Dynamics and Control of Wastewater Systems, Second Edition (Water Quality Management Library , Vol 6 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:CRC

作者:Barnett, Michael W.; Stenstrom, Michael K.; Andrews, John F.

出品人:

页数:352

译者:

出版时间:1998-07-20

价格:USD 175.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9781566766722

丛书系列:

图书标签:

• Wastewater treatment
• Wastewater systems
• Environmental engineering
• Water quality management
• Process control
• Dynamics
• Modeling
• Simulation
• Environmental technology
• Civil engineering

水质管理系列（第六卷） 动态与控制：废水处理系统 第二版 引言 水是生命之源，也是社会经济发展不可或缺的资源。随着人口增长、工业化进程加速以及生活水平的提高，全球范围内对水资源的消耗和利用日益加剧，随之而来的是大量工业废水、生活污水以及农业径流的排放，对水环境造成了严重的污染。废水处理作为保护水资源、改善水生态环境的关键环节，其重要性不言而喻。一个高效、稳定、经济的废水处理系统，不仅能有效去除污染物，保障出水水质达标排放，更能促进水资源的循环利用，实现可持续发展。 废水处理系统是一个复杂且动态变化的有机体。其内部的生物、化学和物理过程相互作用，并受到进水水质水量波动、环境因素变化以及操作参数调整等多种因素的影响。理解这些动态过程，掌握系统内部的相互联系与制约，以及如何有效地控制这些过程，是实现废水处理系统优化运行、提高处理效率、降低运行成本的核心所在。 《动态与控制：废水处理系统》第二版，作为“水质管理系列”的第六卷，正是聚焦于这一核心问题。本书旨在为读者提供一个全面、深入的视角，去理解废水处理系统运行背后的科学原理，掌握先进的控制技术，从而能够设计、运行和优化各类废水处理系统。不同于仅仅罗列废水处理工艺的书籍，本书的核心在于“动态”与“控制”，即如何认识和应对系统运行过程中的变化，并利用科学的控制策略来管理这些变化，确保系统始终处于最优工作状态。 本书内容梗概 本版书籍将延续第一版的严谨风格，但将内容进行全面的更新与扩展，以反映近年来废水处理技术和控制理论的最新发展。本书不仅涵盖了传统活性污泥法等主流废水处理工艺的动力学原理，还将深入探讨更先进的工艺，如膜生物反应器（MBR）、厌氧与好氧耦合系统（如UASB与AAO/AO工艺）等，并重点关注这些复杂系统中的动态特性。 第一部分：废水处理系统的动力学基础 本部分将为读者构建理解废水处理系统动态行为的基础。我们将从最基本的概念入手，逐步深入到更复杂的模型。 生物动力学基础： 详细阐述微生物在废水处理过程中的作用，包括底物的降解动力学、微生物的生长、死亡与代谢过程。我们将引入经典的Monod方程等模型，并探讨其在不同污染物降解过程中的适用性与局限性。此外，还将介绍非经典生长模型，以应对更复杂的生物过程，例如内源呼吸、自养微生物等。 化学动力学与物理过程： 除了生物过程，化学反应（如沉淀、氧化还原）和物理过程（如沉降、气浮、过滤）在废水处理中也扮演着重要角色。本部分将介绍相关过程的动力学模型，例如沉淀过程中絮体的形成与沉降速率，以及化学反应的速率方程。 反应器模型： 将已介绍的动力学原理应用于各种典型的废水处理反应器，如间歇式活性污泥法（Batch Reactor）、连续流动搅拌釜反应器（CSTR）、推流反应器（PFR）等。我们将讲解如何建立这些反应器的数学模型，以预测其在不同操作条件下的性能。 传质与传热： 在许多废水处理过程中，氧气或污染物在不同相之间的传质是限制反应速率的关键因素。本部分将详细讨论气液传质、液固传质等模型，并分析它们如何影响整个系统的动力学特性。同时，对于一些需要温度控制的生物过程，传热动力学也同样重要。 系统集成与复杂性： 废水处理系统通常由多个单元串联或并联组成，这些单元之间存在着复杂的相互影响。本部分将探讨如何将各个单元的模型进行集成，形成整个系统的宏观动力学模型，并分析系统的复杂性如何随之增加。 第二部分：废水处理系统的控制理论与实践 在理解了系统的动态特性之后，本部分将重点介绍如何利用控制理论来管理和优化这些系统。 控制目标与性能指标： 首先，我们将明确废水处理系统的主要控制目标，例如出水水质达标、污染物去除率最大化、运行成本最小化、污泥产量最小化等。随后，我们将介绍用于量化这些目标的性能指标，如鲁棒性、稳定性、响应速度等。 经典控制策略： 详细介绍比例-积分-微分（PID）控制器等经典控制算法。我们将分析PID控制器的原理、整定方法及其在废水处理过程中的应用，例如进水流量控制、曝气强度控制、污泥回流比控制等。 先进控制策略： 随着计算能力和理论研究的进步，先进控制策略在废水处理领域的应用日益广泛。本部分将深入探讨的模型预测控制（MPC）、模糊逻辑控制（FLC）、神经网络控制（NNC）等。我们将介绍这些控制方法的原理，分析其优势，并提供具体的应用案例，例如基于MPC的曝气优化控制，以减少能耗；基于FLC的剩余污泥量控制，以降低处理成本。 多变量控制与解耦： 废水处理系统中的许多变量之间存在相互耦合。本部分将介绍如何处理多变量耦合问题，包括模型解耦技术，以及如何设计鲁棒的多变量控制系统，以应对系统参数变化和外部扰动。 状态估测与观测器设计： 在实际运行中，并非所有系统内部状态变量都能直接测量。本部分将介绍如何利用卡尔曼滤波器（Kalman Filter）等状态估测技术，根据可测量的输入和输出信号来估计系统的内部状态。这将为更精确的控制提供基础。 在线优化与自适应控制： 考虑到废水处理系统运行环境的动态变化，在线优化和自适应控制技术显得尤为重要。本部分将介绍如何通过在线测量和计算，实时调整控制参数，使系统始终运行在最优状态。 具体控制应用案例： 本部分将结合前述的控制理论，提供一系列具体的废水处理系统控制应用案例，例如： 曝气控制： 如何根据溶解氧（DO）、氨氮（NH4+-N）等参数，通过先进控制策略优化曝气量，实现节能降耗并保证硝化作用的稳定。 污泥回流控制： 如何通过对MLSS（混合液悬浮固体浓度）和出水SS（悬浮固体）的监测，动态调整污泥回流比，以保证二沉池的出水效果。 剩余污泥排放控制： 如何根据微生物活性和目标MLSS，利用自适应控制策略来控制剩余污泥的排放量，降低运行成本。 进水水量水质波动应对： 如何设计具有鲁棒性的控制系统，有效应对雨季、旱季以及工业企业排放变化等造成的进水水量水质波动。 高级处理过程控制： 对于膜生物反应器（MBR）、厌氧氨氧化（Anammox）等新工艺，将探讨其独特的动力学特性以及相应的控制策略，例如膜通量控制、厌氧反应器内pH和碱度控制等。 第三部分：传感器、监测与数据分析 有效的控制离不开准确可靠的测量数据。本部分将聚焦于废水处理系统中传感器的选择、监测系统的设计以及数据分析的重要性。 关键测量参数与传感器技术： 详细介绍在废水处理系统中需要监测的关键参数，如pH、DO、ORP、COD、BOD、NH4+-N、NO3--N、SS、MLSS、流量、液位等。并重点介绍各种传感器的工作原理、优缺点、适用性以及校准维护要点。 在线监测系统设计： 讨论如何设计集成的在线监测系统，包括传感器布局、数据采集方式、通讯协议等，确保数据的实时性、准确性和可靠性。 数据分析与模式识别： 讲解如何利用统计学方法、数据挖掘技术和机器学习算法来分析大量的监测数据，识别系统运行中的潜在问题，预测设备故障，并发现系统运行的优化规律。 可视化与人机交互： 介绍如何通过图形化界面和仪表盘，将复杂的系统运行数据直观地展示给操作人员，并提供便捷的人机交互接口，方便进行系统监控和参数调整。 第四部分：案例研究与未来展望 为了更好地将理论与实践相结合，本书的最后部分将包含一系列详细的案例研究，涵盖不同类型和规模的废水处理系统。 实际工程案例分析： 选取具有代表性的市政污水处理厂、工业废水处理厂等，深入分析其设计理念、动力学特性、采用的控制策略以及运行效果。通过这些案例，读者可以直观地了解理论知识如何在实际工程中得到应用。 新兴技术与发展趋势： 探讨当前废水处理领域的前沿技术和未来发展方向，例如： 智慧水务与工业4.0在废水处理中的应用： 如基于大数据和人工智能的预测性维护、故障诊断和运行优化。 能源回收与资源化： 如沼气发电、磷回收、氮回收等技术在动力学与控制层面的挑战和机遇。 模块化与集成化设计： 如何通过模块化设计和先进的控制系统，实现更加灵活和高效的废水处理。 环境微生物组的控制： 随着对微生物群落认识的深入，如何通过控制策略影响微生物组，实现更高效的污染物降解。 本书的价值与读者群体 《动态与控制：废水处理系统》第二版不仅是一本技术手册，更是一本指导性的著作。它将帮助读者： 深入理解废水处理系统的内在运行机制： 告别“黑箱”操作，从根本上认识系统为何会发生变化，以及这些变化将带来什么后果。 掌握先进的控制技术： 能够根据实际需求，设计、实施和优化废水处理系统的控制策略，实现更佳的处理效果和经济效益。 提高操作人员的专业技能： 为废水处理厂的操作人员、技术人员提供系统的理论培训和实践指导。 为研究人员提供理论基础和研究方向： 为从事废水处理相关领域研究的学者提供扎实的动力学模型和控制理论框架，并指明未来的研究热点。 本书的内容设计广泛且深入，适合以下读者群体： 环境工程、给排水工程、化学工程等相关专业的本科生和研究生。 在市政和工业废水处理厂工作的工程师、操作人员和管理者。 从事水处理技术研发的科研人员和技术专家。 对水环境治理和可持续发展感兴趣的专业人士。 总而言之，《动态与控制：废水处理系统》第二版将是一本不可或缺的参考书籍，它将为推动废水处理技术的进步，实现更清洁、更健康的水环境做出重要贡献。本书力求以清晰的逻辑、严谨的科学态度和丰富的实践案例，带领读者走进废水处理系统动力学与控制的精彩世界，掌握驾驭复杂水处理过程的关键技能。

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这本书的排版和图文结合的方式，给我的阅读体验带来了极大的舒适感。我尤其欣赏那些复杂的流程图和系统架构图的绘制质量，它们清晰地勾勒出了废水处理过程中各个单元之间的耦合关系和信息流动的路径。对我而言，理解一个复杂的动态系统，图胜于言是至关重要的。在一些关于高级过程控制的章节中，作者似乎非常注重建立直观的物理意义与抽象的数学描述之间的桥梁。例如，他对活性污泥系统（Activated Sludge System）的非线性特性进行描述时，没有过多地纠缠于繁琐的数学推导细节，而是侧重于解释为什么这些非线性会影响到控制器的设计，以及如何通过合适的模型简化或非线性补偿来应对。这种务实的教学风格，非常适合那些希望快速掌握核心概念并将其应用于实际工作中的专业人士。它仿佛在告诉我：“是的，理论很复杂，但我们有办法把它变得可操作。” 这种注重应用层面的平衡处理，让整本书的阅读节奏保持得相当流畅，不会因为突然出现的深奥理论而让人感到气馁。

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这本书的结构安排非常具有逻辑性，从基础的物料平衡和能量守恒原理出发，逐步引入了复杂的动力学建模，最后落脚于控制策略的实施与验证。我注意到它在介绍不同控制方法时，似乎采取了一种对比和递进的方式。例如，在讨论先进控制技术时，它可能不仅会介绍LQR（线性二次调节器），还会对比MPC的优势，并明确指出在废水这种慢动态系统中，MPC如何更好地处理延迟和约束条件。这种比较性的分析，极大地提升了读者对不同控制工具适用场景的判断力。对于一个希望系统性提升自己系统控制知识背景的读者来说，这本书提供了一个非常坚实的技术路线图。它引导你思考，在当前的水处理技术背景下，哪种控制方法是最经济、最可靠的。这种对技术选择的审慎态度，体现了作者深厚的行业经验，而不是简单地罗列各种控制理论的数学公式。

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整体而言，这本书散发出的“厚重感”是显而易见的，它不仅仅是知识的堆砌，更像是作者多年工程实践智慧的结晶。我特别欣赏它对不确定性和模型误差的坦诚讨论。在实际的废水处理中，模型永远是现实的简化，而这本书似乎并未回避这一点，反而将如何管理和补偿这些不确定性视为控制设计中不可或缺的一部分。这种对工程现实的尊重，使得书中的内容更具可信度和实用价值。它不是那种追求完美数学模型的理论推演，而是务实地告诉你：你的模型总会出错，但你的控制系统必须健壮。这种对鲁棒性和适应性的强调，是衡量一本优秀工程控制著作的重要标准。它为读者构建了一个清晰的认知框架：理解系统，建立模型，设计控制，并持续监控其性能，形成一个完整的闭环管理体系，这也是现代水务运营的核心所在。

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我发现这本书在讨论“控制”的范畴上，远超出了传统的PID循环调节。它似乎更倾向于构建一个全厂范围的、多变量的优化框架。在我快速浏览到的几个章节中，多次提及如何将水质目标、能耗约束以及操作成本等多个相互竞争的指标纳入到一个统一的优化目标函数中进行权衡。这种宏观的系统思维，是很多传统教科书所欠缺的。它强迫读者跳出单一反应池的控制视角，去审视整个水厂作为一个耦合系统的整体表现。例如，关于污泥龄（SRT）和泥龄（HRT）之间相互影响的动态分析，就体现了这种全局观的重要性。虽然我没有深入研究其背后的优化算法，但作者清晰地阐述了在不同的操作模式下，系统对外部干扰（比如进水负荷突变）的响应特性，这对于制定预案和设定报警阈值具有极高的参考价值。这不仅仅是一本关于如何“调高”或“调低”某个参数的书，更像是一本关于如何设计一个能够自我适应环境的“智能水厂大脑”的蓝图。

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初翻开这本书的封面，我就被那种沉稳、专业的视觉感所吸引。尽管我并没有深入研读其中的每一个公式和图表，但仅仅是浏览目录和前言部分，就能感受到作者在处理“废水系统动力学与控制”这个复杂主题时所展现出的系统性和前瞻性。我印象最深的是它对现代水处理厂的运行哲学转变的探讨，不再仅仅满足于达标排放，而是深入到如何通过实时数据反馈和先进控制算法，实现能源效率的最大化和处理过程的鲁棒性。书中的案例分析，虽然我未曾逐一推演，但其引用的实例和背景介绍，都透露出对全球水务行业当前痛点——例如应对气候变化带来的负荷波动和日益严格的排放标准——有着深刻的理解。那种将基础数学模型与实际工程操作紧密结合的意图，在翻阅过程中就清晰可见，让人觉得这本书不是束之高阁的理论之作，而是真正能够指导工程师在复杂工况下做出明智决策的工具书。特别是关于生物反应器状态估计和模型预测控制（MPC）的应用介绍部分，其结构安排和逻辑推进，都体现了作者对如何将前沿控制理论“落地”的独到见解，而非停留在空泛的理论描述。

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