《Energies》：Rational Control of Rapid Water Filtration with Respect to Energy Consumption (Literature Review)
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本文对水处理与输配系统中的能量消耗进行了文献综述。在全球层面，讨论了水处理与输配系统的电力消耗与总发电量的关系。回顾了水处理厂能源效率的现有数据。识别了降低泵站、配水管网和水处理厂能耗的潜在措施。本文还重点提供了不同规模居民点配水系统结构的相关文献数据，使所分
本文对水处理与输配系统中的能量消耗进行了文献综述。在全球层面，讨论了水处理与输配系统的电力消耗与总发电量的关系。回顾了水处理厂能源效率的现有数据。识别了降低泵站、配水管网和水处理厂能耗的潜在措施。本文还重点提供了不同规模居民点配水系统结构的相关文献数据，使所分析的供水系统能够与其他现有系统进行比较。通过一个实例表明，当水力计算仅基于从具有不可接受高漏损的管网获取的流量和压力测量值时，可能会错误评估配水系统的状况。特别关注了重力式快速过滤过程，重点是通过根据反洗水温度调整反洗强度来减少滤池反冲洗所需的能量。该方法允许在冬季降低反洗强度，从而最大限度地减少反洗过程中的滤料损失。这种调整所带来的能源和经济效益可以被量化。本文进一步描述了一种节能型滤池控制策略，并从能源角度讨论了其优化。同时解释了为何在没有实证研究的情况下无法先验地预测实施此类控制策略的效果。最后，给出了该策略实际应用的一个案例。
1. 引言
水温显著影响水处理过程以及管道内的水流阻力。由于供水管道中不太可能出现完全粗糙湍流，水流阻力取决于水的运动黏度，因此水温直接影响输水成本。提供充足饮用水和卫生设施的人口需求增长将推高财政支出。历史数据显示，2000年至2024年间欧盟平均家庭能源价格上涨了70%。同期全球用水量增长了四分之一。用水量和能源价格的双重增长使得在供水系统中采用节能技术变得至关重要。减少能源消耗的另一动因是二氧化碳排放的增加和化石燃料储量的枯竭。本综述旨在说明饮用水输配系统和水处理过程的能源强度在宏观层面上的重要性，以及电价趋势对家庭支出的潜在影响。由于各地区能源、劳动力成本和基础设施技术的差异，最优解决方案可能因地而异。综述指出，全球范围内水输送的能耗通常高于水处理，而海水淡化比常规处理技术耗能更多。然而，鉴于常规方法处理的淡水体积巨大，提高这些工艺的效率对于保障饮用水安全和降低整体能耗仍至关重要。本综述重点关注快速滤池反冲洗过程中的水和能源节约，以及变减率过滤系统下的运行。该运行策略无需对现有滤池进行结构性改造，几乎不产生投资成本。尽管无法先验地确定节能效果，但变减率滤池的控制策略仍可被优化，以确保在反冲洗前，运行时间最长的滤池达到尽可能高的滤层阻力，这通常对应着过滤周期内最大的过滤水量。综述辅以三个实践案例：一是基于高漏损管网数据校准的水力模型可能导致错误的系统改造结论；二是中试规模下反冲洗进水切断方式和停顿时间对后续过滤周期长度的影响；三是小型全尺寸滤池从恒速运行转换为优化变减率控制后反洗水量的减少。文献选择聚焦于工程实践中预测滤床膨胀的方法，特别是通过调整反洗参数以适应水温来实现节能的方法。同时，综述解释了为何现有数学模型无法理论确定改变控制策略所能实现的节能效果，并展示了如何在实际限制下选择变减率滤池的运行参数，以实现最长的过滤周期和最大的节水节能效益。
2. 能源需求
能源需求和二氧化碳排放取决于原水水质、水源类型、处理技术和需水量水平。斯堪的纳维亚国家水处理厂的能耗估计为0.2-0.4 kWh/m3，而在大量依赖海水淡化的中东地区则超过1 kWh/m3。全球大部分人口可获得安全饮用水，但地区差异显著。地下水被认为是最安全的饮用水源，而地表水水质变化更快。供水系统使用的能源类型因地理位置而异。配水系统中存在巨大的能量损失，减少真实漏损、保持管道低等效砂粒粗糙度和提高泵送系统效率可实现显著的节能。欧盟国家中，保加利亚和罗马尼亚的配水管网真实漏损率最高，卢森堡、德国等国最低。漏损常用美国水务协会的方法评估，其中基础设施漏损指数是关键参数。不可避免的年真实漏损代表经济上不合理继续降低的漏损水平。除了ILI，国际水协的方法还允许使用其他指标评估漏损。漏损量与管网故障率相关。供水与污水处理系统的高能耗部分可通过可再生能源抵消，其中光伏占比最大。针对全球70亿人口的模型估算了常规饮用水处理过程的能耗，其中东亚和太平洋地区最高。地表水处理比地下水处理更耗能。常规处理过程的默认能耗值被提出为0.198 kWh/m3。此外，还提供了不同消毒方式的默认能耗值。目前污水处理能耗高于饮用水处理，但厌氧氨氧化等工艺可降低其能耗。同时，污泥厌氧消化产生的沼气日益高效，一些污水厂已实现近零净能耗。高人均国民收入国家的单位水效益更高。这表明水行业节能潜力巨大，但宏观估算可能不够精确，应将分析转向单个供水系统。
3. 配水系统的能源强度
通过改善配水，尤其是在长距离输水或地形起伏需要压力分区时，可实现可观的节能。每个配水管网设计都需解决管径和管材选择问题。选择输水干管直径的目标函数是使建设、维护和输水总成本最小化，但长期电价预测极为困难。电价和施工成本的巨大差异意味着不同地区的最优管径可能不同。过小管径导致的总成本增加远大于过大管径，因此从总成本角度看，放大管径优于缩小管径。环境成本也很重要。可再生能源的增长和电池价格的下降正在改变电力格局。由于输入数据可靠性极低，工程实践中广泛使用基于经验法则的管径选择方法。环状管网的设计更为复杂。优化还可涉及管道路由、阀门位置、调节水库布局和压力分区等。通过在夜间降低水压可以减少漏损和能耗。管材选择方面，水泥砂浆衬里的球墨铸铁管若足够光滑，使用塑料管材带来的节能效果并不显著。对水泥砂浆衬里铁管的实测分析表明，其摩擦因子与水力光滑管非常接近。因此，适当的水泥砂浆衬里不一定导致更高的能耗。工厂涂覆的衬里由于离心力作用，表面孔隙率和等效砂粒粗糙度更低。选择水泥砂浆衬里还是聚合物喷涂衬里，本质上是化学保护与粘附保护之间的选择。在跨越高地形的供水系统中，可在高程顶点下游安装涡轮机回收能量，而非使用减压阀。泵站也存在巨大的节能机会。离心泵的效率取决于比转速。灌溉系统通常使用高比转速水泵。通过变频调速控制泵的运行是另一种节能方式。配备服务水库的供水系统在能源方面更具优势。在平坦地区，有时会采用地面水库，但这可能导致用电高峰时段消耗电能。末端水库的进水口应设置在不同高程，以维持较低的水力坡降线。
4. 第一个案例研究
位于波兰南部奥尔库什附近的锌铅矿在建设和运营期间需要持续排水，形成了巨大的降落漏斗，迫使矿山依法免费向区域供水系统供水。矿山关闭停止排水后，流入的地下水因硫化物氧化而具有极高的硫酸盐浓度和悬浮物，处理成本过高。虽然附近有优质地下水资源，但改变水源地意味着需要将水从低处泵送到高处，导致村庄附近压力大幅升高。水务公司建立了SCADA系统和管网水力模型。水力计算显示，即使是在当前最大小时需水量条件下，反向供水也会使输水干管沿线的名义压力超标。然而，由于过去数十年矿山免费供水，水务公司缺乏经济动力降低管网漏损，总漏损率平均约为35%，远高于波兰全国平均水平15.2%。假设漏损按需水量比例分布，计算表明在消除不可接受的漏损后，名义压力不会超标。这个案例表明，在监测和进行水力计算之前将漏损降至合理水平，可能会导致关于系统水力状况和所需现代化改造的根本性不同结论。这也说明了在仪表化和进行水力计算前将漏损降至可接受水平的价值。
5. 快速过滤中的节能
综述强调迫切需要提高水处理厂的能效。水处理技术因水源类型、原水水质等因素而异。由于可能的方案组合繁多，本文仅讨论快速过滤中的特定问题，主要关注影响饮用水安全和工艺能耗的方面。这些考虑适用于重力式滤池，不包括同步过滤和反冲洗的系统。
6. 滤池反冲洗过程中的节能
反冲洗与过滤密切相关。美欧实践的主要区别在于反冲洗程序。仅用水反冲洗效果较差，可能导致泥球形成。滤料粒径的选择传统上旨在防止表面沉积物和滤饼的形成。多层滤床是延长过滤周期的常用方法。近年来，反冲洗的多个方面受到特别关注，包括气水联合反冲洗的优化、滤床膨胀度的选择以及最终水漂洗阶段。中试研究表明，初始滤液质量在过滤周期开始的一小时内较差，缓慢启动过滤可改善此问题。空气辅助反冲洗的理论基础由Amirtharajah建立，他推导了用于确定发生collapse-pulsing现象的条件的方程。使用微气泡可大幅降低气水反冲洗的空气用量。一项针对压力过滤器的研究表明，极高反洗速率下短暂的水反洗可节省70%-80%的反洗水，但其适用性主要限于压力过滤器。普遍认为仅用水反冲洗存在局限性。快速滤池的反洗强度应根据反洗水温度进行调整。反冲洗过程中滤床处于流化状态，水流阻力由Ergun方程描述。最小流化速度取决于水的动力黏度，进而取决于温度。因此，根据水温调整反洗强度可在冬季减少用水和滤料流失。一旦超过最小流化速度，水头损失大致恒定，而孔隙率增加。实验研究表明，最小流化速度可通过针对特定滤料的经验公式更准确地计算。确定最小流化速度和沉降速度对于维持多层滤床的正确排列很重要。欧洲反冲洗系统的最后阶段是单独用水反洗，膨胀度为20%-30%，通常使用Richardson-Zaki方程计算。通过应用collapse-pulsing现象的气水联合反冲洗的前两个阶段比单独用水反洗有效得多。第三阶段即水反洗阶段的用水量应取决于水温。计算表明，根据月均水温调整反洗强度可带来季节性反洗水节约。
7. 实践与理论
反冲洗过程中并非所有污染物都能被去除。由于颗粒磨损和生物膜附着，滤料的比重会发生变化，因此基于清洁滤料计算的反洗强度在一段时间后不再适用。反洗强度的经验验证存在问题，实验室规模难以复现全尺寸下的循环路径。反冲洗与初始滤液质量紧密相关。反冲洗结束时，滤料颗粒仍受污染，沉降和相互摩擦会将污染物释放到水中，导致初始滤液质量差。应对这一问题的策略包括排放滤床上方的存水、排放初始滤液、在反洗结束时投加聚电解质、低于最小流化速度完成反洗或在反洗结束后引入停顿。
8. 第二个案例研究
一种改善初始滤液质量的方法是以低于最小流化速度的强度结束反冲洗。中试实验研究了反冲洗后停顿时间对过滤水头损失增长的影响。结果表明，快速切断反洗水并立即开始过滤时，水头损失增长最快；缓慢切断反洗水并立即过滤时增长稍慢；快速切断反洗水并在24小时后开始过滤时，水头损失增长显著减慢。这种减缓可解释为滤床先压实再截留固体，而非压实与截留同时发生。实验表明，延迟启动过滤可使过滤周期延长约20%，从而节省反洗水和相应能耗。在许多水厂，中断过滤数小时并不可行，但在部分东欧国家，由于历史原因水厂往往规模偏大，这为实施此类节能措施创造了机会。
9. 活性炭滤池与砂滤池的顺序
现代颗粒活性炭耐磨性强。南非某水厂的测量显示，一年运行后活性炭的粒径分布无明显变化。活性炭在运行中会转化为生物活性炭，这可以延长其有效使用寿命。然而，活性炭会产生碳细颗粒，特别是在填充初期。在日本，传统的快滤-臭氧-活性炭顺序正越来越多地被活性炭过滤前置的新配置所取代，例如夹层滤池。由于现代活性炭的高耐磨性，也出现了将其同时用作机械过滤介质和吸附剂的系统。
10. 变减率滤池的运行
实施变减率过滤控制策略需要满足若干条件：所有滤池设计相同、连接管道水头损失可忽略、进水口位于最低水位以下、至少四个滤池运行。该控制策略基于滤层线性层流水头损失、配水系统过渡流态水头损失和出水孔口湍流水头损失之间的相互作用，无需机械控制装置。运行时，水位变化会导致滤池上方储水量的微小变化。当水位升至预定值时，对流量最小的滤池进行反冲洗。反冲洗后，该滤池恢复运行并承担最高的水力负荷，其他滤池的负荷依次转移。中试实验展示了四柱变减率过滤系统中水力负荷随时间的变化。由于进水口位置和管道水头损失可忽略，各滤池水位始终相同。当水位达到预设值时，水力负荷最低的滤池退出反冲洗。反冲洗后，该滤池承担最高负荷，其余滤池负荷依次传递。该结果假设原水水质恒定，这在地表水处理中不现实。数值模拟表明，即使原水水质变化导致过滤周期大幅波动，只要在相同水位触发反冲洗，各滤池的流量基本保持不变。但水温会影响层流和过渡流阻力，而对湍流孔口阻力影响甚微，因此季节温差需要调整出水孔口的湍流阻力。
11. 控制策略与节能
正确计算的变减率滤池控制参数确保最近反洗的滤池流量受孔口水头阻力限制，而严重堵塞的滤池流量受滤层水头阻力限制。即将反洗的滤池的流量远低于平均流量，这意味着其滤层水头阻力可以远高于恒速运行下的情况，从而有机会延长过滤周期，实现节能。已有多种变减率滤池数学模型。早期模型基于Cleasby的观察：恒速和变减速滤柱的水位上升速率几乎相同。Cleasby和Di Bernardo提出了利用恒速过滤实验结果确定变减率系统控制参数的方法。Arboleda等人开发的模型包含描述各滤池水头损失、滤层阻力与过滤水量关系以及瞬时流量与水头变化关系的方程组。该模型的求解需要初始条件，例如假设所有滤池清洁且流量相同。经过几次完整的反冲洗序列后，计算结果趋于稳定。该模型逻辑一致，但描述滤层阻力变化的方程缺乏经验基础，系数难以确定。后续还有更实用的Di Bernardo模型可用于优化过滤周期时长。
12. 控制系统计算
尽管缺乏合适的深度过滤理论模型，但变减率控制策略本身仍可进行计算。这些计算虽不能确定过滤周期时长，但可以计算出应启动反冲洗时的总水头损失，以及为实现假定各滤池流量所需的水位波动幅度。此类计算基于各滤池流量在两次反冲洗操作之间几乎保持恒定的观察结果。Di Bernardo模型是其中最实用的模型之一，它包含一个简化的物料平衡方程、一个描述清洁滤池水头损失的方程，以及一组基于反冲洗前后滤层阻力与流量比值不变的方程。
