基于整数规划模型的污泥处理装备选型方法研究.pdf

浙 江 工 贸 职 业 技 术 学 院 学 报JOURNAL OF ZHEJIANG INDUSTRY&TRADE VOCATIONAL COLLEGE第23卷第2期2023年06月Vol.23 No.6Jun.2023基于整数规划模型的污泥处理装备选型方法研究龚洪胜1，徐茂硕2（1.浙江工贸职业技术学院，浙江 温州 325003；2.哈尔滨工程大学，黑龙江 哈尔滨 150001）摘 要：为了从众多型号装备中选出最符合实际需求的型号，分别建立了初等模型、单目标优化模型和双目标优化模型，通过实际案例对这三种模型进行验证发现，虽然三种模型各有优劣，但双目标优化模型能够获得比较满意的结果。该方法为多种型号装备的推广应用提供了新的思路。关键词：污泥处理；装备选型；整数规划模型；双目标优化模型中图分类号：O29文献标志码：A文章编号：1672-0105（2023）02-0062-03Research on the Selection of Sludge Treatment Equipment Based on Integer Programming ModelGONG Hongsheng1,XU Maoshuo2（1.Zhejiang Industry&Trade Vocational College,Wenzhou 325003,China;2.Harbin Engineering University,Harbin 150001,China）Abstract:In order to select the model that meets the practical needs best from a list of sludge treatment equipment,theelementary model,single-objective optimization model and double-objective optimization model,which are established respectively.Although each of the three models has its advantages and disadvantages,it is found that the two-objective optimization model canobtain satisfactory results through the actual case verification of these three models,whichprovides a new idea for thepopularization and application of various sludge treatment equipment.Keywords:sludge treatment;equipment selection;integer programming model;double objective optimization model收稿日期：2022-12-23作者简介：龚洪胜（1965），男，湖北利川人，浙江工贸职业技术学院讲师，硕士，主要研究方向：应用数学。0 引言随着我国城镇化速度的不断加快，城市污水量呈现逐年递增态势，导致污水处理过程中产生的污泥量也不断增加，污泥在堆存、运输和处理过程中，其组分性质会不断发生变化，若处置不当，将对环境造成严重危害。目前，美国、德国以填埋为主，日本以焚烧为主1，而我国处理污泥有卫生填埋、堆肥、自然干化和焚烧等方式，且分别占比为65%、15%、6%和3%2。各个国家根据污泥的特性采用不同的技术进行处理，最终要达到减量化、稳定化、无害化、资源化的目的。“低温真空脱水干化成套技术”，将污泥的脱水、压滤与热干化等工序合为一体，在同一设备上连续完成，能够将含水率90%99%的物料降低至20%以下3-4。该技术装备在城市污水、汽车涂装废水、化工园区污水等领域获得了广泛的应用5-7。尽管如此，学术界较少探讨如何根据污泥流量选择装备型号的方法，事实上，目前该技术装备推向市场的产品至少有11种不同的型号，如何针对污泥流量或企业实际需求选择恰当适用的型号？鉴于此，本文从机理分析角度研究建立污泥处理装备选型模型，为污水（污泥）处理企业提供借鉴。1 实际案例我国某化肥厂气化分厂产生的废渣分粗渣和细渣两种，其中细渣（湿基）流量为170t h，进料密度 在（1.051.10）t/m3之 间，含 水 率 为 94%99%。细渣先堆放在暂存库，然后作为制砖材料而出售。如果出现滞销就会引起满仓，还要把多余部分做填埋处理，因此存在处理量大、运输成本高、污染环境、浪费水资源等问题。为了实现节能减排、提质增效、保护环境的目的，化肥厂决定对细渣处理工艺进行改造，即启动深度脱水干化及资源Doi:10.3969/j.issn.1672-0105.2023.02.013第23卷 第2期化利用项目，拟选用低温真空脱水干化成套技术装备（发明专利号ZL201210045436.3），该装备的规格及性能如表1所示，其他工艺参数为：压滤机每天处理18批次，滤饼厚度h=0.02m，产生的滤饼含水率为25%35%，滤饼密度1=1.5t/m3。根据以上信息，通过建立数学模型来确定使用哪种型号的装备，以及几台这样的装备。2 装备选型模型的建立与求解2.1 初等模型2.1.1模型建立8每次单台压滤机压滤面积的确定是选型的依据。原则是必须满足气化灰水最大含固质量分数的脱水要求，思路是通过产生滤饼的含固质量分数并倒推出质量，依靠进料的含固质量分数计算。下面进行计算。（1）每小时滤饼总体积为V=qv()1-()1-11（1）其中，V每周期（小时）滤饼总体积，m3h；qv料浆的流量，m3h；料浆的密度，t/m3；料浆的含水率，%；1压滤后滤饼的含水率，%；1滤饼密度，t/m3。（2）每小时滤饼总压滤面积为S=V0.5h（2）其中，S总过滤面积，m2；h滤饼厚度，m。（3）每次的压滤面积为s=Sn（3）其中，n压滤机每小时的压滤次数。（4）每次单台压滤机的压滤面积为sY=sm（4）其中，m表示压滤机数量。（5）根据以上公式得，单台压滤机的过滤面积为sY=2qv()1-mnh()1-11（5）2.1.2模型求解已知进料流量为qv=170t/h，进料密度在（1.051.10）t/m3，料浆含水率为94%99%，压滤机数量m=1台，每天处理18批次，折合成压滤周 期 为 每 批 次43h，即n=0.75，滤 饼 厚 度h=0.02m，产生的滤饼含水率为25%35%，滤饼密度1=1.5t/m3，则通过公式（5）计算得，sY=2qv()1-mnh()1-11=21700.03510.750.020.71.5755.6可得单台压滤机的过滤面积为sY=755.6m2。于是可选取1台型号DZG-2000/800的压滤机，或者2台型号DZG-2000/400的压滤机，或者4台型号为DZG-1500/200的压滤机，等等，总之，选取的方案不唯一。2.2 单目标优化模型为了获得唯一确定的压滤机选取方案，可考虑建立单目标优化模型。2.2.1模型建立设型号i的单台设备每次加工的滤饼总面积为sYi（m2），台数为mi，i=1,2,.,t，t表示型号总数，本题中t=11。若干台不同型号的设备每次加工的滤饼总面积不低于进料总面积，即i=1tmisYis，i=1,2,.,t（6）目标函数是若干台不同型号的设备每次加工的滤 饼 总 面 积 与 进 料 总 面 积 的 差 距，即f=i=1tmisYi-s，由于f10，如果f1太大，则造成浪费，故求其最小值，即minf=i=1tmisYi-s（7）表1 规格及性能序号1234567891011型号DZG-1300/50DZG-1300/75DZG-1300/100DZG-1500/100DZG-1500/150DZG-1500/200DZG-2000/300DZG-2000/400DZG-2000/500DZG-2000/600DZG-2000/800过滤面积/m25075100100150200300400500600800主机外形尺寸/m5.7*1.8*2.06.6*1.8*2.07.5*1.8*2.07.0*2.0*2.58.2*2.0*2.59.5*2.0*2.59.5*2.5*3.011.0*2.5*3.012.5*2.5*3.014.2*2.5*3.017.8*2.5*3.0龚洪胜，徐茂硕：基于整数规划模型的污泥处理装备选型方法研究63浙江工贸职业技术学院学报2023年06月汇总得minf=i=1tmisYi-ss.t.V=qv()1-()1-11,S=V0.5h,s=Sn,i=1tmisYis,i=1,2,.,t,mi0且为整数,i=1,2,.,t.（8）2.2.2模型求解式（8）是整数规划模型，计算得，m1=2，m2=1，m7=2，其余的mi=0，即需要 2 台型号DZG-1300/50、1 台型号 DZG-1300/75、2 台型号DZG-2000/300的压滤机就可以满足需求，且方案是唯一的，在确定性方面比初等模型的结果较好。仔细分析该设备选型方案发现，3种不同型号的设备一共5台，总占地面积为601.5，而如果选择1台型号DZG-2000/800的压滤机，同样可以满足需求，且占地面积只有44.5，可见，该选型方案存在明显不足，即型号杂、台数多、占地面积太大。2.3 多目标优化模型为了克服单目标优化模型的不足，可增加一个目标函数，即占地面积，从而建立多目标优化模型。2.3.1模型建立设型号i的单台设备占地面积为ai（m2），i=1,2,.,t。第二目标函数是所有设备的总占地面积之和，即f2=i=1tmiai，由于f2越小越好，故求其最小值，即minf2=i=1tmiai（9）汇总得minf1=i=1tmisYi-sminf2=i=1tmiai,s.t.V=qv()1-()1-11,S=V0.5h,s=Sn,i=1tmisYis,i=1,2,.,t,mi0且为整数,i=1,2,.,t.（10）2.3.2模型求解式（10）是双目标整数规划模型，在求解时，需要转化为单目标模型，这里采用理想解方法来转化。分别计算单目标优化模型，获得第一目标和第二目标的最优值f*1、f*2，再把两个目标函数合并为f=w()f1-f*1+()1-w()f2-f*2（11）其中，w为偏好系数，w0,1。计算得，第一目标和第二目标的最优值分别为f*1=19.44444、f*2=44.5，不妨取w=0.5，获得最优解，m11=1，mi=0（i=1,2,.,10），最优值f=12.5，即只要1台型号DZG-2000/800的压滤机就可以满足需求。此时，仅仅只用一种型号、一台设备，且总占地面积f2=44.5，相比于单目标优化模型，大大降低了总占地面积，因此该选型方案更优。参考文献：1 徐晗，安平凡，宋广明 污泥综合处置及资源化利用技术研究J 中国资源综合利用，2019，37（04）：76-782 赵锦 几种污泥焚烧处理技术J 工业炉，2018，40（06）：1-63 许太明，孙洪娟，曲献伟，等 污泥低温真空脱水干化成套技术J 中国给水排水，2013，29（02）：106-1084 卢宇飞，曲献伟，许太明，等 污泥低温真空脱水干化成套技术与应用J 建设科技，2018（16）：110-1135 黄申斌，曲献伟，匡毅，等 污泥低温真空脱水干化一体化技术装备大型城市污水处理厂的应用J 中国市政工程，2020（04）：131-1326 程志兵，王家路 低温真空脱水干化一体化技术装备在汽车涂装废水污泥脱水干化工程中的应用J 广东化工，2020，47（13）：120-1217 倪明辉，陈莉佳，卢宇飞 低温真空脱水干化一体化技术装备在大型化工园区污水厂污泥减量项目中的应用J 广东化工，2019，46（11）：173-174，1618 曹真真，王江涛，孟雪 水煤浆气化细渣脱水板框压滤机运行总结J 大氮肥，2019，42（05）：292-294（责任编辑：王积建）64