给水处理工艺的系统集成与优化

随着水源水质污染的不断加剧和供水水质标准的进一步提高，对供水工艺的要求也逐渐提高。因此，在满足出水水质约束的条件下，水处理工艺的集成优化成为该领域研究的重要课题。水源水质的变化对给水处理工艺的选择提出了客观要求。本文以北方地区典型代表城市——天津市的地表水源为主要研究对象，对其给水处理工艺及技术开展了较为系统的研究。主要研究成果和结论如下：采用Kmeans聚类分析方法对天津市滦河水源和黄河水源水质进行水质分期，把滦河水源划分为3个水质期（低温低浊期、常温常浊期、高温高藻期），黄河水源共划分为2个水质期（低污染期和高污染期）；并给出了各个水质期的日期界线、水质界线，以及主要的区分指标，为水厂处理工艺的优化调度提供依据。通过烧杯搅拌试验，确定了适合天津高藻水源的混凝沉淀单元更优运行控制参数：混合转速n=200转／min或Gt=11280～12000；一级反应转速n1=80转／min；二级反应转速n2=40转／min；投药量m=8mg／L，沉淀时间t=20min。考虑经济因素，因子重要性排序为：m＞G2＞G＞t＞G1。滤池级配优化的中试试验结果表明：煤砂双层滤池2中下部滤层的截污能力较大，水头增长速度较慢（3.5cm／h）；考虑出水水质和产水能力，煤砂双层滤池2为适合天津水源的较优级配。针对斜管沉淀池的布水不均匀性问题，提出了不均匀系数（k）的概念，并分析了不同结构参数对k的影响情况：当L／B大于4时，k急剧增加，且布水区的高度不宜小于1.3m。考虑水流对下滑絮团的影响，定性和定量分析了布水不均匀性对临界沉速u0的影响：随着L／B的增加，u0逐渐增大，当L／B大于6时（q=10m／h），下滑絮团所受的合力(F合)下降为0；适宜的布水区高度h1为1.2～1.6m。考虑絮体沉降，斜管管径越大，沉淀池平均临界沉速也越大，对絮凝效果的要求也就越高；从絮团下滑的角度考虑，不同表面负荷下存在斜管管径的*小要求：当q=15m／h时，min（d）=18mm；当q=30m／h时，min（d）=65mm。同时，一定管径下也对应有更大的表面负荷，当管径d=35mm时，更大表面负荷不能超过27m／h。针对划分的4个水质期（试验期间无滦河低温期），建立了各水质期内给水处理工艺的神经网络（ANN）模型，预测常规工艺和深度处理系统的处理效率和出水水质。常规工艺ANN模型的浊度相关系数均大于0.85，CODMn的相关系数均大于0.89；黄河高污染期需要增加深度处理单元来提高出水水质，且CODMn的相关系数基本大于0.80。ANN模型预测的相关系数均远大于临界相关系数(R0.01)，说明了该模型的模拟性和预测稳定性。在原水水质变化的情况下根据所建立的ANN模型，利用遗传算法高效搜索功能确定了预设目标下（制水成本更低）的较优运行控制参数。结果表明，对于滦河高藻水源，优化参数结构下强化常规工艺出水CODMn≤3.0mg／L，出水浊度较非优化运行条件降低0.10～0.16NTU，制水成本降低0.017～0.049元／m3；混凝剂HPAC（High-efficiency Poly-Aluminium Chloride）效果好于FeCl3，较优预氧化剂为PPC（高锰酸盐复合药剂）、KMnO4或O3。对于有机物较高的黄河高污染期，选择工艺为“混凝-气浮-过滤-O3-BAC”，且FeCl3效果略好于HPAC，PPC预氧化措施较为经济。利用所建立的层次分析模型，从经济、管理因素和技术指标等多方面，确定了适合天津水源条件的较优组合工艺，为水处理系统的调度提供依据。对于天津滦河水源和黄河水源的低污染期，较优的常规或强化常规工艺排序为：“混凝（HPAC）-絮凝-气浮-过滤”＞“PPC预氧化-混凝（HPAC）-絮凝-气浮-过滤”＞“PAC预处理-混凝（FeCl3）-絮凝-气浮-过滤”。在黄河高污染期或原水水质进一步恶化时，较优的深度处理工艺排序为：“混凝（FeCl3）-絮凝-气浮-过滤-GAC”＞“PPC预氧化-混凝（FeCl3）-絮凝-气浮-过滤-GAC”＞“混凝（FeCl3）-絮凝-气浮-过滤-O3-BAC”。从进一步提高饮用水安全性考虑，需要增加深度处理单元，且较优的处理工艺为“混凝-絮凝-气浮-过滤-O3-BAC”。目前，该研究的优选工艺：“预处理-混合絮凝-气浮-过滤（-消毒）”已经在示范工程中投入运行，其部分运行控制参数和结构变量为本研究成果。