污水处理工艺系统优化设计理论的研究与发展

HOANG MINH QUAN

【摘 要】当前所处的环境下人们的生活水平显著提升，智能技术也得到了进一步的发展成熟，人们越来越关注污水处理相关的问题。在污水处理过程中需要对传统的处理设计理念、现场控制以及上位机监控等不同方面都进行优化设计。本文将针对污水处理工艺的相关理论基础进行研究分析，旨在为具体实践提供借鉴。

【关键词】污水处理工艺；系统；优化设计；理论

引言：

长时间以来，污水在具体处理工艺的应用当中由于受到了数学计算工具以及相关理论的限制导致所采用的污水净化方案大都是传统的单体设计方法。工程设计人员在具体应用方案时还需要凭借自己的直觉以及相关的工程经验做出判断，基于设计规范指导来对有限的备选方案进行拟定，再考虑经济指标、社会指标等从方案当中选择一个相对合理的方案，显然这些设计方案不够精确，其次也许会使一些比较好的方案被埋没。在众多的工程设计领域当中，系统优化设计方案已经得到了较为广泛的应用，与传统的设计方法相比，此种设计方法可以使工程投资大幅度降低，同时使建设周期明显缩短，还可以使设计的效率与质量得到提高，实现人力与物力的节省等。当前国外关于污水处理工艺系统的相关理论研究已经具备了40多年的历史，也逐渐将这些理论都应用在具体的实践当中，但我国与设计理念相关的研究仍然处于比较基础的阶段[1]。

一、污水处理工艺系统优化设计的发展里程概述

20世纪60年代，Lynn等学者首次将系统分析理论与污水处理流程等结合起来，其中也利用了数学网络算法来把流程的设计问题转化成为一个系统物流的传递过程，开创性的建立了结合数学规划方法处理污水优化组合等相关问题的研究，也满足了在以达到设计标准为前提的背景下最少限度使用投资费用的目标[2]。但由于其更偏向于经济学方面，所以对于污水处理系统的简化程度比较大，仅仅包含三个单元，在实际当中应用仍然难以成立。

在这之后，也有学者从生物学和数学等角度开展研究，研究者基于前人的研究结果，构建起更新的模型，利用反应函数等模式来找寻到最佳的方法。比如在这个阶段当中出现了非线性规划、几何规划以及动态规划等。在相关的研究当中不仅采用了图论、单纯形法、黄金分割以及仿真模拟等数学方面的技术，而且还考虑到氧化塘、活性炭吸附、消化池等化学方面的处理模式，这样构建起的系统更加可以反应真实情况。这个研究阶段当中设计出的优化系统模型各自具备自己的特色，也衍生出了两种不同的研究动态，其中一种是从工艺流程的优化到参数的优化；第二种则是将优化目标进行拓展，认为优化目标不应当仅仅局限在投资费用最小方面。

20世纪80年代时期，Tyteca等学者开创了新的设计阶段。其中Rossman学者将0-1决策变量成功引入到混合整数规划模型当中，让优化模型从更多的可能模型当中选择出最优的哪一种，还可以对工艺单体参数进行优化配置，最终实现能耗与投资费用均最小的目标。而Tyteca构建起更完整与更实用的污水处理系统。

在计算机技术的不断发展情况下，一些新的数学优化理论出现，在20世纪末期，有研究者得到了更大的研究污水处理系统的研究空间[3]。其中Kao等是其中比较具有代表性的，其设计了计算机辅助污水处理系统，使计算机强大的图像显示和计算等功能得到发挥，也开创了人机交互友好界面的新田地。Elis所构建的污水处理优化模型使用于发展中国家，为了让设计出的污水处理系统可以具备脱氮除磷功能，Melo、Tang等众多学者都开展了许多积极友有益的探索。

从上述的关于污水处理工艺系统优化设计相关研究过程中，我们可以发现这些研究为当前污水处理工艺系统的进一步优化奠定了坚实的基础，通过对其进行进一步的分析可以发现以下几种规律：

（1）所研究的方向主要包含兩种，第一种是对处理流程的进一步优化，使不同工艺优化组合的问题得到充分解决，第二种则是对相关的设计参数进行优化，实现不同构筑物之间相互耦合的优化，当然这两者之间并不是完全孤立的，可以将这些放在一起进行研究。

（2）该研究当中所包含的研究内容也有两种：构建工艺系统模型的最优方法，进而选择更优的设计方案；系统模型在构建过程中一般需要遵循简单至复杂，单级至多级，粗略到系统的仿真过程，但是对于最优化数学方法而言，适用性才是衡量其价值的唯一标准，这是因为只有在特定的环境下某种技术得到更好的应用，尤其是与其他技术相比，各项性能优越，这才说明技术具备适用性[4]。

（3）本次研究属于动态的研究过程，会随着外部时代环境的变化而对研究内容进行更新，这也是污水处理理论和计算机技术今后发展的必然趋势。

二、我国国内关于污水处理工艺系统优化设计的研究分析

受到各种主客观因素的影响，我国国内对于污水处理工艺系统优化设计方面的研究虽然有所涉及，但是并不深入，当前的研究现状与国外相比，其发展水平也相对较低，不少国内学者的研究或停留在工艺优选的定性，或者是从有限的方案当中选择相对新型的方案进行比对，或者是单纯的开展理论研究，而忽视了工艺系统设计本身所存在的一系列问题等。

同样在20世纪80年代时期，我国学者付国伟等构建起了相对简单的工艺系统优化模型，但是在所设计的系统当中不包含旁流子系统以及污泥子系统等。该系统模型所采用的使非线性关系来进行描述，而求解的方法则是复合形寻优算法，根据算例所得到的结果显示，和之前传统的设计方法相比，此种设计方法可以使年运行费用以及基建费用等节省大约在15%左右[5]。

也有学者对采用活性污泥法进行污水处理的工厂开展系统最优设计研究。在已有学者构建起的研究模型基础上，其设计的优化系统变得更加的详尽，但是未给出具体的优化求解技术，所以得到的优化结论无法让后人进行有效性验证。隋军等学者则是以厌氧能耗过程以及节能为研究的主要目标，开展厌氧发污水处理工艺系统的优化设计研究，但是通过对其研究的内容和研究的手段进行比较分析，发展其在研究中所设计的模型当中没有包含污染物反应过程，所以其设计的系统无法理解为完全意义上的污水处理优化系统。另外，有学者将两步优化理论引入到系统设计当中，最终所得到的设计方案比较满意。截止到目前，我国国内学者刮板与此方面研究得到的理论成果仍然十分有限。

三、结束语

本文主要对污水处理工艺系统优化设计的理论发展进程进行回顾，先从整体上分析系统优化设计的特点表现，再阐述我国国内关于此项内容的研究现状，以证实本次所开展的研究具有必要性和重要的现实意义。

【参考文献】

[1]刘志倩. 污水处理工艺系统优化设计理论的研究与发展[J]. 工程技术：文摘版：00308-00308.

[2]罗丽. 论污水处理系统重金属废水处理工艺设计研究[J]. 城市建设理论研究：电子版， 2012（15）：258-259.

[3]宋磊. 污水处理自动化控制系统的设计[J]. 城市建设理论研究：电子版， 2016（13）.

[4]张怀宇. 基于模糊控制的CASS污水处理控制系统设计[D]. 西南交通大学， 2016.

[5]高峰. 污水处理厂自动化控制系统的设计与实现[D]. 西安建筑科技大学， 2015.