基于價值工程理念的水廠膜處理方案比選研究

閻軍基，彭前程，宋子明

（1.酒泉市肅州區(qū)供排水總公司，甘肅酒泉 735000；2.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，武漢 430010）

0 引 言

近年來，我國繼續(xù)保持較高的經(jīng)濟發(fā)展速率，而隨著工農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展，生活、生產(chǎn)的廢水對飲用水源造成了一定的污染［1］。

據(jù)資料顯示，微污染水源依舊是我國的主要飲用水水源。另一方面，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，生活飲用水的水質(zhì)標準大幅提高。我國于2022年4月1日正式實施新的《生活飲用水衛(wèi)生標準》GB5749-2022，新標準將原標準中的“非常規(guī)指標”調(diào)整為“擴展指標”，以反映地區(qū)生活飲用水水質(zhì)特征及在一定時間內(nèi)或特殊情況的水質(zhì)特征。指標數(shù)量由原標準的106 項調(diào)整為97 項，包括常規(guī)指標43 項和擴展指標54 項。新標準更加關(guān)注感官指標、更加關(guān)注消毒副產(chǎn)物、更加關(guān)注風險變化，同時提高部分指標限值，對水源、制水、輸水、儲水和末梢水均提出了控制性要求，使得現(xiàn)有的供水行業(yè)面臨著前所未有的技術(shù)挑戰(zhàn)。

目前，我國自來水生產(chǎn)工藝依舊主要為傳統(tǒng)的混凝、沉淀、過濾和濾后消毒四步處理步驟［2］。按其處理的對象則主要分為三級：預(yù)處理、常規(guī)處理以及深度處理。其中，深度處理主要是對常規(guī)處理后的水進行進一步氧化、吸附和過濾，以去除常規(guī)處理難以去除的溶解性有機質(zhì)、少量重金屬、細菌、病毒等有害物質(zhì)。

目前常用的水深度處理工藝主要為臭氧-活性炭和膜處理工藝，以除鹽為目標的深度處理常用膜處理工藝［4］。其中，膜分離法是一種物理處理方法，其主要采用高分子薄膜作介質(zhì)，以附加能量為推動力，從而對雙組分或多組分固液進行表面過濾分離。目前常用的集中膜分離方法為微濾、超濾、納濾以及反滲透。

不同膜分離方法各有其適用范圍，在應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實際情況選擇最合理的處理工藝。其不僅要求考慮源水水質(zhì)和處理后的水質(zhì)要求，同時應(yīng)考慮建設(shè)以及運營成本等［5］。本文結(jié)合西部某水廠建設(shè)所采用的“超濾+納濾”雙膜處理工藝，采用價值工程原理，分析不同深度處理水量下的出水水質(zhì)及建設(shè)、運營成本，以期確定最優(yōu)工程方案。

1 資料與研究對象

1.1 水廠工程概況

該工程位于我國西北河西走廊地區(qū)，于2016年建成投產(chǎn)，廠址位于某水源地一級保護區(qū)內(nèi)。水廠設(shè)計供水能力為10 萬m3/d，目前夏季供水高峰期實際供水規(guī)模約8.5 萬m3/d，冬季用水低峰期實際供水規(guī)模約4.5 萬m3/d。整個工程內(nèi)容包括：取水工程、調(diào)蓄水池工程、凈水廠工程、輸水工程，其中凈水廠工程費用為28 215 萬元，凈水工藝流程如圖1所示。

圖1 水廠主體凈水工藝圖Fig.1 Water purification process for the main body of the water plant

1.2 原水水質(zhì)情況及供水水質(zhì)要求

根據(jù)該水廠工程的原水水質(zhì)檢測報告，對比《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB5749-2022）［6］，原水總硬度雖未超標，但數(shù)值偏高；同時硫酸鹽略超標準。其余水質(zhì)特征指標較好且穩(wěn)定。同時，原水濁度也是影響水質(zhì)情況的重要指標，因此結(jié)合相關(guān)文獻和國家標準。本工程最終確定原水濁度、總硬度、硫酸鹽指標為本文分析的主要水質(zhì)指標。

在目前的自來水處理工藝中，常規(guī)處理工藝無法降低總硬度以及硫酸鹽指標，因此有必要進行深度處理系統(tǒng)的建設(shè)，使出水水質(zhì)達到健康水水質(zhì)標準（總硬度170 mg/L 左右、硫酸鹽130 mg/L 左右），結(jié)合相關(guān)文獻［7］及國家標準，綜合考慮后確定進廠原水及出廠水主要特征水質(zhì)指標如表1所示。

表1 水質(zhì)預(yù)測表Tab.1 Water quality prediction table

1.3 主要水質(zhì)指標處理方案

本工程的主要水質(zhì)指標為原水濁度、總硬度和硫酸鹽。其中，原水濁度可由常規(guī)處理工藝去除。所謂常規(guī)水處理工藝主要是指應(yīng)用混凝、沉淀、過濾和消毒等手段以處理原水中在常見范圍內(nèi)的濁度以及污染物等指標。盡管常規(guī)水處理工藝具有一定的局限性，但由于其同時具有的投資成本低、工藝流程成熟等特點，依舊是水處理中最常用和最基本的處理方法。注意到本工程所使用的原水具有低溫低濁、含藻、濁度和水量變化幅度較大等特點，因此最終確定本項目的常規(guī)處理工藝采用“高效沉淀池+V型濾池”組合。

總硬度及硫酸鹽無法通過常規(guī)處理工藝降低到本項目要求，需進行深度處理。根據(jù)目前國內(nèi)外常用的除鹽、降硬度工藝及運行情況，本項目采用“超濾+納濾”的雙膜處理工藝。納濾膜對總硬度和硫酸鹽的去除率較高，可達到95%以上，如水廠將全部原水經(jīng)過雙膜處理，則出廠水基本為純水，其離子含量過低，對人體來說并不健康。因此，只是將常規(guī)處理后的部分水進行深度處理，然后與未進行深度處理的水混合，使其水質(zhì)符合健康水的要求后外供。

在這一背景下，本研究著手對理工類院校ESP課程需求進行調(diào)查分析，以為下一步的大學(xué)英語教學(xué)改革提供實證支撐。本研究的開展主要基于以下兩點認識：首先是理工類學(xué)生的專業(yè)性強，其專業(yè)英語與EGP教學(xué)內(nèi)容差別更大，因而他們的ESP需求更具代表性；其次是根據(jù)需求理論，需求分析是系統(tǒng)化的教學(xué)課程改革建設(shè)中不可缺少的一環(huán)，其重要性包含課程改革的所有方面，而國內(nèi)目前的需求分析主要著眼于高職院校學(xué)生的ESP需求分析，對普通高校，尤其是理工類院校學(xué)生的ESP需求調(diào)查則嚴重缺乏。

上述將部分水進行深度處理的做法，也是國內(nèi)外具有除鹽需求水廠的常規(guī)做法。本項目總規(guī)模為10 萬m3/d，以1 萬m3/d的模數(shù)，計算在不同深度處理水量下的出水水質(zhì)及建設(shè)、運營成本情況如表2所示。

由表2 可見，不同的深度處理水量對最終的出水水質(zhì)以及建設(shè)、運行成本具有直接影響。因此，有必要找出最合理的深度處理水量，以使產(chǎn)生的價值最高。針對該問題，需要采用合理的方法進行量化分析，以找到該問題的最優(yōu)解。價值工程是一種針對所述對象功能和成本的現(xiàn)代管理技術(shù)，進而提高對象的價值［3］。因此，實例分析階段將基于價值工程原理，以篩選出最優(yōu)膜處理水量。

表2 膜處理方案情況表Tab.2 Membrane treatment plan situation table

2 價值工程原理

價值工程是指通過分析產(chǎn)品內(nèi)部的某個部件或系統(tǒng)的功能與成本之間的關(guān)系，力求以最低的壽命周期成本實現(xiàn)產(chǎn)品的必要功能，進而提高產(chǎn)品的價值［8］。價值工程以功能分析為核心，從而確定重點改進的功能和成本投入的增減，最終實現(xiàn)整個產(chǎn)品的經(jīng)濟效益最大化。其一般形式可表示為：

對某一產(chǎn)品而言，F(xiàn)為該產(chǎn)品某項功能的相對重要程度；C為壽命周期成本，其所表現(xiàn)的意義為為實現(xiàn)產(chǎn)品某項功能所花費成本占總成本的相對大小。因此，價值工程中的價值F表示該產(chǎn)品某部件功能的相對價值，其主要是為增減某一部件功能和投入決策服務(wù)。當V大于1 時，說明某部件功能相對重要而成本較低，可能存在投入不夠的情況；當V小于1 時，說明某部件功能相對不重要卻投入較大，可能存在生產(chǎn)工藝落后或功能冗余的情況。

3 方案比選的量化分析

3.1 價值分析與工程方案比選分析

價值分析主要是借助價值工程的原理，以實現(xiàn)分析對象的價值最大化。而工程方案比選的評價體系則較為復(fù)雜多元化，其主要是指通過對不同工程方案的不同指標進行比對，以從多個可能方案中選擇最優(yōu)方案。該兩者分析的對象不盡相同，所要達到的目的也不盡相同。

盡管價值分析與工程方案比選分析的目的不盡相同，但在進行工程方案比選中方案價值的分析時仍可采用價值工程的原理。其中，F(xiàn)為方案的功能系數(shù)，C為成本系數(shù)，V在此時則主要體現(xiàn)為該方案的工程價值，在所有可能的方案中價值V最大的方案即為最終的推薦方案。

在利用價值工程原理進行工程方案比選分析時，針對參數(shù)F和C的處理，當前多采用線性變換以進行歸一化處理的方式［9-11］，方案的價值就成了單位成本產(chǎn)生的功能效益。這樣的處理導(dǎo)致的結(jié)果是成本較低的方案往往占有較大的優(yōu)勢，進而使得所選的方案不一定是最優(yōu)方案，不能反映方案比選的實際要求。因此有必要對價值工程的模型進行優(yōu)化改進，以使其更符合方案分析的實際需求。

3.2 工程方案比選量化模型的建立

通過對價值工程模型進行分析改進，工程方案比選量化模型可由下式表示：

式中：V′為方案的價值系數(shù)，越大方案越優(yōu)；ΣF′為功能效益系數(shù)，可將功能指標進行歸一化處理后綜合加權(quán)得到，主要反映功能效益的大小程度；C′為壽命周期成本系數(shù)，主要反映所花費成本的可接受程度。

式（2）即為工程方案比選的量化模型。而其中，功能效益系數(shù)以及成本系數(shù)的確定是關(guān)鍵一環(huán)。

針對功能效益系數(shù)，一般而言，在工程方案中會存在一部分無法量化功能效益大小的指標。針對這些指標，可直接采用賦分法進行處理。對于可量化的功能效益指標，則采用模糊數(shù)學(xué)的方法。

以本項目為例，雖然飲用水水質(zhì)指標有明確的健康標準，但實際上健康與不健康的界限非常模糊，此時采用模糊數(shù)學(xué)的方法進行相關(guān)指標的處理則更為科學(xué)。一般認為指標界限模糊隨機變量服從正態(tài)分布［12］，X1：N（u1，σ1），X2：N（u2，σ2）。

注意到總硬度是健康水指標的一種，因此可認為總硬度指標為健康水指標的隸屬。依據(jù)模糊數(shù)學(xué)的理論，可將總硬度指標與健康水指標的映射關(guān)系看作總硬度指標為健康水指標的隸屬度函數(shù)。該隸屬度函數(shù)所代表的工程含義為總硬度指標在某指標下隸屬健康水的程度，其可作為功能指標效益系數(shù)。同理，硫酸鹽指標也可作為健康水指標的隸屬度函數(shù)。

對于總硬度指標，綜合現(xiàn)有飲用水水質(zhì)資料，其邊界隨機變量中的下限u1為50 mg/L，上限u2為200 mg/L，即健康與不健康的上下界限分別位于50 mg/L 和200 mg/L 的可能性最大，且最小為0，最大為450 mg/L。因此可認為總硬度在50～200 mg/L范圍內(nèi)的飲用水是健康的，且在水硬度為170 mg/L 時最佳。則可得飲用水硬度指標的邊界隨機變量分布圖如圖2所示。

圖2 邊界隨機變量分布曲線Fig.2 Boundary random variable distribution curve

則總硬度指標的隸屬度函數(shù)可表示為：

當x≤50 mg/L時，A（x）=Ф［（x-u1）/σ1］，根據(jù)正態(tài)分布函數(shù)性質(zhì)，可得u1=50，σ1=16.67。

當50 mg/L＜x＜200 mg/L 時，A（x）=Ф［（x-u1）/σ1］-Ф［（xu2）/σ2］，根據(jù)正態(tài)分布函數(shù)性質(zhì)，可得u1=50，σ1=40，u2=200，σ2=10。

當x≥200 mg/L時，A（x）=1-Ф［（x-u2）/σ2］根據(jù)正態(tài)分布函數(shù)性質(zhì)，可得u2=200，σ2=83.33。

對于硫酸鹽指標，一般而言指標值越小越好，因此可認為其下限值為0，此時硫酸鹽指標在健康水中的隸屬度為1；根據(jù)飲用水水質(zhì)資料，其上限為250 mg/L，此時健康水的隸屬度為0；在硫酸鹽指標為130 mg/L 時，健康水的隸屬度為0.5。則硫酸鹽指標的隸屬度函數(shù)可表示為A′（x）=1-Ф［（x-130）/40］。

針對成本系數(shù)，注意到采用線性變換方式明顯不符合實際情況，例如3 個方案成本分別為1 000 萬元、2 000 萬元、3 000萬元，若采用線性變換，其相鄰兩者之間就變成了2 倍和1.5 倍的關(guān)系，極不合理。一般而言，在方案成本的差值相等時，其倍數(shù)亦應(yīng)相同?；诖颂攸c，本文的成本系數(shù)采用指數(shù)變換。成本系數(shù)的計算公式如下：

式中：a=2xu，xu為平均成本。

通過計算，C′（0）=1，此時可接受程度最大。但成本為0 只是理論情況，實際中不可能出現(xiàn)。在成本分別處于平均水平xu、2xu以及3xu時，對應(yīng)的成本系數(shù)分別為0.61、0.37以及0.22，基本符合方案成本的差值相等時，其倍數(shù)亦應(yīng)相同的特點?？梢姵杀鞠禂?shù)采用指數(shù)變換的方式更為合理。

3.3 工程方案比選結(jié)果

基于上述計算方法，并取總硬度和硫酸鹽指標的權(quán)重系數(shù)分別為0.6 和0.4，則可得各種處理水量情況下的價值如表3 所示。由表3可見，在膜處理水量為6 萬m3/d時，方案最終的價值最高，可認為膜處理水量為6 萬m3/d 的方案為最優(yōu)方案，可作為設(shè)計推薦方案。在實際設(shè)計中方案比選時，采用常規(guī)方法，定性分析了不同處理水量下達到的效果和所需成本的關(guān)系，并征詢多方意見，最終也是確定采用處理水量為6 萬m3/d 的方案。采用量化模型得出的結(jié)果與定性分析結(jié)果基本一致。根據(jù)上述分析確定的最終的工藝流程如圖3所示。

圖3 水廠凈水工藝流程圖Fig.3 Water purification process of water plant

表3 方案價值比較表Tab.3 Program value comparison table

4 結(jié)論及展望

基于價值工程原理提出了一種適用于水廠膜處理方案比選的量化模型，具有如下結(jié)論：

（1）通過分析功能效益系數(shù)與成本系數(shù)的特點，最終確定功能效益系數(shù)的計算采用模糊正態(tài)分布函數(shù)，成本系數(shù)的計算采用指數(shù)函數(shù)，并將其進行了歸一化處理。經(jīng)過計算，膜處理水量為6 萬m3/d方案為的價值系數(shù)最高，為0.475，是最優(yōu)方案，可作為設(shè)計推薦方案。該結(jié)論與常規(guī)定性分析結(jié)果一致，能較好的符合工程實際。

（2）通過量化的方法提出了一種更具普適性的水廠膜處理方案比選分析方法，所提模型邏輯嚴謹，相比定性方法更加科學(xué)合理，可推廣至更復(fù)雜的項目方案比選中。

（3）對于無法定量描述的功能指標，可采用專家調(diào)查、層次分析等方法進行賦分處理后，再采用本文所提方案比選方法。