（环境工程专业论文）沉淀池辅助设计与优化研究.pdf

中文摘要 长期以来，我国大多数给排水设计主要依靠设计人员手工完成，实现快速、 高效和智能化设计是减少设计人员工作量的关键；同时，在满足沉淀效率的前提 下，如何采用科学合理的数学模型对二次沉淀池进行费用优化，实现其建设费用 最小也是一个重要的研究方向。因此，本课题开发了沉淀池设计系统并研究了二 次沉淀池优化设计问题。 应用v i s u a lb a s i c 语言开发的沉淀池设计系统( s ，i d s ) ，以实用性为出发点， 与实际工程设计紧密结合，为给水排水专业设计人员提供了简便快捷的设计方 法。在功能上，s t d s 的设计模块主要具有数据输入、计算机自动计算、数据输 出、数据的保存、打印等基本功能。同时系统还提供了为设计服务的建筑专业和 给水排水专业的规范大全及各种类型沉淀池的设计数据、设计样图和形象逼真的 视景仿真，使设计人员对沉淀池设计更具有工程概念。此外，系统还具有邮件发 送和上网查询等扩充功能，方便设计人员工作。 在满足生物反应池和二次沉淀池的去除效果并使二者运行最佳的前提下，进 行二次沉淀池优化研究。运用b p 网络进行非线性函数逼近，结合回归正交设计 方法建立沉淀池的费用函数模型，为优化设计提供目标函数；结合规范要求及相 应的约束条件，建立完整的优化设计模型：最后应用m a t l a b 优化工具箱求得模 型最优解。 对周边进水辐流式二次沉淀池进行优化设计研究，以沉淀池的建设费用最小 为目标，参照规范制定约束条件，进而建立沉淀池的优化设计模型。运用m a t l a b 优化工具箱进行优化求解，得出沉淀池的建设费用比常规设计节省9 。8 。同时 对模型进行定量关系式分析和主效应分析，得出设计因素对二次沉淀池优化设计 模型的影响程度，以供设计参考。 关键词：辅助设计神经网络回归正交设计优化模型主效应分析 a b s t r a c t f o ral o n gt i m e ，m o s to fd e s i g n so fw a t e rs u p p l ya n ds e w e r a g eh a v eb e e n c o n d u c t e dm a n u a l l y f a s t ，e f f e c t i v ea n di n t e l l e c t u a l i z e dd e s i g ni st h ek e yt or e d u c t i o n o ft h ew o r kl o a d a n o t h e ri m p o r t a n tf i e l di st h eo p t i m a ld e s i g no fs e c o n d a r y s e d i m e n t a t i o nt a n kb ya d o p t i n gs c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l em a t h e m a t i c a lm o d e lu n d e r t h ep r e m i s eo fk e e p i n gs e d i m e n t a t i o ne f f i c i e n c y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，as y s t e mf o r q u i c kd e s i g no fs e d i m e n t a t i o nt a n ki sd e v e l o p e da n dt h ep r o b l e mo fo p t i m a ld e s i g no f s e c o n d a r ys e d i m e n t a t i o nt a n ki sa l s oi n v e s t i g a t e d s e d i m e n t a t i o nt a n kd e s i g ns y s t e m ( s t d s ) d e v e l o p e dw i t hv i s u a lb a s i cp r o g r a m l a n g u a g e ，w h i c hc o m e so u to ft h ee n g i n e e r i n gd e s i g np r a c t i c e ，s u p p l i e st h ed e s i g n e ra q u i c ka n dp o w e r f u lt 0 0 1 t h es y s t e mh a sf i v ef u n c t i o nm o d u l e sw h i c ha r ed a t ai n p u t ， c o m p u t a t i o n ，d a t ao u t p u t ，d a t as a v i n ga n dp r i n t i n g i nt h es y s t e m ，m a n yd e s i g n c r i t e r i o n sf o rb u i l d i n ga n dw a t e rs u p p l ya n ds e w e r a g ea r es u p p l i e d b e s i d e s ，t h e s y s t e ma l s oi n c l u d e sl o t so fd e s i g nd a t a ，m a s t e rd r a w i n g s ，s i m u l a t i o nm o d e l s ，w h i c h m a yg i v ed e s i g n e r sm o r ee n g i n e e r i n gi n f o r m a t i o na b o u ts e d i m e n t a t i o nt a n k s s o m e u s e f u le x t e n d e dm o d u l e sa r ee - m a i ls e n d i n ga n dr e c e i v i n g ，n e t w o r kq u e r y i n g ，e t c t h i sp a p e ra l s os t u d i e st h eo p t i m a ld e s i g no fs e c o n d a r ys e d i m e n t a t i o nt a n ku n d e r t w op r e m i s e s o n ei sk e e p i n gt h ee f f i c i e n c yo fb i o r e a e t o rt a n ka n dt h es e c o n d a r y s e d i m e n t a t i o nt a n k t h eo t h e ri sa c h i e v i n gt h em a x i m u ms y n t h e s i se f f i c i e n c yo ft w o k i n d so ft a n k s b yb pn e u r a ln e t w o r kp e r f o r m i n gn o n l i n e a rm a p p i n ga n dc o m b i n i n g r e g r e s s i o no r t h o g o n a l ，t h es e d i m e n t a t i o nt a n kc o s tf u n c t i o n sa les e tu pa n dt h e o b j e c t i v e sa r ea l s op r o v i d e d t h ep a r a m e t e r sa l ec o n f i n e di nt h er a n g ea c c o r d i n gt o t h ec r i t e r i o n ，s ot h ei n t e g r a t e do p t i m a ld e s i g nm o d e l sa r es e t u p t h eo p t i m u m s o l u t i o n sa r eo b t a i n e dw i t hm a t l a b o p t i m i z a t i o nt o o l b o x e s t h i sp a p e rt a k e st h es e d i m e n t a t i o nt a n kw i t hc i r c u m f e r e n t i a li n l e ta st h ee x a m p l e t h eo p t i m u md e s i g nm o d e li se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ec r i t e r i o n ，t h eo b j e c t i v eo f w h i c hi st om i n i m i z et h ec o s t t h eo p t i m u ms o l u t i o no b t a i n e db yu s i n gm a t l a b o p t i m i z a t i o nt o o lb o x e si n d i c a t e st h a tc o n s t r u c t i o ne x p e n s es a v e s9 8 c o m p a r e d w i t ht h ec o n v e n t i o n a ld e s i g n 。m e a n w h i l e ，t h ei n f l u e n c eo fd e s i g np a r a m e t e r sa l ea l s o c o n s i d e r e d ，w h i c hm a yg i v es o m er e f e r e n c e st ot h ed e s i g n e r s k e yw o r d s - a s s i s t a n t d e s i g n ，n e u r a ln e t w o r k , r e g r e s s i o no r t h o g o n a l ， o p t i m a ld e s i g nm o d e l ，m a i ne f f e c ta n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：袭女耆 签字日期：。，年i 月弓f 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞苤堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：名i 蠕 签字同期：y 口 7 年7z 月弓j 日 导师勰昂 孵 签字同期：沙多年胗月乡fr 第一章绪论 第一章绪论 目前，全国的总用水量相当于1 0 条黄河的水量。每年因缺水和水污染而造 成的经济损失超过1 0 0 0 亿元。鉴于严峻的水环境形势，普遍认为建造污水处理 厂是解决城市水污染问题最重要和最有效的技术措施之一【h 】。在各级政府的有 力推动下，我国城市污水处理厂的建设正以前所未有的速度发展。污水厂规模的 不断扩大，建设费用必然增加，这在很大程度上制约了城市水污染防治进程的迅 速推进。因此，在研究探索新的水处理工艺技术的同时，在保证出水水质的前提 下，通过合理的设计降低能耗和建设费用日益受到给排水研究工作者的重视【5 7 】。 沉淀池作为常规水处理构筑物，在水处理中发挥着重要的作用。按照废水的 性质与所要求的处理程度，沉淀处理工艺可以是整个水处理过程中的一个工序， 亦可作为唯一的处理方法。在典型的污水厂中，主要用于污水预处理( 沉砂池) ； 污水进入生物处理构筑物前的初步处理( 初次沉淀池) ；生物处理后的固液分离 ( - - 次沉淀池) ；污泥处理阶段的污泥浓缩( 污泥浓缩池) 。 二次沉淀池作为沉淀池的一种主要用途，是整个活性污泥法系统中非常重要 的一个组成部分，关系着整个系统的处理效果。在功能上，二次沉淀池要同时满 足澄清和污泥浓缩两方面要求，同时因水量、水质的时常变化还要起到暂时贮存 活性污泥的作用。如果不能满足，将直接导致出水中悬浮固体的增加，并导致活 性污泥处理性能的衰退。实践经验表明，二次沉淀池往往成为整个活性污泥工艺 的瓶颈，在剧烈的水力负荷下，这一现象尤为突出【8 1 。 可见，作为水处理中最基本方法的沉淀法，在水处理的不同阶段都发挥着重 要的作用，二次沉淀池作为其中的一种主要用途，其设计运行的好坏直接关系到 整个系统的处理效果，并且其建设费用约占水厂总建设费用的2 5 。因此，对二 次沉淀池进行优化设计对保证整个系统的处理效果，降低水厂的总体建设费用至 关重要。 1 1 国内外研究现状 1 1 1 沉淀池设计方法 对沉淀池进行设计，一般采用水力表面负荷法和固体通量法。 ( 1 ) 水力表面负荷法 第一章绪论 水力表面负荷法即根据参数之间的关系，由已知的水力表面负荷q 值确定沉 淀池其它参数的值。水力表面负荷( g ) 值可参照沉淀曲线，根据所需要的悬浮物 去除率来确定；在没有沉淀曲线的情况下，可以根据经验或相似的资料来确定。 早在1 9 4 6 年c a m p l 9 针对沉淀过程提出了单点取样积分计算去除率的方法。 即从沉淀柱下部的取样口每隔一定时间取样一次，测定水中剩余悬浮物含量，绘 出颗粒累积分布曲线，通过该曲线来计算截流沉速和沉淀效率，从而确定影响沉 淀池尺寸的水力表面负荷值。 但是，基于水力表面负荷的设计不能准确地反映出沉淀池内沉淀物传输的实 际状况。针对沉淀试验数据分析中存在的诸多问题，国内外学者又进行了大量的 研究。 2 0 世纪6 0 年代，o c o n n o ra n de c k e n f e l d e r 1 们，e c k c n f c l d e r 1 1 】提出应用图表 法来确定沉淀效率和水力表面负荷的关系，到1 9 7 5 年，z a n o n ia n db l o m q u i s t t l 2 】 对图表法进行了深一步的研究。1 9 8 9 年，s a n 1 3 】认为由图表法来确定沉淀效率和 水力表面负荷两者的关系十分繁琐且效率低，因而他对沉淀试验数据的分析方法 进行了改进，建立了如下数学模型来计算沉淀池的沉淀效率。 r = e o p 三南 1+可li(1-po)1+璃21 ( 1 - p o ) 2 + 一( 1 + 玄)( 1 + 玄) ( 2 + 玄) ( 1 + 玄) ( 2 + 玄) ( 3 + 玄) ( 1 2 ) 式中 丁一沉淀时间，l a ； 日一沉淀水深，m ； 月一去除率： 咒一去除百分比，由给定的沉淀水深与沉淀时间按公式( 1 - 1 ) 计算得出； 口，b ，k 一试验参数。 b h a r g a w a 0 4 】从经济角度分析，以沉淀所要求的沉淀效率来进行设计。通过 对沉淀池处理颗粒的粒径分析，建立了反映去除率和截流沉速关系( 截流沉速数 值上等于水力表面负荷值) 的沉淀池模型，推进了研究的进展。 国内的学者也就沉淀试验的累积分布曲线求解作了大量的工作。周鑫根【”】， 杨镭、赵亚乾【1 6 , 1 7 等用图解法对沉淀池进行设计计算，认为应用该方法进行设计 得到的设计结果可满足所要求的沉淀效率，池体的设计合理。南国英1 旧】对自由沉 淀平流式沉淀池设计时，以拟合法计算理论为基础，将推流反应器的计算模式应 用于自由平流式沉淀池的设计计算，求得主导设计参数水力表面负荷及停留时间 第一章绪论 的数值。 ( 2 ) 固体通量法 固体通量法的根源是d i c k ( 1 9 7 0 ) 0 9 】， s h i 和d i c k ( 1 9 8 0 ) 2 0 】发展的固 体通量理论，其定义为单位时间内通过浓缩区单位面积的固体质量。d i c k 对活 性污泥的浓缩理论作了大量研究，提出以固体通量法( 即固体负荷法) 来确定二 次沉淀池的面积。 固体通量理论是二次沉淀池设计与控制的理论基础。目前，通常采用的固体 通量理论的简化公式为1 2 1 】： v = v o e - 缸 q = m q r a ”= 聊 r q a ” 式中1 ，一污泥成层沉降速率，r n h ； 一参数，m h ； k 一参数，m 3 k g ； c 一悬浮固体浓度，k g m 3 ： q 一极限固体通量，k m 2 h ； 掰，v 一参数； r 一污泥回流比，： q 一处理系统进水流量，m 3 h ； a 一沉淀池表面积，m 2 ； q 一回流污泥量，r n 3 h 。 ( 1 3 ) ( 1 _ 4 ) 为提高固体通量理论的实用性，大量研究试验利用比较容易获得或假定可以 反映污泥沉降性能的参数来确定固体量理论公式中的各项参数( v o ，k ，m ，刀) 。 进一步研究发现，污泥容积指数s v i 与沉降参数k ，腮具有相关性 2 2 , 2 3 】。于是， 一些学者提出利用s v i 估计污泥沉降性能参数，如果这些参数得到确定，固体通 量理论在二次沉淀池的设计与控制中的应用则较为容易。 m a c r o s 2 4 j 等人总结了国内外众多学者提出的沉降速度和固体通量计算公式， 并提出非常简洁的1 ，与g l 的计算方法，即按照污泥沉降性能对污泥进行分类， 然后给出不同沉降性能下的固体通量理论公式中的参数v o ，k ，7 1 ，刀( 表1 1 ) 。 由公式( 1 3 ) 和公式( 1 - 4 ) 知，对于二次沉淀池的设计，只要确定二次沉 淀池设计流量q 、较为合理的活性污泥浓度m l s s 、污泥回流比尺以及表征污泥 沉降性能的参数s v i ，即可根据表1 1 计算出沉降速度1 ，和极限固体通量g 上，进 而应用固体通量法设计沉淀池。 第一章绪论 表1 1 不同沉淀性能的污泥的经验参数值 s v i ( m l g )v = v o e 一知q = 肌【q a 沉降性能 范围典型值( m 3 h )k ( m k g ) m门 很好 5 0 一1 0 04 51 0 0o 2 71 4 7 90 6 4 好 1 0 0 2 0 07 59 0o 3 51 1 7 7o 7 0 一般 2 0 0 3 0 02 5 08 60 5 08 4 lo 7 2 差3 0 0 - 4 0 03 5 06 2o 6 76 2 6o 6 9 很差 4 0 0 5 0 04 5 0 5 60 7 35 3 70 6 9 在固体通量理论的基础上，结合k y n c h 理论发展了一维层式二次沉淀池模 型。目前，对于二次沉淀池，国际上的研究集中于一维动态模型、二维流场模型 及经验模型。其中，一维动态模型研究无论在理论上还是在应用都已经相当成熟， 但还不够完善；二维流场模型，模型本身比较复杂，某些方面尚不如一维动态模 型【2 5 1 ，目前对于它的相关研究和应用较少；经验模型则多用于二次沉淀池的设计 【2 6 1 。在国内对二次沉淀池数学模型的相关研究较少，早期有黄勇等【2 7 ，2 8 1 对二次沉 淀池一维动态模型进行过研究探讨；对二次沉淀池的二维流场模型，曾光明等 【2 9 ，3 0 】的研究较为突出。 对于二次沉淀池设计，目前国内除采用上述两种方法外，也有采用德国于 1 9 9 1 年2 月颁布的一种新设计方法。此法在计算池表面积时，提出了一套以池 型、池表面、污泥体积负荷、混合液浓度及污泥容积指数为函数的表面负荷计算 式。在计算池深时，提出了一种分别计算清水区、分离区、贮存区和浓缩排泥区 高度，然后将其相加计算出总池深的新设计方法，克服了目前常用的经验取值法 所带来的人为因素的影响【3 。 1 1 2 沉淀池辅助设计 随着信息技术时代的到来，人类已经意识到信息是推动人类社会活动、经济 活动、科学技术向前发展的资源之一，是对客观规律表示出来的映射。在现实社 会中，人们更加关注数据的准确化、高效化、精密化和资源共享化，计算机和网 络技术也日益成为信息高速公路中举足轻重的工具。 设计人员根据有关设计理论、设计规范、标准、经验数据等编制成程序存入 计算机，通过输入一些必要的数据，计算机即可自动完成计算、绘图、制表等工 作。近年来，计算机辅助设计c a d 已渗透到水处理专业，在水处理领域代替工 作人员完成了大量“机械化”的工作和人为无法完成的工作。如果能够实现计算 机辅助设计，将会使大量的设计方法、数据资源共享化，使得设计人员能够计算 4 第一章绪论 更加复杂、要求更高的题目。 目前，一些学者应用不同的程序语言开发了水处理工程计算机辅助设计软 件。杨松林【3 2 】利用当今非常流行的v i s u a lb a s i c 语言作为环境工程水处理计算软 件的开发语言，结合水处理专业的相关知识制作了简单易操作的c a d 计算软件一 水处理典型设计辅助计算系统，并针对专业问题进行程序设计的一般步骤给 与简单介绍，起到了抛砖引玉的作用；秦乐乐等【3 3 】采用a s p 开发的环境工程计 算机设计系统，用以管网平差、沉砂池、沉淀池以及格栅等较为典型的环境工 程设计计算，通过与a u t o c a d 实现数据接口，使由程序生成数据文件转化成c a d 图，实现了工程设计的网络化、高效化、准确化和科学化；陈扬等【3 4 】在对我国现 有污水处理厂、工厂区水处理站的工艺设计和运行参数进行分析的基础上，综合 系统工程、软件工程的基本理论和方法，以治理中、小型企业排放的污水为目标， 模拟传统工艺设计过程，研制出用于水处理工程工艺设计软件，它能够完成常规 工艺方法的计算和部分特殊方法的计算，其中的工艺设计按作用原理可以划分为 物理法、化学法、物理化学法、生物法和其它等几类。上述软件的开发均是针对 整个污水处理过程，对单一构筑物的设计不够详细，为解决这个问题，罗程亮【3 5 】 针对平流式沉淀池，用v i s u a lb a s i c 语言实现了计算机辅助设计，为使用户尽量减 少参数的选择，使数据输入更具合理性，软件中对参数( 变量) 使用了弹出式注 释，实现了计算过程的简化、计算精度的增加以及计算效率的提高。 1 1 3 沉淀池费用模型 自c h e n o g 在1 9 5 2 年提出给水厂建设投资模型c = 口q ，之后，随着6 0 年代 以区域最小费用为目标的水质规划的迅速发展，水污染控制费用模型的研究也得 到蓬勃发展。 费用模型作为经验模型( 或黑箱模型) 通常由数学表达式或图表来表示处理 系统的费用与某种( 或几种) 变量之间的关系。国内外不少学者在水处理费用模 型的开发方面做了许多分析研究工作，常用的变量主要有处理水量、处理效率、 污染物浓度、污染物去除率等。美国e p a 为推行排污许可证制度于1 9 7 6 1 9 7 9 年 间重点开展了全国范围内的工业废水污染控制和管理方面的调研，取得了大量可 靠的基础数据，经汇总整理，颁布了工业废水可处理性手册 k ，露= 1 ，2 ，m ( 3 - 1 3 ) = 1 ，2 ，朋 ( 3 1 4 ) ( 2 ) 回归方程显著性检验 总平方和为： 脚= ( 乃一歹) 2 = 卯一亡( m ) 2 ( 3 1 5 ) i = l i = 1i = 1 其自由度为a f t = n 1 。 一次项偏回归平方和： 2 4 第三章二次沉淀池费用模型 蚂= 巧弓，j = l ，2 ，研 ( 3 1 6 ) ，- l 交互项偏回归平方和： 峨= 瑶( 气乃) ；，j k ，k - l ，2 ，聊( 3 - 1 7 ) i s l 二次项偏回归平方和： 蚂= 磅( z j ) 2 t = 1 各种偏回归平方和的自由度都为1 。 一次项、交互项、二次项偏回归平方和的总和就是回归平方和： ( 3 1 8 ) 蹁- - s s 一次项+ e s s 交互项+ e s s 二次项 ( 3 - 1 9 ) 回归平方和的自由度也是各项偏回归平方和的自由度之和： 残差平方和为： 其自由度为： 回归系数检验： 识= 矽一次项+ 矿交互项+ ea = 次项 s s e = s s t s s a d y e = 诉一识 一 m s s s ， p = 上= 上一 j m s s s , | d l e 磊= 瓮= 矗 f ：m s j j ：l 1 m s ts s e d y e ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) ( 3 ) 回归方程的回代 根据编码公式或二次项的中心化公式( 3 - 1 0 ) ，将z j ，x j 与试验指标y 之间的 回归关系式转换成自然变量x j 与试验指标y 之间的回归关系式。 3 4 费用模型的建立 利用b p 神经网络强大的非线性能力，对二次沉淀池的费用进行函数逼近， 第三章二次沉淀池费用模型 建立简单而又切实可行的网络模型。 3 4 1 数据收集 目前国内已有的费用资料主要有给水排水工程概算指标、室外给水排水 工程技术经济指标、城市基础设施工程投资估算指标等等。由于物价的上涨， 费用资料不断的随之变化，为了更接近近年来的实际情况，使得费用函数的拟合 更有意义，文中主要采用2 0 0 0 年版的给水排水设计手册第十册技术经济中 的排水工程投资估算指标作为数据基础。 3 4 2 因素分析 结合沉淀池费用模型的研究，以周边进水辐流式沉淀池的计算表面积及体积 作为网络输入，建设费用作为输出，应用b p 神经网络来进行函数逼近。所谓计 算表面积，即池子的直径为d ，池的总深度为坝包括污泥区高度) ，则其计算表 面积： s = ( z r d 2 ) 4 + z r d h k ( 3 2 6 ) 计算体积为： v = f k ( 3 2 7 ) k 一考虑泥斗的因素，可以取小于或等于l 的数值，文中取o 8 。 3 4 3b p 网络模型 ( 1 ) b p 网络设计 1 ) 输入输出参数 为了保证神经网络更好的学习样本，对输入输出值进行归一化预处理，并把 输入输出值限定在o 1 0 9 之间。在训练b p 神经网络时，应根据情况确定输入 输出层的各神经元所代表实际量的最小值k 和最大值k ；。然后按下式变换： ，= o 1 + 0 8 ( x k ) ( k k ) ( 3 2 8 ) 上式变换为： x = 爿二。+ ( ，一0 1 ) ( 爿r 傩一爿j 。) o 8 ( 3 - 2 9 ) 由此即可还原出所代表的真实量。将样本数据分成两组，一组用于网络的训 练，一组用来测试。 2 】隐含层节点数的确定 隐含层节点数的确定由于没有明确的方法，其理论计算较为复杂，故采用如 第三章二次沉淀池费用模型 下经验公式来确定隐含层神经元个数的范围，即 ( 3 3 0 ) 估算的隐含层节点数为3 1 2 ，扩展为2 2 0 来寻找最佳节点数。 3 ) 传递函数及算法 传递函数：隐含层传递函数为s i g m o i d 和t a n s i g 函数，输出层传递函数为线 性函数p u r e l i n 。 误差算法：l e v e n b e r g - m a r q u a r d t ，该算法结合牛顿算法和梯度下降算法的优 点，引入加权因子九，改变训练函数性能，当九很小时变为牛顿算法，当九较大 时变为梯度下降算法【5 引。 4 ) 误差分析 ， 采用网络实际输出值同实际值之间的差距计算误差。 ( 2 ) 训练及结果 根据上述二次沉淀池的费用模型设计确定b p 网络的输入节点数为2 ，输出 节点数为1 ；初始化函数为n e w f f ；隐含层传递函数为s i g m o i d 和t a n s i g 函数， 输出层传递函数为线性函数p u r e l i m 训练函数为t r a i n l m ；目标精度为l e 7 。 1 5 组训练数据经过反复训练测试，最终得到最优二次沉淀池b p 神经网络的 隐含层节点数为8 。权值： n e t i w 1 ，1 = 9 2 3 3 6 - 0 6 8 6 3 3 7 l1 9 9 1 2 1 8 1 9 3 9 29 7 4 8 2 1 8 1 2 5 9 6 5 2 1 1 8 9 2 l9 4 7 2 6 7 5 8 9 36 9 5 51 6 0 6 7 9 7 8 37 4 5 7 7 4 5 8 0 4 1 7 n e t 1 w 2 ，1 = 【o 3 6 11 - 0 2 6 8 40 2 5 8 5 - 0 2 8 7 80 3 6 0 8 0 0 2 3 41 0 0 0 1o 7 7 7 0 2 7 第三章二次沉淀池费用模型 阈值： n e t b 1 = 9 4 8 2 7 9 3 4 4 1 - 0 6 1 2 4 - 6 4 5 9 5 5 6 0 7 5 - 4 0 7 3 4 3 5 1 1 7 5 0 8 0 9 n e t b j 2 ) 2 卜1 0 3 8 4 】 1 5 组测试数据的最终确定仿真数据值与估算指标上的数据相比较，其相对 误差绝对值的平均值为6 1 4 ，鉴于沉淀池建设时的各种影响因素，认为此误差 是可行的。具体数值见表3 3 。 表3 3 二次沉淀池费用值 序号表面积m 2体积m 3实际费用万元 计算费用万元误差 11 0 0 8 95 6 0 09 5 08 9 55 7 9 21 5 0 8 01 9 0 4 01 4 7 2 1 5 8 77 8 1 32 4 4 5 82 9 5 o o2 1 0 3 1 8 4 21 2 4 1 44 5 4 1 66 3 0 0 02 8 6 6 2 9 6 2 3 3 5 53 1 9 3 l7 1 6 o o3 7 5 93 7 0 31 4 9 68 5 0 o o1 0 4 0 0 04 0 6 34 1 5 32 2 2 76 2 5 4 01 0 9 5 o o5 7 5 45 4 4 65 3 5 8 7 8 7 1 62 3 2 0 o o2 9 6 73 1 8 47 3 1 91 0 4 9 1 73 0 0 0 0 07 6 3 87 4 8 02 0 7 1 0 1 0 8 3 8 53 3 3 1 0 01 0 3 8 79 4 1 79 3 4 1 1 1 1 5 8 6 63 3 9 1 2 01 0 7 2 01 0 1 0 95 7 0 1 22 2 1 6 0 0 3 9 0 8 0 01 3 9 1 51 4 1 2 51 5 l 1 31 5 7 4 1 3 24 6 4 0 0 01 1 5 0 81 1 5 0 50 0 3 1 42 0 9 8 3 46 0 0 0 o o1 5 2 7 61 9 2 6 52 6 1 l 1 52 1 5 5 9 27 3 2 1 o o2 0 3 1 92 0 6 4 21 5 9 3 4 4 网络模型的应用 根据b p 网络模型，计算二次回归正交设计方法设计的周边进水辐流式二次 沉淀池的建设费用，并运用该法建立二次沉淀池的费用函数模型。 第四章二次沉淀池优化设计 第四章二次沉淀池优化设计 常规的二次沉淀池的设计是在选定二次沉淀池各参数的情况下，根据参数关 系式确定其它参数的值，基本上未从节约造价角度上来进行分析设计。本课题研 究中主要在考虑生物反应池和二次沉淀池均达到去除效果的前提下，对二次沉淀 池进行优化设计，使二次沉淀池的建设费用最低。 4 1 简介 二次沉淀池是整个活性污泥法系统中非常重要的一个组成部分。整个系统的 处理效果与二次沉淀池的设计和运行是否良好密切相关。实践经验表明，二次沉 淀池往往成为整个活性污泥工艺的瓶颈。 4 1 1 工作原理 二次沉淀池的沉淀原理是利用重力作用和固体与液体间的密度差实现固体 颗粒的沉淀分离。在二次沉淀池中，从生物反应池进入的混合液充分澄清，使出 水达到水质要求；与此同时污泥充分浓缩达到理想的密度，以供给回流污泥和促 进活性污泥的高效处理。因此，二次沉淀池在功能上要同时满足澄清( 固液分离) 和污泥浓缩( 使回流污泥的含水率降低，回流污泥的体积减少) 两方面的要求， 同时因水量、水质的时常变化还要起到暂时贮存活性污泥的作用。由于二次沉淀 池需要完成污泥浓缩作用，所需的池面积要大于只进行泥水分离所需要的池面积 【5 州2 1 。 4 1 2 影响因素 只有适当满足二次沉淀池运行的诸多条件，才能获得满意的运行效果。就目 前研究的情况【6 3 1 ，众多学者认为活性污泥的沉降性能、回流比、回流污泥浓度、 水力表面负荷和固体表面负荷等工艺参数不仅影响二次沉淀池的工艺性能和动 态彳亍为，其变化的结果还可能对整个系统的污泥分配产生实质性的影响，从而影 响生物反应池中的污泥浓度。 ( 1 ) 活性污泥的沉降性能 衡量活性污泥沉降性能的参数有二个：污泥容积指数s v i ( m u g ) 和污泥沉 第四章二次沉淀池优化设计 降比s v ( ) 。s v i 值能反应出活性污泥的凝聚、沉淀性能，过低说明泥粒细小， 无机物含量高，污泥缺乏活性：过高则说明污泥沉降性能不好，并具有产生膨胀 现象的可能。 ( 2 ) 回流比和回流污泥浓度 为保持在生物处理系统中有足够且恒定的生物群体，二次沉淀池中的污泥一 部分必须回流到生物反应池，另一部分排放。回流到生物反应池的生物量，是用 来维持系统所要求的污泥浓度，降解系统中的有机物质。有机物越多，需要的生 物量越大，要想维持系统所要求的污泥浓度，就必须保证足够的污泥回流量。较 高的污泥回流量必然增大二次沉淀池的负荷，缩短二次沉淀池的沉淀时间，降低 沉淀效率，使未被沉淀的固体随出流带走。同时，增大回流量将致使污泥从二次 沉淀池向生物反应池净转移，起到了调节生物反应池与二次沉淀池之间污泥的分 配的作用。污泥回流量由回流比控制，因此应谨慎设计活性污泥回流比，使其具 有弹性，可操作在可能出现的最低流量，保证二次沉淀池运行具有最大稳定性。 回流污泥浓度即底流浓度，受活性污泥的浓缩性能和二次沉淀池内污泥浓缩 条件影响很大。活性污泥的浓缩性能不仅取决于s v i ，还与浓缩区高度、停留时 间有关。而浓缩区的高度和停留时间与固体表面负荷、二次沉淀池进( 配) 水方 式、刮泥机种类与性能、污泥回流量及二沉池的池型等因素有关。可见，二次沉 淀池各个因素之间是相互影响和相互制约的。 ( 3 ) 水力表面负荷和固体表面负荷 。 水力表面负荷是沉淀池单位表面积上的产水量，其值的大小直接关系到出水 水质及出水能力，同时也是衡量沉淀池沉淀效果好坏的重要指标，是二次沉淀池 设计的重要依据 6 4 , 6 5 。 固体表面负荷指单位时间内二次沉淀池面积所能浓缩的混合液悬浮固体量， 保证污泥能在二次沉淀池中得到足够的浓缩，以便供给生物反应池所需回流污 泥，而维持良好的运行【6 6 1 。 4 1 3 参数设计 二次沉淀池的设计主要包括池型的选择以及沉淀池( 澄清区) 的面积、有效 水深和污泥区容积的计算，常用设计方法有表面负荷法和固体通量法。 固体通量理论是确定二次沉淀池浓缩容量的理论基础。因此，二次沉淀池在 原则上也可以用固体通量法进行计算，但固体通量法在理论上与污泥浓缩过程更 为贴切，用于浓缩池的计算更实际。 ( 1 ) 水力表面负荷和固体表面负荷 二次沉淀池有两项负荷，即水力表面负荷( 9 ) 和固体表面负荷( 吼) 。目前 第四章二次沉淀池优化设计 二次沉淀池的表面面积的设计实例中可以采用其中一种负荷，另一种作为校核。 设计中二次沉淀池的表面负荷一般取水力表面负荷0 8 1 5 矗脚h ) ，对于出 水s s 要求严格的处理工程，表面负荷可取的小一些，最小可取0 5 5 d 腼h ) 左右。 在实际运行中，水力表面负荷在设计范围内，出水s s 就能达到设计要求，然而 固体表面负荷往往会超出设计范围。因此，设计时应以固体表面负荷校核，二次 沉淀池的固体表面负荷在1 2 0 - - 1 5 0 蚓( r r 7 d ) t 6 7 】。 ( 2 ) 水力停留时间和污泥停留时间 水力停留时间( 沉淀时间f ) 是指待处理污水在二次沉淀池内的平均停留时 间，污泥停留时间( f s ) 则是指污泥在二次沉淀池内的平均停留时间。当水力表 面负荷和固体表面负荷一定时，二次沉淀池澄清区高度和污泥区高度分别由水力 停留时间和污泥停留时间值决定的，两个停留时间的大小直接影响到总池深，因 而建设费用也随之变化。因此，两个停留时间的值不宜小也不宜大，d , n 不能达 到沉淀效率；大虽能满足沉淀效率，但建设费用会增加，造成不必要的浪费。 设计手册中给出水力停留时间、污泥停留时间的范围均为：l 1 5h 。 ( 3 ) 成层沉降沉速 成层沉降沉速( k ) 决定于悬浮固体的浓度，此速度决定了二次沉淀池的澄 清能力。因此，二次沉淀池的表面面积也可以采用成层沉降沉速进行设计。 同时，进水悬浮物浓度一定的情况下，去除率由出水浓度x e 决定，而成层 沉降速度k 决定了二次沉淀池的澄清能力，换言之，就是决定出水浓度x e ，因 此可以得出k 决定了沉淀池的去除效果，k 取值合理即可保证去除率。目前常 用经验数据，一般采用0 2 , - 0 5 m m s ( o 7 2 。1 8m h ) 。 ( 4 ) 回流比 关于回流比( 尺) 的讨论前文己详细叙述，规范中以及一些文献中规定回流 比的设计范围为0 5 - - 0 7 5 。 4 2 模型的建立和求解 4 2 1 建模思路 二次沉淀池在设计时不但要满足沉淀效率和水流条件，使出水达到要求，同 时还要考虑到生物反应池的运行，尽量做n - 者的运行效果达到最佳。本课题研 究中主要在考虑生物反应池和二次沉淀池均达到去除效果的前提下，讨论二次沉 淀池这一单体构筑物的优化设计问题。一般来说，沉淀效率越低，建设费用越低。 因此，只需在指定的沉淀效率下进行优化设计，确定二次沉淀池其它设计参数， 第四章二次沉淀池优化设计 以达到建设费用最低。 由于污泥沉降曲线不易描绘，再者由于现在对沉淀筒静沉试验能否真正反映 二次沉淀池的实际运行情况众说纷纭，仍需研究考证。故此，只对没有沉淀资料 的情况进行研究探讨。 由于沉淀时间不宜过长也不宜过短，文中首先将水力停留时间t 、污泥停留 时间f 3 作为设计因子；考虑在实际运行中。表面负荷只要在设计范围内，出水 s s 就能达到设计要求，而池内污泥沉淀的固体表面负荷往往会超出设计范围， 故将固体表面负荷舔作为其中设计因子：回流比r 决定了污泥回流量，回流量 的大小关系到生物反应池所承受负荷的大小，进而影响n - 次沉淀池的沉淀时间 和沉淀效率，因而将其也作为其中的一个设计因子：成层沉降沉速k 决定二次 沉淀池的澄清能力，即决定出水浓度x e ，也就是决定二次沉淀池的去除效果， k 取值合理即可保证去除率，以此作为最后一个设计因子，建立五因素的二次回 归正交设计。二次沉淀池的其它设计参数可由参数间的数学关系式推出。 二次沉淀池的构造尺寸参数直径d 和池深凰由公式( 4 1 ) ( 4 - 5 ) 推出， 并参照第三章的计算方法把各类尺寸的二次沉淀池换算为表面积和体积，进而由 前面训练好的b p 网络模型计算出各池的建设费用。由正规表建立二次沉淀池建 设费用与各因素之间的数学关系式。 面积公式： 直径公式：d = ( m ) 澄清区高度公式： q = 7 0 t ( m ) 污泥区高度公式： 碍= 匕( m ) 有效水深公式： 吼= z + 研( m ) 式中 置一为混合液悬浮物浓度( m l s s ) ( k g m 3 ) 。 ( 4 - 1 ) ( 4 2 ) ( 4 3 ) ( 4 - 4 ) ( 4 5 ) 总池深h 总为超高、有效水深、池中心与池边落差以及污泥斗深之和，故总 池深应根据不同池型进行具体计算。 由二次回归正交求得的关系式作为二次沉淀池优化数学模型的目标函数，各 因子的取值范围作为约束条件，二次沉淀池优化的设计模型就此建立。 4 2 2 费用模型 $ - - 次回归正交设计建立的沉淀池的费用函数形式如下： g辱 第四章二次沉淀池优化设计 夕= 6 0 + 哆乙+ 乙乃+ 弓 ( 4 6 ) j - - i i = lj = i + i = l 式中夕一二次沉淀池建设费用值，万元。 一常数项系数； 一交互项系数； b ，一次项系数； 6 ，一二次项系数； z i ，z j 一所选因素的水平编码值。 将公式z ，：三妄卑带入公式( 4 6 ) 得： j & 嘞+ 薯巧字墨善岛孕a 字+ 喜咛) 2 ( 4 ，= l 掣f = l ，爿+ l 爿，= l 掣 式中m = - 5 ； 勤= l 2 ，3 ，4 ，5 分别表示水力停留时间t 、污泥停留时间氏、固体表面负荷 q 。、成层沉降沉速y 。和回流比r 。 公式( 4