基于价值工程理念的水厂膜处理方案比选研究

阎军基，彭前程，宋子明

（1.酒泉市肃州区供排水总公司，甘肃酒泉 735000；2.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，武汉 430010）

0 引 言

近年来，我国继续保持较高的经济发展速率，而随着工农业的高速发展，生活、生产的废水对饮用水源造成了一定的污染［1］。

据资料显示，微污染水源依旧是我国的主要饮用水水源。另一方面，随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，生活饮用水的水质标准大幅提高。我国于2022年4月1日正式实施新的《生活饮用水卫生标准》GB5749-2022，新标准将原标准中的“非常规指标”调整为“扩展指标”，以反映地区生活饮用水水质特征及在一定时间内或特殊情况的水质特征。指标数量由原标准的106 项调整为97 项，包括常规指标43 项和扩展指标54 项。新标准更加关注感官指标、更加关注消毒副产物、更加关注风险变化，同时提高部分指标限值，对水源、制水、输水、储水和末梢水均提出了控制性要求，使得现有的供水行业面临着前所未有的技术挑战。

目前，我国自来水生产工艺依旧主要为传统的混凝、沉淀、过滤和滤后消毒四步处理步骤［2］。按其处理的对象则主要分为三级：预处理、常规处理以及深度处理。其中，深度处理主要是对常规处理后的水进行进一步氧化、吸附和过滤，以去除常规处理难以去除的溶解性有机质、少量重金属、细菌、病毒等有害物质。

目前常用的水深度处理工艺主要为臭氧-活性炭和膜处理工艺，以除盐为目标的深度处理常用膜处理工艺［4］。其中，膜分离法是一种物理处理方法，其主要采用高分子薄膜作介质，以附加能量为推动力，从而对双组分或多组分固液进行表面过滤分离。目前常用的集中膜分离方法为微滤、超滤、纳滤以及反渗透。

不同膜分离方法各有其适用范围，在应用中应根据实际情况选择最合理的处理工艺。其不仅要求考虑源水水质和处理后的水质要求，同时应考虑建设以及运营成本等［5］。本文结合西部某水厂建设所采用的“超滤+纳滤”双膜处理工艺，采用价值工程原理，分析不同深度处理水量下的出水水质及建设、运营成本，以期确定最优工程方案。

1 资料与研究对象

1.1 水厂工程概况

该工程位于我国西北河西走廊地区，于2016年建成投产，厂址位于某水源地一级保护区内。水厂设计供水能力为10 万m³/d，目前夏季供水高峰期实际供水规模约8.5 万m³/d，冬季用水低峰期实际供水规模约4.5 万m³/d。整个工程内容包括：取水工程、调蓄水池工程、净水厂工程、输水工程，其中净水厂工程费用为28 215 万元，净水工艺流程如图1所示。

图1 水厂主体净水工艺图Fig.1 Water purification process for the main body of the water plant

1.2 原水水质情况及供水水质要求

根据该水厂工程的原水水质检测报告，对比《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2022）［6］，原水总硬度虽未超标，但数值偏高；同时硫酸盐略超标准。其余水质特征指标较好且稳定。同时，原水浊度也是影响水质情况的重要指标，因此结合相关文献和国家标准。本工程最终确定原水浊度、总硬度、硫酸盐指标为本文分析的主要水质指标。

在目前的自来水处理工艺中，常规处理工艺无法降低总硬度以及硫酸盐指标，因此有必要进行深度处理系统的建设，使出水水质达到健康水水质标准（总硬度170 mg/L 左右、硫酸盐130 mg/L 左右），结合相关文献［7］及国家标准，综合考虑后确定进厂原水及出厂水主要特征水质指标如表1所示。

表1 水质预测表Tab.1 Water quality prediction table

1.3 主要水质指标处理方案

本工程的主要水质指标为原水浊度、总硬度和硫酸盐。其中，原水浊度可由常规处理工艺去除。所谓常规水处理工艺主要是指应用混凝、沉淀、过滤和消毒等手段以处理原水中在常见范围内的浊度以及污染物等指标。尽管常规水处理工艺具有一定的局限性，但由于其同时具有的投资成本低、工艺流程成熟等特点，依旧是水处理中最常用和最基本的处理方法。注意到本工程所使用的原水具有低温低浊、含藻、浊度和水量变化幅度较大等特点，因此最终确定本项目的常规处理工艺采用“高效沉淀池+V型滤池”组合。

总硬度及硫酸盐无法通过常规处理工艺降低到本项目要求，需进行深度处理。根据目前国内外常用的除盐、降硬度工艺及运行情况，本项目采用“超滤+纳滤”的双膜处理工艺。纳滤膜对总硬度和硫酸盐的去除率较高，可达到95%以上，如水厂将全部原水经过双膜处理，则出厂水基本为纯水，其离子含量过低，对人体来说并不健康。因此，只是将常规处理后的部分水进行深度处理，然后与未进行深度处理的水混合，使其水质符合健康水的要求后外供。

在这一背景下，本研究着手对理工类院校ESP课程需求进行调查分析，以为下一步的大学英语教学改革提供实证支撑。本研究的开展主要基于以下两点认识：首先是理工类学生的专业性强，其专业英语与EGP教学内容差别更大，因而他们的ESP需求更具代表性；其次是根据需求理论，需求分析是系统化的教学课程改革建设中不可缺少的一环，其重要性包含课程改革的所有方面，而国内目前的需求分析主要着眼于高职院校学生的ESP需求分析，对普通高校，尤其是理工类院校学生的ESP需求调查则严重缺乏。

上述将部分水进行深度处理的做法，也是国内外具有除盐需求水厂的常规做法。本项目总规模为10 万m³/d，以1 万m³/d的模数，计算在不同深度处理水量下的出水水质及建设、运营成本情况如表2所示。

由表2 可见，不同的深度处理水量对最终的出水水质以及建设、运行成本具有直接影响。因此，有必要找出最合理的深度处理水量，以使产生的价值最高。针对该问题，需要采用合理的方法进行量化分析，以找到该问题的最优解。价值工程是一种针对所述对象功能和成本的现代管理技术，进而提高对象的价值［3］。因此，实例分析阶段将基于价值工程原理，以筛选出最优膜处理水量。

表2 膜处理方案情况表Tab.2 Membrane treatment plan situation table

2 价值工程原理

价值工程是指通过分析产品内部的某个部件或系统的功能与成本之间的关系，力求以最低的寿命周期成本实现产品的必要功能，进而提高产品的价值［8］。价值工程以功能分析为核心，从而确定重点改进的功能和成本投入的增减，最终实现整个产品的经济效益最大化。其一般形式可表示为：

对某一产品而言，F为该产品某项功能的相对重要程度；C为寿命周期成本，其所表现的意义为为实现产品某项功能所花费成本占总成本的相对大小。因此，价值工程中的价值F表示该产品某部件功能的相对价值，其主要是为增减某一部件功能和投入决策服务。当V大于1 时，说明某部件功能相对重要而成本较低，可能存在投入不够的情况；当V小于1 时，说明某部件功能相对不重要却投入较大，可能存在生产工艺落后或功能冗余的情况。

3 方案比选的量化分析

3.1 价值分析与工程方案比选分析

价值分析主要是借助价值工程的原理，以实现分析对象的价值最大化。而工程方案比选的评价体系则较为复杂多元化，其主要是指通过对不同工程方案的不同指标进行比对，以从多个可能方案中选择最优方案。该两者分析的对象不尽相同，所要达到的目的也不尽相同。

尽管价值分析与工程方案比选分析的目的不尽相同，但在进行工程方案比选中方案价值的分析时仍可采用价值工程的原理。其中，F为方案的功能系数，C为成本系数，V在此时则主要体现为该方案的工程价值，在所有可能的方案中价值V最大的方案即为最终的推荐方案。

在利用价值工程原理进行工程方案比选分析时，针对参数F和C的处理，当前多采用线性变换以进行归一化处理的方式［9-11］，方案的价值就成了单位成本产生的功能效益。这样的处理导致的结果是成本较低的方案往往占有较大的优势，进而使得所选的方案不一定是最优方案，不能反映方案比选的实际要求。因此有必要对价值工程的模型进行优化改进，以使其更符合方案分析的实际需求。

3.2 工程方案比选量化模型的建立

通过对价值工程模型进行分析改进，工程方案比选量化模型可由下式表示：

式中：V′为方案的价值系数，越大方案越优；ΣF′为功能效益系数，可将功能指标进行归一化处理后综合加权得到，主要反映功能效益的大小程度；C′为寿命周期成本系数，主要反映所花费成本的可接受程度。

式（2）即为工程方案比选的量化模型。而其中，功能效益系数以及成本系数的确定是关键一环。

针对功能效益系数，一般而言，在工程方案中会存在一部分无法量化功能效益大小的指标。针对这些指标，可直接采用赋分法进行处理。对于可量化的功能效益指标，则采用模糊数学的方法。

以本项目为例，虽然饮用水水质指标有明确的健康标准，但实际上健康与不健康的界限非常模糊，此时采用模糊数学的方法进行相关指标的处理则更为科学。一般认为指标界限模糊随机变量服从正态分布［12］，X1：N（u1，σ1），X2：N（u2，σ2）。

注意到总硬度是健康水指标的一种，因此可认为总硬度指标为健康水指标的隶属。依据模糊数学的理论，可将总硬度指标与健康水指标的映射关系看作总硬度指标为健康水指标的隶属度函数。该隶属度函数所代表的工程含义为总硬度指标在某指标下隶属健康水的程度，其可作为功能指标效益系数。同理，硫酸盐指标也可作为健康水指标的隶属度函数。

对于总硬度指标，综合现有饮用水水质资料，其边界随机变量中的下限u1为50 mg/L，上限u2为200 mg/L，即健康与不健康的上下界限分别位于50 mg/L 和200 mg/L 的可能性最大，且最小为0，最大为450 mg/L。因此可认为总硬度在50～200 mg/L范围内的饮用水是健康的，且在水硬度为170 mg/L 时最佳。则可得饮用水硬度指标的边界随机变量分布图如图2所示。

图2 边界随机变量分布曲线Fig.2 Boundary random variable distribution curve

则总硬度指标的隶属度函数可表示为：

当x≤50 mg/L时，A（x）=Ф［（x-u1）/σ1］，根据正态分布函数性质，可得u1=50，σ1=16.67。

当50 mg/L＜x＜200 mg/L 时，A（x）=Ф［（x-u1）/σ1］-Ф［（xu2）/σ2］，根据正态分布函数性质，可得u1=50，σ1=40，u2=200，σ2=10。

当x≥200 mg/L时，A（x）=1-Ф［（x-u2）/σ2］根据正态分布函数性质，可得u2=200，σ2=83.33。

对于硫酸盐指标，一般而言指标值越小越好，因此可认为其下限值为0，此时硫酸盐指标在健康水中的隶属度为1；根据饮用水水质资料，其上限为250 mg/L，此时健康水的隶属度为0；在硫酸盐指标为130 mg/L 时，健康水的隶属度为0.5。则硫酸盐指标的隶属度函数可表示为A′（x）=1-Ф［（x-130）/40］。

针对成本系数，注意到采用线性变换方式明显不符合实际情况，例如3 个方案成本分别为1 000 万元、2 000 万元、3 000万元，若采用线性变换，其相邻两者之间就变成了2 倍和1.5 倍的关系，极不合理。一般而言，在方案成本的差值相等时，其倍数亦应相同。基于此特点，本文的成本系数采用指数变换。成本系数的计算公式如下：

式中：a=2xu，xu为平均成本。

通过计算，C′（0）=1，此时可接受程度最大。但成本为0 只是理论情况，实际中不可能出现。在成本分别处于平均水平xu、2xu以及3xu时，对应的成本系数分别为0.61、0.37以及0.22，基本符合方案成本的差值相等时，其倍数亦应相同的特点。可见成本系数采用指数变换的方式更为合理。

3.3 工程方案比选结果

基于上述计算方法，并取总硬度和硫酸盐指标的权重系数分别为0.6 和0.4，则可得各种处理水量情况下的价值如表3 所示。由表3可见，在膜处理水量为6 万m³/d时，方案最终的价值最高，可认为膜处理水量为6 万m³/d 的方案为最优方案，可作为设计推荐方案。在实际设计中方案比选时，采用常规方法，定性分析了不同处理水量下达到的效果和所需成本的关系，并征询多方意见，最终也是确定采用处理水量为6 万m³/d 的方案。采用量化模型得出的结果与定性分析结果基本一致。根据上述分析确定的最终的工艺流程如图3所示。

图3 水厂净水工艺流程图Fig.3 Water purification process of water plant

表3 方案价值比较表Tab.3 Program value comparison table

4 结论及展望

基于价值工程原理提出了一种适用于水厂膜处理方案比选的量化模型，具有如下结论：

（1）通过分析功能效益系数与成本系数的特点，最终确定功能效益系数的计算采用模糊正态分布函数，成本系数的计算采用指数函数，并将其进行了归一化处理。经过计算，膜处理水量为6 万m³/d方案为的价值系数最高，为0.475，是最优方案，可作为设计推荐方案。该结论与常规定性分析结果一致，能较好的符合工程实际。

（2）通过量化的方法提出了一种更具普适性的水厂膜处理方案比选分析方法，所提模型逻辑严谨，相比定性方法更加科学合理，可推广至更复杂的项目方案比选中。

（3）对于无法定量描述的功能指标，可采用专家调查、层次分析等方法进行赋分处理后，再采用本文所提方案比选方法。