基于多線程運(yùn)行控制的高效節(jié)能型凈水工藝

路旭龍，崔建國，張　峰

（太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024）

基于多線程運(yùn)行控制的高效節(jié)能型凈水工藝

路旭龍，崔建國，張峰

（太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024）

華北地區(qū)某凈水廠以當(dāng)?shù)厮畮焖疄樗矗艿接袡C(jī)物污染，水質(zhì)受季節(jié)影響變化較大。為應(yīng)對上述水質(zhì)問題采用高密度沉淀池—V型濾池—超濾—臭氧加活性炭吸附的工藝流程，但該工藝流程較長，運(yùn)行能耗較高。針對季節(jié)和水質(zhì)變化，以供水安全可靠為前提，高效節(jié)能為目標(biāo)，提出了水廠運(yùn)行的多線程工藝流程。經(jīng)節(jié)能評估，運(yùn)行改進(jìn)后可節(jié)能23.96%。

凈水廠；長流程；多線程運(yùn)行；節(jié)能

隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展，凈水廠的原水水質(zhì)不斷惡化，尤其是面對微污染水源，凈水廠的常規(guī)處理工藝已經(jīng)不能滿足我國最新的生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB 5749—2006），為應(yīng)對上述情況，現(xiàn)行的凈水廠一般會(huì)在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上增加預(yù)處理工藝和深度處理工藝〔1〕。隨著新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，長流程處理工藝變得非常普遍，而凈水廠處理單元增加后能耗較高問題隨之出現(xiàn)〔2〕。凈水廠在實(shí)際運(yùn)行中，進(jìn)水水質(zhì)隨著季節(jié)、溫度、水源地情況變化而變化，所以如何在保證凈水廠出水水質(zhì)的前提下最大限度地實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行成為當(dāng)前急需解決的問題?；诖耍匀A北地區(qū)某凈水廠為例，提出基于現(xiàn)代控制系統(tǒng)的凈水廠多線程工藝流程，以水質(zhì)安全和節(jié)能為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對凈水廠不同進(jìn)水水質(zhì)的高效處理，實(shí)現(xiàn)凈水廠節(jié)能運(yùn)行。

1　凈水廠概況

凈水廠位于華北某市區(qū)，該區(qū)境內(nèi)氣候溫和，年平均氣溫7.6℃左右，年內(nèi)1月份最冷，氣溫在零下7℃至8℃；7月份最熱，氣溫在22℃左右。從1971年～2000年多年降水量資料如表1所示。

表1　　多年平均氣溫及降水量

由表1可見，1年之內(nèi)，該區(qū)域的降水量分配很不均勻，汛期主要集中在7、8月份并且多以暴雨形式出現(xiàn)。尤其是8月份降水量最大，達(dá)到117.7mm，占全年總降水量的24.76%；最大凍土深度為1.06 m。

凈水廠設(shè)計(jì)規(guī)模為40 000 m3/d，水源來自距該市城區(qū)約38km的一座水庫水電站出口尾水。該水庫大壩壩址控制流域面積1174m2，總庫容9820萬m3，年平均徑流量4 616萬m3。設(shè)計(jì)向該市供水1 500 萬m3/a，輸水管總長度38 268 m，管徑DN 800 mm，設(shè)計(jì)流量為0.66 m3/s。

國家城市供水水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)在該水庫取樣化驗(yàn)，共分析項(xiàng)目95項(xiàng)，監(jiān)測結(jié)果除總氮、石油類外，其他檢測項(xiàng)目結(jié)果均符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。水質(zhì)評價(jià)成果如表2所示。

表2　　水庫水質(zhì)評價(jià)成果

由表2可見，總氮1.48 mg/L，超過標(biāo)準(zhǔn)值0.48 mg/L，超標(biāo)倍數(shù)達(dá)0.48倍；石油類為0.08 mg/L，超過標(biāo)準(zhǔn)值0.03 mg/L，超標(biāo)倍數(shù)為0.6倍。從水庫及上游干流近3年水質(zhì)變化情況看，未來有機(jī)物水質(zhì)指標(biāo)和總氮存在著逐步惡化的趨勢。

由上述資料分析可以發(fā)現(xiàn)：

每年1、2、12月份氣溫最低，平均氣溫達(dá)到零下4℃以下，而降水量為全年最少只有3～4 mm。此時(shí)凈水廠的原水為低溫低濁水，而且有機(jī)物濃度最高。每年7、8月份氣溫為全年最高，平均氣溫達(dá)到20℃，而降水量為全年最高，達(dá)到100 mm以上。當(dāng)在洪水期時(shí)凈水廠原水濁度為最高，而有機(jī)物濃度隨著水量的急劇增大而變小。每年3～6月份，凈水廠原水濁度逐漸升高，而有機(jī)物濃度逐漸變小。每年9～11月份，凈水廠原水濁度逐漸降低，而有機(jī)物濃度逐漸升高。

2　凈水廠工藝選擇

通過對原水水質(zhì)分析得出，影響水質(zhì)變化的因素主要有有機(jī)物、總氮、水溫和濁度。在運(yùn)行中主要根據(jù)以上因素來選擇不同凈水工藝流程。常規(guī)的高密度沉淀池加V型砂濾池可以有效去除懸浮態(tài)和膠態(tài)的有機(jī)物，而對溶解態(tài)有機(jī)物去除效果較差〔3〕。臭氧接觸氧化加活性炭吸附工藝?yán)没钚蕴课锢砦健⒊粞趸瘜W(xué)氧化、生物氧化降解3種機(jī)理同時(shí)對原水進(jìn)行處理，可以有效去除水中的溶解態(tài)有機(jī)物和總氮〔4〕。

為應(yīng)對冬季原水低溫低濁的情況，可以采用超濾的物理處理來應(yīng)對化學(xué)法效果差的情況。而在夏季原水濁度較高時(shí)可以通過適當(dāng)加大高密度沉淀池的投藥量和使用超濾來作為應(yīng)對策略〔5-6〕。

最后確定凈水廠采用在高效的高密度沉淀池和發(fā)展較為成熟的V型砂濾池的傳統(tǒng)處理工藝后采用超濾和臭氧接觸氧化加活性炭吸附作為深度處理工藝的組合，實(shí)現(xiàn)對原水的高效、節(jié)能處理。處理工藝流程如圖1所示。

圖1　　處理工藝流程

3　凈水廠多線程工藝流程

凈水廠在調(diào)節(jié)水池前、V型濾池后設(shè)置在線水質(zhì)監(jiān)測儀表對有機(jī)物、總氮、水溫和濁度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)的不同情況確定出如下4種運(yùn)行流程。在實(shí)際運(yùn)行中根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測儀表測得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)判斷原水水質(zhì)類型實(shí)時(shí)自動(dòng)變換處理流程。避免了人為經(jīng)驗(yàn)判斷的誤差，實(shí)現(xiàn)凈水廠運(yùn)行的精細(xì)化管理。多線程工藝運(yùn)行流程如表3所示。

表3　　多線程工藝運(yùn)行流程

4　多線程運(yùn)行控制節(jié)能評估

根據(jù)凈水廠各處理單元設(shè)備情況，對單線程和多線程運(yùn)行控制時(shí)各種工藝設(shè)備全年的用電情況分別進(jìn)行了詳細(xì)的分析與計(jì)算。

多線程運(yùn)行控制凈水廠工藝設(shè)備用電量統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4　　多線程運(yùn)行控制凈水廠工藝設(shè)備用電量統(tǒng)計(jì)

由表4可見，凈水廠采用多線程運(yùn)行控制其工藝設(shè)備全年耗電量為882萬kW·h。而凈水廠采用單線程運(yùn)行控制其所有工藝設(shè)備全年工作天數(shù)均為365 d，全年耗電量將達(dá)到1 160萬kW·h。通過多線程運(yùn)行控制凈水廠全年節(jié)約用電23.96%。

5　結(jié)論

（1）面對當(dāng)前水源水質(zhì)污染日趨嚴(yán)重的形勢，凈水廠長流程水處理工藝已成為必然。

（2）通過多線程工藝運(yùn)行體系結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)據(jù)不同進(jìn)水水質(zhì)和水溫來選擇相應(yīng)高效節(jié)能的凈水路徑，在保證供水安全的前提下實(shí)現(xiàn)凈水廠節(jié)能、高效運(yùn)行。

（3）為避免重復(fù)建設(shè)和增加改造費(fèi)用，建議在凈水廠設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮到在保障水質(zhì)的前提下充分體現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行的設(shè)計(jì)理念。

［1］左金龍.微污染水源水水質(zhì)特點(diǎn)及其處理工藝選擇［J］.中國給水排水，2012，28（16）：15-18.

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［4］羅曉鴻，曹莉莉，王占生.不同分子量的有機(jī)物在凈水工藝中的去除研究［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2004，18（4）：341-344.

［5］陶潤先，陳立，劉景艷，等.在線混凝/超濾工藝處理低溫、低濁源水的研究［J］.中國給水排水，2011，27（9）：67-70.

［6］李圭白，梁恒，瞿芳術(shù).城市飲水生物致病風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)發(fā)展的歷史觀［J］.給水排水，2013，39（11）：1-5.

Highly efficient and energy-saving water treatment process based on multi-thread operation control

Lu Xulong，Cui Jianguo，Zhang Feng
（College of Environmental Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

The local reservoir water is used as source water by a water treatment plant in North China，but the raw water has been polluted by organic pollutants and being affected by seasonal variations，the water quality changes greatly.In order to solve the water quality problem stated above，the process flow.including high density sedimentation tank-V-filter-hyperfiltration-ozone and activated carbon adsorption，is used.However，its disadvantages are long process flow，high investment，and high energy consumption.Aiming at the variations of seasons and water quality，the security of water supply is considered as the pre-condition，and efficient energy-saving as the goal.The process flow of waterworks multi-threaded technology is proposed.After the operation improvement，the assessment on energy-saving shows that 23%of energy can be saved.

water treatment plants:long process flow；multi-threaded operation；energy-saving

TU991.2

B

1005-829X（2016）01-0103-04

山西省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目

路旭龍（1989—），碩士。E-mail：luxulong@126.com。通訊聯(lián)系人：崔建國，博士，教授。E-mail：afh2005@163.com。

2015-11-26（修改稿）