廢水處理系統(tǒng)最優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于廢水處理系統(tǒng)的復(fù)雜性，一般采用固定各子系統(tǒng)所共有的基本設(shè)計(jì)變量的辦法把處理系統(tǒng)分解成兩個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，先分別實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)的最優(yōu)化，再綜合協(xié)調(diào)兩個(gè)子系統(tǒng)，使總系統(tǒng)最優(yōu)化。子系統(tǒng)的最優(yōu)化問題可表達(dá)為：目標(biāo)函數(shù)C=f(x)；約束條件gi(x)≤αi,i=1,2,…m;hj(x)≥bj,j=1,2,…p。C=f(x)是評(píng)價(jià)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的標(biāo)準(zhǔn)，可以用基建總資和使用期限內(nèi)設(shè)備總運(yùn)行費(fèi)之和來表示，這就要求目標(biāo)函數(shù)為最小值。x(x1,x2,…,xn)是要決定的設(shè)計(jì)變量。xk是各處理單元相應(yīng)的設(shè)計(jì)分量，一般用單元的大小來表示，而單元大小也是單元過程特性參數(shù)的函數(shù)。例如，對(duì)初次沉淀池和二次沉淀池，xk為過水表面積;對(duì)曝氣池,xk為混合液懸浮固體濃度和污泥回流比；對(duì)濃縮池，xk為底泥懸浮固體濃度；對(duì)消化池,xk為固體停留時(shí)間；對(duì)真空過濾,xk為過濾機(jī)的過濾表面積等。很多國家的回歸統(tǒng)計(jì)分析說明,費(fèi)用與處理單元特性參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系一般具有的形式，α、β是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。約束不等式規(guī)定了各設(shè)計(jì)分量xk的允許變化范圍，它們是根據(jù)單元設(shè)備的操作要求和出水水質(zhì)的限制，以及所用單元過程數(shù)學(xué)模式的適用條件推導(dǎo)得出的。滿足這些約束不等式的設(shè)計(jì)變量值都是可行解，其中與最小總費(fèi)用相應(yīng)的設(shè)計(jì)變量值則是該系統(tǒng)的最優(yōu)解。求解上述最優(yōu)化問題的方法，要根據(jù)其數(shù)學(xué)模式的型式和特點(diǎn)來選擇。曾經(jīng)用于廢水處理系統(tǒng)的最優(yōu)化方法有:動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、幾何規(guī)劃法、胡克-吉夫斯搜索法、修正的單純形搜索法、復(fù)合形法、枚舉法、最大斜率法、線性規(guī)劃法和結(jié)構(gòu)參數(shù)法等。

以上都是指穩(wěn)態(tài)情況下廢水處理系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于廢水處理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性突出，目前已注意研究隨時(shí)間而變化的動(dòng)態(tài)過程特性。動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模式往往需要采用計(jì)算機(jī)模擬，通過“瞬時(shí)響應(yīng)分析”（確定輸入與輸出間的關(guān)系）來求解，然后分析得出最優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)采用的對(duì)策。2100433B

用最優(yōu)化的原理和方法設(shè)計(jì)出效率最高、費(fèi)用最小、能源消耗最少的廢水處理系統(tǒng)。它是系統(tǒng)工程在解決環(huán)境問題方面的一種應(yīng)用。

以常用的完全混合活性污泥法廢水處理系統(tǒng)為例，這種系統(tǒng)是由“廢水處理”和“污泥處理”這兩個(gè)子系統(tǒng)組成的。前者有初次沉淀池、曝氣池、二次沉淀池、循環(huán)泵、污泥泵、機(jī)械曝氣等構(gòu)筑物和設(shè)備；后者有污泥濃縮池、消化池、 真空過濾機(jī)、 初次污泥泵、濃縮污泥泵和污泥最后處理等過程和設(shè)備。長期以來，對(duì)上述系統(tǒng)都是按傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)的。20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一種“合理設(shè)計(jì)”法，采用定量的過程數(shù)學(xué)模式和實(shí)驗(yàn)決定參數(shù)的方法進(jìn)行廢水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，開始進(jìn)行各單元過程和總系統(tǒng)最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究，目前已經(jīng)提出了一些方法和計(jì)算機(jī)程序，正在逐步實(shí)現(xiàn)污水處理廠的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于最優(yōu)化設(shè)計(jì)依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)各單元之間的定量關(guān)系，使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)目標(biāo)，所以比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理。

最優(yōu)化設(shè)計(jì)首先要建立某一系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模式，這包括：進(jìn)行系統(tǒng)分析，建立系統(tǒng)的概念模型和數(shù)學(xué)模型方程，確定各模式中的有關(guān)參數(shù)，建立系統(tǒng)各因素之間的定量關(guān)系；其次要確定各單元過程的約束條件和出水水質(zhì)范圍,確定評(píng)價(jià)費(fèi)用的指標(biāo),選定并建立目標(biāo)函數(shù)；最后，選用一定的最優(yōu)化方法找出最優(yōu)解。

廢水處理系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)是指用優(yōu)化的原理和方法，設(shè)計(jì)出效率高、費(fèi)用少、能耗低的廢水處理系統(tǒng)，其內(nèi)容包括確定系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)，建立系統(tǒng)過程模型及約束條件。

廢水處理系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)是指用優(yōu)化的原理和方法，設(shè)計(jì)出效率高、費(fèi)用少、能耗低的廢水處理系統(tǒng)，其內(nèi)容包括確定系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)，建立系統(tǒng)過程模型及約束條件。由于廢水處理系統(tǒng)的復(fù)雜性，一般采用固定各子系統(tǒng)所共有的基本設(shè)計(jì)變量的辦法，把處理系統(tǒng)分解成獨(dú)立的子系統(tǒng)，先分別實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)的最優(yōu)化，再綜合協(xié)調(diào)各個(gè)子系統(tǒng)，使總系統(tǒng)最優(yōu)化。穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的廢水處理系統(tǒng)最優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中常用方法有：動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、幾何規(guī)劃法、搜索法、復(fù)合形法、枚舉法。最大斜率法、線性規(guī)劃法和結(jié)構(gòu)參數(shù)法等。動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)則需要采用動(dòng)態(tài)模型、計(jì)算機(jī)模擬，并通過“瞬時(shí)響應(yīng)分析”求解得出優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)采用的對(duì)策。這種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可節(jié)省30%～40%系統(tǒng)費(fèi)用。2100433B

本書系統(tǒng)地介紹了工程最優(yōu)化設(shè)計(jì)所涉及的基本知識(shí)、基本理論、主要算法和常用計(jì)算程序，包括數(shù)學(xué)模型、線性規(guī)劃算法、非線性無約束算法、非線性約束算法、遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，以及大型工具軟件包MATLAB中的最優(yōu)化工具箱。書中還配有大量的例題、設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例以及雙級(jí)斜齒圓柱齒輪減速器最優(yōu)化設(shè)計(jì)的全過程。本書既兼顧理論的嚴(yán)密性和系統(tǒng)性，又注重算法的應(yīng)用性和可操作性。應(yīng)用本書介紹的基本算法和MATLAB程序，可以方便地求解各類實(shí)際的工程設(shè)計(jì)問題。

本書主要用作工程碩士研究生的教材，也可作為工科院校各專業(yè)碩士生、本科生的教材及教學(xué)參考書，還可用作工程技術(shù)人員，特別是工程設(shè)計(jì)人員的學(xué)習(xí)參考書。

水處理單元過程最優(yōu)化設(shè)計(jì)是用最優(yōu)化的原理和方法設(shè)計(jì)出效率最高、費(fèi)用最小、能源消耗最小的水處理單元過程。包括確定單元過程的操作方式、運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備基本尺寸等。通過單元過程的最優(yōu)化研究可以了解過程本身的特性和影響音色并為大處理系統(tǒng)提供優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本方法是選擇并確定目標(biāo)函數(shù)，建立過程性數(shù)學(xué)模型，確定設(shè)計(jì)變量的約束，求解最優(yōu)方案。國內(nèi)外對(duì)某些水處理單元過程的優(yōu)化設(shè)計(jì)已進(jìn)行了和正在進(jìn)行深入的研究。2100433B