城市污水处理工艺决策支持系统 49页

'华中科技大学硕士学位论文城市污水处理工艺决策支持系统姓名：李振宇申请学位级别：硕士专业：环境科学指导教师：杨昌柱20050507 摘要城市是我国环境工作的重点城市污水的处理一直以来都是广大科研人员和技术工程师开发与应用的热点时至今日针对不同污水水质不同出水要求以及更高经济与环境指标而研发的城市污水处理工艺可谓门类繁多,如何系统全面的了解认识这些不同的处理工艺如何在实践中快速准确的选择出最适合目标水质的处理方法就成了摆在科研人员和技术工程师眼前的一道难题出于以上考量我们在城市污水处理领域引入了决策支持系统并通过这一决策支持系统实现了对城市污水处理工艺的目标选择决策支持系统(DSS)是一个融计算机技术决策科学技术等学科理论与技术的集成系统本文阐述了决策支持系统建立的基本原理及方法并将其应用于污水处理工艺目标选择的决策过程中建立了以数据库模型库为基础的决策系统此系统以城市污水处理工艺对污水中相关污染物的去除率为分析依据根据用户的进水水质以及对出水水质的目标要求确定最终满足用户需要的城市污水处理工艺并以良好的人机对话界面实现了这一系统论文对污水处理工艺目标选择的决策方法及相关因素进行了论述对具体实现方案和设计路径进行了设计和研究论文构建了污水处理工艺决策支持系统的方法库模型和数据库模型系统阐述了污水处理工艺目标选择的实现方案并结合城市污水处理工艺决策支持系统的设计过程做了细致的论述本文的创新点在于将数据库与决策支持系统引入污水处理领域并实现了污水处理工艺的目标选择最后论文在理论论述与实践设计的基础上对目前系统中存在的问题和进一步完善发展的方向做了说明和展望关键词:城市污水处理工艺决策支持系统数据库模型库I AbstractTheenvironmentprotectioninthecityplaysanimportantroleinChina.Thetreatmentofmunicipalwastewaterhasbeenwidelystudiedbyscientificresearchersandengineers.Atpresent,basedonvariouswaterqualities,differenteffluentrequirementsandhighereconomicandenvironmentalindexes,therearemanymunicipalwastewatertreatmenttechniques.Howtounderstandthesetechniquessystemically,andhowtochoosethemostappropriatetechniquetotreatwaterqualitiesarebecomingapuzzletomanyresearchersandengineers.So,weintroduceadecisionsupportsystem(DSS)inmunicipalwastewatertreatmenttoactualizetheobjectchoosinginmunicipalwastewatertreatmenttechniques.DDSisanintegratedsystemcombinedcomputertechniqueswithdecisionsciencetechniques.Inthispaper,weexplainedthebasictheoriesandmethodsabouttheconstructionofDDS,useditintothedecisionprocesstochoosemunicipalwastewatertreatmenttechniques,andconstructedadecisionsystembasedondatabaseandmodelbase.Accordingtotheremovalrateofthecorrelativecontaminationinthecitywastewatertreatmenttechniquesandtheobjectiverequestoftheeffluentquality,thesystemprovidestheoptimummunicipalwastewatertreatmenttechniqueusersneededthroughfavorableman-machineinterface.Itisstatedinthepaperaboutthemethodsofobjectselectionofwastewatertreatmenttechnique.Thedetailedpracticalplanandoutlinehavebeendesignedandstudied.ThemodelsofmethodbaseanddatabaseofwastewatertreatmenttechniqueforDSShavebeenestablished.Thissystemexplainstheplanforrealizingwastewatertechniquesdecision-makingandgivesadetaileddescriptionofthedesigningprocesswiththeconsiderationofmunicipalwastewatertreatmenttechnique.TheinnovationofthispaperisthatthedatabaseandDSSintothedomainofwastewatertreatmentareintroducedandchoosingtheobjectofwastewatertreatmenttechniqueisrealized.Moreover,basedontheoreticaldiscourseandpracticaldesign,thepaperexplainstheproblemsandprospectsfurtherimprovementdirectionofthesystem.KeyWord:MunicipalwastewatertreatmenttechniqueDecisionsupportsystemDatabaseModelbaseII 1绪论1.1城市污水处理工艺目标选择决策支持系统的研究背景1.1.1本文的研究背景决策支持系统简称DSS(DecisionSupportsystem)是以特定形式辅助决策的一种[1]科学工具它通过人机对话等方式为决策者提供一个集知识性主动性创造性和信息处理等能力的定性与定量相结合的工作环境协助决策者分析问题探索决策方法并进行评价预测和选优事实上决策支持系统的主要功能就是提高决策者的决策效率通过加强决策者得的洞察力来对决策者提供帮助,决策者得知识技能和IT强大结合使决策者能更迅速[2]的解决实际工作中所面临得问题决策支持系统已经有效地运用在很多领域取得了巨大地社会和经济效益在医药领域决策支持系统应用于分析药品的配方和专家结合对患者的治疗方案进行决[3]策航空公司用决策支持系统为航班安排时刻表极大地减少了航班误点率目前[4]决策支持系统应用最广泛的是经济管理和工程领域在城市污水处理领域里由于目标水质和施工地点的不同我们常常面临着最优化工艺的选择问题要从大量的污水处理工艺中找到针对目标水质处理效果好投资适宜的合适工艺需要查阅和比对大量的文献过程繁复而一个针对城市污水工艺的决策支持系统恰恰可以帮助我们解决以上问题它拥有包含大量城市污水处理工艺流程相关设备经济技术指标以及工艺特点的数据库并通过用户对污水中污染物处理效果的要求而建立模型库再用模型库在数据库中选择出满足用户要求的适宜工艺最后通过便捷的人机对话界面用户可以轻松地了解到适合处理目标水质工艺的大量相关信息为此我们进行了建设一个城市污水处理工艺决策支持系统的尝试1.1.2DSS技术与城市污水处理工艺目标选择DSS是一个融计算机技术信息技术人工智能管理科学决策科学心理学行为科学和组织理论等学科与技术于一体的技术集成系统随着其它学科的不断发1 展尤其是计算机技术和信息技术的巨大进步DSS技术在不断创新和取得新的成果[5][6]按照DSS的设计思想该系统应该有相应的数据库模型库和人机对话界面在实现系统的结构设计时要将整个功能系统分割成几个子系统同时在各个子系统之间通过接口使之连接在一起1.1.2.1城市污水处理工艺数据库城市污水处理工艺数据库的主要形式有以下两个1城市污水处理工艺数据库城市污水处理工艺数据库按照一定的存储路径归纳收录城市污水处理工艺并从工艺介绍工艺流程设备和经济指标四个方面整理每种工艺并建立相应的文档其中工艺介绍文档包含每种工艺的来源特点处理过程去除效果主要优缺点等相关内容工艺流程文档包含每项工艺的流程图设备文档包含工艺中涉及的主要构筑物通用设备和专用设备列表经济指标文档则记录对不同工艺建设费用运营费用等经济成本的评估2城市污水处理设备数据库设备库存储污水处理工艺中涉及到的主要构筑物及相关设备1.1.2.2城市污水处理模型库模型库建立了一种查询构架这种查询构架实际上是电脑模拟人脑思维判断的过[7]程通过这一构架DSS系统将数据库中大量的数据与用户的查询目标对应起来在本文中我们通过不同工艺对城市污水中主要污染物的不同去除率建立查询构架用户只需输入目标原水的水质和想要得到的出水水质DSS系统就会通过模型库判断数[21]据库中那些工艺满足用户的需要并输出这些工艺以供用户参考要实现以上的查询过程模型库需要收集不同污水处理工艺适用水质的范围对污水中不同污染物的去除效果以及记录这些工艺各项相关数据在数据库中的位置第四章城市污水处理工艺决策支持系统模型库中我们将详细讨论这一过程的实现方式1.2创新点提出了城市污水处理工艺决策支持系统的理论框架设计并建设了决策支持系统2 模型库数据库以及人机对话界面提出了以主要污染物去除率为选择工艺标准的模型库构架并围绕着这种模型库建设了相关的数据库3 2决策支持系统的框架设计2.1DSS的理论概述决策支持系统(DecisionSupportSystem-DSS)是80年代迅速发展起来的DSS实现由计算机自动组织和协调多模型的运行以及数据库中大量数据的存取和处理达到了更高层次的辅助决策能力DSS的特点是把众多的模型有效地组织和存储起来通[8]过人机交互功能建立模型库方法库和数据库的有机结合2.1.1决策支持系统基本方式决策支持系统是在管理信息系统和运筹学的基础上发展起来的通过数据库人机交互及多模型的有机组合辅助决策者实现科学决策的综合集成系统从辅助决策的角度看决策支持系统的辅助决策能力是管理信息系统辅助决策能力和运筹学辅助[9]决策能力的综合和提高辅助决策有以下几种方式:1以数据形式辅助决策这是最基本的辅助决策方式数据能反映事物的数量化特征管理信息系统就是进行大量数据处理以数据形式辅助决策的2以模型和方法的形式辅助决策比较有效的辅助决策途径是利用模型和方法为寻找事物发展的规律建立了模型和方法在建立模型和方法之后再按模型和方法的思想去指导我们的行动[10]3以多模型组合形式辅助决策用单模型辅助决策已取得了某些方面的成效但单模型难以反映客观事物的全貌故单模型辅助决策的效果是有限的随着计算机技术的发展已经能支持多模型组合的辅助决策方式多模型的组合涉及到大量的数据文件这些数据文件的共享和消除冗余性以及统一管理采用数据库更合适而多模型的组合也需要建立模型库来统一管理以及组合和集成从而发展成为以多模型组合连接数据库进行综合决策的形式辅助决策决策支持系统正是按这种形式的辅助决策方式的需要建立起来的2.1.2决策支持系统结构决策支持系统是由三个子系统组成的即人机交互系统(对话部件)模型库系统[11](模型部件)数据库系统(数据部件)如图2-1所示4 用户人机交互系统数据库管理系统模型库管理系统数据库模型库图2-1决策支持系统三部件[12]DSS各组成部分的功能和技术如下:1人机对话部件人机对话部件是决策支持系统与用户之间的交互界面用户通过人机交互系统控制决策支持系统的运行决策支持系统既需要用户输入必要的信息(用于控制)和数据(用于计算)同时要向用户显示运行的情况以及最后的结果2数据部件数据部件包括数据库和数据库管理系统1数据库存储的组织形式数据库用来存储大量数据易于进行大量数据操作数据组织模型有网络模型层次模型关系模型等形式数据库由数据库管理系统来管理和维护2数据库管理系统功能数据库管理系统必须具有数据库建立删除修改维护数据存储检索排序索引统计等功能3数据库管理语言体系数据库管理系统提供一套语言体系供用户使用数据库或提供与某种高级程序语言的接口语言体系包括数据库定义语言(DDL)和数据库操作语言(DML)o5 3模型部件模型部件由模型库和模型库管理系统组成[13]1模型库的特征模型库用来存放模型名称及相关的计算机程序模型功能的分类模型的输入输出数据控制参数等属性模型不同于数据模型的表示形式:它是以某种计算机程序形式来表示的如数据语句子程序甚至于对象等模型的动态形式:它以某种指定方法运行可进行数据输入输出运算等2模型库管理系统为了适应模型的静态与动态特征模型库管理系统有两方面的功能一是类似数据库管理系统的静态管理功能二是模型的动态(运行)管理功能模型库的静态管理包括:模型库的建立删除模型字典的维护;模型添加删除检索统计及各种计算机程序的维护模型的动态管理包括:控制模型的运行以及模型与数据库部件之间的联系3模型库管理系统的语言体系与数据库管理系统相似模型库管理系统也有一个语言体系定义模型的有关属性如名称功能参数程序构成以及与其它模型的关系等;控制模型与数据库之间的动态数据交换模型的运行控制等[14]4模型库管理系统的特定功能用计算机语言编制的模型程序分为源程序和目标程序这两种状态与计算机的编辑功能和语言的编译功能相连这就有必要把编辑功能和编译功能以特定的形式纳入模型库管理系统中去2.2DSS的模型部件DSS的模型部件由模型库和模型库管理系统组成2.2.1模型库模型是对客观事物的一种抽象描述用模型来辅助决策已经使人们的共识人们通过对模型的认识来增加对复杂问题的理解和处理模型在计算机中的实现经历了三[15]个阶段1模型程序6 模型程序是利用计算机语言来描述模型的算法过程人工算法并不能直接搬到计算机上来实现必须把人工算法转换成计算机算法才能在计算机上进行计算求出结果2模型程序包模型程序包减少了重复编译模型程序的工作模型程序包只适合各模型独立使用不适合多模型的组合目前的模型软件包主要以数学模型为主体如运筹学软件包等3模型库模型库是将众多的模型按一定的结构形式组织起来通过模型库管理系统对各个模型进行有效的管理和使用模型库像数据库一样是一个共享资源模型库中的模型可以重复使用即可以被不同系统所调用避免了冗余通过模型库可以将多个模型组合起来构成更大的模型模型库就比模型程序包具有更强的功能2.2.2模型库的组织和存储模型库中模型都以程序形式或数据文件表示程序和数据都以文件存储需要建立一个文件库对大量模型统一组织和存储因此建立一个字典库来索引上述对应[16]的模型文件就很有必要模型库由字典库和文件库组成[17]2.2.2.1字典库模型字典库需要对模型的名称编号模型的文件等进行说明1字典库的作用1字典是模型文件的索引模型越大相应的文件就更多为了方便各模型与模型文件的联系建立索引是非常必要的2便于对模型的分类随着技术的发展模型将会愈来愈多对模型分类很有必要对模型分类首先要对模型字典分类3方便了对模型的查询和修改由于字典是模型文件的索引要查询模型文件通过索引能迅速地查找到所需要的模型同时也方便了对模型文件的修改[18]2字典库的组织结构字典库的组织结构一般有文本形式菜单形式和数据库形式等1文本形式:模型字典内容用文本形式进行存储这种形式把所有模型内容都以文字形式进行说明存入到文本文件中能起到查询作用7 2菜单形式:模型字典用一个层次式的菜单来表示可以通过模型字典(菜单)运行模型文件(模型目标程序文件)和查询模型文件(模型源程序文件和模型说明文件)3数据库形式:模型字典的内容按照关系数据库的组织形式存放按照模型分类可以分别建立不同的字典库存放不同类型的模型一个模型是一个纪录每个记录含模型的编号名称各种模型文件名等数据项这种组织存储形式便于模型的分类查询和修改[19]2.2.2.2模型文件库模型文件是模型的主体模型库中大量的模型就对应着大量的模型文件1模型文件的存储方式1直接在计算机操作系统下存储计算机操作系统对于数据文件和程序文件都是以文件形式统一存储和管理的在这种存储方式一下所有的模型文件的存储位置是杂乱的2建立子目录存储模型文件为了区分模型文件和磁盘其它文件可以利用建立子目录的方法把模型文件都建立在子目录下建立子目录又有两种形式:按模型分类建子目录和按模型文件的类别建立子目录2模型文件的调用模型文件的调用与模型文件的存储方式直接相关调用模型文件首先要按它的存储路径找到该文件然后启动该文件对模型文件的运行一般应该通过模型字典库沿着模型文件的存储路径找到具体的模型文件然后启动运行2.3DSS的数据部件数据部件指的是数据库系统包括数据库和数据库管理系统[20]数据库系统一般由四部分组成(如图所示)数据库管理系统数据库用户应用程序(DBMS)DB数据库管理员(DBA)图22数据库系统组成1数据库8 数据库是存储在磁带磁盘光盘等外存介质上按一定结构组织在一起的相关数据的集合数据库的容量是很大的数据按一定的组织结构存放以便查询利用数据库中的数据没有冗余能提供多种应用服务且数据的存储方式和位置相对独立于使用它们的程序2数据库管理系统(DBMS)数据库管理系统是一组能完成描述管理维护数据库的程序系统按照一种公用的和可控制的方法完成插入新数据修改和检索所有数据的操作3数据库管理员(DBA)数据库管理员负责设计建立维护管理数据库4用户和应用程序数据库系统的核心是数据库管理系统和数据库整个数据库系统又分为三级;面向用户或应用程序员的外级;面向建立和维护数据库人员的概念级:面向计算机中存储数据的内级各级有各自的描述语言和内容数据在各级之间进行转换或映射描述数据的格式及方法称为模式在外级的称为外模式在概念级的称为概念模式在内级的称为内模式2.3.1数据库的数据模型数据模型是对客观事物及其联系的数据描述日前有三种成熟的模型层次模[21]型网状模型和关系模型(表格)关系模型是日前应用最广泛的数据模型主要是由于它既有理论基础(关系理论)又很接近实际的数据形式随着面向对象技术的发展和普及出现了新型的数据库模型如面向对象数据模型和对象关系数据模型2.3.2数据库管理系统(DatabaseManagementSystem,DBMS)数据库管理系统是用于描述管理和维护数据库的程序系统是数据库系统的核心组成部分它建立在操作系统的基础上对数据库进行统一的管理和控制数据库[22]管理系统有四项主要功能:1描述数据库描述数据库数据的逻辑结构存储结构语义信息和保密要求等2管理数据库1控制整个数据库系统的运行2控制用户的并发性访问9 3检验数据的安全保密与完整性4执行数据检索插入删除修改等操作3维护数据库1控制数据库初始数据的装入2记录工作日志3修改更新数据库4重新组织数据库5恢复出现故障的数据库[23]4数据通信从系统的角度看数据库管理系统是由完成上述各功能的多个子系统(程序模块)构成的包括数据库语言和处理子系统总控子系统建立及维护子系统和用户接口按使用的数据模型进行分类数据库管理系统可以分为层次型数据库管理系统网状数据库管理系统关系型数据库管理系统面向对象数据库管理系统和对象关系数据库管理系统按用户数目的多少数据库管理系统可以分为单用户数据库管理系统和多用户数据库管理系统按数据库驻留的位置来分类数据库管理系统可分为集中式数据库管理系统和分布式数据库管理系统其中分布式数据库管理系统可以分成同构和异构两类同构分布式系统在各站点均采用相同的数据库管理系统而异构系统各站点可以采用不同的数据库管理系统2.4人机交互方式与设计人机交互方式有多种形式一般有菜单填表命令语言屏幕显示窗口报[24]表输出等2.4.1菜单菜单是由用户在一组项目表中选择一个认为最合适的选项并激活该选项系统就开始执行用户的选择菜单中所用术语和选择项目的意义是可以理解的而且是明确的用户简单地击键就可以完成它们的任务一个有效的菜单系统设计通常来源于对各种要求的仔细斟酌和测试其设计的关键在于首先考虑按照任务来确定语义组织即首先要确定任务菜单选项和结构其次才是显示屏上的选项的数目10 2.4.2填表填表是要求用户对一系列相关字段构成的表输入相关的数据填表方式的设计要求使用户理解填表字段的标题系统应提示输入数据的允许范围和输入方法并能够对用户输入进行校验包括格式正确与否是否越界等对错误的输入能以明确的出错信息做出反应2.4.3命令语言命令语言提供了一个便于控制和创造的氛围如数据库查询语言操作系统命令语言等对于功能较复杂的系统应该采用高级编程语言2.4.4屏幕显示屏幕提示主要有数字文字信息的提示图形信息的显示图像信息的显示这些信息的显示为人机交互系统提供了丰富的画面环境2.4.5窗口随着计算机的广泛应用用户对其支持多任务的要求越来越强烈用户经常会在多个任务之间相互切换要求人机交互系统的设计者要考虑各种各样的策略来管理和访问更多相关信息的窗口11 3城市污水处理工艺决策支持系统数据库3.1城市污水处理工艺决策支持系统数据库构架3.1.1数据库分类众所周知城市污水处理工艺种类繁多方法各异要在大量看似彼此不同的工艺中快速准确的找到所需的工艺方法我们就必须人为的设计几条查询路径也就是说要将一个庞大的城市污水工艺数据库按照一定方法分解成若干相对较小的数据库用户根据自己的所需工艺的特征判断工艺所处的位置准确快速地完成查询这也就是说数据库所设置的查询路径即分类方法一定代表了污水处理工艺某一[25]方面的特征这种特征有特异性不是每种工艺都能具备而且这种特征具备一定的共性我们将具备这一共性的工艺归为一类即一个相对较小的子数据库在这一子数据库中我们仍然可以根据同样的原理将数据库继续分类以满足方面查询的需要出于工艺目标选择的需要和数据查询的要求我们将城市污水处理工艺数据库划分为以下8个一级子数据库步骤分类数据库方法分类数据库地点分类数据库水质分类数据库污水回用数据库成套化设备数据库污泥处置数据库和臭气数据库1步骤分类子数据库城市污水处理按其进水水质和出水要求的不同可以划分为一级处理二级处理深度处理这三种不同的类别我们将一些对出水要求不高很多时候做为二级处理强化过程的工艺归纳为一级处理过程收入一级处理子数据库将达到国家污水综合排放标准GB8978-1996二级排放标准的工艺过程收入二级处理子数据库将一些以二级处理出水为原水水质进一步去除污染物的工艺过程收入深度处理子数据库2方法分类子数据库污水处理过程中因其去除污染物所使用的介质不同可以分为物理化学法生物法植物法膜法由此设立生物法子数据库物化法子数据库植物法子数据库和膜法子数据库对于同时具备以上几种处理过程的工艺例如流动床生物膜+石灰混凝处理工艺同时有物化和生物两种处理过程我们在物化法子数据库和生物法子数据库中同时收录又例如生物膜-膜生物反应器处理工艺同时具备生物处理过程和膜处理过程我们在生物法子数据库和膜法子数据库中同时收录12 另外严格意义上说膜法是一种有物理过程也可能有生物过程的综合性方法应收录在物化法子数据库或生物法子数据库中但考虑到其研究的广泛和工艺的独特将其单独设立成库由于生物法和植物法是城市污水处理工艺研究最多使用最频繁同时也是工艺数量最多的领域为了查询的需要我们在生物法下继续划分活性污泥子数据库生物膜法子数据库生物接触氧化法子数据库植物法下划分稳定塘子数据库人工湿地子数据库人工土子数据库子数据库其他植物法子数据库3地点分类子数据库城市中有一些地点会产生大量的污水如医院餐馆屠宰场养猪场等这些地点的污水有别于城市管网中的普通污水需要经过处理才能排入管网我们将处理这些特殊地点污水的工艺分别建库城市污水处理工艺很多时候都会受到周围环境因素的影响和制约例如北方城市和南方城市污水的性状就有所不同加上气候与地理环境等因素南北城市适用的污水处理工艺各有不同分别建库4水质分类子数据库城市污水按其有机物浓度的不同可分为高浓度城市污水和低浓度城市污水处理这两类污水的工艺有其独特性因此分别设立高浓度城市污水数据库和低浓度城市污水数据库5污水回用子数据库城市污水处理中包含了许多以回用为目的的工艺方法我们将这类工艺归入污水回用数据库6成套化设备子数据库城市污水处理工艺发展到今天产生了一些处理效果好设备集成度高便于施工和安装需要的出水处理成套化设备这是市场对城市污水处理的要求也是污水处理工艺发展的方向为此设立成套化设备数据库7污泥处置子数据库城市污水处理工艺中占主导的地位的生物法在运行过程中会产生大量的污泥近年来随着城市污水厂的大量兴建污泥处置已成为城市污水处理领域一个热点问题为此设立污泥处置数据库8臭气子数据库城市污水处理过程中产生的臭气是另一个得到广泛关注的热点问题为此设立臭气处理数据库从以上论述我们可以看出城市污水处理工艺决策支持系统数据库的构架原则13 一是依托理论数据库间有严谨的逻辑关系如按步骤分类按方法分类按水质分类等另外就是充分考虑其实用性便于用户快速方便地查找所需要的工艺和技术如设立成套化设备库将膜法单独建库等3.1.2数据库结构按照以上路径完成了城市污水处理工艺的分类后城市污水处理工艺决策支持系统数据库由上到下由高到低从总库到一级子库到二级子库到三级子库到四级子库直至单个工艺的构架由图3-1所示生物膜两级浸没式生物膜生物絮凝沉淀-生物膜生物膜法微动力A2~O工艺生物膜-沸石组合工艺无泡曝气膜生物反应器生物法二级子数据库PK三级子库步骤分类子数据库方法分类数据库活性污泥PK二级子数据库PK二级子库生物膜生物接触氧化一级处理生物法二级处理植物法深度处理物化法膜法一级处理城市污水处理工艺数据库化学强化一级工艺PK一级子库列表生物-化学(BC)法化学-生物联合絮凝法步骤分类子数据库活化污泥法方法分类子数据库短时直接曝气-过滤法地点分类子数据库一级处理列1水质分类子数据库混凝法地点分类子数据库污水回用子数据库成套化设备子数据库PK二级子库污泥处置子数据库臭气子数据库医院污水回用子数据库屠宰场养猪场CMFC连续微滤装置餐饮O3/BAC工艺南方城市超滤膜-生物反应器北方城市喷射式内循环反应器膜过虑生物陶粒滤池生物陶粒滤池两级浸没式生物膜气浮过滤处理工艺工艺介绍工艺流程主要构筑物及设备经济技术指标气浮过滤处理工艺工艺介绍工艺流程主要构筑物及设备经济技术指标图3-1城市污水处理工艺目标选择决策支持系统数据库构架图部分14 数据库构架在应用程序中的表现形式可参见下列程序截图图3-2城市污水处理数据库一级子库图3-3方法分类二级子数据库图3-4生物法三级子数据库工艺显示15 图3-5生物膜法四级子数据库工艺显示图3-6工艺流程基元模块如图示点击各图标即可进入各子数据库中按照目标工艺的分类属性即可找到该工艺3.2数据库基元模块的制作3.2.1基元模块的作用由数据库构架我们已经了解到了数据库从总库到单个工艺的结构路径这其中每一单个工艺都被视为一个基元模块作为数据库最基础的构成元件如果我们将数据库比作一栋大厦的话描述每一个单独工艺的基元模块就像是搭成这栋大厦的一块块砖块砖块按照我们要求的方式即规定的路径组16 成一间间的房间即一个个子数据库一间间的房间再拼装成这栋大厦正如同砖块拥有统一的外形一样基元数据描述的方式完全一致不一样的只是应工艺各异而导致的不一样的填充内容由此可知基元模块实际上是一个通用模块通过这个通用模块调用并显示最终的查询结果一个个不同的工艺在论文下面模型库的设计过程中我们将说明通用模块是如何调用基元模块数据的3.2.2基元模块的构成基元模块的构成方式即工艺的描述方式每一种工艺我们都将按照以下四个方面来描述1工艺介绍工艺介绍包含每种工艺的来源特点处理过程去除效果主要优缺点等相关内容与资料来源出处2工艺流程图显示每一种的工艺流程图3主要构筑物及相关设备这一项里包含工艺中涉及的主要构筑物通用设备和专用设备列表4经济技术指标分析说明各自工艺建设费用运营费用等经济成本基元模块在数据库中的位置和构成参见图313.2.3基元模块制作实例下面用实例说明基元模块的制作过程2[26]以生物膜法微动力A/O工艺的模块制作过程为例2资料来源展望雷乐成生物膜法微动力A/O工艺在住宅小区中水回用工程中的应用给水排水VoL30No42004:85~87全文略1工艺介绍2生物膜法微动力A/O工艺是在地埋式无动力厌氧生活污水处理工艺的基础上发展起来的新型工艺在稳定高效去除COD的同时还能有效的脱磷除氮结合住宅3小区300m/d中水工程设计和运行情况对改进工艺进行介绍17 生活污水经过化粪池预处理再经隔栅去除大粒杂物后进入地埋式生物膜法微2动力A2/O生活污水处理池在处理池中污水首先经过A/O生化处理系统该系统22是以无动力厌氧为主后加一小段缺氧和好氧的A/O新工艺A/O系统出水进入二沉池去除悬浮物后进入消毒池进行接触消毒消毒后的污水经沙虑池过滤后即可达到杂用水标准进入中水池回用经硝化的好氧池混合液回流至缺氧池进行反硝化脱氮二沉池污泥回流至厌氧池进行污泥消化处理并同时具有除磷作用进出水水质及各主要污染物去除率列表3-1如下表3-1进出水水质表CODBOD5浊度氨氮pH项目(mg/L)(mg/L)(NTU)(mg/L)进水水质36016580286.8出水水质208867.6去除率%94.495.195.678.6工艺特点1该工艺以无动力厌氧为主能耗低运行费用较低2采用毛竹球填料表面积大富积活性污泥量多能保证足够的污泥浓度且可省去安装费用和支架费用3好氧曝气池系统采用液下曝气机噪声低4折流式水利设计保证厌氧生化反应均匀无死角5在实际运行管理中污泥可全部回流至厌氧池消化基本不需排泥6地埋式设施地上为花园景观式设计能满足住宅小区对居住环境的要求与其它工艺相比较其主要优缺点三种典型小区污水生化处理工艺比较见下表3-2表3-2三种典型小区污水生化处理工艺比较生物膜法微动力项目无动力厌氧工艺2生物接触氧化工艺A/O工艺COD去除率一般高高高硝化反硝化脱一般将氨氮硝化为NH3-N去除率低氮硝态氮工程建设总投资高较高一般地下占地面积大地下占地面积大一般为半地上式占占地面积地上为景观式花园地上为景观式花园地面积小33运行费用基本无运行费用低0.1-0.3元/m高0.5-0.8元/m18 续表3-2三种典型小区污水生化处理工艺比较生物膜法微动力项目无动力厌氧工艺2生物接触氧化工艺A/O工艺污水站环境好好差污泥产量极大要配污泥产量污泥基本零排放污泥基本零排放置污泥处置设备运行管理无人值守无人值守需专职操作人员值守是否适合中水回不合适合适合适用工程的要求2参考文献展望雷乐成生物膜法微动力A/O工艺在住宅小区中水回用工程中的应用给水排水VoL30No42004:85~872工艺流程图化粪池出水格栅井厌氧池缺氧池好氧池二沉池消毒池沙滤池混合液回流中水池污泥回流剩余污泥绿化用水2图3-7生物膜法微动力A/O工艺工艺流程图3主要构筑物及设备2表3-3A/0生化处理工艺主要构筑物及设备序号主要构筑物通用设备专用设备2A/0生化处理系统(缺氧池/1混合回流泵液下曝气机厌氧池/好氧池)2二沉池污泥提升泵3消毒池氯片自动投加系统4沙滤池清水泵5中水池19 4经济技术指标2表3-4A/0生化处理工艺经济技术指标项目数量说明3年处理污水量/万m10.8360d/a年削减COD量/t43.2工程建设总投资56.88万元地下构筑物2占地面积/m225地上为景观式花园3污水建设投资/元/m18963污水运行费用/元/m0.144不计消毒剂费用2将以上资料从文献中提取出来分别以生物膜法微动力A/O工艺工艺介绍22生物膜法微动力A/O工艺工艺流程生物膜法微动力A/O工艺经济指标生物膜法22微动力A/O工艺设备为名建立四个文档放在生物膜法微动力A/O工艺这一文件夹内如图3-8所示2图3-8生物膜法微动力A/O工艺文件夹2以上就是基元模块生物膜法微动力A/O工艺文件夹的制作过程在第四章中我们将说明基元模块是如何被模型库选择和调用出来的3.3数据库基元模块以下图片将表明基元模块这些砖块是如何搭建成数据库这一大厦的20 图3-9从数据库到基元模块的数据存储21 3.4城市污水处理工艺设备库设备库存储污水工艺中涉及到的主要构筑物及相关设备设备库也是决策支持系统数据库的组成部分它与污水处理工艺数据库的联系如下图3-10所示污水回用子数据库CMFC连续微滤装置O3/BAC工艺超滤膜-生物反应器喷射式内循环反应器膜过虑通用设备生物陶粒滤池两级浸没式生物膜气浮过滤处理工艺潜污泵鼓风机格栅曝气机气浮过滤处理工艺污泥浓缩脱水机气浮过滤处理工艺加药装置PK设备列表工艺介绍城市污水处理设备库潜水泵工艺流程隔膜式计量泵主要构筑物及设备加氯机经济技术指标空压机通用设备专用设备DA型滤池专用设备滗水器彗星式纤维滤料DA型滤池图3-10城市污水处理设备库构架图3.5本章小结3.5.1小结具体说来我们收集了大量城市污水处理工艺的资料从工艺介绍工艺流程主要构筑物及相关设备经济技术指标几方面对资料进行了整理并以此建设了城市污水处理工艺数据库以工艺自身的特点和实践运用的需要建立了分类和查询方式使用户面对大量繁复的城市污水处理工艺时可以借助本系统建立的查询脉络方便清晰地了解这些工艺的相关信息并且使用计算机汇编语言VB书写相关程序以执行工艺选择建设了良好的人机对话的窗口22 3.5.2城市污水处理工艺数据库存在问题从以上的论述和演示过程我们可以了解到一个关于城市污水处理工艺的DSS系统确实可以为我们提供一定程度上的便利和更开阔的思维从而方便我们的决策但是应该指出任何一个DSS系统的成功运转离不开大量真实可信数据的收集整理DSS系统数据库资料越是庞大其模型判断的可信度就越高而对于我们这个城市污水处理工艺DSS数据库而言面临的最大问题就是数据信息的收集严格意思上说要完成本系统一个工艺基元模块数据的完整收录需要知道工艺适用水质范围在适用水质范围内各污染物在不同浓度下去除率的不同数值工艺中涉及到的构筑物和相关设备工艺在实践中经济效益和环境效益的评价这几方面的详细信息然而这些信息的准确收录却是一个相当困难的工作往往是我们查询了大量的资料后仍然找不到想要的数据内容如何在接下来的工作中收集到这些相关资料是我们进一步工作的首要问题23 4城市污水处理工艺决策支持系统模型库4.1城市污水处理工艺DSS系统模型库作用城市污水处理工艺目标选择的实现实际上是一个贯彻用户查询意图的过程即理解用户查询的目标并从数据库中将满足用户意图的工艺挑选出来这就是模型库的[28]作用模型库建立了一种查询构架这种查询构架实际上是电脑模拟人脑思维判断的过程通过这一构架DSS系统将数据库中大量的数据与用户的目标对应起来在本文中我们通过不同工艺对城市污水中主要污染物的不同去除率建立查询构架用户只需输入目标原水的水质和想要得到地的出水水质DSS系统就会通过模型库判断数据仓库中那些工艺满足用户的需要并输出这些工艺以供用户参考图4-1就是城市污水处理工艺决策支持系统模型库查询构架的界面图4-1生物法处理城市污水工艺查询操作界面图示为DSS系统生物法处理城市污水工艺查询界面用户只需在界面中输入原水中主要污染物的数值以及处理后出水中污染物希望达到的数值计算去除率点击选择工艺系统按钮就可从界面右端的工艺表中显示出满足用户要求的工艺24 4.2DSS系统模型库构成元件[29]4.2.1字典库由理论论述可知字典库其实是模型文件的索引通过索引能迅速地查找到所需要的模型同时也方便了对模型文件的修改对本系统而言字典库收集每一种污水处理工艺的相关资料在数据库中的存储位置用户通过查询构架找到目标工艺后通过字典库中罗列的路径即文件索引调出该工艺的相关资料图4-2是生物法处理城市污水工艺模型库中关于字典库的一部分从中我们可以看到不同处理工艺在数据库中的位置即文件路径都一一收录在表中图4-2生物法处理城市污水工艺模型库部分通过字典库我们建立从模型库到数据库的链接用户在模型库构架下完成对目标工艺的查询并通过字典库从工艺数据库中找到该工艺了解目标工艺工艺特点相关设备经济技术指标以及收录内容的出处等相关信息后完成查询25 4.2.2模型文件库模型文件库收录与查询模型相关的一切信息对本系统而言模型文件库整理收录的是污水处理工艺对污染物的去除率对一个单个城市污水处理工艺而言在一定水质范围内该种工艺对污水中主要污染物的去除效果都将按照格式填入模型文件库中以步骤分类中中的城市污水二级处理工艺模型库部分为例图示中的每种二级处理工艺在一定水质范围内对污染物的去除率都列入了表中当用户在查询界面中输入了原水水质和出水目标水质后程序就会调用模型文件库判断满足去除率要求的处理工艺图4-3城市污水二级处理工艺模型库部分在用户对工艺的查询过程中当用户输入目标原水的水质和希望达到的出水水质后模型库会自动判断选择出哪些工艺的处理水质范围适合原水水质的要求再通过计算各项污染物的去除率选出满足出水要求的处理工艺26 4.3模型库的制作从以上论述中我们了解到了模型库的基本构架下面举例说明这些构架是如何实现的即说明模型库的制作过程以生物处理工艺模型库为例4.3.1模型库字典库制作字典库是模型文件的索引它收集每一种污水处理工艺的相关资料在数据库中的存储位置下图显示的是是生物处理工艺数据库从中可以看到生物处理工艺三种分类项数据库所在的位置图4-4生物处理工艺分类项数据库从各个分类项数据库中可以找到每个单个工艺的基元数据库下图是生物接触氧化法数据库内各单项工艺的位置示意图27 图4-5生物处接触氧化发数据库从中可以得到生物处理工艺下生物接触氧化法涵盖的各个单项工艺数据存储的具体位置以A/O一体式曝气生物滤池为例了解单个工艺数据库即基元数据库内工艺相关介绍存储的位置见图4-5即D:…doc方法分类生物法生物接触氧化A/O一体式曝气生物滤池[30]这个位置就是模型库要存储的A/O一体式曝气生物滤池工艺在数据库中的路径见图4-5除此以外我们还要记录各工艺相关介绍文件的路径同样从图4-5中可以看到A/O一体式曝气生物滤池工艺四个工艺相关文件的存储路径分别是A/O一体式曝气生物滤池工艺介绍D:…doc方法分类生物法生物接触氧化A/O一体式曝气生物滤池A/O一体式曝气生物滤池工艺介绍A/O一体式曝气生物滤池设备D:…doc方法分类生物法生物接触氧化A/O一体式曝气生物滤池A/O一体式曝气生物滤池设备A/O一体式曝气生物滤池工艺流程D:…doc方法分类生物法生物接触氧化A/O一体式曝气生物滤池A/O一体式曝气生物滤池工艺流程A/O一体式曝气生物滤池经济指标D:…doc方法分类生物法生物接触氧化A/O一体式曝气生物滤池A/O一体式曝气生物滤池经济指标28 图4-6A/O一体式曝气生物滤池数基元据库按以上方法将收集到的每种工艺的相关路径输入生物处理工艺模型库中即构成了生物处理工艺模型库的字典库部分见图4-6图4-7生物处理工艺字典库29 4.3.2模型库模型文件库制作从章节4.2模型文件库论述中我们了解到模型文件库收录与查询模型相关的一切信息对本系统而言模型文件库整理收录的是污水处理工艺对污染物的去除率对一个单个城市污水处理工艺而言在一定水质范围内该种工艺对污水中主要污染物的去除效果都将按照格式填入库文件中以下举例说明模型库文件的填充过程仍然以生物法处理为例生物法处理城市污水工艺包括以下具体的工艺路线部分在表格中依次填入处理工艺适用的水质范围即主要污染物的适用范围以及该范围内各污染物的去除率如图4-7所示图4-8生物法模型文件库示例上图所示的适用水质范围和对应的去除率将作为工艺选择的判据被系统程序调用即系统通过这样一个模型构架完成目标工艺的查询30 4.4本章小结4.4.1小结在本章中我们构建了污水处理工艺决策支持系统的模型库模型系统阐述了污水处理工艺目标选择的实现方案对污水处理工艺目标选择的决策方法及相关因素进行了论述我们使用MicrosoftAccess软件制作了DSS系统模型库以城市污水处理工艺对污水中相关污染物的去除率为分析依据建立模型库构架并结合城市污水处理工艺决策支持系统的设计过程做了细致的介绍4.4.2模型库构架合理性问题在本系统中以工艺对污水中主要污染物去除率为工艺查询的构架用户输入原水水质和目标出水水质系统据此计算去除率由去除率挑选出合适工艺然而在不同的水质范围内污水处理工艺对同一污染物的去除率是不一样的即便是同一水质范围内受水力停留时间污泥负荷等因素的影响去除率也会发生波动尽管我们采取了限定水质范围尽量收集工艺在最佳水力停留时间下的处理效果等措施来矫正这[30]一问题但这一问题仍然客观存在影响我们对最后查询结果的置信度当然这个问题也并不是没有解决的办法办法有一个就是继续扩大数据库的数据存储量细化去除率适用的水质范围如下例所示水解-SBR是一种适用于高浓度城市污水和高浓度粪便污水的活性污泥处理工艺从文献中我们查询到了水解-SBR工艺在CODBODSS不同浓度范[32][33]围下不同的去除率见下表表4-1不同进水浓度下水解-SBR的去除率CODBOD5SS进水出水去除率进水出水去除率进水出水去除率(mg/L)(mg/L)(%)(mg/L)(mg/L)(%)(mg/L)(mg/L)(%)158114290.17813692.55091796.6121013389.06363494.73611595.8102013187.24983293.62961495.385112885.04062992.92361394.56049983.63212492.51821194.0由此我们可以将模型库中的模型文件做如下修改31 图4-9模型库水解-SBR处理工艺库文件部分同样的模型库库文件中关于水解-SBR工艺处理BODSS去除率的部分也将做出类似调整通过细化库文件的方式我们可以根据进水污染物浓度的值段在相应的位置找到对应的去除率减少因水质范围不同而带来的去除率误差从而使工艺查询的过程更准确可信但是问题的关键是很难查到如此详尽的资料因此想按照更细致的方式建立模型库就成了一件理论上可行实际操作缺存在很大难度的问题32 5城市污水处理工艺决策支持系统使用演示本章中我们将通过实例来演示所制作的城市污水决策支持系统的使用方法并考察相关结果例一某城市污水原水中主要污染物含量COD280mg/LBOD5120ml/lSS250mg/LNH3-N30mg/L希望某种合适的生物处理方法使出水指标达到COD80mg/LBOD540ml/lSS30mg/LNH3-N15mg/L以下是查询过程第一步启动程序进入城市污水处理工艺咨询系统第二步进入方法分类界面下点击生物法图标第三步在生物法查询界面中输入原水水质和目标出水水质并计算出去除率33 第四步点击选择工艺键得出查询结果第五步点击查询出的工艺弹出该工艺的相关介绍[34]比如SEDIPAC3D+BIOFOR曝气生物滤池工艺:SEDIPAC3D+BIOFOR曝气生物滤池工艺的工艺介绍如下图所示34 [35]SEDIPAC3D+BIOFOR曝气生物滤池的工艺流程如下图所示[36]SEDIPAC3D+BIOFOR曝气生物滤池的主要构筑物及设备如下图所示SEDIPAC3D+BIOFOR曝气生物滤池的经济指标分析如下图所示35 例二某城市污水某城市污水原水中主要污染物含量COD320mg/LBOD5200ml/lSS280mg/LNH3-N35mg/L希望某种合适的工艺使出水达到国家污水综合排放标准GB8978-1996二级排放标准以下是查询过程第一步启动程序进入城市污水处理工艺咨询系统第二步点击步骤分类在步骤分类界面下选择二级处理第三步在二级处理查询界面中输入原水水质和出水目标水质计算去除率36 第四步点击工艺选择得出适合工艺[37]查询得知流动床生物膜石灰混凝新型膜法SBR系列间歇充氧式生活污水[38][39]净化装置绿色生物滤池SEDIPAC3D+BIOFOR曝气生物滤池可以满足需要点击其中任意工艺即可得到相关信息以新型膜法SBR系列间歇充氧式生活污水净化装置为例点击可知新型膜法SBR系列间歇充氧式生活污水净化装置流程图.新型膜法SBR系列间歇充氧式生活污水净化装置工艺介绍37 新型膜法SBR系列间歇充氧式生活污水净化装置经济指标分析[40]绿色生物滤池工艺介绍38 例三某城市污水TP8mg/L希望寻找一种能将TP降到1mg/L的二级处理工艺步骤如下进入二级处理工艺查询界面输入原水TP值8出水TP值1点击选择工艺按钮得出推荐工艺任意选择感兴趣的工艺了解这些工艺的相关情况39 6总结与展望6.1总结城市污水处理工艺决策支持系统融计算机技术决策科学技术城市污水处理技术等学科理论与技术的集成系统是一个相对前沿的研究课题目前国内外的相关报道还不多这次我们做了这方面的初步尝试有收获也发现一些问题通过此次设计我们了解了决策支持系统建立的基本原理及方法并将其应用于污水处理工艺目标选择的决策过程中建立了以数据库模型库为基础的决策系统此系统以城市污水处理工艺对污水中相关污染物的去除率为分析依据根据用户对出水水质的目标要求确定最终满足用户需要的城市污水处理工艺论文对污水处理工艺目标选择的决策方法及相关因素进行了论述对具体实现方案和设计路径进行了设计和研究论文构建了污水处理工艺决策支持系统的模型库模型和数据库模型系统阐述了污水处理工艺目标选择的实现方案并结合城市污水处理工艺决策支持系统的设计过程做了细致的论述具体说来我们收集了大量资料从工艺介绍工艺流程主要构筑物及相关设备经济技术指标几方面对资料进行了整理并以此建设了城市污水处理工艺数据库[41]使用MicrosoftAccess软件制作了DSS系统模型库以城市污水处理工艺对污水中相关污染物的去除率为分析依据建立模型库构架以计算机汇编语言VB书写相关程序以执行工艺选择并建设了良好的人机对话的窗口本文的创新点在于将数据库与决策支持系统引入污水处理领域提出了以主要污染物去除率为选择工艺标准的模型库构架并围绕着这种模型库建设了相关的数据库此外尝试建立了城市污水处理工艺的数据库并以工艺自身的特点和实践运用的需要建立了分类和查询方式使用户面对大量繁复的城市污水处理工艺时可以借助本系统建立的查询脉络方便清晰地了解这些工艺的相关信息当然我们也成功的设计了一个可以实现的人机对话界面提供了用户与数据库内[42]容方便地进行沟通的途径以上是一些有所收获的地方可我们面对的问题也很大在章节3.5和4.4中已经做了相关分析此处不复多言但需指出要真正使这套城市污水处理工艺决策支持系统具备所希望的准确查询的功能我们要做的工作还很多路还很漫长40 6.2展望对城市污水处理DSS系统而言我们现阶段完成的工作只能说初步建立了这一系统的构架要真正具备工艺决策功能还有大量的资料需要查询和填充因此下一步工作的重点就是工艺相关数据的进一步搜寻和输入这不但包括现有工艺不足资料的填补也包括收录新的未被列入数据库的城市污水处理工艺和技术[43]此外对于本系统工艺遴选方式即模型库构架方式合理性问题的进一步探讨也非常重要对于使用对污水中主要污染物的去除率为判据的工艺挑选模式是否最为合理有没有更好的查询方式这一问题还需要更广阔的思路和更深的理论支持41 致谢本论文工作从选题研究方案的制定试验到论文的撰写自始至终都得到了导师杨昌柱教授的悉心指导导师活跃的学识思想严谨的治学态度务实的工作作风和渊博的知识给作者留下了深刻的印象三年来导师不仅在学术上给予作者耐心的指导更是身体力行地教作者做人的道理使笔者在研究生阶段培养了良好的团队合作和敬业精神将终生受益在此谨向导师表示崇高的敬意和诚挚的感谢同时要特别感谢章北平教授在笔者的研究生学习过程中有大量的时间是在章老师的实验室渡过的章老师渊博的学识细致严谨的治学态度以及温文尔雅平易近人的风范都让笔者深深敬佩并受益匪浅仅在此对章老师给予笔者的悉心指导致以诚挚的谢意感谢濮文虹副教授在实验进行期间对我的指导和帮助在生活上她更是给与了无微不至的关怀濮老师务实干练的作风和平易近人的风范将永远铭刻在笔者心中永远是笔者学习的楷模同时要感谢我所工作学习过的实验室的每一位同学你们不仅给予了我学习生活上的关怀和帮助更让我能够在一个友爱团结互助的氛围中愉快生活你们的笑容将永远留在我记忆的深处谨以此文献给所有关心和帮助过我的人们42 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