В настоящее время проектирование систем очистки сточных вод основано на результатах большого отечественного и зарубежного опыта. Согласно СНиП 2.04-85 выбор технологической схемы очистки осуществляется на основе технико-экономического сравнения по приведенной стоимости на строительство и эксплуатацию сооружений. Расчет конструктивных размеров отдельных сооружений и технологических параметров при этом производится по критериям оптимальности: максимального эффекта очистки либо минимального их объема. Существенным недостатком подхода, описанного в СНиП является то, что он ориентирован на традиционные ручные методы расчета. В связи с этим, при сравнении альтернативных вариантов аппаратурного оформления очистных сооружений по технико-экономическим показателям ограничиваются несколькими вариантами из достаточно большого множества допустимых. При решении задачи размещения объектов очистных сооружений на генплане проектировщики также ограничиваются рассмотрением только нескольких вариантов компоновки.

В современных условиях борьбы за сохранение окружающей среды задачи оптимального проектирования комплексов очистки сточных вод приобретают особую важность. Наиболее сложным вопросом является проектирование очистных сооружений для химических предприятий, характеризующихся многоассортиментными малотоннажными производствами (производства химических красителей и полупродуктов, фармацевтических препаратов, кино- и фотоматериалов и др.). Одним из видов отходов данного класса производств является часть сточных вод, подлежащих биохимической очистке (БХО), с постоянно меняющимися в широком диапазоне характеристиками: расходом, концентрациями по БПК, ХПК, растворенного кислорода, различных соединений азота, фосфора, хрома и т.д.

уравнений связи, представляющих математические модели:

формирования вариантов структурных схем технологических процессов очистки

формирования вариантов аппаратурного оформления технологической схемы очистки

формирования вариантов размещения сооружений очистной станции на генплане промышленной площадки

технологических процессов механической, биохимической очистки сточных вод и обработки осадка

процессов естественного самоочищения воды в природном водоеме (реке) - приемнике очищенных сточных вод

Данная задача (1)-(8) относится к классу комбинаторных задач. При такой постановке ее решение невозможно получить в связи с высокой размерностью пространства переменных состояния природно - промышленной системы, сложностью построения математических моделей распространения примесей в воде и т.д. Поэтому, для практического решения задачи синтеза сооружений биохимической очистки сточных вод заменим ее последовательным рассмотрением четырех подзадач меньшей размерности, имеющих и самостоятельное значение в процессе проектирования:

В случае отсутствия решения на каждом следующем этапе синтеза сооружений БХО сточных вод лицом принимающим решение (ЛПР) выбирается другой "оптимистичный" вариант решения задачи предыдущего этапа. Выбор осуществляется на основе правила, рассмотренного ниже.

Задача выбора структуры технологической схемы. Задача выбора технологической схемы системы очистки из множества вариантов на основании математических критериев оптимальности до настоящего момента решалась редко вследствие сложности накладываемых на систему условий, а также большого количества критериев оценки. Наиболее прогрессивным методом решения этой задачи является применение экспертных систем.

Экспертные системы обладают следующим рядом преимуществ:

- модульностью и простотой, т. е. при изменении или дополнении правил, а также при использовании нового оборудования, эти правила и оборудование вносятся в базу знаний без изменения всей структуры автоматизированного выбора в целом;

- реалистичностью, так как многие математические модели слишком сложны и абстрактны, и не редко вносят в системы ряд упрощений, здесь же используются практические наработки специалистов в данной области.

справедливо следующее:

Используя опыт, накопленный при проектировании процессов очистки сточных вод, в виде базы данных (базы знаний) и задав некоторую цель, например, качество очищенной воды, при помощи механизма принятия решения можно найти сочетание

Таблица 1.

Зависимости концентраций примесей от уровня качества воды

элементарных операций (стадий очистки), обеспечивающих достижение этой цели. Фрагмент примерной базы данных приведен в таблице 2. В базе знаний собраны правила, эмпирические знания и общие данные, которыми обладают специалисты. Правила построены по типу "если:(посылка), то: (заключение)". Комбинируя несколько элементарных операций, обладающих разной эффективностью очистки, формируется целостная система. Прежде всего, выбираются осуществимые варианты структуры системы, используя информацию о качестве воды, поступающей на каждую из элементарных операций, и о сочленяемых операциях. Затем выбирается оптимальная система очистки сточных вод на основе оценок по затратам: капитальным на строительство, эксплуатационным на содержание и на аренду земельного участка.

Структура известных процессов очистки жидкой фазы сточных вод выбрана на основе опыта, накопленного за долгие годы на множестве объектов.

Формирование множества допустимых вариантов технологических схем очистки осуществляется использованием эвристического алгоритма. Сначала выражаем в форме правил связь между элементарными операциями, способными обеспечить намеченные параметры качества воды, связь между качеством поступающей сточной воды и качеством вытекающей воды, связь выбранной элементарной операции с предшествующей ей операцией и другие аналогичные зависимости. Затем записываем намеченные параметры качества воды в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) в качестве цели и в случае соответствия содержимого ОЗУ с посылкой правила используем это правило и переписываем содержимое ОЗУ.

В заключение из всего множества возможных технологических схем выбирается та, для которой критерий достигает минимального значения. Так как размерность множества не превышает , то учитывая быстродействие современных ПЭВМ, решение сводится к последовательному перебору всех вариантов схем.

- множество возможных вариантов синтеза сооружений биохимической очистки сточных вод, ;

- множество возможных вариантов структуры технологической схемы процессов очистки сточных вод;

- множество возможных вариантов аппаратурного оформления технологической схемы очистки;

- множество возможных вариантов размещения сооружений очистной

- приведенные затраты на строительство и эксплуатацию - го варианта сооружений БХО сточных вод;

- величина экономического ущерба, наносимого окружающей среде сбросом очищенных сточных вод в природные водоемы;

- символ вероятности;

- соответственно концентрация -ой примеси природном водоеме - приемнике очищенных сточных вод для - го варианта сооружений, ее предельно допустимое значение и некоторый "запас";

- значения вероятностей, с которыми обеспечивается запас по ;

- количество примесей;

- "запас" при оценке эффекта суммарного воздействия примесей на водные объекты;

- число лимитирующих показателей вредности (ЛПВ);

- число примесей в воде водоема для - го показателя ЛПВ;- соответственно вектор-функции концентраций вредных примесей на входе и выходе станции БХО и их фоновых значений;

- вектор-функция входных потоков сточных вод;

- вектор-функция уровней качества сточных вод;

- множество геометрических и гидрологических характеристик промышленных площадок;

- множество характеристик природного водоема (расход, скорость течения, скорость разложения примесей и др.);

- нелинейные векторные функции (математические модели процессов синтеза сооружений БХО);

- количество стадий процесса очистки сточных от примесей солей азота и фосфора;

- соответственно начальный, конечный и требуемый уровень качества воды;

- множество элементарных операций очистки сточных от примесей солей азота и фосфора;

- комбинация, состоящая из элементарных - тых операций, при которой критерий оптимальности достигает минимального значения, ;

- соответственно нелинейные функции затрат (капитальных, эксплуатационных и за аренду земли) для - ой стадии очистки;

- число стадий для - ой комбинации стадий очистки;

- соответственно множества вариантов аппаратурного оформления для стадий механической, биологической очистки и обработки осадка;

- соответственно множества типов оборудования для выбранных стадий механической, биологической очистки и обработки осадка;

- соответственно множества геометрическим характеристик оборудования (габаритные размеры сооружения (такие как длина, ширина, диаметр и т. д.), а также основные размеры его элементов (распределительная камера, днище, илораспределители и т. д.)), взятые из электронного справочника;

- соответственно количество оборудования на каждой стадии;

- соответственно векторы требуемых и фактических характеристик (концентрации примесей, влажность осадка и др.) для каждой стадии очистки;

Задача размещения сооружений БХО на генплане. На следующем этапе синтеза станции БХО сточных вод осуществляется размещение выбранных сооружений. Современная система очистных сооружений представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных объектов основного и вспомогательного назначения. Можно выделить следующие функциональные группы объектов: производственные, транспортно-складские, подсобные объекты инженерного обеспечения и ремонтной службы. Автоматизированное формирование генерального плана системы очистки представляет собой сложную задачу размещения зданий и сооружений различных функциональных групп с учетом укрупненных технологических, инженерных и транспортных коммуникаций и природно-климатических характеристик территориального района. Эффективность решения такой задачи зависит от большого числа факторов, значительная часть которых трудно формализуема. Качество решения задачи, с точки зрения проектировщика, зависит от: числа размещаемых объектов и их габаритов; количества минимальных и максимальных разрывов между объектами, подлежащих обязательному соблюдению; заполненности территории объектами других производств; конфигурации существующих на строительной площадке магистралей и т. п. Если решение задачи осуществляется для площадки с уже размещенными объектами (например, когда существуют производственные мощности, но они не справляются с возросшей производительностью и в старую технологическую схему добавляется новые модули), то актуальным становится вопрос о делении или блокировке объектов. В этом случае может возникнуть необходимость в разрыве технологической схемы и, как следствие этого, изменении его аппаратурного оформления.

Исходя из этого, предлагается следующая постановка задачи: необходимо найти координаты объектов для области и их ориентацию в пространстве, координаты элементарных и групповых трасс коммуникаций, для которых критерий достигает минимального значения:

Сущность алгоритма решения задачи (14) - (19) сводится к следующему. Из множества размещаемых объектов выделяются группы, относящиеся к отдельным производственным комплексам (например, механической очистки и т.п.). Очередность размещения комплексов определяется из следующих соображений: комплекс, занимающий большую площадь с учетом величин технических разрывов между объектами, имеет более высокий приоритет при размещении. В случае если два или несколько комплексов при плотном размещении занимают одинаковую площадь, более высокий приоритет при размещении имеет комплекс с большей удельной стоимостью коммуникаций, с внешними источниками энергии или транспортными коммуникациями (точками подвода коммуникаций к границе области размещения). Для выбранного производственного комплекса определяется квартал (несколько кварталов, если комплекс занимает большую площадь) на территории которого он будет размещен. Критерием оценки выбора квартала является стоимость оптимальных инженерных и транспортных трасс коммуникаций от границы квартала до внешних источников энергии и транспортных коммуникаций, то есть внешних коммуникаций для рассматриваемого комплекса, исходя из допущений, принятых при описании модели. Поиск оптимального квартала осуществляется методом координатной релаксации.

- заданная область, в которой необходимо разместить соединенных определенным образом объектов, с размерами ;

- значения координат центров размещаемых объектов;

- соответственно стоимости аренды территории, занятой под объекты и коммуникации, а также стоимость самих коммуникаций и удорожание (удешевление) стоимости объектов от деления их на части (блокировки с другими объектами);

- соответственно характеристики (- ой одиночной и -ой групповой) трасс коммуникаций;

- соответственно число групповых и одиночных трасс;

- стоимость аренды единицы площади территории, занятой под - ый объект;

- соответственно число кварталов, по территории которых проходят групповые и одиночные трассы;

- соответственно стоимости аренды единицы площади, занятой под групповые и одиночные трассы;

- число всех коммуникаций;

- длина и стоимость единицы длины - ой коммуникации;