一种城市供水厂综合节水的控制方法 【技术领域】
本发明涉及一种建立城市供水厂节水系统的方法，属于水厂节水技术领域。
背景技术
我国是一个水资源缺乏的国家，随着经济发展和人民生活水平的提高，用水量不断增加，供需矛盾日趋扩大，节约用水问题，是目前水处理各项研究的主题工作。城市供水厂自用水量一般约占总供水量的5％～8％，但我国大部分城市供水厂的实际自用水量消耗较大，浪费较严重，具有较大的节水潜力。
目前，城市供水厂节水研究工作主要针对水厂生产废水的安全回用处理，以及单个工艺单元的控制节水模式及技术。但这些研究成果缺乏系统性和关联性，城市供水厂处理系统节水关键技术研究不足。因此，通过城市供水厂综合节水评价，在集成供水厂节水技术基础上，运用系统优化手段，将水厂的水源水质、处理规模、工艺流程和水质安全性等因素与经济因素相结合，综合分析城市供水厂生产自用水减量化潜力，系统、全面地研究节水型工艺、设备和运行控制方式的关键技术，对实施城市供水厂节水至关重要。
【发明内容】
本发明为解决现有的城市供水厂的节水系统存在的缺乏系统性和关联性、节水的关键技术缺乏系统理论研究的问题，提供一种城市供水厂综合节水的控制方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一：确定工艺单元的耗水率，对净水工艺和回收处理系统耗水现状进行评价，确定城市供水厂是否具备节水挖潜的能力；
步骤二：在城市供水厂具备节水潜力的条件下，确定回收处理系统优化节水关键环节和关键点，对所述关键环节和关键点实施提高节水能力的控制技术；重新确定城市供水厂的耗水率，实现综合节水。
本发明的方法采用计算机来实现，从而实现了城市供水厂的节水系统的自动控制过程。
本发明根据城市供水厂实际生产的耗水率以及同样处理系统下经验性节水的耗水率，并对两者进行比较，完成节水潜力的判定，在确定城市供水厂具备节水挖潜能力的前提下；确定城市供水厂节水关键技术环节和关键点；针对关键技术环节和关键点提高节水能力的控制技术；从而实现城市供水厂生产自用水综合减量化的目标。
本发明的有益效果：本发明以综合效益为目标，建立城市供水厂的综合节水的处理方法，本发明提出评价节水现状技术以及系统优化节水技术，实现节水、节药、节能的综合平衡。在确保水质、水量和经济因素的情况下，提供节水型城市供水厂的运行方案，对于实际生产具有一定指导意义。
【附图说明】
图1是本发明自用水消耗方式中控制排泥历时的示意图，其中横坐标表示时间，参数是秒s，纵坐标表示总固体，单位是克每升g/L；图2是本发明提出自用水消耗方式中确定排泥周期示意图，图3是本发明自用水消耗方式中确定排泥设备运行方式示意图，图4是自用水消耗方式中确定反冲洗时间示意图，图5是自用水消耗方式中确定反冲洗周期示意图。
【具体实施方式】
具体实施方式一：一种城市供水厂综合节水的控制方法，本实施方式由以下步骤实现：
步骤一：确定工艺单元的耗水率，对净水工艺和回收处理系统耗水现状进行评价，确定城市供水厂是否具备节水挖潜的能力；
步骤二：在城市供水厂具备节水潜力的条件下，确定回收处理系统优化节水关键环节和关键点，对所述关键环节和关键点实施提高节水能力的控制技术；重新确定城市供水厂的耗水率，实现综合节水。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种城市供水厂综合节水的控制方法的进一步说明，步骤一中所述的耗水率的计算方法由公式一表示：
公式一：
式中所述净产水量是根据城市供水厂处理系统实际运行中的净产水量；自用水量是指：排泥水量与反冲洗水量的和减去上清液水量所获得的自用水量。
本实施方式所述自用水量中的排泥水量是指：在沉淀单元和混凝单元的运行过程中，在池底会产生积泥，为了不影响工艺单元的出水水质或水力条件，需要定期将池底的污泥排出池外，池底污泥含水率较高，一般在90％以上，在排出污泥时，伴随着大量的排泥水的流出；
所述的排泥水量根据日排泥水量来计算，所述日排泥水量由公式二表示：
公式二：
公式中地排泥周期取其实际运行时的定值；
公式中的一次排泥水量由公式三获得：
公式三：
式中：D表示吸泥管内径，单位是mm；v表示吸泥管内水流流速，单位是m/s；Z表示吸泥管根数；t表示吸泥机运行一次时间，单位是s。
本实施方式所述自用水量中的反冲洗水量是指：过滤单元对水质的净化功能是依靠滤料的截留、黏附、吸附等作用，随着工艺的不断运行，滤料存在含污能力饱和的问题，需要对滤料进行反冲洗，从而清除其所截留的污物，使其恢复过滤能力，在反冲洗的过程中，需要消耗大量的反冲洗水；
所述反冲洗水量根据日反冲水量获得，所述日冲水量由公式四表示为：
公式四：
其中，反冲洗周期取其实际运行时的定值；
根据反冲洗的运行参数建立一次反冲洗水量的计算式由公式五表示：
公式五：一次反冲洗水量＝q×t×s，
式中：q表示反冲洗强度，单位是m3/(s·m2)；t是反冲洗时间，单位是s；s是反冲洗面积，单位是m2。
本实施方式所述自用水量中的上清液水量分别指：在优化节水关键环节中，对自用水消耗单元的回收利用处理单元中的回收利用水均可视为上清液。所述回收利用处理单元中的水质情况分为较好的自用水废水和较差的自用水废水，所述较好的自用水废水，通过调节池后，可采取直接回用的方式使用上清液；对于水质情况较差的自用水废水，需要通过调节、沉淀、浓缩后，泥水分离回产生水质情况较好的上清液，再提升至配水井与原水混合回收利用。
所述的上清液水量由公式六表示：
公式六：上清液水量＝∑Qi×R
式中：Qi表示各个工艺单元自用水量，单位是m3；R表示回用比例，单位是％。
所述的回收利用处理单元在处理节水过程中采用处理后回收利用，对于已经建成投产的城市供水厂而言，受到经济条件或场地条件所限，增加回用处理构筑物具有较大的困难，则可考虑直接回用，研究自用水废水直接回用对混凝沉淀单元是有影响的，应该在保障水质安全的前提下，确定自用水废水优化节水回收利用比率。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种城市供水厂综合节水的控制方法的进一步说明，步骤一所述的对净水工艺和回收处理系统耗水现状进行评价具体指：城市供水厂实际运行的耗水率与确定的经验节水范围内的耗水率进行对比，确定城市供水厂的自用水现状，对城市供水厂处理系统的自用水消耗情况、节水潜力进行评价。
本实施方式所述的确定经验节水耗水率的评价标准为：将城市供水厂处理系统的耗水率的3％定义为经验节水范围，此时的自用水量消耗较小，定义为A类系统；城市供水厂处理系统耗水率为3～5％时，则其具有一定的节水改造空间，定义为B类系统；耗水率超过5～8％的城市供水厂处理系统，定义为C类系统，则其水资源浪费较为严重，必须对其进行节水改造。根据多年的研究及同行业城市供水厂的实际生产经验表明，在保障安全供水的前提下，可将城市供水厂处理系统的耗水率控制在3～5％左右。因此，从实际生产的角度出发以确定节水的评价标准。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种城市供水厂综合节水的控制方法的进一步说明，步骤一所述的城市供水厂具备节水潜力的条件是指：城市供水厂的自用水消耗大、并经过改造之后能够大幅度降低自用水消耗的单元，所述自用水消耗的单元是指：沉淀单元、过滤单元或回收利用处理单元。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种城市供水厂综合节水的控制方法的进一步说明，步骤二所述的节水关键点是指城市供水厂运行过程中的具体运行操作点，所述运行操作点具体为：沉淀池的排泥形式、排泥的操作方法、排泥水的沉降性能、滤池的反冲洗方式、反冲洗时间和反冲洗周期。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种城市供水厂综合节水的控制方法的进一步说明，步骤二所述的对关键环节和关键点实施提高节水能力的控制技术是指对自用水的消耗方式进行控制，所述自用水的消耗方式是指排泥水或反冲洗水两种优化节水方式。
分别对本实施方式所述的两种方式进行分析和研究，确定工艺设备运行时的优化节水控制技术。
具体实施方式七：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式六所述的一种城市供水厂综合节水的控制方法的进一步说明，本实施方式是对自用水消耗方式中的排泥水的优化节水方式进行优化：
其优化过程为：通过研究排泥水过程中排泥水总固体含量的变化趋势，确定最佳的排泥历时，参见图1；排泥环节的排泥过程的变化趋势是基本相同的：自排泥开始，排泥水总固体浓度迅速增加，短时间内出现最大值，即峰值；所述排泥水总固体浓度迅速降低至时间点T1后趋向平稳，变化不再明显。所以，时间点T1可以视为采用排泥水优化节水方式优化节水排泥历时的结束点。在实际情况中，由于进水浊度的高低影响排泥水高浊度期的长短。因此，要测定不同水质期的排泥水总固体浓度，建立进水浊度及排泥历时的关系曲线，需要确定不同进水浊度条件下的时间点T1；
本实施方式根据排泥周期变化对沉淀池出水浊度的影响，确定优化节水的排泥运行周期，参见图2；设定两组工艺单元平行运行，保持系统1的排泥周期为原固定值，延长系统2的排泥周期，每延长一次排泥周期，系统均稳定运行两个周期，测定两组系统的沉淀出水浊度，对比排泥周期对工艺单元出水浊度的影响。系统2的沉淀出水浊度和系统1的沉淀出水浊度之差要求小于0.5NTU。通过系统1与系统2的对比，确定节水优化的排泥周期：在时间点T2，系统2的出水浊度明显高于系统1的出水浊度，说明系统2设置的排泥周期对沉淀出水产生明显影响，因此不能采用时间点T2，只能采用小于T2的时间点作为排泥周期。在时间点T3，虽然系统1的出水与系统2的出水没有明显差别，但是如果此时发生排泥不畅的情况，排泥周期取时间点T3。
本实施方式通过研究工艺单元池底污泥积泥情况，提出排泥设备优化节水运行的控制方式，参见图3：根据确定的池底积泥情况变化临界点X，提出各种排泥设备的优化节水运行方式，所述优化节水运行的方式可以为分速运行方式或者分段运行方式：
分速运行——0～X段污泥浓度较高，吸泥机、刮泥机的运行速度相对放慢一些，穿孔管排泥阀的开启时间相对延长；X～1段污泥浓度较低，吸泥机、刮泥机的运行速度可适时的提高一些，穿孔管排泥阀的开启时间相对缩短。
分段运行——0～X段积泥较多，X～1段积泥较少，可设定吸泥机、刮泥机在对0～X段往返二或三个行程后，再沿0～1全程运行排泥一次；可设定穿孔管调整排泥阀开启次数，0～X段排泥阀开启二或三次后，再0～1全程排泥阀开启一次。
具体实施方式八：结合图4和图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式六所述的一种城市供水厂综合节水的控制方法的进一步说明，本实施方式对自用水的消耗方式中的反冲洗水的优化节水方式进行优化；
所述反冲洗水的优化节水过程分别从控制反冲洗时间和控制反冲洗周期两方面进行说明：
从控制反冲洗时间的角度进行说明：通过研究反冲洗排放水浊度随时间变化的特性，确定滤池的节水运行技术，参见图4：参照《城镇供水厂运行，维护及安全技术规范》(CJJ58-94)并保证反冲洗的效果，判断反冲洗干净的标准为反冲洗排放水浊度低于10NTU。根据反冲洗排放水浊度曲线，当反冲洗排放水浊度低于10NTU，确定反冲洗后期反冲洗水利用率较低的时间点T4，将其确定为经济的反冲洗时间，从而可缩短反冲洗时间，节约反冲洗水量，降低耗水率。
从控制反冲洗周期的角度进行说明：首先对滤池出水浊度进行监测，通过延长滤池运行周期，实现减少滤池反冲洗次数，节省反冲洗水量，参见图5；通过出水浊度测定试验，可将反冲洗周期延长，直至过滤单元出水受到明显影响，或接近国家规定的出水标准，结合图5中时间点T5所示，所述滤后出水浊度的范围在0.8NTU--1.0NTU，将此时的反冲洗周期确定节水优化的反冲洗周期。
本实施方式在原反冲洗水优化节水方式的基础上，对原有反冲洗水优化过程提出了一些改进措施：采用中、低强度水反冲洗加表面冲洗装置以加强反冲洗；利用脉冲水塔或脉冲泵等对滤池进行脉冲式反冲洗。这些措施均能达到节约反冲洗用水量，降低耗水率，改善冲洗效果及增强截污能力的效果。
具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式一的所述的一种城市供水厂综合节水的控制方法的区别在于，本实施方式还包括步骤三：对综合节水改造后带来的效益进行评定；所述效益评定是对环境效益的评定和经济效益的评定，将评定效益的结果与节水改造前进行对比，当节水改造后的耗水率高于或等于节水改造前的耗水率时，则返回执行步骤一和步骤二，重新调整耗水率，直到节水改造后的耗水率低于节水改造前的耗水率为止。
本实施方式所述的节水改造后带来的效益主要是围绕耗水率的变化，以及耗水率引起的其它指标的变化，进行前后评定，实施改造后，城市供水厂处理系统的运行参数会有一定的变化，工艺单元运行参数的变化直接影响到耗水率，实现节水运行的目标，带来一定的社会效益；耗水率的变化引起水资源、投药量、电能源的变化，结合城市供水厂运行消耗情况以及当地经济情况，评定产生的经济效益。
具体实施方式十：本实施方式是对实施方式九所述的一种城市供水厂综合节水的控制方法的进一步说明，所述的环境效益评定是指：首先确定节水改造后的运行参数，然后根据耗水率的计算方法来计算节水改造后各个工艺单元及处理系统的耗水率和自用水量；与节水改造前的对比，从而实现环境效益的评定。
具体实施方式十一：本实施方式是对实施方式九所述的一种城市供水厂综合节水的控制方法的进一步说明，所述的经济效益评定是指：通过对节水改造后由耗水率、自用水量的变化所引起的城市供水厂制水成本、运行费用的变化进行计算，从而实现经济效益的评定；根据实际城市供水厂近年的生产水平，按照消耗方式，分别确定单位自用水量的水耗、电耗、药耗，以及当地的单位水耗、电耗、药耗的费用，再与节约的自用水量相乘，进行罗列计算，从而最终得出节约的生产费用。
本发明在自用水消耗过程中存在各种外界条件，主要因素为：
一、水质：天然地表水中，水质成分复杂，原水浊度、pH值、碱度和色度等水质指标随时间、空间的变化往往是频繁的。在实际运行中，原水浊度的变化往往是频繁的，而pH值、碱度和色度等水质因素的变化往往较小，甚至常年处于稳定状态。所以，考察水质因素对自用水消耗的影响主要就是指原水浊度所造成的影响。此外，混凝剂、助凝剂等药剂的投加改变了原水水质结构及物理化学特性，使得水质在处理过程中不断变化，直到最终符合要求。同一城市供水厂的不同时期或者不同地域的不同城市供水厂，为保障出水水质达标，都需要根据水质的特性设定处理系统的运行工况，从而使各个工艺单元的自用水消耗情况有所不同。
二、水温：天然地表水易受外部环境的影响，其中，温度就作为一个不可控制因素而存在。不同时期、不同地域的城市供水厂原水水温具有较大的差异，温度对处理系统的影响一般是通过改变混凝剂、助凝剂等的投加来控制，从而改变了排泥水和反冲洗水的情况，间接的对上清液回用也有一定影响。
三、工艺设备：由于构筑物及相关设备的影响，处理系统运行过程中处理效果、水力条件等必然受到影响，从而影响各个工艺单元消耗自用水的情况，根据不同的工艺单元，其处理过程也会不同，涉及自用水的情况自然不同；对于同一工艺单元，当池型不同时，相应的工艺单元的水力条件、运行状态是有差别的，其自用水一次耗水量、耗水周期也将不同；即使是同一工艺单元的同一池型，当耗水设备不同时，其消耗的自用水在水质、水量上也都不相同。所以，不同工艺设备的城市供水厂之间，其耗水率具有一定的差异。
本发明以建立城市供水厂综合节水的处理方法，对实现城市供水厂节能减排具有促进意义。本发明针对我国城市供水厂自用水现状，以及国家《节能减排综合性工作方案》中的实施水资源节约利用，提高自用水利用效率、减少自用水量消耗的要求，通过大量的调查分析，在确定城市供水厂节水潜力的基础上，运用多方面的手段，将城市供水厂的水源水质、处理规模、工艺流程和水质安全性等因素纳入城市供水厂节水关键技术的研究，并且通过实际城市供水厂的示范研究，为建立城市供水厂的综合节水处理指导生产实践，提供基本的研究模式。