活性污泥法工艺系统优化设计模型及应用研究

发布时间：2020-08-22 22:15

【摘要】：在传统活性污泥法工艺系统设计过程中引入系统论思想及最优化求解的方法既是工程设计方法发展的趋势，也是结构化设计发展的必然。本研究在全面评述活性污泥法工艺系统最优化设计研究现状的基础上，在国内首次建立了一套完整的活性污泥法A~2／O工艺系统的优化设计模型和相应的寻优求解方法，并在Matlab环境下开发了最优化设计程序(ODP)，为提高活性污泥法工艺系统设计水平和设计效率作了一些探索性和创新性的努力。本文根据污水处理活性污泥法工艺的发展趋势，基于IAWQ-ASM机理模型理论，建立了一套完整的用于活性污泥法脱氮除磷A~2／O工艺系统方案设计的框架模型、系统数学模型以及费用目标函数模型，并将其整合为一个数学最优规划问题予以求解。实例研究表明，采用该套设计模型进行方案优化设计，可以在传统的设计方案基础上节约系统总费用10％以上，而且应用该优化方法进行工程设计既保证了活性污泥法生物处理系统的有机完整性，又提高了设计效率和设计准确度。针对优化设计模型的高度非线性、多变量、多约束、多维数等数学特征，提出了采用序列二次规划(SQP)进行优化求解的策略。该求解算法在寻优搜索区间内可以自动获得最佳的搜索方向和搜索步长，大大降低了寻优迭代的次数，有效地克服了常用优化方法——广义简约梯度法(GRG)、复合形法(CM)以及罚函数(PM)法等在求解大型非线性约束最优化问题时的诸多不足，提高了优化过程的效率和稳定性，且应用方便。本文首次在优化设计方法中应用Matlab语言对系统模型和SQP算法进行了编程求解。Matlab强大的计算功能和优化功能，为求解活性污泥法脱氮除磷A~2／O工艺系统的最优化设计问题，提供了良好的语言编译平台。作为工程类计算语言的发展方向，在本文的研究中，Matlab展示了在水污染控制领域内的应用前景十分广阔。本文通过实例研究中的工艺设计参数灵敏性分析，获得了参数不确定性对系统整体性能影响的定量分析结果。该结论可以指导试验人员或设计人员在对关键参数估值时，做到有理可循，同时还可根据参数的灵敏性高低，有针对地制定试验计划，避免资源浪费。本文编制的Matlab优化设计程序具有良好的开放性和可扩展性。当设计流程与本研究中的概念模型不完全一致时，只需要在模型中建立不同单元功能构筑物的反应及物料平衡关系，并用节点控制的物料平衡关系将这个功能模块与整个系统联系起来。对于最优化设计程序，则仅需要在相应改变的功能模块(子程序)中添加、删除以及修改约束条件或调整目标函数的构成，无须作大量重复的系统建模和计算重庆大学博士学位论文机编程工作。研究表明:用本文创建的活性污泥脱氮除磷系统优化模型来进行城市污水处理厂的工艺设计计算在理论上可行，用Mauab平台开发的优化设计程序ODP在实践上有继续深入研究开发的价值，具有良好的应用前景。本研究为活性污泥工艺设计提供了新方法，开辟了新思路，也为Mauab在水污染控制工程的应用增添了新领域。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：X703

【引证文献】