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《西安建筑科技大学》 2007年
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给水处理工艺的系统集成与优化

李玉仙  
【摘要】: 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最优运行控制参数:混合转速n=200转/min或Gt=11280~12000;一级反应转速n_1=80转/min;二级反应转速n_2=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>G_2>G>t>G_1。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,首次提出了不均匀系数(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u_0的影响:随着L/B的增加,u_0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h_1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最小要求: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最大的表面负荷,当管径d=35mm时,最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,精确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,COD_(Mn)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COD_(Mn)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(R_(0.01)),说明了该模型的模拟精确性和预测稳定性。 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(制水成本最低)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COD_(Mn)≤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/m~3;混凝剂HPAC(High-efficiency Poly-Aluminium Chloride)效果好于FeCl_3,较优预氧化剂为PPC(高锰酸盐复合药剂)、KMnO_4或O_3。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-O_3-BAC”,且FeCl_3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(FeCl_3)-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(FeCl_3)-絮凝-气浮-过滤-GAC”>“PPC预氧化-混凝(FeCl_3)-絮凝-气浮-过滤-GAC”>“混凝(FeCl_3)-絮凝-气浮-过滤-O_3-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-O_3-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。
【学位授予单位】:西安建筑科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TU991.2

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