【摘要】：活性污泥工藝是污水處理最重要方法,經(jīng)過(guò)100年的發(fā)展歷程,其研究工作重點(diǎn),已從最初的穩(wěn)定運(yùn)行,到后來(lái)的排放達(dá)標(biāo),進(jìn)入到目前的節(jié)能減排階段。在我國(guó),污水處理廠節(jié)能減排的一個(gè)重要任務(wù),就是在有限能耗的約束下,逐步降低出水水質(zhì)的超標(biāo)部分,并最終達(dá)到出水水質(zhì)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。大量研究表明,對(duì)污水處理廠的減排優(yōu)化,可通過(guò)改變工藝、增加設(shè)備或調(diào)整運(yùn)行參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn),這常常意味著需要提高處理過(guò)程的能耗。因此,污水處理的節(jié)能與減排之間有時(shí)會(huì)產(chǎn)生矛盾,需要根據(jù)實(shí)際情況在節(jié)能與減排兩者之間進(jìn)行權(quán)衡。本研究利用多目標(biāo)優(yōu)化的方法通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真研究了活性污泥工藝在節(jié)能與減排之間的權(quán)衡問(wèn)題。研究涉及三種活性污泥工藝,分別是國(guó)際水協(xié)發(fā)布的BSM1 (Benchmark Simulation Model 1)基準(zhǔn)工藝、東南大學(xué)開(kāi)發(fā)的五箱一體活性污泥工藝及六箱一體活性污泥工藝。研究過(guò)程涉及3種天氣進(jìn)水條件：晴天、雨天及暴雨,涉及2種控制方法：開(kāi)環(huán)、閉環(huán)。在建立多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型時(shí),選擇的目標(biāo)函數(shù)為出水水質(zhì)超標(biāo)指數(shù)(EQ)、運(yùn)行能耗指數(shù)(OC)、反應(yīng)池體積和污泥濃度等,決策變量為反應(yīng)池體積、氧氣傳質(zhì)系數(shù)、混合液回流量、污泥回流量、排泥量和各階段運(yùn)行時(shí)間等,約束條件為目標(biāo)函數(shù)的取值范圍與決策變量的取值范圍,計(jì)算采用非支配排序遺傳算法NSGA-Ⅱ利用ATLAB編程求解。為了獲得多目標(biāo)優(yōu)化模型中活性污泥有關(guān)組分的濃度,根據(jù)物料守恒原理構(gòu)建了上述三種活性污泥工藝的數(shù)學(xué)模型。模型內(nèi)的組分反應(yīng)速率采用國(guó)際水協(xié)發(fā)布的ASMs (Activated Sludge Models)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行計(jì)算；進(jìn)水COD中的組分利用氣相色譜法、呼吸計(jì)量法及守恒法進(jìn)行分析；模型的化學(xué)計(jì)量系數(shù)利用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行校正；模型的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)利用一種組合了反應(yīng)速率測(cè)定、反應(yīng)速率計(jì)算、靈敏度分析及數(shù)學(xué)最優(yōu)化的迭代算法進(jìn)行校正。對(duì)BSM1工藝的研究表明,多目標(biāo)優(yōu)化模型中的決策變量、目標(biāo)函數(shù)與約束條件的設(shè)定對(duì)優(yōu)化結(jié)果有明顯影響；多目標(biāo)優(yōu)化得到的Pareto解集可以提供多個(gè)目標(biāo)之間的權(quán)衡關(guān)系,避免優(yōu)化解的唯一性,可實(shí)現(xiàn)規(guī)劃者與決策者的分離,為決策者的選擇提供了便利。同時(shí)選擇出水水質(zhì)超標(biāo)指數(shù)、運(yùn)行能耗指數(shù)、反應(yīng)池體積和污泥濃度等4個(gè)目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化解,比選擇2-3個(gè)目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化解更有利于全面優(yōu)化BSM1的運(yùn)行策略。利用多目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)五箱一體活性污泥工藝的研究結(jié)果表明,該工藝多目標(biāo)優(yōu)化Pareto解集的出水水質(zhì)超標(biāo)指數(shù)與運(yùn)行能耗指數(shù)呈非線性關(guān)系,該P(yáng)areto解集經(jīng)線性擬合可分成三個(gè)區(qū)域,第一區(qū)域內(nèi)|△OC'/△EQ'|=1.24,第二區(qū)域內(nèi)|△OC'/△EQ'|=0.15,第三區(qū)域內(nèi)|△OC'/△EQ'|=0.03,即第一區(qū)域減排所需能耗,是第三區(qū)域等量減排的41倍,是第二區(qū)域等量減排的8倍,表明在污水處理廠的節(jié)能減排方面,如何處理減排與節(jié)能的關(guān)系,存在很大的權(quán)衡空間。對(duì)五箱一體活性污泥工藝的研究結(jié)果也表明,在該工藝多目標(biāo)優(yōu)化Pareto解集中選取的一個(gè)解所對(duì)應(yīng)的運(yùn)行策略,好于原工藝運(yùn)行策略,表現(xiàn)為在不同反應(yīng)過(guò)程、不同運(yùn)行階段和不同反應(yīng)池內(nèi)各組分的反應(yīng)量上的差異。對(duì)五箱一體活性污泥工藝施加階段運(yùn)行時(shí)間自動(dòng)控制,或調(diào)整該工藝3#池的曝氣時(shí)間,可以增強(qiáng)該工藝的節(jié)能減排效果。利用多目標(biāo)優(yōu)化方法研究了六箱一體活性污泥工藝在動(dòng)態(tài)進(jìn)水條件下的1種開(kāi)環(huán)恒定時(shí)間運(yùn)行策略和3種閉環(huán)可變時(shí)間運(yùn)行策略,結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化的恒定時(shí)間運(yùn)行策略在出水水質(zhì)超標(biāo)指數(shù)和運(yùn)行能耗指數(shù)上好于原運(yùn)行策略,而以SN03和dSNO3/dt為檢測(cè)變量的可變時(shí)間運(yùn)行策略,能在恒定時(shí)間運(yùn)行策略基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高六箱一體活性污泥工藝的節(jié)能減排效能。
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：X703

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