1、污水处理的脱氮除磷工艺优化设计 【摘要】随着社会经济的发展，随之而来的是我们对大自然的污染破坏。从第一次、第二次工业革命中给我们可以看出，科技的进步极大的推动了经济的发展，但是那是在污染环境的基础上而得来的。遵循现在的可持续发展，对于污水的处理，也要注重保护环境。利用活性污泥 2D 模型对城市污水厂脱氮除磷工艺进行优化设计，构建 A2/O 工艺的仿真模型，通过模型校正对工艺参数进行优化。并将优化设计与传统设计法和试算法进行比较。优化设计法得出的污水厂基建费用和运行成本与其他两种方法相比，都有了很大的降低，虽然出水水质略有下降。但仍满足国家排 放一级 B标准。活性污泥 2D 模型可以对污水厂进行
2、优化设计和控制。在满足出水水质前提下，降低污水厂的费用，并对以后的工艺设计提供理论指导。 【关键词】污水处理脱氮除磷工艺优化设计 【 Abstract 】 With the development of society and economy, and with it the pollution damage to our natlution to we can see, the progress of science and technology greatly promoted the economic development, but that is the basis of envir
3、onmental pollution in vegetat wastewater treatment, also want to pay attention to protect the environment plant to take off the nitrogen phosphorus removal process optimization design, construction process of the simulation A2 / O model, through the model correction the process parameters optimizatr
4、y algorithms are compaastewater treatment plant and operation cost compared with other two methods, there are a lot of lower, although a slight decrease in ward. 2 D model can be activated sludge sewage treatment plant to optimize design and contt of the wastewater treatment plant on the later proce
5、ss design of providing theoretical guidaphorus removal process ;optimization design 中图分类 号： U664.9+2 文献标识码： A 文章编号： 前言 城市污水中氮、磷等营养物质是影响人类生存环境的关键因素。因此污水处理的好坏能够对人们的生活及社会的稳定发展产生严重的影响。随着公众环境意识的提高和国内外对氮、磷排放的限制标准越来越严格，研究开发经济、高效的去除氮、磷的污水处理技术已成为水污染控制工程领域的研究重点和热点。而在污水处理的工艺设计中污水处理工艺计算设计过程在整个序列中占有至关重要的地位。本文系统概
6、述了当前污水生物脱氮除磷技术的现状。在分析、评价的基础上探讨了污水生物脱氮除磷 技术的发展趋势。 一、污水处理系统优化设计发展回顾 纵观城市污水处理系统设计优化理论四十多年的发展历史可以发现，本领域 研究路线有两个最主要的发展方向：一是侧重系统数学模型建构的本身，即尽可 能建立更精确的数学模型来仿真模拟污染物净化的工艺过程，但只选用较简单的 数学优化技术来处理模型；二是用一些基本获得确认的简单数学关系来描述污水 处理的工艺过程，但采用最先进可靠的数学优化技术来对这些关系式寻优求解。 我们可以从表 1 中的对比中了解到活性 污泥工艺在世界各国应用的比较多。 表 1 国内外污水处理工艺应用情况比较
7、 活性污泥法工艺 生物滤池法工艺 稳定塘工艺 氧化沟工艺 RBC 工艺 土地处理 生物脱氮除磷 其他 中国 59.34 0.85 9.32 7.63 2.54 20.32 美国 30.6 13.2 40.3 4.0 1.9 5.0 4.9 0.1 加拿大 23.3 1.3 63.5 3.1 0.9 0.6 7.3 日本 88.7 2.1 2.4 2.9 3.9 荷兰 18.4 18.6 45.1 17.9 瑞士 66.6 15.5 17.9 注：表中数据均以为单位 二、污水处理系统优化设计模型的目标函数 构建模型首先要确定目标函数，即优化的目标是什么；其次，设计优化思想，即如何实现优化；最后，
8、确定约束条件，即为模型设定限制条件。 2.1 目标函数的选择 任何系统优化设计的实际问题，均需要用下列最优化数学问题的形式进行 表述。 目标函数： MinF(x) 约束条件： gi （ x） ?R0， i?P1,2,3 ， p hi （ x） ?P0， i?P1,2,3 ， m 满足约束条件集合的设计方案属于一个可行方案，但可行方案并不意味着最优方案。因此，除了满足约束条件集合之外，还需要在众多可行方案中进行优劣评价和判定，这种优劣方案的衡量方法，可以用设计人员或决策者所追求的目标来描述。式中 F（ x）为需要达到的设计目标函数， x（ x1，x2， x3， xn) 为设计变量， g（ x），
9、 h（ x）是最优化问题中的约束条件(方程 )集合，从数学上讲，系统优化设计就是在设计变量的允许范围之内，由计算机寻找一组参数 x，使 MinF(x)成立，能够使 MinF(x)成立的一组参数 x 即为经优化后的设计方案。 2.2 费用模型的建立 活性污泥脱氮除磷 A20 工艺系统优化设计模型的费用函数由一系列的单元构筑物和系统功能所组成。系统功能是指诸如提升子系统、回流子系统等不以构筑物形式出现在系统中，但却直接影响系统运行性能和系统投资费用的功能单元。 建立费用模型即是通过数学关系或图像方式来描述工程费用特征及其内在联系的方法。该费用函数模型通式为幂函数形式。 Ci?Pai（ Xi） bi
10、 式中， Ci 表示 构成系统总费用的第 i 种费用函数值，它既可以表示单元构筑物的建造投资费用，也可以表示单元构筑物 (或系统功能 )的运行维护费用； x 表示影响单元构筑物或系统性能的关键变量，原则上影响单元构筑物费用的变量只选择一个。但对予系统性能费用函数，则根据具体情况来确定。 2.3 目标函数数学表达形式 工艺系统总费用由两部分构成。第一部分是工艺系统的初始投资总费用，它由各单元构筑物以及系统功能的初始投资费用的加和构成；第二部分是工艺系统在设计年限内的运行维护总费用它是由各单元构筑物以及系统功能的运行维护费用 的加和，并充分考虑货币的时间价值后构成。 三、设计模型的约束条件 约束条
11、件是污水处理系统工艺设计技术要求中的具体指标、工艺特性限制条件以及必须满足的各种反应关系、物料平衡、系统性能等。根据污水处理系统内单元构筑物的不同功能，采用各种数学关系式对其中的微生物作用机理、物料平衡、工艺功能需求等设计关系以及对出水排放标准等进行表述，以构成最优化问题的约束条件集合。 3.1 排放标准约束条件 出水中的各种污染物质应受排放标准的限制，通过 ASM2D 模型组分与传统出水水质指标的转换 关系，优化模型可以将这种低于排放标准的情况以边界不等式约束条件表述，出水标准采用污水综合排放标准 (GBl8918-2002)中的一级 B 标准。 3.2 传统设计取值范围约束 由于模型运行只
12、是向费用最优化方向发展，计算结果固然最优，但其设计参数可能无法应用于实践，因此需要利用传统设计经验进行修正，表 2为A20 工艺常见传统设计参数的取值范围，在进行优化设计时，也要受下表中某些经验的取值范围约束，但不作为强制约束。 表 2A2O 工艺传统设计参数 名称 单位 参数值 BOD 污泥负荷 Us KgBOD5/kgMLSS?d 0.10.2 污泥浓度 (MLSS)Xa g/l 2.54.5 污泥龄 c d 1020 污泥产率 Y KgVSS/kgBOD5 0.30.6 需氧量 O2 KgO2/kgBOD5 1.11.8 714 水力停留时间 HRT h 厌氧 12h 厌氧 0.53h
13、污泥回流比 R % 缺氧 20100 混合液回流比 Ri % 200 四、污水处理的脱氮除磷工艺优化 设计过程 4.1 优化设计模型构建。系统建模的目的是完成设计方案的分析任务，提供设计目标评判部分所需数据。污水处理工艺优化设计根据系统工艺设计的特点和需要，构建区别于其他工程类优化设计的目标函数和约束条件，其寻优过程也与其他系统优化设计相类似。 A2/O 工艺模型的优化目标为整个污水处理系统的总费用最小、出水水质最优、运行稳定性最高、剩余污泥量最小等四个方面。 4.2 优化设计模型校正。为了使模型模拟效果更接近实际效果，需要对模型进行校正，使模型能够更精确地反映污水厂实际出水情况，模型校正的过
14、 程就是在模型初步模拟的基础上通过逐步改变模型参数，使模型模拟数据最终能够吻合实际数据。在工艺数学建模过程中，很多参数不是基于实际情况确定的，必须经过校正才能使模拟得出的结果吻合测量数据，校正的过程是在模型初步模拟的基础上逐步改变模型的参数，最终让模型模拟数据接近实际值。 4.3 模型试算法设计。利用以数学模型为基础的模拟软件对传统设计结果进行调整，通过不断地选取活性污泥工艺参数，直到所选参数使出水水质满足标准，并在满足要求的方案中选出最合理的方案作为最终结果，这个过程称之为试算法。试算法能够有效地降 低污水厂的基建成本和运行费用，但它是在其余参数不动的前提下对各参数进行调整，实际上各设计参数
15、之间还存在互相关联的关系。 4.4 初始设计方案。当用数学方式来描述时也称为初始可行解，它是寻优过程开始的起点。通常每一组可行解都对应着一个设计方案，初始方案所对应的设计 变量，可以由工程设计人员根据传统经验设计方法计算获得。 4.5 设计监控。设计监控步骤是在计算机进行优化设计时，为实现 “ 人机交互 ” 而设计的监控系统。监控系统借助计算机显示屏并用字符、数字或图形等形式，把设计过程 (寻优过程 )中的原始数据、中间参数、迭代次数、误差大小以及目标评价结果等显现出来。 4.6 模型验证结果。模型是否有效需要通过验证，利用参数调整后的模型，需要对初步模拟时的污水厂全年运行数据进行验证，通过校
16、正后的模型对该厂全年数据进行模拟运行，检验其是否正的有效。 结束语 在传统的活性污泥法工艺系统设计过程中引入系统论思想及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。本文在全面评述污水脱氮除磷系统最优化设计研究的基础上，为提高污水工艺系统设计水平和设计效率作了一些探索 性和创新性的工作。但是只有在污水厂不同反应池都进行水质数据测定，并利用这些数据对模型进行不断的校正，才能够实现模型对整个污水厂的控制和管理，做到智能化，从而实现污水处理的可持续。 参考文献 周雹等活性污泥工艺的设计计算方法探讨，【 J】中国给水排水，Vol 17， No 5， 2005； 杨宝林，污水处理厂技术概况和发展动向，【 J】中国给水排水， Vo1 7，No 4， 2006； 李秀玲，处理污水的优化方案，【 J】数理统计与管理， Vo1 17， No， 4，2006 注：文章内所有公式及图表请用 PDF 形式查看。
