袁曉宇 Ignaz Worm Luuk Rietveld

(1.天津市市政工程設計研究院，天津 300392； 2.荷蘭代爾夫特理工大學，代爾夫特 2600 GA)

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Stimela在Wim Mensink水廠的模型驗證和供水方案的開發(fā)

袁曉宇1Ignaz Worm2Luuk Rietveld2

(1.天津市市政工程設計研究院，天津 300392； 2.荷蘭代爾夫特理工大學，代爾夫特 2600 GA)

結合荷蘭Heemskerk城市Wim Mensink供水廠的現(xiàn)狀，介紹了該供水廠的軟化工藝，通過采集其不同時間段與不同水處理工藝位置的原始測量數(shù)據(jù)，驗證了Stimela模型操作控制平臺的有效性，并提出了三種新的供水方案，以優(yōu)化供水廠的水處理效率。

供水廠，Stimela模型，軟化反應器，供水方案

1 概述

Wim Mensink供水處理廠當前的運行并非處于一個優(yōu)化的狀況，這主要是由于軟化反應器并沒有經(jīng)過優(yōu)化處理。從Heemskerk Ⅰ號供水處理廠經(jīng)RO處理過的水流入Wim Mensink有5%會被直接排放而并沒有經(jīng)過充分的利用，這5%的RO水將作為新的供水方案會盡可能多的回用到Wim Mensink供水廠[1]。此外更多的新供水方案是針對改進軟化反應器相關藥劑的投加以及后續(xù)工藝藥劑的投加而進行的相關開發(fā)[2]。

2 Wim Mensink供水廠現(xiàn)狀描述

Wim Mensink供水處理廠的最大水處理能力是5 850 m3/h，這其中包括Heemskerk Ⅰ號供水處理廠經(jīng)RO處理過而流入Wim Mensink的水[2]。該部分水首先通過沙丘地區(qū)進行調(diào)節(jié)，再分布至兩個水處理線。#1水處理線由帶有旁路和循環(huán)路的流化床軟化反應器，階梯曝氣池和快速砂濾池組成，CO2投加會在階梯曝氣池中進行來降低水的pH并且產(chǎn)生過飽和現(xiàn)象，#2水處理線則只由階梯曝氣池和快速砂濾池組成。這兩條線的出水會通過一個靜態(tài)混合器匯合Heemskerk Ⅰ號供水處理廠經(jīng)RO處理過的出水，同時ClO2會作為消毒藥劑投加在靜態(tài)混合器中，最終出水儲存在清水池中，準備下一步輸送至城市的分布式管網(wǎng)，兩個水處理線的水量分配是2∶1，其工藝流程圖見圖1。

3 軟化工藝描述

Wim Mensink供水廠有6個軟化反應器在運行，每個反應器的設計處理能力是500 m3/h[2]。原水的硬度最大是2.77 mmol/L，平均值是2.42 mmol/L。正常情況下，該處理廠選擇2.60 mmol/L作為原水的硬度。在這種情況下，5個反應器以每個反應器490 m3/h的流量混合Heemskerk Ⅰ號供水處理廠經(jīng)RO處理過的450 m3/h的水運行，這可以將出水的硬度處理到1.3 mmol/L[2]。在軟化工藝的設計中，有一個旁通管連接著軟化反應器的進口和出口，當反應器需要處理的水少于供應的水時，額外的水會經(jīng)過這個旁通管。當反應器需要處理的水多于供應的水時，該部分水會從階梯曝氣池取回而再次進入該反應器。前種情況稱之為旁路流，后種情況稱之為循環(huán)流，見圖2,圖3。

4 Stimela模型描述

Stimela模型由荷蘭代爾夫特理工大學和荷蘭DHV工程公司聯(lián)合開發(fā)，基于Matlab/Simulink?平臺和Matlab 6.5.2的運行環(huán)境[3]。所有的數(shù)據(jù)、圖形和圖表信息都存儲在一個臨時性存儲文件“.sti”中，該文件由“_in.sti”“_out.sti”“_ES.sti”“_EM.sti”組成?！癬in.sti”存儲所有的原始輸入信號，“_out.sti”存儲所有的計算輸出信號，“_ES.sti”存儲其他的所有輸入信號，“_EM.sti”存儲其他的所有計算輸出信號。水量和水質(zhì)參數(shù)從深色的waterspot模塊讀入并且寫入淺色的waterspot模塊。waterspot模塊中的信息會讀入或者寫入WSControl模塊，WSControl模塊是供水方案開發(fā)的控制文件。

5 數(shù)據(jù)收集

為了驗證模型的有效性，需要采集Wim Mensink供水處理廠不同時間段以及不同水處理工藝位置的原始測量數(shù)據(jù)。根據(jù)實驗室對軟化反應器軟化球篩分實驗的進行時間，其他測量數(shù)據(jù)的選取與其時間段相同，以便進行平行分析[4]。該軟化球篩分實驗起始時間是2009年1月20日，終止時間是2009年3月11日，其他測量值選取的內(nèi)容是不同水處理工藝位置的各類水質(zhì)參數(shù)、流量、軟化反應器的壓力降、流化床高度。

根據(jù)在篩分實驗時間之內(nèi)Wim Mensink軟化反應器的運行時間，選擇 #3反應器、#4反應器和 #6反應器進行不同流化床高度下軟化球的采集。該實驗將流化床分為7層，每層高度為0.5 m，第1層為反應器的底部，使用的軟化球采集工具是一個足夠長的塑料管。在實驗時間內(nèi)該篩分實驗的平均值見表1。通過兩個月該篩分實驗以及同期其他測量值數(shù)據(jù)結果的收集，下一個模型驗證階段的原始數(shù)據(jù)準備工作已經(jīng)完成。

6 Stimela模型驗證

表1 各軟化反應器軟化球直徑的平均值

Stimela的模型驗證主要分成兩個部分的驗證，第一部分是對主要部位軟化反應器進行單獨驗證，第二部分是對整個供水處理系統(tǒng)進行統(tǒng)一驗證[5]。

通過之前篩分實驗的數(shù)據(jù)分析，#4軟化反應器的測量結果較之其他兩個反應器更為穩(wěn)定，因此選擇#4軟化反應器作為典型示例來作為驗證Stimela模型的依據(jù)，同時流化床的高度、軟化反應器的總壓力降、軟化球直徑將作為主要的指標來對模型的驗證進行評價。圖4和圖5描述了實驗測量和模型計算的軟化球直徑和流化床高度以及單一模型計算的軟化反應器壓力降。軟化反應器模型計算的結果通過和測量值的比較很好的反映了該模型與真實情況的匹配度，并可以作為模型其他參數(shù)計算結果的依據(jù)和整個供水處理系統(tǒng)模型驗證的基礎[6]。

整個供水處理系統(tǒng)的模型驗證主要通過對2個取樣點2個主要水質(zhì)參數(shù)進行驗證，兩個取樣點分別是#1水處理線階梯曝氣池后和兩條水處理線最終混合經(jīng)RO處理過的出水后。通過模型驗證的主要水質(zhì)參數(shù)是總硬度。圖6和圖7的模型驗證結果表達了更好的模型匹配度，并且模型的相對誤差均在10%以內(nèi)[3，7]。

7 供水方案的開發(fā)

基于模型已經(jīng)被成功驗證的基礎，下一步的工作是在供水廠現(xiàn)有良好的供水條件下通過模型模擬解決當前的供水問題和一些不利的運行條件，通過找到合理的運行方式為供水廠進一步解決問題提供依據(jù)。當前有3個供推薦的新供水方案可被Wim Mensink供水廠采納，并且有較高的適用性。

1)最大化的使用經(jīng)RO處理過流入Wim Mensink的5%未被直接利用的水。通過將5%的該部分水引入模型運行并且對最終的出水總硬度水質(zhì)指標的評定，可以證明，該部分水在水力和操作條件允許的情況下，完全混合進最終的出水不會對出水水質(zhì)產(chǎn)生影響，但若實現(xiàn)全部水量的匯入，從操作的可實現(xiàn)性上有一定的困難。匯入后出水的總硬度見圖8。

2)最大化的增加軟化反應器流化床的高度。通過最大化的增加軟化反應器流化床的高度會使軟化反應器的結晶化表面增加同時可以降低軟化反應器出水的飽和度[8]。當前的流化床高度約是3.0 m并且根據(jù)模型運行的結果軟化球的直徑約是0.80 mm，通過調(diào)整軟化反應器壓力降在1.80 m～2.60 m的數(shù)值，流化床高度最高可以升高到4.50 m并且排放的軟化球直徑最大可以增加到0.90 mm，這就意味著軟化球可以更加充分的利用同時在相同數(shù)量NaOH投加的情況下，NaOH可以使用的更充分，這樣在階梯曝氣階段就可以進行更少的CO2投加[9，10]。圖9～圖12很好的反映了這一變化帶來的模型運行結果的變化。

3)通過改變決定控制參數(shù)降低NaOH投加和CO2投加的數(shù)量。當前Wim Mensink水廠NaOH投加和CO2投加的控制因素是由#1水處理線的總進水量決定的，但由于后續(xù)軟化反應器旁路流和循環(huán)流的工藝改進，該水廠當前的控制方式已不能很好的對NaOH投加和CO2投加進行最經(jīng)濟的投加量控制。通過Stimela模型，可以首先將決定NaOH投加和CO2投加數(shù)量的控制因素改變?yōu)檐浕磻魅肟诘牧髁?，這一改變帶來了顯著的NaOH投加和CO2投加數(shù)量的降低，并且對最終出水的總硬度沒有任何影響。圖13～圖16很好的反映了在該供水方案的實施下藥劑投加和水質(zhì)參數(shù)各方面的改進。

8 結論和建議

Stimela模型的成功驗證以及新的供水方案開發(fā)，為Wim Mensink供水處理廠帶來了有效的實驗模擬工具，這為該水廠以后若干其他水處理工藝的變革作出了更為充分的準備，也為荷蘭WATERSPOT項目的實施提供了又一個嶄新的平臺[2，3]。未來Stimela模型的調(diào)試者和運行者需要更有針對性的結合Wim Mensink供水處理廠的歷史數(shù)據(jù)及其具體的控制情況，同時需要時刻補充對新加入Stimela成員的培訓工作，來更為快速、準確而有效的開發(fā)和解決所面臨的問題。

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Stimela model validation on water supply plant Wim Mensink and water control strategies development

Yuan Xiaoyu1Ignaz Worm2Luuk Rietveld2

(1.TianjinMunicipalEngineeringDesignandResearchInstitute,Tianjin300392,China; 2.DelftUniversityofTechnology,Delft2600 GA,Netherlands)

Combining with the status of Wim Mensink water supply plant of Holland Meemskerk, this paper introduced the softening process of the water supply plant, through the acquisition of original measurement data of different periods and different water treatment process locations, verified the validity of Stimela model operation control platform, and put forward three kinds of new water supply schemes, to optimize the water treatment efficiency of water supply plant.

water supply plant, Stimela model, softening reactor, water supply scheme

1009-6825(2017)06-0143-03

2016-12-08

袁曉宇(1984- ),男，工程師

TU991

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