專利名稱：：一種污水處理廠A²/O工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，具體涉及一種污水處理廠A7o工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
：近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展以及城市化水平的不斷提高，水污染問題日益突出，污水處理問題變得十分緊迫與突出，各地對增建污水處理廠的需求也越來越強(qiáng)烈。而污水廠的建設(shè)費(fèi)用和建成后的運(yùn)行成本成為增建所要面臨的主要問題。在保證出水水質(zhì)滿足需求的條件下，降低費(fèi)用投入成為污水廠建設(shè)的重要目標(biāo)。目前在我國，大約有80%以上的城市污水廠采用活性污泥法設(shè)計(jì)，其中絕大部分是采用設(shè)計(jì)手冊中的有機(jī)負(fù)荷法和污泥齡法進(jìn)行設(shè)計(jì)，這些傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法雖然較為成熟，但為了能夠確保出水達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，通常設(shè)計(jì)參數(shù)取值很大，過于安全保守，導(dǎo)致污水廠的基建費(fèi)用很高，這限制了一些資金缺乏地區(qū)建設(shè)污水廠時(shí)的應(yīng)用。除活性污泥法設(shè)計(jì)外，也有一部分污水廠采用試算法設(shè)計(jì)，試算法即利用以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的模擬軟件對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，通過不斷的選取活性污泥工藝參數(shù)，直到所選參數(shù)使出水水質(zhì)滿足標(biāo)準(zhǔn)，并在滿足要求的方案中選出最合理的方案為最終結(jié)果。試算法由于結(jié)合了數(shù)學(xué)模型，使工藝參數(shù)設(shè)計(jì)上能夠在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行逐步的小幅度的優(yōu)化，工藝設(shè)計(jì)方案的技術(shù)可靠性和經(jīng)濟(jì)性都有一定的提高，但由于設(shè)計(jì)過程都是人為的控制，并沒有將整個(gè)過程作為一個(gè)優(yōu)化系統(tǒng)來考慮，因此，方案也不是最優(yōu)化的?！┯?jì)算機(jī)程序語言和軟件已在眾多工程研究領(lǐng)域中用以研究和解決實(shí)際的工程和相關(guān)的數(shù)學(xué)問題，它們提供了一個(gè)優(yōu)化問題求解的計(jì)算機(jī)編譯平臺(tái)，并能夠解決非線性回歸，曲線擬合，非線性復(fù)雜工程模型參數(shù)估算求解等問題，因此可利用這些工具來解決污水廠設(shè)計(jì)中的諸多問題，克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和試算法設(shè)計(jì)所帶來的不足，將整個(gè)設(shè)計(jì)過程作為一個(gè)系統(tǒng)來進(jìn)行優(yōu)化。本發(fā)明利用matlab進(jìn)行程序主體編制，并采用lst0pt軟件進(jìn)行最后求解。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種污水處理廠A2/0工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明提出的污水處理廠A70工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建、優(yōu)化設(shè)計(jì)模型構(gòu)建和根據(jù)約束條件編制優(yōu)化模型并求解，具體步驟如下(1)目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建優(yōu)化模型的目標(biāo)是在保證滿足出水水質(zhì)需求的前提下，尋求總費(fèi)用最小的工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即選用費(fèi)用模型作為目標(biāo)函數(shù)模型。費(fèi)用函數(shù)由單元構(gòu)筑物和系統(tǒng)功能組成，影響系統(tǒng)總費(fèi)用的變量有厭氧池容積K、缺氧池容積Vy好氧池容積Vy混合液回流比Rw、污泥回流比ICi和二沉池表面積A。工藝系統(tǒng)的總費(fèi)用f(x)由工藝系統(tǒng)的初始投資總費(fèi)用和工藝系統(tǒng)在設(shè)計(jì)年限內(nèi)的運(yùn)行維護(hù)總費(fèi)用兩部分組成，其表達(dá)式為f(x)=AEtco2EC,.(1)5式中Ci為第i種基建費(fèi)用；Cj為第j種運(yùn)行費(fèi)用；t為綜合折現(xiàn)因子；"p"2表示對工藝系統(tǒng)初始投資費(fèi)用和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用權(quán)重系數(shù)，","2=1;每種費(fèi)用借鑒通用的費(fèi)用函數(shù)模型構(gòu)成形式，即Ci二ai(Xi,，a和b為回歸系數(shù)；X表示影響單元構(gòu)筑物或系統(tǒng)性能的關(guān)鍵變量。Ci既可以表示單元構(gòu)筑物(或系統(tǒng)功能)的建造投資費(fèi)用，也可以表示單元構(gòu)筑物(或系統(tǒng)功能)的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，這取決于回歸系數(shù)a和b;原則上影響單元構(gòu)筑物費(fèi)用的變量只選擇一個(gè)，例如面積或容積等，但對于系統(tǒng)性能費(fèi)用函數(shù)，則根據(jù)具體情況來確定；從影響系統(tǒng)總費(fèi)用的單元構(gòu)筑物和系統(tǒng)功能中選取6個(gè)關(guān)鍵變量厭氧池容積K、缺氧池容積、、好氧池容積、、混合液回流比R^、污泥回流比Rwai和二沉池表面積A。這些變量的回歸常數(shù)推薦值見表1。表1費(fèi)用模型中參數(shù)的推薦值<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>代入各費(fèi)用&和Cj的表達(dá)形式，i為l-6，則工藝系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)形式為^叫(aiV,'+a2V2b2+a3V3b3+a4A、+a5Rneib5+a6Rwaib6)+co2T(a,!V,'+a，2V2b'2+a,3V3b'3+a,4Ab'4+a，5Rneib'5+a，6Rwaib'6)(2)(2)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型構(gòu)建優(yōu)化設(shè)計(jì)模型是由生物反應(yīng)池模型和沉淀池模型兩部分構(gòu)建而成；I)生物反應(yīng)池模型構(gòu)建A2/0工藝包括厭氧池、缺氧池和好氧池；第k池的實(shí)際進(jìn)水流量和濃度，其實(shí)際出水流量等于進(jìn)水流量，出水濃度等于反應(yīng)器中的濃度；計(jì)算公式如下Qin(k)=Qin+Qr+2>(l,k)(3)1Cjin(k)=[QjinC0+QrCn+1+Zq(l,k)Q]/Qjin(k)(4)Qjin(k)為第k池的進(jìn)水流量，Qin反應(yīng)池進(jìn)水流量，Qr為二沉池污泥回流量，q(l，k)為從第1池輸入到第k池的混合液流量，Cjin(k)為第k池的進(jìn)水濃度，C。為反應(yīng)池進(jìn)水濃度，Cn+1為n+1池的進(jìn)水濃度，n表示反應(yīng)池個(gè)數(shù)；對第k池進(jìn)行質(zhì)量平衡，公式如下[dC(k)/dt]XV(k)=Qjin(k)[Cjin(k)-C(k)]+r(k)(5)式中r(k)為反應(yīng)項(xiàng)，C(k)為從第1池輸入到第k池的混合液濃度，ASM2D模型計(jì)算。對于組分i，它的反應(yīng)變化項(xiàng)如下"》,jPj(6)結(jié)合公式(5))和(6)，第k池中組分i的質(zhì)量平衡方程為V(k)=Qjm(k)[C,如(k)-C,(k)]+Xv,jPj(7)公式(7)中，Ci(k)表示第k反應(yīng)池中組分i濃度，是未知數(shù)；對于非溶解性組分，在計(jì)算k池進(jìn)水濃度時(shí)，不僅需要這些未知數(shù)，還需要知道二沉池回流污泥中組分i的濃度&(n+1)。本發(fā)明采用二次沉淀池的理想分離模型，回流污泥中固體組分的濃度按下式進(jìn)行計(jì)算(Q,+Qin)X,-2>(k)TSS(k)Xi(3)/《TSS(3)x(n+l)=_^-^-(8)1Qr對每一個(gè)反應(yīng)池，都針對每一個(gè)組分列出質(zhì)量平衡方程；對含有3個(gè)反應(yīng)池的A2/0工藝流程，每個(gè)池子按照ASM2D列出18種組分平衡方程，一共有54個(gè)方程和54個(gè)未知數(shù)，從而解得每個(gè)反應(yīng)池中18種組分的濃度；II)二沉池模型構(gòu)建采用固體通量沉淀模型進(jìn)行物料平衡計(jì)算，構(gòu)建豎流式二沉池模型；假定認(rèn)為它的橫截面積不隨池深變化在正常運(yùn)行情況下，污泥的高度始終處于進(jìn)水口以下；將沉淀池均勻分成IO層，各自高度為Z，并做進(jìn)一步的假定①各層內(nèi)污泥濃度分布均勻；②入流的固體負(fù)荷均勻的分配于整個(gè)池表面；③二沉池內(nèi)無生化反應(yīng)；污泥濃縮時(shí)不發(fā)生擴(kuò)散行為；⑤在污泥濃縮區(qū)，由于沉降作用進(jìn)入某一層的固體通量不能超過該層自身的沉降固體通量；⑥形成用計(jì)沉淀的污泥濃度閾值為Xt;即污泥濃度X>Xt的最高層為濃縮區(qū)的上界面即泥水界面；⑦二沉池底部污泥固體重力通量為零；對每一層進(jìn)行固相物料平衡計(jì)算，可以得到頂層、入流層、入流層以下以及底層的物料平衡方程；①頂層i=1^^■=(①叩，2—①叩,1—①s,l)/Zl(9)dt②入流層到頂層間i=25=(Oup,i+1-。up,i+3>s,i—l-①s,i)/Zi(10)③入流層i=6④入流層以下i=7-9dX,底層i=10dX=(QinXf/A—O叩,6-①dn,6+<Ds,5-①s，6)/Z6.流層以下i=7-9=(Odn，,-l—①cta,,+①s,i畫1一①s,i)/Zi(12)層i=10=(Odn，9一Odn，10+Os'9)/Z10(13)dt式中A為第i層污泥濃度，g/m3;0UD,i為第i層向上的流動(dòng)固體通量，g/m7d;Os,i為第i層沉降固體通量，g/m2/d&為每層的高度，m;①^,i為第i層向下的流動(dòng)固體通量，g/m2/d;Qin為二沉池進(jìn)水流量，m3/d;Xf為進(jìn)水顆粒物濃度，g/m3;以上五個(gè)方程，構(gòu)成了二次沉淀池一維濃度分布模型；固體顆粒濃度閾值為Xt，其數(shù)值相當(dāng)于二沉池開始產(chǎn)生擁擠沉降高度上的污泥固體顆粒濃度，取0.8;①-{XiVwX'<Xt自由沉降區(qū)w義min(XiVs,i,XwVs,w)XSX,非自由沉降區(qū)(3)根據(jù)約束條件編制優(yōu)化模型的程序并求解階段出水標(biāo)準(zhǔn)采用污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)中的一級B標(biāo)準(zhǔn)；優(yōu)化設(shè)計(jì)中一些設(shè)計(jì)參數(shù)受A2/0工藝傳統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)取值范圍的約束。通過matlab程序進(jìn)行模型構(gòu)建，然后再利用lstOpt軟件進(jìn)行最優(yōu)化，有效的對優(yōu)化設(shè)計(jì)模型進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)步驟如附圖2所示。求解步驟分以下兩步第一步建立matlab程序的優(yōu)化設(shè)計(jì)m文件design.m;①輸入ASM2D模型參數(shù)；②輸入生物反應(yīng)過程速率表達(dá)式；③根據(jù)質(zhì)量平衡方程建立各生物反應(yīng)池模型；④建立沉淀池分層模型；⑤模型運(yùn)算第二步利用lstOpt軟件進(jìn)行最優(yōu)計(jì)算；①輸入73個(gè)未知數(shù)的初始值和取值范圍；②輸入流量和進(jìn)水組分濃度；③輸入費(fèi)用函數(shù)表達(dá)式；④輸入排放標(biāo)準(zhǔn)的不等式約束；輸入m文件運(yùn)算出的模型方程；利用lstOpt軟件的麥夸特法和通用全局優(yōu)化法進(jìn)行最優(yōu)化求解；通過matlab程序進(jìn)行模型構(gòu)建，然后再利用lstOpt軟件進(jìn)行最優(yōu)化，對優(yōu)化設(shè)計(jì)模型進(jìn)行計(jì)算。本發(fā)明提出的對污水處理廠A2/0工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和傳統(tǒng)的活性污泥法設(shè)計(jì)和試算法設(shè)計(jì)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法全面反映出活性污泥生物反應(yīng)機(jī)理，通過目標(biāo)函數(shù)求解可保證在出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的前提下，使設(shè)計(jì)參數(shù)達(dá)到最小，降低了所需設(shè)定的安全系數(shù)，在很大程度上節(jié)省了污水廠的基建費(fèi)用和運(yùn)行成本。(2)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程由計(jì)算機(jī)程序控制，其將整個(gè)過程作為一個(gè)優(yōu)化系統(tǒng)來考慮，利用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)來約束出水水質(zhì)，可以對多種水質(zhì)參數(shù)以及各污染物質(zhì)之間的關(guān)系進(jìn)行通盤設(shè)計(jì)，可靠性和經(jīng)濟(jì)性都有進(jìn)一步的提高。(3)本發(fā)明采用matlab語言進(jìn)行程序編制，利用lstOpt軟件進(jìn)行最后求解。應(yīng)用matlab提供的優(yōu)化工具箱求解大型系統(tǒng)最優(yōu)化問題時(shí)，可以節(jié)省編制優(yōu)化求解程序的人力8物力；lstOpt軟件在非線性回歸，曲線擬合，非線性復(fù)雜工程模型參數(shù)估算求解等領(lǐng)域居世界領(lǐng)先地位，克服了當(dāng)今世界上在優(yōu)化計(jì)算領(lǐng)域中使用迭代法必須給出合適初始值的難題，即勿需給出參數(shù)初始值，而由lst0pt隨機(jī)給出，通過其獨(dú)特的全局優(yōu)化算法，最終找出最優(yōu)解，可以最大程度的優(yōu)化各設(shè)計(jì)參數(shù)值，達(dá)到最終費(fèi)用目標(biāo)函數(shù)最小的目的。圖1為本發(fā)明構(gòu)建優(yōu)化設(shè)計(jì)模型時(shí)所依據(jù)的典型A2/0工藝流程圖。其中Rl、R2、R3分別為厭氧池、缺氧池、好氧池，后面所接為二沉池。圖2為本發(fā)明利用matlab語言和lst0pt軟件對模型求解時(shí)的步驟圖。具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施進(jìn)一步說明本發(fā)明。實(shí)施例1:對華東地區(qū)一污水廠進(jìn)行設(shè)計(jì)，流量為57萬mVd，采用A2/0工藝。占地面積約29.66ha，工作水溫15°C;進(jìn)出水水質(zhì)要求如表2，以污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)中的一級B標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)出水標(biāo)準(zhǔn)，模型組分與常規(guī)進(jìn)水指標(biāo)轉(zhuǎn)換采用國際水質(zhì)協(xié)會(huì)的典型劃分標(biāo)準(zhǔn)。表2A污水廠常規(guī)進(jìn)水指標(biāo)(mg/1)污染項(xiàng)目BOD5CODcrSSTNNH3-NTP實(shí)測值18.8299.8102.8991.71760812.658.9無1.89.05實(shí)測平均值74.22498633.3無3.31設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)12025015038254.0設(shè)計(jì)出水水質(zhì)—<60一<20<8<1.5首先建立A污水廠的費(fèi)用目標(biāo)函數(shù)，即f:an(a丄V!b'+a2V2b2+a3V3b3+a4A154+a5Rneib5+a6Rwaib6)+o)2T(a,iV)、+a，2V2b'2+a,3V3b、+a，4Ab、+a，5Rn/5+a，6Rwaib'6)將表l中apa2、a3、a4、a5、a6、bpb2、b3、b4、b5、b6數(shù)值代入上式，得到f=83V"4+7.83V2054+8.24V3055+14.2A018+13.7Rnei021+7.+"2t(0.76V,5o+0.76V20.50+0.84V30.52+7.67A0.42+6.53R^0.56+l.87C然后對A污水廠進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)模型構(gòu)建，將A污水廠進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)和流量代入后按以下步驟進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算優(yōu)化模型利用matlab進(jìn)行程序主體編制，最后采用IstOpt軟件進(jìn)行求解。第一步建立matlab程序的優(yōu)化設(shè)計(jì)m文件design.m;①輸入ASM2D模型參數(shù)；②輸入生物反應(yīng)過程速率表達(dá)式；9③根據(jù)質(zhì)量平衡方程建立各生物反應(yīng)池模型(式3-8);④建立沉淀池分層模型(式9-13);⑤模型運(yùn)算；第二步利用lst0pt軟件進(jìn)行最優(yōu)計(jì)算①輸入73個(gè)未知數(shù)的初始值和取值范圍；②輸入流量和進(jìn)水組分濃度；③輸入費(fèi)用函數(shù)表達(dá)式(式2);④輸入排放標(biāo)準(zhǔn)的不等式約束；⑤輸入m文件運(yùn)算出的模型方程；利用lst0pt軟件的麥夸特法和通用全局優(yōu)化法進(jìn)行最優(yōu)化求解。表3為優(yōu)化結(jié)束后軟件提供的部分結(jié)果信息。表3A污水廠優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果設(shè)計(jì)結(jié)果數(shù)值迭代數(shù)286計(jì)算用時(shí)(時(shí):分:秒03:57:46:594計(jì)算中止原因達(dá)到收斂判定標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化算法麥夸特法+通用全局優(yōu)化法目標(biāo)函數(shù)值(最14684.49厭氧池體積(m3)17592缺氧池體積(m3)23056好氧池體積(m3)71284混合液回流比60%污泥回流比25%二沉池面積(m2)17263SRT(d)18從上表可知，本次優(yōu)化迭代數(shù)共286次，優(yōu)化方法為麥夸特法+通用全局優(yōu)化法，設(shè)計(jì)最終優(yōu)化值為14684.49萬元。而利用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法和試算法的出的設(shè)計(jì)結(jié)果分別為16656.43萬元和15595.60萬元，費(fèi)用節(jié)省比率分別達(dá)到11.83%和5.84%。實(shí)施例2:對華南地區(qū)一污水廠進(jìn)行設(shè)計(jì)，占地11.6ha，于1996年建成投產(chǎn)，主要處理該地區(qū)城市排水系統(tǒng)截留的城市污水，處理工藝為典型A2/0法，處理后污水就近排入自然水體。工程處理規(guī)模15萬mVd，設(shè)計(jì)小時(shí)平均流量為4167mVh。設(shè)計(jì)總變化系數(shù)K=1.1，污水廠工作水溫2(TC，進(jìn)出水質(zhì)指標(biāo)要求如表4所示，以污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)中的一級B標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)出水標(biāo)準(zhǔn)。表4B污水廠常規(guī)進(jìn)水指標(biāo)(mg/1)10污染項(xiàng)目BOD5CODcrSSTNNH3—NTP設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)18050030045405.0設(shè)計(jì)出水水質(zhì)20<60一<20<8<1.5首先建立B污水廠的費(fèi)用目標(biāo)函數(shù)，即fNm(aiV,1+a2V2b2+a3V3b3+"A154+a5Rneib5+a6Rwaib6)+co2T(a，iV,1+a，2V2b'2+a，3V3b'3+a，4Ab'4+a，5Rneib'5+a，6Rwaib'6)將表1中ai、a2、a3、a4、a5、a6、bi、b2、b3、b4、bs、b6代入上式，得到f=83V,54+7.83V2。.54+8.24V3。.55+14.2A。.18+13.7Rnei。.21+7.50Rwai。.64)+"2t(0.76V"o+0.76V20.50+0.84V30.52+7.67A0.42+6.53Rnei0.56+l.87Rwai0.66)然后對B污水廠進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)模型構(gòu)建，將B污水廠進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)和流量代入后按以下步驟進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算優(yōu)化模型利用matlab進(jìn)行程序主體編制，最后采用IstOpt軟件進(jìn)行求解。第一步建立matlab程序的優(yōu)化設(shè)計(jì)m文件design.m;①輸入ASM2D模型參數(shù)；②輸入生物反應(yīng)過程速率表達(dá)式；③根據(jù)質(zhì)量平衡方程建立各生物反應(yīng)池模型(式3-8);④建立沉淀池分層模型(式9-13);⑤模型運(yùn)算；第二步利用IstOpt軟件進(jìn)行最優(yōu)計(jì)算①輸入73個(gè)未知數(shù)的初始值和取值范圍；②輸入流量和進(jìn)水組分濃度；③輸入費(fèi)用函數(shù)表達(dá)式(式2);④輸入排放標(biāo)準(zhǔn)的不等式約束；⑤輸入m文件運(yùn)算出的模型方程；利用IstOpt軟件的麥夸特法和通用全局優(yōu)化法進(jìn)行最優(yōu)化求解。表5為優(yōu)化結(jié)束后軟件提供的部分結(jié)果信息。表5B污水廠優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果11設(shè)計(jì)結(jié)果數(shù)值迭代數(shù)187計(jì)算用時(shí)(時(shí):分:秒07:22:18:531計(jì)算中止原因達(dá)到收斂判定標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化算法麥夸特法+通用全局優(yōu)化法目標(biāo)函數(shù)值(最7083.07厭氧池體積(m3)4159缺氧池體積(m3)4563好氧池體積(m3)18562混合液回流比80%污泥回流比40%二沉池面積(m2)4689SRT(d)15從上表可知，本次優(yōu)化迭代數(shù)共187次，優(yōu)化方法為麥夸特法+通用全局優(yōu)化法，設(shè)計(jì)最終優(yōu)化值為7083.07萬元。而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和試算法的最終設(shè)計(jì)值分別為9178.79萬元和8376.03萬元。費(fèi)用節(jié)省比率分別達(dá)到22.83%和15.43%。由以上實(shí)施例可見，優(yōu)化設(shè)計(jì)法比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法和試算法節(jié)省了大量的污水廠基建與運(yùn)行費(fèi)用。權(quán)利要求一種污水處理廠A2/O工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建、優(yōu)化設(shè)計(jì)模型構(gòu)建和根據(jù)約束條件編制優(yōu)化模型并求解，具體步驟如下(1)目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建優(yōu)化模型的目標(biāo)是在保證滿足出水水質(zhì)需求的前提下，尋求總費(fèi)用最小的工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即選用費(fèi)用模型為目標(biāo)函數(shù)模型，費(fèi)用函數(shù)由單元構(gòu)筑物和系統(tǒng)功能組成，影響系統(tǒng)總費(fèi)用的變量有厭氧池容積V1、缺氧池容積V2、好氧池容積V3、混合液回流比Rnei、污泥回流比Rwai和二沉池表面積A；工藝系統(tǒng)的總費(fèi)用f(x)由工藝系統(tǒng)的初始投資總費(fèi)用和工藝系統(tǒng)在設(shè)計(jì)年限內(nèi)的運(yùn)行維護(hù)總費(fèi)用兩部分組成，其表達(dá)式為f(x)＝ω1∑Ci+τω2∑Cj(1)Ci為第i種基建費(fèi)用；Cj為第j種運(yùn)行費(fèi)用；τ為綜合折現(xiàn)因子；ω1、ω2表示對工藝系統(tǒng)初始投資費(fèi)用和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用權(quán)重系數(shù)，ω1+ω2＝1；每種費(fèi)用借鑒通用的費(fèi)用函數(shù)模型構(gòu)成形式，即a和b為回歸系數(shù)；X表示影響單元構(gòu)筑物或系統(tǒng)性能的關(guān)鍵變量；Ci既表示單元構(gòu)筑物或系統(tǒng)功能的建造投資費(fèi)用，或表示單元構(gòu)筑物或系統(tǒng)功能的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，這取決于回歸系數(shù)a和b；從影響系統(tǒng)總費(fèi)用的單元構(gòu)筑物和系統(tǒng)功能中選取6個(gè)關(guān)鍵變量厭氧池容積V1、缺氧池容積V2、好氧池容積V3、混合液回流比Rnei、污泥回流比Rwai和二沉池表面積A，這些變量的回歸常數(shù)如表1；表1費(fèi)用模型中參數(shù)的推薦值代入各費(fèi)用Ci和Cj的表達(dá)形式，則工藝系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)形式為<mrow><mi>f</mi><mo>=</mo><msub><mi>&omega;</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><msup><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>b</mi><mn>1</mn></msub></msup><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><msup><msub><mi>V</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>b</mi><mn>2</mn></msub></msup><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>3</mn></msub><msup><msub><mi>V</mi><mn>3</mn></msub><msub><mi>b</mi><mn>3</mn></msub></msup><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>4</mn></msub><msup><mi>A</mi><msub><mi>b</mi><mn>4</mn></msub></msup><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>5</mn></msub><msup><msub><mi>R</mi><mi>nei</mi></msub><msub><mi>b</mi><mn>5</mn></msub></msup><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>6</mn></msub><msup><msub><mi>R</mi><mi>wai</mi></msub><msub><mi>b</mi><mn>6</mn></msub></msup><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>&omega;</mi><mn>2</mn></msub><mi>&tau;</mi><mrow><mo>(</mo><msub><msup><mi>a</mi><mo>,</mo></msup><mn>1</mn></msub><msup><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub><msub><msup><mi>b</mi><mo>,</mo></msup><mn>1</mn></msub></msup><mo>+</mo><msub><msup><mi>a</mi><mo>,</mo></msup><mn>2</mn></msub><msup><msub><mi>V</mi><mn>2</mn></msub><msub><msup><mi>b</mi><mo>,</mo></msup><mn>2</mn></msub></msup><mo>+</mo><msub><msup><mi>a</mi><mo>,</mo></msup><mn>3</mn></msub><msup><msub><mi>V</mi><mn>3</mn></msub><msub><msup><mi>b</mi><mo>,</mo></msup><mn>3</mn></msub></msup><mo>+</mo></mrow></mrow><mrow><msub><msup><mi>a</mi><mo>,</mo></msup><mn>4</mn></msub><msup><mi>A</mi><msub><msup><mi>b</mi><mo>,</mo></msup><mn>4</mn></msub></msup><mo>+</mo><mrow><msub><msup><mi>a</mi><mo>,</mo></msup><mn>5</mn></msub><msup><msub><mi>R</mi><mi>nei</mi></msub><msub><msup><mi>b</mi><mo>,</mo></msup><mn>5</mn></msub></msup><mo>+</mo><msub><msup><mi>a</mi><mo>,</mo></msup><mn>6</mn></msub><msup><msub><mi>R</mi><mi>wai</mi></msub><msub><msup><mi>b</mi><mo>,</mo></msup><mn>6</mn></msub></msup><mo>)</mo></mrow></mrow>(2)(2)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型構(gòu)建階段優(yōu)化設(shè)計(jì)模型是由生物反應(yīng)池模型和沉淀池模型兩部分構(gòu)建而成；I)生物反應(yīng)池模型構(gòu)建A2/O工藝包括厭氧池、缺氧池和好氧池；第k池的實(shí)際進(jìn)水流量和濃度，其實(shí)際出水流量等于進(jìn)水流量，出水濃度等于反應(yīng)器中的濃度；計(jì)算公式如下<mrow><msub><mi>Q</mi><mi>jin</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>Q</mi><mi>in</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>Q</mi><mi>r</mi></msub><mo>+</mo><munder><mi>&Sigma;</mi><mn>1</mn></munder><mi>q</mi><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mi>jin</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mo>[</mo><msub><mi>Q</mi><mi>jin</mi></msub><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>Q</mi><mi>r</mi></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><munder><mi>&Sigma;</mi><mn>1</mn></munder><mi>q</mi><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mo>]</mo><mo>/</mo><msub><mi>Q</mi><mi>jin</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>Qjin(k)為第k池的進(jìn)水流量，Qin反應(yīng)池進(jìn)水流量，Qr為二沉池污泥回流量，q(l，k)為從第l池輸入到第k池的混合液流量，Cjin(k)為第k池的進(jìn)水濃度，C0為反應(yīng)池進(jìn)水濃度，Cn+1為n+1反應(yīng)池進(jìn)水濃度，n表示反應(yīng)池個(gè)數(shù)；對第k池進(jìn)行質(zhì)量平衡，公式如下[dC(k)/dt]×V(k)＝Qjin(k)[Cjin(k)-C(k)]+r(k)(5)式中r(k)為反應(yīng)項(xiàng)，C(k)為從第l池輸入到第k池的混合液濃度，ASM2D模型計(jì)算；對于組分i，它的反應(yīng)變化項(xiàng)如下<mrow><msub><mi>r</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><munder><mi>&Sigma;</mi><mi>j</mi></munder><msub><mi>v</mi><mi>ij</mi></msub><msub><mi>&rho;</mi><mi>j</mi></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>結(jié)合公式(5)和(6)，第k池中組分i的質(zhì)量平衡方程為<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>dC</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>dt</mi></mfrac><mi>V</mi><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>Q</mi><mi>jin</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>[</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>jin</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub><mi>C</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>]</mo><mo>+</mo><munder><mi>&Sigma;</mi><mi>j</mi></munder><msub><mi>v</mi><mi>ij</mi></msub><msub><mi>&rho;</mi><mi>j</mi></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>公式(7)中，Ci(k)表示第k反應(yīng)池中組分i濃度，是未知數(shù)；對于非溶解性組分，采用二次沉淀池的理想分離模型，回流污泥中固體組分的濃度按下式進(jìn)行計(jì)算<mrow><msub><mi>X</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><msub><mi>Q</mi><mi>r</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>Q</mi><mi>in</mi></msub><mo>)</mo></mrow><msub><mi>X</mi><mi>i</mi></msub><mo>-</mo><munder><mi>&Sigma;</mi><mi>k</mi></munder><mi>V</mi><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mi>TSS</mi><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><msub><mi>X</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub><mi>&theta;</mi><mi>c</mi></msub><mi>TSS</mi><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><msub><mi>Q</mi><mi>r</mi></msub></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>對每一個(gè)反應(yīng)池，都針對每一個(gè)組分列出質(zhì)量平衡方程；對含有3個(gè)反應(yīng)池的A2/O工藝流程，每個(gè)池子按照ASM2D列出18種組分平衡方程，一共有54個(gè)方程和54個(gè)未知數(shù)，從而解得每個(gè)反應(yīng)池中18種組分的濃度；II)二沉池模型構(gòu)建采用固體通量沉淀模型進(jìn)行物料平衡計(jì)算，構(gòu)建豎流式二沉池模型；假定認(rèn)為它的橫截面積不隨池深變化在正常運(yùn)行情況下，污泥的高度始終處于進(jìn)水口以下。將沉淀池均勻分成10層，各自高度為Z，并做進(jìn)一步的假定①各層內(nèi)污泥濃度分布均勻；②入流的固體負(fù)荷均勻的分配于整個(gè)池表面；③二沉池內(nèi)無生化反應(yīng)；④污泥濃縮時(shí)不發(fā)生擴(kuò)散行為；⑤在污泥濃縮區(qū)，由于沉降作用進(jìn)入某一層的固體通量不能超過該層自身的沉降固體通量；⑥形成用計(jì)沉淀的污泥濃度閾值為Xt；即污泥濃度X≥Xt的最高層為濃縮區(qū)的上界面即泥水界面；⑦二沉池底部污泥固體重力通量為零；對每一層進(jìn)行固相物料平衡計(jì)算，可以得到頂層、入流層、入流層以下以及底層的物料平衡方程；①頂層，i＝1<mrow><mfrac><msub><mi>dX</mi><mn>1</mn></msub><mi>dt</mi></mfrac><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><msub><mi>&Phi;</mi><mrow><mi>up</mi><mo>,</mo><mn>2</mn></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mi>&Phi;</mi><mrow><mi>up</mi><mo>,</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mi>&Phi;</mi><mrow><mi>s</mi><mo>,</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub><mi>z</mi><mn>1</mn></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>9</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>②入流層到頂層間，i＝2～5<mrow><mfrac><msub><mi>dX</mi><mn>1</mn></msub><mi>dt</mi></mfrac><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><msub><mi>&Phi;</mi><mrow><mi>up</mi><mo>,</mo><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mi>&Phi;</mi><mrow><mi>up</mi><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>&Phi;</mi><mrow><mi>s</mi><mo>,</mo><mi>i</mi><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mi>&Phi;</mi><mrow><mi>s</mi><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow></msub><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub><mi>z</mi><mi>i</mi></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>10</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>③入流層，i＝6<mrow><mfrac><msub><mi>dX</mi><mn>6</mn></msub><mi>dt</mi></mfrac><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><msub><mi>Q</mi><mi>in</mi></msub><msub><mi>X</mi><mi>f</mi></msub><mo>/</mo><mi>A</mi><mo>-</mo><msub><mi>&Phi;</mi><mrow><mi>up</mi><mo>,</mo><mn>6</mn></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mi>&Phi;</mi><mrow><mi>dn</mi><mo>,</mo><mn>6</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>&Phi;</mi><mrow><mi>s</mi><mo>,</mo><mn>5</mn></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mi>&Phi;</mi><mrow><mi>s</mi><mo>,</mo><mn>6</mn></mrow></msub><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub><mi>z</mi><mn>6</mn></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>11</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>④入流層以下，i＝7～9<mrow><mfrac><msub><mi>dX</mi><mi>i</mi></msub><mi>dt</mi></mfrac><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><msub><mi>&Phi;</mi><mrow><mi>dn</mi><mo>,</mo><mi>i</mi><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mi>&Phi;</mi><mrow><mi>dn</mi><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>&Phi;</mi><mrow><mi>s</mi><mo>,</mo><mi>i</mi><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mi>&Phi;</mi><mrow><mi>s</mi><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>z</mi><mi>i</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>12</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>⑤底層，i＝10<mrow><mfrac><msub><mi>dX</mi><mn>10</mn></msub><mi>dt</mi></mfrac><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><msub><mi>&Phi;</mi><mrow><mi>dn</mi><mo>,</mo><mn>9</mn></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mi>&Phi;</mi><mrow><mi>dn</mi><mo>,</mo><mn>10</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>&Phi;</mi><mrow><mi>s</mi><mo>,</mo><mn>9</mn></mrow></msub><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub><mi>z</mi><mn>10</mn></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>13</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>式中Xi為第i層污泥濃度，g/m3；Φup，i為第i層向上的流動(dòng)固體通量，g/m2/d；Φs，i為第i層沉降固體通量，g/m2/d；Zi為每層的高度，m；Φdn，i為第i層向下的流動(dòng)固體通量，g/m2/d；Qin為二沉池進(jìn)水流量，m3/d；Xf為進(jìn)水顆粒物濃度，g/m3；以上五個(gè)方程，構(gòu)成了二次沉淀池一維濃度分布模型；固體顆粒濃度閾值為Xt，其數(shù)值相當(dāng)于二沉池開始產(chǎn)生擁擠沉降高度上的污泥固體顆粒濃度，取0.8；(3)根據(jù)約束條件編制優(yōu)化模型的程序并求解階段優(yōu)化模型利用matlab進(jìn)行程序主體編制，最后采用1stOpt軟件進(jìn)行求解，求解步驟分以下兩步第一步建立matlab程序的優(yōu)化設(shè)計(jì)m文件design.m；①輸入ASM2D模型參數(shù)；②輸入生物反應(yīng)過程速率表達(dá)式；③根據(jù)質(zhì)量平衡方程建立各生物反應(yīng)池模型；④建立沉淀池分層模型；⑤模型運(yùn)算第二步利用1stOpt軟件進(jìn)行最優(yōu)計(jì)算；①輸入73個(gè)未知數(shù)的初始值和取值范圍；②輸入流量和進(jìn)水組分濃度；③輸入費(fèi)用函數(shù)表達(dá)式；④輸入排放標(biāo)準(zhǔn)的不等式約束；⑤輸入m文件運(yùn)算出的模型方程；⑥利用1stOpt軟件的麥夸特法和通用全局優(yōu)化法進(jìn)行最優(yōu)化求解；通過matlab程序進(jìn)行模型構(gòu)建，然后再利用1stOpt軟件進(jìn)行最優(yōu)化，對優(yōu)化設(shè)計(jì)模型進(jìn)行計(jì)算。F2009101997469C0000011.tif,F2009101997469C0000036.tif全文摘要本發(fā)明屬于環(huán)境保護(hù)
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種污水處理廠A2/O工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。根據(jù)當(dāng)前污水廠A2/O工藝所采用的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法存在著基建費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用偏高等缺點(diǎn)，本發(fā)明以活性污泥2D模型為機(jī)理，分別對A2/O工藝的三個(gè)生物反應(yīng)池(厭氧池、缺氧池、好氧池)和沉淀池進(jìn)行模型構(gòu)建，建立污水廠的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，優(yōu)化A2/O工藝中的設(shè)計(jì)參數(shù)，并利用matlab語言進(jìn)行程序主體編制，采用1stOpt軟件進(jìn)行最后求解，得出各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)計(jì)結(jié)果。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法相比，本發(fā)明使污水廠的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)取值適當(dāng)，在出水水質(zhì)滿足要求的前提下，降低了污水廠的建設(shè)與運(yùn)行成本，適用于新建污水處理廠的設(shè)計(jì)及已建成污水廠的運(yùn)行管理。文檔編號(hào)G06F17/50GK101777084SQ20091019974公開日2010年7月14日申請日期2009年11月27日優(yōu)先權(quán)日2009年11月27日發(fā)明者周雪飛,張亞雷,胡茂冬,蘇鴻洋,蔣明申請人:同濟(jì)大學(xué)