最经济沉后水的变化曲面是一个中间低、四周高的下凹形的曲面，当原水浊度和温度较低或者较高时所对应的最经济沉后水浊度处于曲面的高处，此范围的原水水质的混凝效果一般，最经济的沉后水浊度较高。当原水温度较高和浊度适中的情况下，最经济沉后水浊度处在曲面的低凹处，此时的原水条件混凝的效果较好，最经济沉后水浊度相对偏低。对于地处北方地区的S水厂，原水水质变化较大，不同时期的沉后水浊度目标值不同，为使水处理系统运行最接近优化状态，可以参考图9指示，制定生产运行中的沉后水浊度目标值。然后根据图4和图5中的指示，确定混凝剂和助凝剂的投加量。 
a 最经济沉后水浊度 | 
b有机物约束范围 | | 图9 最经济沉后水浊度变化图 |
图9是在前面介绍的原水分类的基础上，将有机物指标作为约束条件最终获得的，给水处理系统优化运行还受到比较多的条件约束，可以参考有机物约束的讨论方法确定最经济沉后水浊度。
以上原水的分类方法比较适合北方地区季节变化较大的河流水体，如果对于湖泊水体或者南方地区温度变化不明显的水体，则需要在原水分类方法上找到影响因素较大的水质参数进行分类，绘制出最经济沉后水浊度图。
在对三年的生产运行数据的分析之后，在S水厂调整运行条件以最经济沉后水浊度运行1年。图11是2000年优化运行结果与前三年平均运行结果的对比图。从图中可知，除在6、7、8、9和12月份，2000年的综合可变费用稍高一些，在一年的大部分时间都较前三年的平均水平每月每吨水大约可以节省0.01元；一年可以较前三年节省约5%的综合可变费用。 
图10 经济比较 4 结论 1.用概率分析方法讨论了混凝剂和助凝剂投加量配合比例和沉后水浊度的对应关系，得出常温水质混凝工艺的优化运行工况图，可以依据沉后水浊度目标值确定混凝剂和助凝剂的投加量，以及低温低浊水质混凝工艺优化运行的混凝剂和助凝剂的投加量确定方法。
2.水厂的综合可变费用60%以上是混凝剂费用，沉淀池排泥费用最少，只占4%左右，控制混凝是优化运行的关键。在不同水质条件下，综合可变费用随着沉后水浊度变化的趋势不同，根据二者相互关系分别归纳出使综合可变费用最低的最经济沉后水浊度的范围。
3.符合有机物约束的最佳沉后水浊度在数值上等于是最经济沉后水浊度。根据不同的原水水质分组，按相应的最经济沉后水浊度优化水厂运行工况，体现了明显的经济效益。 参考文献 1.霍明昕,刘馨远. 低温低浊水质特性的分析. 中国给水排水, 1998, 14（6）: 33~34.
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