廢水處理系統最最佳化設計
正文
用最最佳化的原理和方法設計出效率最高、費用最小、能源消耗最少的廢水處理系統。它是系統工程在解決環境問題方面的一種套用。以常用的完全混合活性污泥法廢水處理系統為例，這種系統是由“廢水處理”和“污泥處理”這兩個子系統組成的。前者有初次沉澱池、曝氣池、二次沉澱池、循環泵、污泥泵、機械曝氣等構築物和設備；後者有污泥濃縮池、消化池、 真空過濾機、 初次污泥泵、濃縮污泥泵和污泥最後處理等過程和設備。長期以來，對上述系統都是按傳統的經驗方法設計的。20世紀60年代出現的一種“合理設計”法，採用定量的過程數學模式和實驗決定參數的方法進行廢水處理系統的設計。與此同時，開始進行各單元過程和總系統最最佳化設計方法的研究，目前已經提出了一些方法和電腦程式，正在逐步實現污水處理廠的最最佳化設計。由於最最佳化設計依據系統內各單元之間的定量關係，使整個系統達到最優目標，所以比傳統設計經濟合理。
最最佳化設計首先要建立某一系統的數學模式，這包括：進行系統分析，建立系統的概念模型和數學模型方程，確定各模式中的有關參數，建立系統各因素之間的定量關係；其次要確定各單元過程的約束條件和出水水質範圍,確定評價費用的指標,選定並建立目標函式；最後，選用一定的最最佳化方法找出最優解。
由於廢水處理系統的複雜性，一般採用固定各子系統所共有的基本設計變數的辦法把處理系統分解成兩個獨立的子系統，先分別實現子系統的最最佳化，再綜合協調兩個子系統，使總系統最最佳化。子系統的最最佳化問題可表達為：目標函式C=f(x)；約束條件gi(x)≤αi,i=1,2,…m;hj(x)≥bj,j=1,2,…p。C=f(x)是評價系統經濟性的標準，可以用基建總資和使用期限內設備總運行費之和來表示，這就要求目標函式為最小值。x(x1,x2,…, xn)是要決定的設計變數。xk是各處理單元相應的設計分量，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的函式。例如，對初次沉澱池和二次沉澱池，xk為過水表面積;對曝氣池,xk為混合液懸浮固體濃度和污泥回流比；對濃縮池，xk為底泥懸浮固體濃度；對消化池,xk為固體停留時間；對真空過濾,xk為過濾機的過濾表面積等。很多國家的回歸統計分析說明,費用與處理單元特性參數之間的函式關係一般具有
的形式，α、β是經驗係數。約束不等式規定了各設計分量xk的允許變化範圍，它們是根據單元設備的操作要求和出水水質的限制，以及所用單元過程數學模式的適用條件推導得出的。滿足這些約束不等式的設計變數值都是可行解，其中與最小總費用相應的設計變數值則是該系統的最優解。求解上述最最佳化問題的方法，要根據其數學模式的型式和特點來選擇。曾經用於廢水處理系統的最最佳化方法有:動態規劃法、幾何規劃法、胡克-吉夫斯搜尋法、修正的單純形搜尋法、複合形法、枚舉法、最大斜率法、線性規劃法和結構參數法等。 以上都是指穩態情況下廢水處理系統的最最佳化設計。由於廢水處理系統的動態特性突出，目前已注意研究隨時間而變化的動態過程特性。動態數學模式往往需要採用計算機模擬，通過“瞬時回響分析”（確定輸入與輸出間的關係）來求解，然後分析得出最最佳化設計中應採用的對策。
