水夹点分析与数学规划法相结合的废水处理网络优化设计new 4页

第50卷第1期大连理工大学学报Vol.50,No.12010年1月JournalofDalianUniversityofTechnologyJan.2010文章编号:1000
8608(2010)01
0038
04水夹点分析与数学规划法相结合的废水处理网络优化设计李
英1,2,
周集体*1,
姚平经3(1.大连理工大学环境与生命学院,辽宁大连
116024;2.大连交通大学环境与化学工程学院,辽宁大连
116028;3.大连理工大学化工学院,辽宁大连
116012)摘要:提出了水夹点分析和数学规划法相结合的废水处理网络最优设计法.基于对过程用水的理解,通过水夹点分析得出废水处理网络设计的基本规则.在此基础上建立了废水混合、合并、处理和排放各种可能匹配方案的废水处理网络超结构及其NLP模型.既避免了用水夹点综合设计废水处理网络存在回路,又在一定程度上防止了超结构规模过大、NLP维数太高、求解困难.采用通用代数建模系统(GAMS)得到废水处理网络最优设计方案.文献中的应用实例表明,所提方法可充分发挥水夹点分析处理结构的简洁实用性和超结构NLP寻求最佳方案的优点.关键词:废水处理网络;水夹点分析;数学规划法中图分类号:TQ021.8文献标志码:A[5]0
引
言对过程了解比较充分.Galan等通过超结构模型建立废水处理网络的数学模型,并提供了一个过程工业中的废水大多采用集中式处理,即多次求解线性规划/非线性规划的设计型算法.随来自不同过程的废水全部收集在同一废水池中,后,对废水处理网络设计的改进主要集中在以下然后依次经过物理、化学以及生物处理后排放.[6、7]三方面:一种是设计方法的改进,如李保红等[1]Eckenfelder等认识到分布式废水处理可能比基于1个原则和3个规则进行废水处理网络的设[2]集中式处理有更大的优势.McLaughlin等证实[8]计和调优;一种是优化方法的改进,如刘永健等大多数废物处理操作的基建费与流经废水的流量基于粒子群优化算法的分散式废水处理网络的综成正比且处理的操作费用随给定质量负荷污染物合;一种是设计方法和优化方法的同时改进,如浓度的降低而增加.如果两个废水流股含有的污[9]Rogelio等采用超结构分解和数值优化相结合染物浓度不同,采用分布式废水处理比集中式废的方法设计分布式废水处理网络.本文在水夹点水处理在基建费和操作费上都要节省,但如果两[10]分析与数学规划法相结合设计用水网络的基个废水流股含有的污染物浓度相同,则采用集中础上,将这一方法应用于废水处理网络优化设计.式处理更合理.所以废水处理系统设计的首要问题是产生一个通用的方法决定何时将流股分开何1
问题描述时正确合并,且在实际应用中各种过程所产生的合成分布式废水处理网络的问题表述如下:废水一般含有多种不同类型污染物且浓度并不相给定一系列已知流量的过程液体流股,包含已知浓同,因此分布式废水处理应用有更广阔的空间.[3][4]度的特定污染物;给定一系列处理单元用来移去每在此研究领域,Wang等、Kuo等用夹点种污染物.这一问题的目的是在总费用最小条件下法设计分布式废水处理网络,这一方法在处理小确定这些单元存在哪些连接,它们相应的流量以及规模单杂质问题时比较有效;对大规模多杂质问题处理过程过于烦琐,但它的一个突出优点是其它们使每种污染物达到排放规定的组成.收稿日期:2007
12
23;
修回日期:2009
11
20.作者简介:李英(1975
),女,博士,副教授;周集体*(1956
),男,教授,博士生导师,E
mail:zjiti@dlut.edu.cn.n
第1期
李英等:水夹点分析与数学规划法相结合的废水处理网络优化设计392
水夹点分析成废水组合曲线,如图1(b)所示.这里
mi,j=fi(ci,j-ce,j)(1)废水处理过程的夹点分析就是在浓度
质量负荷图上表示处理过程的行为.首先,废水流股从
mt,j=
mi,j=fi(ci,j-ce,j)(2)ii其浓度ci,j减到环境允许排放浓度ce,j,同时移去处理过程的行为用移出率R表示,则处理过杂质质量负荷
mi,j.针对每种杂质将所有废水流程的进出口浓度关系如下:股在同一浓度
质量负荷图上表示出来,如图cin-cout
mt,jR==(3)cin
mt,j+m01(a)所示.在不同的浓度区间对质量负荷加和形图1
废水处理网络的水夹点分析图Fig.1
Thediagramofwaterpinchanalysisforwastewatertreatmentsystem在浓度
质量负荷图上,当处理线围绕图1(c)则混合整数非线性规划转变成非线性规划,超结的(-m0,0)点旋转,移出率并不改变.所以以构建模如下.(-m0,0)为顶点,与废水组合曲线相切的处理线使得处理费用(目标函数)最小,如图1(c)所示,切点为夹点.为了使所设计的废水处理网络达到上图的目标,必须满足如下两个标准:被处理的废水流量必须等于处理线流量;被处理的废水流股平均进口浓度cm,in必须等于处理过程的目标进口浓度cin.夹点将废水流股分为3类:第1类
废水流股的浓度大于夹点浓度;图2
废水处理网络超结构第2类
废水流股的浓度等于夹点浓度;Fig.2
Thesuperstructureofwastewater第3类
废水流股的浓度小于夹点浓度.treatmentnetworks且满足如下3条设计规则才可以达到处理流目标函数:量目标:min(Atft+Btft)t规则1
第1类的废水流股必须全部经过处约束方程:理单元;处理单元杂质质量平衡规则2
第2类的废水流股部分经过处理单元;(1-Rt,j)Xt,lcl,j,out=Xt,lct,j,out;l!tl!t规则3
第3类的废水流股不经过处理单元.t∀T,l∀{W,T}(4)其中W为废水流股集合,T为处理单元集合.3
融入水夹点分析规则的废水处理废水流股质量平衡网络建模Xt,i+Xe,i=fi;t∀T,i∀W(5)t如同用水网络设计,废水处理网络设计首先环境排放标准限制也是要建立包含各种可能方案的超结构,如图2Xe,lcl,j,out#fice,j;i∀W,l∀{W,T}所示.其中M为混合器,S为分离器,TP为处理li单元.将处理单元的基建费用表示成流量的函数,(6)n40大连理工大学学报第50卷
对此非凸非线性规划,往往很难得到全局优100mg/L,废水流股1不经过TP&,废水流股2全化解,将水夹点分析规则融入数学建模中,可加深部经过TP&,废水流股3部分或全部经过TP&.对过程的理解,减少上述模型中Xt,i的数量,同时对悬浮物杂质TP%的夹点为350mg/L,废超结构简化如图3,维数降低,更容易找到全局最水流股1不经过TP%,废水流股2全部经过优解.如果一个处理过程同时可以处理几种杂质,TP%,废水流股3部分或全部经过TP%.则超结构中应选取需要处理流量最大的杂质所决综合得:定的处理结构.废水流股1部分或全部经过TP∃,废水流股2全部经过TP∃,废水流股3不经过TP∃;废水流股1和2全部经过TP%,废水流股3部分或全部经过TP%;废水流股1不经过TP&,废水流股2全部经过TP&,废水流股3部分或全部经过TP&.表1
废水流股给定数据Tab.1
Specifieddataforwastewaterstream图3
废水处理网络简化超结构污染物浓度/(mg∋L-1)流股号流量/(t∋h-1)Fig.3
ThesimplifiedsuperstructureofH2S油悬浮物wastewatertreatmentnetworks113.1
39010250232.7167801104004
实
例356.525100350实例取自文献[5],包括3个废水流股、3种表2
处理操作给定数据杂质及3个处理过程,数据见表1、2.首先根据夹Tab.2
Specifieddatafortreatmentoperation点分析可得出:移出率/%基建费用/操作费用/处理单元H2S油悬浮物美元(美元∋h-1)对H2S杂质TP∃的夹点为390mg/L,废水TP∃99.90016800f0t.71.0ft流股1部分或全部经过TP∃,废水流股2全部经TP%90709812600f0t.70.0067ft过TP∃,废水流股3不经过TP∃;TP%的夹点TP&070504800f0t.70为25mg/L,废水流股1和2全部经过TP%,废注:年回收率为10%;操作时间为8600h∋a-1水流股3部分或全部经过TP%.采用通用代数建模系统(GAMS),通过建模对油杂质TP%的夹点为100mg/L,废水流优化得到如图4的废水处理网络结构,与Kuo股1不经过TP%,废水流股2全部经过TP%,废[4]等所得结果基本一致,但设计过程相对简单.水流股3部分或全部经过TP%;TP&的夹点为图4
优化的废水处理网络结构Fig.4
Optimaldesignofwastewatertreatmentnetworks5
结
语局最优比较困难.本文利用数学规划法建模全面严格的优点,并应用夹点分析加深对处理过程的对废水处理网络设计,应用水夹点技术对处理解,降低了非线性规划的维数,更好地应用了夹理流量和处理费用的计算过于繁琐,而数学规划点分析确定处理结构的简洁实用性和超结构法形成的超结构模型由于非凸性比较强,获得全n
第1期
李英等:水夹点分析与数学规划法相结合的废水处理网络优化设计41NLP寻求最佳方案的优点,为废水处理网络设计IndustrialandEngineeringChemistryResearch,1998,提供了一种切实可行的方法.37(10):4036
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Ying,
ZHOU
Ji
ti,
YAO
Ping
jing(1.SchoolofEnvironmentalandBiologicalScienceandTechnology,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China;2.SchoolofEnvironmentalandChemicalEngineering,DalianJiaotongUniversity,Dalian116028,China;3.SchoolofChemicalEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116012,China)Abstract:Anapproachofoptimalwastewatertreatmentnetworksdesignbythecombinationofwaterpinchanalysisandmathematicalprogrammingispresented.Waterpinchanalysisisusedtodeterminetheelementaryrulesforwastewatertreatmentnetworksdesignbasedontheunderstandingforwastewatertreatmentprocess.Then,asuperstructureofwastewatertreatmentnetworksandanimprovednonlinearprogramming(NLP)modelarebuiltwhichinvolvesonlyfeasibleandbetterretrofitoptionsconsideringmixing,treatmentanddischargeofwastewater.Theapproachovercomesthedefectthatwaterpinchanalysisdesignsthewastewatertreatmentnetworkwithloopandpreventsthecasethatthesuperstructureissolargethatitisdifficulttosolveit.Atlast,thegeneralalgebraicmodelingsystem(GAMS)isadoptedtoattaintheoptimalschemeofwastewatertreatmentnetworks.CasestudyillustratesthatthecombinedmethodcandeterminethetreatmentstructureconciselyandpracticallybywaterpinchanalysisandreachtheglobaloptimumofwastewatertreatmentnetworksbysuperstructureNLP.Keywords:wastewatertreatmentnetworks;waterpinchanalysis;mathematicalprogramming