[发明专利]一种污水处理厂A2/O工艺的优化设计方法

权利要求书

1.一种污水处理厂A²/O工艺的优化设计方法，其特征在于包括：目标函数构建、优 化设计模型构建和根据约束条件编制优化模型并求解，具体步骤如下：

(1)目标函数构建：

优化模型的目标是在保证满足出水水质需求的前提下，寻求总费用最小的工艺系统设 计，即选用费用模型为目标函数模型，费用函数由单元构筑物和系统功能组成，影响系统 总费用的变量有厌氧池容积V₁、缺氧池容积V₂、好氧池容积V₃、混合液回流比R_nei、污 泥回流比R_wai和二沉池表面积A；工艺系统的总费用f(x)由工艺系统的初始投资总费用和 工艺系统在设计年限内的运行维护总费用两部分组成，其表达式为：

f(x)＝ω₁∑C_i+τω₂∑C_j               (1)

C_i为第i种基建费用；C_j为第j种运行费用；τ为综合折现因子；ω₁、ω₂表示对工艺系 统初始投资费用和运行维护费用权重系数，ω₁+ω₂＝1；每种费用借鉴通用的费用函数模 型构成形式，即a和b为回归系数；X表示影响单元构筑物或系统性能的关键 变量；C_i或表示单元构筑物或系统功能的建造投资费用，或表示单元构筑物或系统功能的 运行维护费用，这取决于回归系数a和b；

从影响系统总费用的单元构筑物和系统功能中选取6个关键变量：厌氧池容积V₁、缺 氧池容积V₂、好氧池容积V₃、混合液回流比R_nei、污泥回流比R_wai和二沉池表面积A，这 些变量的回归系数如表1；

表1费用模型中参数的推荐值

代入各费用C_i和C_j的表达形式，则工艺系统目标函数的数学表达形式为：

f=ω1(a1V1b1+a2V2b2+a3V3b3+a4Ab4+a5Rneib5+a6Rwaib6)+ω2τ(a'1V1b'1+a'2V2b'2+a'3V3b'3+]]>

a'4Ab'4+a'5Rneib'5+a'6Rwaib'6)]]>

(2)]]>

(2)优化设计模型构建阶段：

优化设计模型是由生物反应池模型和沉淀池模型两部分构建而成；

I)生物反应池模型构建

A²/O工艺包括厌氧池、缺氧池和好氧池；第k池的实际进水流量和浓度，其实际出水 流量等于进水流量，出水浓度等于反应器中的浓度；计算公式如下：

Qjin(k)=Qin+Qr+Σ1q(l,k)---(3)]]>

Cjin(k)=[QjinC0+QrCn+1+Σ1q(l,k)C1]/Qjin(k)---(4)]]>

Q_jin(k)为第k池的进水流量，Q_in反应池进水流量，Q_r为二沉池污泥回流量，q(l，k)为 从第1池输入到第k池的混合液流量，C_jin(k)为第k池的进水浓度，C₀为反应池进水浓度， C_n+1为n+1反应池进水浓度，n表示反应池个数；

对第k池进行质量平衡，公式如下：

[dC(k)/dt]×V(k)＝Q_jin(k)[C_jin(k)-C(k)]+r(k)       (5)

式中：r(k)为反应项，C(k)为从第1池输入到第k池的混合液浓度，ASM2D模型计算； 对于组分i，它的反应变化项如下

ri=Σjvijρj---(6)]]>

结合公式(5)和(6)，第k池中组分i的质量平衡方程为：

dCi(k)dtV(k)=Qjin(k)[Ci,jin(k)-Ci(k)]+Σjvijρj---(7)]]>

公式(7)中，C_i(k)表示第k反应池中组分i浓度，是未知数；对于非溶解性组分， 采用二次沉淀池的理想分离模型，回流污泥中固体组分的浓度按下式进行计算：

Xi(n+1)=(Qr+Qin)Xi-ΣkV(k)TSS(k)Xi(3)/θcTSS(3)Qr---(8)]]>

对每一个反应池，都针对每一个组分列出质量平衡方程；对含有3个反应池的A²/O 工艺流程，每个池子按照ASM2D列出18种组分平衡方程，一共有54个方程和54个未知 数，从而解得每个反应池中18种组分的浓度；

II)二沉池模型构建

采用固体通量沉淀模型进行物料平衡计算，构建竖流式二沉池模型；

假定认为它的横截面积不随池深变化：在正常运行情况下，污泥的高度始终处于进水 口以下；将沉淀池均匀分成10层，各自高度为Z，并做进一步的假定：①各层内污泥浓度 分布均匀；②入流的固体负荷均匀的分配于整个池表面；③二沉池内无生化反应；④污泥 浓缩时不发生扩散行为；⑤在污泥浓缩区，由于沉降作用进入某一层的固体通量不能超过 该层自身的沉降固体通量；⑥形成用作计算的沉淀污泥浓度阈值为X_t；即污泥浓度X≥X_t 的最高层为浓缩区的上界面即泥水界面；⑦二沉池底部污泥固体通量为零；

对每一层进行固相物料平衡计算，可以得到顶层、入流层、入流层以下以及底层的物 料平衡方程；

①顶层，i＝1

dX1dt=(Φup,2-Φup,1-Φs,1)/z1---(9)]]>

②入流层到顶层间，i＝2～5

dX1dt=(Φup,i+1-Φup,i+Φs,i-1-Φs,i)/zi---(10)]]>

③入流层，i＝6

dX6dt=(QinXf/A-Φup,6-Φdn,6+Φs,5-Φs,6)---(11)]]>

④入流层以下，i＝7～9

dXidt=(Φdn,i-1-Φdn,i+Φs,i-1-Φs,i)/zi---(12)]]>

⑤底层，i＝10

dX10dt=(Φdn,9-Φdn,10+Φs,9)/z10---(13)]]>

式中：X_i为第i层污泥浓度，g/m³；Φ_up，i为第i层向上的流动固体通量，g/m²/d；Φ_s，i为第i层沉降固体通量，g/m²/d；Z_i为每层的高度，m；Φ_dn，i为第i层向下的流动固体通量， g/m²/d；Q_in为二沉池进水流量，m³/d；X_f为进水颗粒物浓度，g/m³；

以上五个方程，构成了二次沉淀池一维浓度分布模型；

固体颗粒浓度阈值为X_t，其数值相当于二沉池开始产生拥挤沉降高度上的污泥固体颗 粒浓度，取0.8；

(3)根据约束条件编制优化模型的程序并求解阶段

优化模型利用matlab进行程序主体编制，最后采用1stOpt软件进行求解，求解步骤分 以下两步：

第一步：建立matlab程序的优化设计m文件：design.m；

①输入ASM2D模型参数；

②输入生物反应过程速率表达式；

③根据质量平衡方程建立各生物反应池模型；

④建立沉淀池分层模型；

⑤模型运算

第二步：利用1stOpt软件进行最优计算；

①输入73个未知数的初始值和取值范围；

②输入流量和进水组分浓度；

③输入费用函数表达式；

④输入排放标准的不等式约束；

⑤输入m文件运算出的模型方程；

⑥利用1stOpt软件的麦夸特法和通用全局优化法进行最优化求解；

通过matlab程序进行模型构建，然后再利用1stOpt软件进行最优化，对优化设计模型 进行计算。