污水處理工藝系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計理論的研究與發(fā)展

HOANG MINH QUAN

【摘 要】當(dāng)前所處的環(huán)境下人們的生活水平顯著提升，智能技術(shù)也得到了進一步的發(fā)展成熟，人們越來越關(guān)注污水處理相關(guān)的問題。在污水處理過程中需要對傳統(tǒng)的處理設(shè)計理念、現(xiàn)場控制以及上位機監(jiān)控等不同方面都進行優(yōu)化設(shè)計。本文將針對污水處理工藝的相關(guān)理論基礎(chǔ)進行研究分析，旨在為具體實踐提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】污水處理工藝；系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計；理論

引言：

長時間以來，污水在具體處理工藝的應(yīng)用當(dāng)中由于受到了數(shù)學(xué)計算工具以及相關(guān)理論的限制導(dǎo)致所采用的污水凈化方案大都是傳統(tǒng)的單體設(shè)計方法。工程設(shè)計人員在具體應(yīng)用方案時還需要憑借自己的直覺以及相關(guān)的工程經(jīng)驗做出判斷，基于設(shè)計規(guī)范指導(dǎo)來對有限的備選方案進行擬定，再考慮經(jīng)濟指標、社會指標等從方案當(dāng)中選擇一個相對合理的方案，顯然這些設(shè)計方案不夠精確，其次也許會使一些比較好的方案被埋沒。在眾多的工程設(shè)計領(lǐng)域當(dāng)中，系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，與傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比，此種設(shè)計方法可以使工程投資大幅度降低，同時使建設(shè)周期明顯縮短，還可以使設(shè)計的效率與質(zhì)量得到提高，實現(xiàn)人力與物力的節(jié)省等。當(dāng)前國外關(guān)于污水處理工藝系統(tǒng)的相關(guān)理論研究已經(jīng)具備了40多年的歷史，也逐漸將這些理論都應(yīng)用在具體的實踐當(dāng)中，但我國與設(shè)計理念相關(guān)的研究仍然處于比較基礎(chǔ)的階段[1]。

一、污水處理工藝系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展里程概述

20世紀60年代，Lynn等學(xué)者首次將系統(tǒng)分析理論與污水處理流程等結(jié)合起來，其中也利用了數(shù)學(xué)網(wǎng)絡(luò)算法來把流程的設(shè)計問題轉(zhuǎn)化成為一個系統(tǒng)物流的傳遞過程，開創(chuàng)性的建立了結(jié)合數(shù)學(xué)規(guī)劃方法處理污水優(yōu)化組合等相關(guān)問題的研究，也滿足了在以達到設(shè)計標準為前提的背景下最少限度使用投資費用的目標[2]。但由于其更偏向于經(jīng)濟學(xué)方面，所以對于污水處理系統(tǒng)的簡化程度比較大，僅僅包含三個單元，在實際當(dāng)中應(yīng)用仍然難以成立。

在這之后，也有學(xué)者從生物學(xué)和數(shù)學(xué)等角度開展研究，研究者基于前人的研究結(jié)果，構(gòu)建起更新的模型，利用反應(yīng)函數(shù)等模式來找尋到最佳的方法。比如在這個階段當(dāng)中出現(xiàn)了非線性規(guī)劃、幾何規(guī)劃以及動態(tài)規(guī)劃等。在相關(guān)的研究當(dāng)中不僅采用了圖論、單純形法、黃金分割以及仿真模擬等數(shù)學(xué)方面的技術(shù)，而且還考慮到氧化塘、活性炭吸附、消化池等化學(xué)方面的處理模式，這樣構(gòu)建起的系統(tǒng)更加可以反應(yīng)真實情況。這個研究階段當(dāng)中設(shè)計出的優(yōu)化系統(tǒng)模型各自具備自己的特色，也衍生出了兩種不同的研究動態(tài)，其中一種是從工藝流程的優(yōu)化到參數(shù)的優(yōu)化；第二種則是將優(yōu)化目標進行拓展，認為優(yōu)化目標不應(yīng)當(dāng)僅僅局限在投資費用最小方面。

20世紀80年代時期，Tyteca等學(xué)者開創(chuàng)了新的設(shè)計階段。其中Rossman學(xué)者將0-1決策變量成功引入到混合整數(shù)規(guī)劃模型當(dāng)中，讓優(yōu)化模型從更多的可能模型當(dāng)中選擇出最優(yōu)的哪一種，還可以對工藝單體參數(shù)進行優(yōu)化配置，最終實現(xiàn)能耗與投資費用均最小的目標。而Tyteca構(gòu)建起更完整與更實用的污水處理系統(tǒng)。

在計算機技術(shù)的不斷發(fā)展情況下，一些新的數(shù)學(xué)優(yōu)化理論出現(xiàn)，在20世紀末期，有研究者得到了更大的研究污水處理系統(tǒng)的研究空間[3]。其中Kao等是其中比較具有代表性的，其設(shè)計了計算機輔助污水處理系統(tǒng)，使計算機強大的圖像顯示和計算等功能得到發(fā)揮，也開創(chuàng)了人機交互友好界面的新田地。Elis所構(gòu)建的污水處理優(yōu)化模型使用于發(fā)展中國家，為了讓設(shè)計出的污水處理系統(tǒng)可以具備脫氮除磷功能，Melo、Tang等眾多學(xué)者都開展了許多積極友有益的探索。

從上述的關(guān)于污水處理工藝系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計相關(guān)研究過程中，我們可以發(fā)現(xiàn)這些研究為當(dāng)前污水處理工藝系統(tǒng)的進一步優(yōu)化奠定了堅實的基礎(chǔ)，通過對其進行進一步的分析可以發(fā)現(xiàn)以下幾種規(guī)律：

（1）所研究的方向主要包含兩種，第一種是對處理流程的進一步優(yōu)化，使不同工藝優(yōu)化組合的問題得到充分解決，第二種則是對相關(guān)的設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化，實現(xiàn)不同構(gòu)筑物之間相互耦合的優(yōu)化，當(dāng)然這兩者之間并不是完全孤立的，可以將這些放在一起進行研究。

（2）該研究當(dāng)中所包含的研究內(nèi)容也有兩種：構(gòu)建工藝系統(tǒng)模型的最優(yōu)方法，進而選擇更優(yōu)的設(shè)計方案；系統(tǒng)模型在構(gòu)建過程中一般需要遵循簡單至復(fù)雜，單級至多級，粗略到系統(tǒng)的仿真過程，但是對于最優(yōu)化數(shù)學(xué)方法而言，適用性才是衡量其價值的唯一標準，這是因為只有在特定的環(huán)境下某種技術(shù)得到更好的應(yīng)用，尤其是與其他技術(shù)相比，各項性能優(yōu)越，這才說明技術(shù)具備適用性[4]。

（3）本次研究屬于動態(tài)的研究過程，會隨著外部時代環(huán)境的變化而對研究內(nèi)容進行更新，這也是污水處理理論和計算機技術(shù)今后發(fā)展的必然趨勢。

二、我國國內(nèi)關(guān)于污水處理工藝系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的研究分析

受到各種主客觀因素的影響，我國國內(nèi)對于污水處理工藝系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方面的研究雖然有所涉及，但是并不深入，當(dāng)前的研究現(xiàn)狀與國外相比，其發(fā)展水平也相對較低，不少國內(nèi)學(xué)者的研究或停留在工藝優(yōu)選的定性，或者是從有限的方案當(dāng)中選擇相對新型的方案進行比對，或者是單純的開展理論研究，而忽視了工藝系統(tǒng)設(shè)計本身所存在的一系列問題等。

同樣在20世紀80年代時期，我國學(xué)者付國偉等構(gòu)建起了相對簡單的工藝系統(tǒng)優(yōu)化模型，但是在所設(shè)計的系統(tǒng)當(dāng)中不包含旁流子系統(tǒng)以及污泥子系統(tǒng)等。該系統(tǒng)模型所采用的使非線性關(guān)系來進行描述，而求解的方法則是復(fù)合形尋優(yōu)算法，根據(jù)算例所得到的結(jié)果顯示，和之前傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比，此種設(shè)計方法可以使年運行費用以及基建費用等節(jié)省大約在15%左右[5]。

也有學(xué)者對采用活性污泥法進行污水處理的工廠開展系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計研究。在已有學(xué)者構(gòu)建起的研究模型基礎(chǔ)上，其設(shè)計的優(yōu)化系統(tǒng)變得更加的詳盡，但是未給出具體的優(yōu)化求解技術(shù)，所以得到的優(yōu)化結(jié)論無法讓后人進行有效性驗證。隋軍等學(xué)者則是以厭氧能耗過程以及節(jié)能為研究的主要目標，開展厭氧發(fā)污水處理工藝系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計研究，但是通過對其研究的內(nèi)容和研究的手段進行比較分析，發(fā)展其在研究中所設(shè)計的模型當(dāng)中沒有包含污染物反應(yīng)過程，所以其設(shè)計的系統(tǒng)無法理解為完全意義上的污水處理優(yōu)化系統(tǒng)。另外，有學(xué)者將兩步優(yōu)化理論引入到系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中，最終所得到的設(shè)計方案比較滿意。截止到目前，我國國內(nèi)學(xué)者刮板與此方面研究得到的理論成果仍然十分有限。

三、結(jié)束語

本文主要對污水處理工藝系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的理論發(fā)展進程進行回顧，先從整體上分析系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的特點表現(xiàn)，再闡述我國國內(nèi)關(guān)于此項內(nèi)容的研究現(xiàn)狀，以證實本次所開展的研究具有必要性和重要的現(xiàn)實意義。

【參考文獻】

[1]劉志倩. 污水處理工藝系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計理論的研究與發(fā)展[J]. 工程技術(shù)：文摘版：00308-00308.

[2]羅麗. 論污水處理系統(tǒng)重金屬廢水處理工藝設(shè)計研究[J]. 城市建設(shè)理論研究：電子版， 2012（15）：258-259.

[3]宋磊. 污水處理自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 城市建設(shè)理論研究：電子版， 2016（13）.

[4]張懷宇. 基于模糊控制的CASS污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計[D]. 西南交通大學(xué)， 2016.

[5]高峰. 污水處理廠自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 西安建筑科技大學(xué)， 2015.