滤池运行优化的对比研究
处理系统的优化研究包括设计优化和运行优化。设计优化是运行优化的基础，运行优化又为设计优化提供必要的信息、依据及检验，二者相辅相成，互为依托。现以滤池为例，研究不同滤池对于系统优化运行的影响。
1 试验模型
目前，我国水厂中常用的滤池有两类：一类采用常规的单层或双层滤料，高速水流反冲洗；另一类采用均质滤料，气水反冲洗。由于缺少两类滤池生产运行中可类比的、系统性的数据资料，故制作了均质滤料、双层滤料两个滤池模型。为使两种滤池的运行过程及各种技 术经济参数具有可比性，其前均采用水泵混合、孔室絮凝和斜管沉淀，并由此形成两个处理流程。
2 过滤过程的数学模拟
试验采用回归正交设计方法［1］对过滤过程进行数学模拟。
2.1 回归正交设计
2.1.1 确定影响因素
通过对过滤系统运行状况的分析研究，确定滤前浊度C、滤速V及过滤周期T为影响过滤的基本相关因素。它们之间相互协调的内在动态关系可通过建立下述过滤周期数学 模型予以确定。
T=α/Vβ·Cγ (1)
式中 α、β、γ——待定参数，通过回归正交试验确定
2.1.2 因素水平、编码与试验方案
为确定上述模型中的待定参数，将模型中各因素之间的非线性关系进行线性变换，即对式(1)两边取对数，得：
lnT=lnα-βlnV-γlnC (2)
令y=lnT，b0=lnα，b1=-β，b2=-γ，则式(2) 变为：
y=b0+b1lnV+b2lnC (3)
其中b0、b1、b2为回归方程中的待定参数，采用一次回归正交设计确定。
为使回归系数的计算简单规范，对各因素水平进行了编码。首先根据设计手册和运行经验确定均质滤料滤池、双层滤料滤池滤速的取值范围分别为7～11m/h和9～13m/h，滤前浊度的变化范围为5～15NTU，再通过下列两式确定滤速V、滤前浊度C分别与规范变量x１、x2的编码关系。
x1=［2(lnV-lnVmax)/lnVmax-lnVmin)］+1
x2=[2(lnC-lnCmax)/lnCmax-lnCmin］＋1 (4)
当各因素分别取最大值、算术平均值、最小值时，规范变量xi的取值分别为1(上水平)、0(基准水平)、-1(下水平)，因素水平编码见表1。经上述变换后，式(3)中y对lnＶ、lnC的回归问题就转化为y对x1、x2的回归问题，回归系数的计算变得简单方便。
表1 因素水平编码表
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表2为试验计划，其中最后两次试验是为检验回归方程的拟合精度而做的重复试验。为了减少试验次数，保持试验的正交性，重复试验选择在基准水平上进行。
表2 试验计划
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2.2 建立过滤回归方程
按试验计划进行试验，根据试验结果并考虑到重复试验的因素，按照最小二乘法原理列表计算各回归系数，得到回归方程。
均质滤料滤池：
y均=2.8355-0.08x1-0.14x2 (5)
双层滤料滤池：
y双=2.9535-0.133x1-0.1845x2 (6)
将编码公式(4)分别代入式(5)、(6)，由于滤前浊度很难控制在试验计划的各相应水平上，Cmax和Cmin取原水相应数据的平均值并代回原方程(1)，最终得过滤周期Ｔ与滤速Ｖ、滤前浊度Ｃ的定量关系方程：
T均=66.175/(V0.354·C0.270) (7)
T双=178.484/(V0.723·C0.356) (8)
3 试验系统优化运行
3.1 全系统优化运行数学模型
水处理系统运行优化以日运行费用最小为目标，以系统内部的工艺要求(水质、水量、滤池运行周期及滤层杂质穿透深度等)为约束条件，寻求经济合理的运行状态。关于全系统优化运行数学模型，笔者曾撰文作过详细论述［2］，故本文仅给出一般式：
目标函数：
minF=∑f(Qij，Cij) (9)
约束条件：
Hk(Qij，Cij)=0，(k=1，2，…，n)
Gk(Qij，Cij)≥0，(k=n+1，…，m) (10)
式中 Qij——i流程j构筑物的处理水量
ij——i流程j构筑物的出水浊度
将各流程初始运行条件即原水流量、浊度代入式(9)、(10)中，即可求出系统在各运行条件下的最佳运行参数。
3.2 滤池优化运行技术经济分析
3.2.1 出水水质
试验中均质滤料滤池的出水浊度均为0NTU，双层滤料池的出水浊度分别为1.6、0.4、3.5、0.2、0.6、2.4NTU。可见，与常规滤池相比均质滤料滤池具有明显的优势，符合国家对供水企业高质、低耗的要求。
3.2.2 运行费用
在相同原水条件和运行条件(最大过滤水头相同)下对两流程进行了最优运行状态的仿真计算，即以全系统最佳运行状态为目标，根据上述建立的试验系统模拟模型式(7)、(8)和优化模型式(9)、(10)，计算了两个流程分别处于最佳运行状况下的各种技术经济参数，部分计算结果见表3。
表3 消耗及总运行费用比较
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由表3可知，不同滤池的系统运行费用也不同。均质滤料滤池比双层滤料滤池可节省药耗20%～32%，节省反冲洗水耗18%～22%。在反冲洗电耗中，虽然均质滤料滤池的反洗水电耗低，但由于增加了反洗气电耗，使反洗总电耗提高29%～36%，又由于电费比药费、水费所占比例少得多，故系统总的运行费用降低了22%～26%。
4 结论
① 系统采用工艺不同，最优运行效益也不同。采用均质滤料滤池有利于提高水质、减少消耗、降低制水成本。
② 设计优化是系统经济合理运行的基础。但只有将设计优化与运行优化结合起来，才能确定系统最佳的结构与状态，从而实现系统最佳的功能与效益。
参考文献：
［1］朱伟勇，段晓东.最优设计在工业中的应用［M］.沈阳：辽宁科学技术出版社，1993.
［2］田一梅，单金林，陈浙良，等.水处理系统优化运行［J］.中国给水排水，1999，15(5)：5-9.
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