/o流程出水總磷智能檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于污水處理水質(zhì)參數(shù)在線檢測(cè)領(lǐng)域，在污水處理廠真實(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ) 上，通過(guò)搭建出水總磷智能檢測(cè)方法，首次提出5類與出水總磷有密切相關(guān)性的過(guò)程變量， 且明確了各變量測(cè)量的具體位置。此外，通過(guò)整合軟硬件環(huán)境、通訊通路、出水總磷智能計(jì) 算模塊嵌入等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了出水總磷的在線智能檢測(cè)與檢測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示。
【背景技術(shù)】
[0002] 上個(gè)世紀(jì)快速的城市化和工業(yè)化進(jìn)程引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源短缺問(wèn)題。其 中淡水資源已成為全球范圍內(nèi)對(duì)環(huán)境與資源關(guān)注的焦點(diǎn)之一。我國(guó)龐大的人口基數(shù)與飛速 的工業(yè)化發(fā)展使得對(duì)淡水資源的需求日益增大，由此引發(fā)的水資源環(huán)境污染問(wèn)題也愈加嚴(yán) 重，逐漸威脅到社會(huì)生活和國(guó)家長(zhǎng)期發(fā)展。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境與資源管理問(wèn)題的重視，污水處 理已經(jīng)成為污水處理及其回收利用的主要手段。近年來(lái)，我國(guó)積極建設(shè)污水處理設(shè)施，快速 推動(dòng)城市與工業(yè)場(chǎng)景的污水處理能力。中國(guó)環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的《2014年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》 顯示，截至2014年底，全國(guó)累計(jì)建成城市污水處理廠6031座，污水處理能力約1.8億立方米/ 日，城市污水處理率達(dá)到90.2 %。
[0003] 長(zhǎng)久以來(lái)，污水中總磷及其有機(jī)物和無(wú)機(jī)物含量一直是影響國(guó)內(nèi)外污水處理廠出 水水質(zhì)的重要因素。富含磷的污水排入江河湖泊中易引起富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題，造成水體動(dòng)植物 生長(zhǎng)失衡，嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境，世界上許多國(guó)家已將出水總磷的濃度作為污水處理廠排放 標(biāo)準(zhǔn)的核心指標(biāo)之一。然而，目前我國(guó)有近50%的城鎮(zhèn)污水處理廠無(wú)法達(dá)到國(guó)家要求的磷 排放標(biāo)準(zhǔn)，這主要是由于出水總磷濃度無(wú)法實(shí)時(shí)獲取，水廠無(wú)法對(duì)處理工藝進(jìn)行及時(shí)的調(diào) 整。目前，污水處理廠主要通過(guò)人工采樣并結(jié)合化學(xué)實(shí)驗(yàn)的手段檢測(cè)出水總磷濃度?；瘜W(xué)方 法雖能保證較高的檢測(cè)精度，但操作繁瑣、耗時(shí)（小時(shí)級(jí)），無(wú)法滿足日益提高的實(shí)時(shí)性要 求，且易造成二次污染。近年來(lái)逐漸興起的在線儀表能夠?qū)崿F(xiàn)水樣的自動(dòng)采集與檢測(cè)，在節(jié) 省時(shí)間（15~30分鐘）的同時(shí)避免了人工操作可能帶來(lái)的偶然誤差，但其仍然采用化學(xué)機(jī)理 測(cè)量，且購(gòu)買(mǎi)與維護(hù)成本十分高昂，多數(shù)大中型水廠無(wú)力承擔(dān)配置足夠規(guī)模的在線儀表。因 此，如何準(zhǔn)確、可靠并且低成本地測(cè)量污水處理過(guò)程中關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)仍是污水處理行業(yè)面 臨的困難之一，研發(fā)更為先進(jìn)的出水總磷檢測(cè)技術(shù)迫在眉睫。
[0004] 根據(jù)我們多年來(lái)的研究與調(diào)查發(fā)現(xiàn)，采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軟測(cè)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)污 水處理過(guò)程中出水總磷準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的檢測(cè)，同時(shí)能大幅節(jié)省污水處理廠成本，但國(guó)內(nèi)外針對(duì) 污水處理過(guò)程中出水總磷的智能檢測(cè)，尚未形成完整的理論體系，基于智能手段的出水總 磷檢測(cè)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外尚屬空白。因此，基于智能方法搭建包括軟、硬件平臺(tái)在內(nèi)的出水總磷 智能檢測(cè)系統(tǒng)，在填補(bǔ)國(guó)內(nèi)外技術(shù)空白與整合污水處理產(chǎn)業(yè)鏈等方面，具有很高的開(kāi)發(fā)及 應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明通過(guò)配置滿足出水總磷實(shí)時(shí)檢測(cè)需求的硬件平臺(tái)，并打通軟硬件之間的通 訊通路，在初步研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步明確了出水總磷的相關(guān)過(guò)程變量及其測(cè)量位置。同 時(shí)，將研究的基于過(guò)程數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的污水處理出水總磷實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)，嵌入至出水總磷智能 檢測(cè)系統(tǒng)，將軟件及硬件系統(tǒng)進(jìn)行融合，完成整套出水總磷智能檢測(cè)系統(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明中出水總磷智能檢測(cè)系統(tǒng)的整體發(fā)明架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)搭建的流程如 下：
[0007] 面對(duì)污水處理廠大數(shù)據(jù)所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，本發(fā)明首次提出污水處理過(guò)程出水總磷特 征建模方法，從污水處理過(guò)程的實(shí)際需求出發(fā)，將復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性通過(guò)主要特征變量表 述，基于污水處理過(guò)程機(jī)理分析和數(shù)據(jù)挖掘，獲得與出水總磷相關(guān)性強(qiáng)的過(guò)程變量，并基于 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)出水總磷的建模。在基于ASM1模型及BSM1模型中關(guān)于總磷形成機(jī)理分析的 基礎(chǔ)上，通過(guò)采集大量實(shí)際污水處理廠數(shù)據(jù)，基于偏最小二乘算法(PLS)，分析總磷相關(guān)的 污水處理過(guò)程變量(PLS算法在考慮如何最大限度地概括輔助變量空間數(shù)據(jù)信息的同時(shí)，也 考慮了輔助變量對(duì)主導(dǎo)變量的解釋作用）?？偭紫嚓P(guān)性污水處理過(guò)程變量分析過(guò)程主要包 括：
[0008] 步驟1:自變量集合為X=[X1，. . .，Χα]，α為可供篩選的輔助變量個(gè)數(shù)，因變量記作 y，并將數(shù)據(jù)做標(biāo)準(zhǔn)化處理。從X，y標(biāo)準(zhǔn)化后的矩陣中分別提取主成分V及U，需要滿足在盡可 能大地?cái)y帶各自數(shù)據(jù)矩陣中信息的同時(shí)，其相關(guān)程度最大。有
[0009] (1)
[0010] (2) 1=?
[0011 ]其中，V與U分別為集合X和y的得分矩陣，Ρ與Q分別為集合X和y的負(fù)荷矩陣，Ε與F分 別為集合X和y的殘差矩陣。i = l，2,…，α，α為可供篩選的輔助變量個(gè)數(shù)。Vi，Pi，ui與qi分別 為V，P，U與Q矩陣中的向量。
[0012]步驟2:主成分的相關(guān)性有，
[0013] Ui = biVi, (3)
[0014] ^=ufVi/vfv;., (4)
[0015] 其中，匕為兩個(gè)主成分之間的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)矩陣記作···>]、為 可供篩選的輔助變量個(gè)數(shù)。
[0016] 步驟3: PLS算法的中止條件記為，
[0017]
(5)
[0018] 其中，bselect為已選取主元個(gè)數(shù)的相關(guān)系數(shù)，Rselect為設(shè)定的已選取主元的有效性。 該有效性可以通過(guò)留一法進(jìn)行確定，Μ · | I為范數(shù)運(yùn)算。在本發(fā)明中，選定Rselect為0.85。
[0019] 搭建硬件平臺(tái)，硬件平臺(tái)主體包括預(yù)處理池、初沉池、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧曝氣區(qū) 與二沉池，并在不同位置安放測(cè)量?jī)x表，采集儀表的組成包括帶溫度計(jì)的pH檢測(cè)儀、0RP檢 測(cè)儀、D0測(cè)量?jī)x、TSS測(cè)量?jī)x、NH4-N及N03-N測(cè)量?jī)x;NH4-N及N03-N只設(shè)置出水端測(cè)量點(diǎn)，測(cè)試 出水溫度T、厭氧區(qū)末端氧化還原電位0RP、好氧區(qū)前端溶解氧D0、好氧區(qū)末端總固體懸浮物 TSS以及出水pH;從污水處理過(guò)程獲取的以上數(shù)據(jù)通過(guò)轉(zhuǎn)換接口存放在儀表中，再通過(guò)儀表 內(nèi)后臺(tái)程序運(yùn)行實(shí)時(shí)調(diào)用存儲(chǔ)數(shù)據(jù);根據(jù)實(shí)時(shí)輸入數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)出水總磷含量。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為出水總磷智能檢測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)圖；
[0021] 圖2為智能檢測(cè)系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建及相關(guān)性變量實(shí)時(shí)性獲取技術(shù)的整體架構(gòu)圖； [0022]圖3為出水總磷TP相關(guān)性變量采集儀連接圖；
[0023]圖4為出水總磷TP軟測(cè)量軟件架構(gòu)；
[0024]圖5為出水總磷智能檢測(cè)系統(tǒng)集成架構(gòu)圖；
[0025]圖6為出水總磷相關(guān)性變量分析結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]在以污水處理廠真實(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行變量篩選時(shí)，利用機(jī)理分析及PLS算法可以 得出，各主要變量與出水總磷相關(guān)性大小如表1所示：
[0027] 表1與出水總磷TP相關(guān)性強(qiáng)的過(guò)程變量
[0028]
[0029]由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境所限，各參數(shù)的測(cè)量點(diǎn)位多出于污水處理工藝與監(jiān)管等需求上的考 慮，且在實(shí)際應(yīng)用時(shí)不需要進(jìn)行很高頻率的測(cè)量，這對(duì)于數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性會(huì)產(chǎn)生影響。此 外，部分參數(shù)(如DO、0RP等)在不同點(diǎn)位的測(cè)量值波動(dòng)較大，測(cè)量點(diǎn)位的不同可能造成參數(shù) 與出水總磷相關(guān)性分析結(jié)果的不同。因此，為進(jìn)一步分析出水總磷相關(guān)性變量，搭建了出水 總磷智能檢測(cè)系統(tǒng)硬件平臺(tái)及相關(guān)性變量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性獲取通路，整體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2所示。 在安裝儀表時(shí)，首先對(duì)表1所包含的參數(shù)進(jìn)行分析:① PH、溫度T在各流程內(nèi)變化差異較小， 只設(shè)置出水端測(cè)量點(diǎn)；②基于前期結(jié)果，NH4-N及N03-N只設(shè)置出水端測(cè)量點(diǎn)，主要目的在于 驗(yàn)證其與出水總磷的關(guān)系是否較弱;③C0D與B0D要想實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，需要配置相關(guān)儀表十 分昂貴，從而會(huì)失去出水總磷軟測(cè)量技術(shù)成本低廉優(yōu)勢(shì)。因此，不對(duì)其進(jìn)行在線檢測(cè);④D0 與0RP在不同點(diǎn)位測(cè)量值波動(dòng)較大，因此，在進(jìn)一步分析中需要分析其在不同點(diǎn)位測(cè)量是否 會(huì)對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生影響。
[0030] 硬件平臺(tái)按照出水總磷智能檢測(cè)系統(tǒng)功能需求及A2/0污水處理流程設(shè)計(jì)。主體包 括預(yù)處理池、初沉池、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好