水资源短缺和水污染已成为制约社会发展的世界性问题，多方面进行治理是解决水资源短缺问题的重要方法。随着人口的增加和工业经济的发展，人们对高质量水的需求越来越多，超滤膜技术替代传统预处理方法具有明显的应用优势；另外，超滤在其他水处理方面的应用也愈来愈广。因此，超滤技术在水处理领域有着重要的应用价值。但目前，超滤的技术经济指标和理论值相比，还有一定的差距，其工艺设计和系统操作等仍有很大的待改进空间。随着新工艺的不断出现，需要有新的模型对系统进行描述。膜污染是超滤技术应用时面临的一个关键问题，早期的研究缺乏对膜组件清洗更换问题的全面考虑。鉴于以上原因，本论文从系统工程角度出发，对超滤过程进行分析，采用数学规划方法对超滤水处理系统的优化设计进行研究，得出了系统工艺流程的最优设计结果。主要内容和结论如下：1.超滤水处理过程膜组件选型的研究。基于超滤的基本原理和超滤水处理系统的特征，依据微孔理论建立了超滤系统的单元操作模型，并给出相关的经济模型。考察了一级一段超滤系统工艺流程，将超滤膜分为高通量膜和低通量膜两种类型，在满足过程热力学和处理要求等约束条件下，以年费用最小为目标，将问题表达为一个非线性规划（NLP），运用GAMS软件进行求解。结果表明，当进料液质量浓度高、产水水质要求低时，宜选用高通量膜；当进料液质量浓度低、产水水质要求高时，宜选用低通量膜。2.超滤水处理系统中膜污染是应用中遇到的一个难题，对膜组件进行清洗是防治超滤膜污染的关键措施。本文对一级一段超滤水处理系统中膜组件的化学清洗问题进行了研究。改进了膜污染模型，同时根据膜组件的分离性能给出清洗依据，规划期为两年，一个月为一个时段，以规划期内总的操作费用最小为目标，将膜组件的化学清洗时机表达为一个混合整数非线性规划（MINLP）问题，通过求解优化获得了规划期内膜组件的最佳清洗时机。实例结果表明，提出的超滤膜组件的化学清洗策略和求解方法是可行的，与实际生产中膜组件的清洗操作相一致。3.考虑膜组件的更换问题，进一步对超滤水处理系统的优化设计进行了研究。以两年为规划期，一个月为一个时段，同时考虑两年规划期内超滤膜组件的清洗和更换情况，给出了清洗更换依据，以规划期内年总费用最小为目标，将超滤系统的优化设计表达为一个混合整数非线性规划（MINLP）问题。提出了超滤水处理系统优化设计的步骤：①给出超滤过程单元数学模型，以此模拟超滤过程；②用单元数学模型建立不同的系统模型；③给出膜组件的污染模型，确定膜组件的清洗更换依据，给出规划期内超滤膜组件的最佳清洗更换时机；④给出设备经济模型，将系统费用和设计变量关联；⑤以前四步为基础，用数学规划的方法对超滤水处理系统进行设计。算例结果表明，吨水费用均低于实际应用中的费用，说明本文提出的优化设计方法是可行的。