不确定性理论与方法在城市污水处理厂优化设计中的应用研究

【摘要】：城市污水处理厂的优化设计中存在着诸多的不确定性因素。因为传统的优化设计模型很少考虑不确定性因素的影响，故产生的设计方案对于实际系统来说并不是最优的。因此，在城市污水处理厂的优化设计中对不确定性因素进行有效的考虑，对于建立低灵敏度系统，提高最优解的工程实用性有很大的意义。 论文总结了国内外学者在该领域的研究成果，对污水处理厂设计和运行中的主要问题及优化设计中的不确定性作了较为详尽的分析和论述。首先，针对污水处理工艺方案选择中的随意性和不确定性，建立了结合层次分析法的模糊灰色耦合模型，为有关部门及其领导提供辅助决策分析的工具。其次，对于高度非线性的城市污水处理厂区间数优化设计模型，若采用传统的方法求解，不仅计算繁琐，且难以有效地寻找全局最优解。论文通过引入遗传算法，与传统的步长搜索法结合，大大提高了问题的求解效率。通过实例的应用验证了该法的有效性。再次，针对模型参数的不确定性，采用典型的Lawrence-McCarty模式(即泥龄法)对活性污泥系统进行优化设计，对模型参数在最优点进行了灵敏度分析，考察了进水负荷、曝气池生物动力学参数、氧气转移效率及相关参数和二沉池的浓缩常数对系统优化设计的影响。最后，在活性污泥系统灵敏度分析的基础上，将质量控制工程中的稳健设计概念引入，阐述了基于灵敏度分析的活性污泥系统的稳健优化设计的基本数学框架以及求解方法。 【关键词】：不确定性 城市污水处理厂 优化设计 模型
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要7-8
• ABSTRACT8-9
• 插图索引9-10
• 附表索引10-11
• 第1章 绪论11-26
• 1.1 引言11-12
• 1.2 城市污水处理厂设计和运行中的主要问题研究12-17
• 1.2.1 选址12-13
• 1.2.2 设计规模13-15
• 1.2.3 处理工艺的选择15-16
• 1.2.4 污水消毒16-17
• 1.2.5 污泥的处理与处置17
• 1.3 环境系统中不确定性的普遍性17-20
• 1.3.1 四类主要的不确定性18-19
• 1.3.2 环境系统中的不确定性19-20
• 1.3.2 环境不确定性系统的概念20
• 1.4 课题的研究背景及进展20-24
• 1.4.1 工艺方案的优选21
• 1.4.2 模型参数的识别21-22
• 1.4.3 模型的灵敏度分析和不确定性分析22-24
• 1.4.4 不确定性优化设计模型的建立24
• 1.5 论文主要内容介绍24-26
• 第2章 污水处理厂的优化模型及不确定性研究方法26-40
• 2.1 城市污水处理厂优化设计中的不确定性26-29
• 2.1.1 自然界固有的不确定性26
• 2.1.2 人类活动引起的不确定性26-27
• 2.1.3 设计过程中的不确定性27-29
• 2.2 城市污水处理厂优化设计模型的发展29-34
• 2.2.1 Paul M.Berthouex等建立的污水处理系统模型30-31
• 2.2.2 Tyteca等建立的城市污水处理厂非线性规划模型31-32
• 2.2.3 Uber等建立的污水处理厂优化设计模型32-33
• 2.2.4 林玉鹏等人建立的区间数优化设计模型33-34
• 2.3 现代不确定性问题的研究方法34-40
• 2.3.1 随机方法34-36
• 2.3.2 模糊数学方法36
• 2.3.3 灰色系统理论36
• 2.3.4 未确知数学方法36-37
• 2.3.5 粗糙集理论37
• 2.3.6 各种不确定性方法的耦合37-40
• 第3章 污水处理工艺方案优选的模糊灰色耦合模型研究40-54
• 3.1 城市污水处理厂工艺选择的原则40-41
• 3.1.1 技术合理40-41
• 3.1.2 经济节能41
• 3.1.3 易于管理41
• 3.2 各工艺技术方案比较分析41-45
• 3.2.1 传统活性污泥法41-42
• 3.2.2 SBR法42
• 3.2.3 氧化沟法42-45
• 3.3 多层次模糊灰色耦合模型45-51
• 3.3.1 污水处理工艺方案选择的多层次评价指标体系45-46
• 3.3.2 指标层指标值的定量化46-47
• 3.3.3 指标层指标值的标准化47
• 3.3.4 各层次指标权重的确定--层次分析法47-50
• 3.3.5 参考方案指标序列的确定50
• 3.3.6 灰色关联分析50-51
• 3.4 应用实例51-54
• 第4章 改进的遗传算法在城市污水处理厂区间数优化设计模型中的应用研究54-71
• 4.1 城市污水处理厂的区间数优化设计模型54-63
• 4.1.1 状态变量55
• 4.1.2 构筑物数学模型55-63
• 4.2 模型求解63-65
• 4.3 改进的遗传算法求解区间数优化设计模型65-68
• 4.3.1 遗传算法简介65-66
• 4.3.2 求解思路66-67
• 4.3.3 求解方法67-68
• 4.4 实例应用68-71
• 第5章 活性污泥系统优化设计对不确定性参数的灵敏度研究71-87
• 5.1 活性污泥工艺的设计计算方法71-75
• 5.1.1 污泥负荷法71-73
• 5.1.2 数学模型法73
• 5.1.3 泥龄法法73-75
• 5.2 活性污泥系统的数学模型75-78
• 5.2.1 曝气池75-76
• 5.2.2 二沉池76-78
• 5.2.3 费用函数78
• 5.3 参数不确定性分析78-80
• 5.3.1 进水水质和水量78-79
• 5.3.2 生物动力学参数79
• 5.3.3 曝气设备性能参数79-80
• 5.3.4 二沉池经验参数80
• 5.4 系统最优化设计与灵敏度分析80-87
• 5.4.1 系统最优化设计80-81
• 5.4.2 灵敏度分析81-87
• 第6章 基于灵敏度分析的活性污泥系统的稳健优化设计研究87-98
• 6.1 工程稳健优化设计87-91
• 6.1.1 稳健设计87-88
• 6.1.2 稳健优化设计88-89
• 6.1.3 稳健优化设计的方法89-91
• 6.2 基于灵敏度分析的稳健优化设计91-98
• 6.2.1 稳健优化设计框架92-96
• 6.2.2 数学求解96
• 6.2.3 设计变量的选择96-97
• 6.2.4 权重的确定97
• 6.2.5 稳态动力学系统模型97-98
• 结论98-100
• 参考文献100-110
• 致谢110-111
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录111-112
• 附录B 层次分析法的MatLab程序112-114
• 附录C 遗传算法的MatLab程序114-119

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