申请日2009.08.27
公开(公告)日2011.03.30
IPC分类号C02F3/12; C02F3/28; G06F17/30; G06N5/00
摘要
本发明涉及一种活性污泥工艺污水处理过程污泥膨胀预测方法，包括：建立污泥膨胀征兆数据库;通过专家知识对关键离线数据进行分析，对当前工况进行简单分类;针对不同工况进行相应的处理;所述建立污泥膨胀征兆数据库包括收集初始数据集：通过自控系统记录存储的过程历史数据获得污泥膨胀征兆数据库的初始数据集;确定数据库结构-污泥膨胀征兆属性：通过掌握的专家知识对污水处理过程数据进行分析，能够动态反映污泥膨胀征兆信息的在线过程数据作为污泥膨胀征兆属性。本发明方法结合专家知识和数据驱动方法，综合分析定性与定量数据，离线与在线数据，准确预测污泥膨胀，减少污泥膨胀发生频率，保证污水处理系统的安全稳定运行，降低系统维护费用。
权利要求书
1.一种活性污泥工艺污水处理过程污泥膨胀预测方法，其特征在于包括以下步骤：
建立污泥膨胀征兆数据库;
通过专家知识对关键离线数据进行分析，对当前工况进行简单分类;
针对不同工况进行相应的处理。
2.按权利要求1所述的活性污泥工艺污水处理过程污泥膨胀预测方法，其特征在于：所述建立污泥膨胀征兆数据库包括：
收集初始数据集：通过自控系统记录存储的过程历史数据获得污泥膨胀征兆数据库的初始数据集，污泥膨胀已经发生或即将发生前一段时间的历史数据作为初始数据集;
确定数据库结构-污泥膨胀征兆属性：通过掌握的专家知识对污水处理过程数据进行分析，其中能够动态反映污泥膨胀征兆信息的以下在线过程数据作为污泥膨胀征兆属性，包括可以反映了微生物的数量、监测丝状菌和非丝状菌的数量和繁殖速度的污泥浓度;表征出水水质情况和处理效率，间接反映微生物的生长状态和污水净化效率的出水化学需氧量;污泥膨胀的诱发因素即溶解氧浓度、入水负荷比、入水流量、入水化学需氧量浓度和pH值;影响微生物生长速率的温度。
3.按权利要求1所述的活性污泥工艺污水处理过程污泥膨胀预测方法，其特征在于：所述关键离线数据包括定性数据和定量化验数据中的污泥沉降指数，其中定性数据包括通过显微镜观测到的丝状菌数量的多或少、肉眼观测到的污泥结构松散或密实以及泡沫数量的多或少。
4.按权利要求1所述的活性污泥工艺污水处理过程污泥膨胀预测方法，其特征在于：所述通过专家知识对关键离线数据进行分析，对当前工况进行简单分类包括以下几类：
按照污泥膨胀发生可能性的大小将当前工况分为：无污泥膨胀可能、很可能污泥膨胀和不确定三类，其中无污泥膨胀可能是指污泥沉降指数小于100mg/L、污泥结构密实或者丝状菌数量少并且泡沫数量少;很可能污泥膨胀是指污泥沉降指数大于130mg/L、污泥结构松散或者丝状菌数量多并且泡沫数量多;不确定是指无污泥膨胀可能和很可能污泥膨胀以外的工况。
5.按权利要求1所述的活性污泥工艺污水处理过程污泥膨胀预测方法，其特征在于：所述针对不同工况进行相应的处理包括：
(a)当前工况为“很可能污泥膨胀”时，转入数据库维护模块，当数据库未记录相似的征兆信息时，将当前的污泥膨胀征兆信息录入数据库;
(b)当前工况为“无污泥膨胀可能”时，预测4-6小时内不会出现明显的污泥膨胀征兆;
(c)当前工况为“不确定”时，对污泥膨胀征兆数据库进行征兆匹配和检索，判断是否有污泥膨胀发生可能。
6.按权利要求5所述的活性污泥工艺污水处理过程污泥膨胀预测方法，其特征在于：所述数据库维护包括：当出现“很可能污泥膨胀”工况时，计算当前污泥膨胀征兆相似度，判断污泥膨胀征兆数据库中是否已记录当前的污泥膨胀征兆，采用最近相邻定义相似度函数，用来表征污泥膨胀征兆的相似程度。
7.按权利要求6所述的活性污泥工艺污水处理过程污泥膨胀预测方法，其特征在于：所述相似度函数为：
式中ωj为第i项征兆属性的加权系数，R为当前污泥膨胀征兆，Ri为污泥膨胀征兆数据库中的第i条征兆记录，simj为污泥膨胀征兆R与Ri的第j个属性的相似度，SIMi为当前征兆R与数据库第i条征兆Ri的相似度;m为污泥膨胀征兆的属性数量;
式(1)中，设当前的污泥膨胀征兆为R，征兆数据库共有n条记录，分别记为R1，R2，...，Rn，则当前征兆R和数据库第i条征兆R分别为：
R={r1，r2，…，rm} (1)
Ri={ri，1，ri，2，…，ri，m} (2)
式中m表示污泥膨胀征兆属性个数，r表示征兆属性值，i=1，2，...，n;
相似度函数式(1)中，污泥膨胀征兆R与Ri的第j个属性的相似度为：
其中j=1，2，...，m。
8.按权利要求6所述的活性污泥工艺污水处理过程污泥膨胀预测方法，其特征在于：判断污泥膨胀征兆数据库中是否已记录当前的污泥膨胀征兆采用以下步骤：
当当前当前污泥膨胀征兆与污泥膨胀征兆数据库记录的最大相似度大于等于相似度函数阈值即SIMmax≥thread时，说明污泥膨胀征兆数据库中已储存了与当前征兆相似的信息，不需要再存储当前征兆;
当当前当前污泥膨胀征兆与污泥膨胀征兆数据库记录的最大相似度小于相似度函数阈值即SIMmax 9.按权利要求5所述的活性污泥工艺污水处理过程污泥膨胀预测方法，其特征在于：当前工况为“不确定”时，对污泥膨胀征兆数据库进行征兆匹配和检索，判断是否有污泥膨胀发生可能包括以下步骤： 当出现“不确定”工况时，采用最近相邻策略进行征兆的匹配和检索，当前征兆R与征兆数据库第i条征兆Ri的距离为： 式中ωj为第i项征兆属性的加权系数，R为当前污泥膨胀征兆，Ri为污泥膨胀征兆数据库中的第i条征兆记录，simj为污泥膨胀征兆R与Ri的第j个属性的相似度，SIM(R，Ri)为当前征兆R与数据库第i条征兆Ri的相似度;m为污泥膨胀征兆的属性数量; 式(5)中，设当前的污泥膨胀征兆为R，征兆数据库共有n条记录，分别记为R1，R2，...，Rn，则当前征兆R和数据库第i条征兆R分别为： R={r1，r2，…，rm} (1) Ri={ri，1，ri，2，…，ri，m} (2) 式中r表示征兆属性值，i=1，2，...，n; 相似度函数式(5)中，污泥膨胀征兆R与Ri的第j个属性的相似度为： 当distance(R，Ri)小于相应阈值时，则认为Ri即为当前征兆的匹配征兆;当持续一段时间内都能找到匹配征兆时，预测污泥膨胀即将发生。 说明书 活性污泥工艺污水处理过程污泥膨胀预测方法 技术领域 本发明涉及一种污水处理技术，具体的说是一种活性污泥工艺污水处理过程污泥膨胀预测方法 背景技术 随着城市化进程的不断加快和工业的飞速发展，我国城市污水和工业污水的排放量逐年增加，水污染防治形势异常严峻。污水处理厂作为水污染防治体系的核心，扮演着十分重要的角色。减少污水处理厂异常工况特别是严重异常工况的发生，保证其可靠稳定的运行，对资源可持续利用以及环境保护都有着重要意义。 污泥膨胀是活性污泥工艺污水处理厂面临的最严重异常工况之一，被称为“活性污泥工艺的癌症”。活性污泥工艺是目前应用最为广泛的污水处理工艺，我国约96%的城市污水处理厂和大部分的工业污水处理厂均采用活性污泥工艺，该工艺通过微生物(活性污泥)氧化分解污水中的有机物，从而使污水得到净化。该工艺自问世以来，污泥膨胀就一直是制约其发展的最大难题，严重影响着污水处理厂的正常运行。 污泥膨胀危害严重且发生频繁，由此每年造成的损失是惊人的。污泥膨胀一旦发生，将直接导致污泥沉降性能迅速恶化，污水固液分离效果差，污泥易随出水流失，严重影响出水水质，从而破坏污水处理工艺的正常运行。 图1(a)、1(b)给出了某城市污水处理厂正常状态与污泥膨胀时的活性污泥对比情况。污泥膨胀主要是由丝状菌的过度繁殖引起的，其基本特征是污泥沉淀性能恶化，具体表现为丝状菌数量多、污泥结构松散不密实、泡沫多。 污泥膨胀有三个显著特点： (1)发生率极高。欧洲各国约有50%，美国约有60%的污水处理厂每年都发生污泥膨胀，我国情况更加严重，几乎所有的污水处理厂都存在不同程度的污泥膨胀问题。 (2)发生普遍。在各种类型的活性污泥工艺如A/O工艺、SBR工艺以及氧化沟等工艺中都存在污泥膨胀问题。 (3)危害严重，难于控制。污泥膨胀发生一般只要2-3天，而恢复正常却要3倍泥龄以上的时间(10-30天)，它不仅使污泥流失，出水超标，而且还大大降低处理能力，甚至导致整个工艺过程的失败。 我国污水处理行业有着自己的国情和特点，使得国内污水处理厂污泥膨胀的现象更加严重。这些特点主要包括： (1)国内城市管网建设大都采用雨污合流制，入水成分比较复杂，入水负荷波动频繁且波动幅度大; (2)部分企业经常将不达标的工业污水直接排放，这在一定程度上都增加了污泥膨胀发生的可能性。 (3)由于资金缺乏，国内污水处理厂的仪表配置比较少，检测能力比较弱，许多关键水质参数不能在线测量，加大了污泥膨胀的预测难度。 由于我国缺少对污泥膨胀的研究与实践，所以污泥膨胀预测研究与应用的需求尤为迫切。 发明内容 针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种反应迅速、行之有效的活性污泥工艺污水处理过程污泥膨胀预测方法。 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是： 本发明一种活性污泥工艺污水处理过程污泥膨胀预测方法包括以下步骤： 建立污泥膨胀征兆数据库; 通过专家知识对关键离线数据进行分析，对当前工况进行简单分类; 针对不同工况进行相应的处理。 所述建立污泥膨胀征兆数据库包括： 收集初始数据集：通过自控系统记录存储的过程历史数据获得污泥膨胀征兆数据库的初始数据集，污泥膨胀已经发生或即将发生前一段时间的历史数据作为初始数据集; 确定数据库结构-污泥膨胀征兆属性：通过掌握的专家知识对污水处理过程数据进行分析，其中能够动态反映污泥膨胀征兆信息的以下在线过程数据作为污泥膨胀征兆属性，包括可以反映了微生物的数量、监测丝状菌和非丝状菌的数量和繁殖速度的污泥浓度;表征出水水质情况和处理效率，间接反映微生物的生长状态和污水净化效率的出水化学需氧量;污泥膨胀的诱发因素即溶解氧浓度、入水负荷比、入水流量、入水化学需氧量浓度和pH值;影响微生物生长速率的温度。 所述关键离线数据包括定性数据和定量化验数据中的污泥沉降指数，其中定性数据包括通过显微镜观测到的丝状菌数量的多或少、肉眼观测到的污泥结构松散或密实以及泡沫数量的多或少。 所述通过专家知识对关键离线数据进行分析，对当前工况进行简单分类包括以下几类： 按照污泥膨胀发生可能性的大小将当前工况分为：无污泥膨胀可能、很可能污泥膨胀和不确定三类，其中无污泥膨胀可能是指污泥沉降指数小于100mg/L、污泥结构密实或者丝状菌数量少并且泡沫数量少;很可能污泥膨胀是指污泥沉降指数大于130mg/L、污泥结构松散或者丝状菌数量多并且泡沫数量多;不确定是指无污泥膨胀可能和很可能污泥膨胀以外的工况。 所述针对不同工况进行相应的处理包括： (a)当前工况为“很可能污泥膨胀”时，转入数据库维护模块，当数据库未记录相似的征兆信息时，将当前的污泥膨胀征兆信息录入数据库; (b)当前工况为“无污泥膨胀可能”时，预测4-6小时内不会出现明显的污泥膨胀征兆; (c)当前工况为“不确定”时，对污泥膨胀征兆数据库进行征兆匹配和检索，判断是否有污泥膨胀发生可能。 所述数据库维护包括：当出现“很可能污泥膨胀”工况时，计算当前污泥膨胀征兆相似度，判断污泥膨胀征兆数据库中是否已记录当前的污泥膨胀征兆，采用最近相邻定义相似度函数，用来表征污泥膨胀征兆的相似程度。 所述相似度函数为： 式中ωj为第i项征兆属性的加权系数，R为当前污泥膨胀征兆，Ri为污泥膨胀征兆数据库中的第i条征兆记录，simj为污泥膨胀征兆R与Ri的第j个属性的相似度，SIMi为当前征兆R与数据库第i条征兆Ri的相似度;m为污泥膨胀征兆的属性数量; 式(1)中，设当前的污泥膨胀征兆为R，征兆数据库共有n条记录，分别记为R1，R2，...，Rn，则当前征兆R和数据库第i条征兆R分别为： R={r1，r2，…，rm} (1) Ri={ri，1，ri，2，…，ri，m} (2) 式中m表示污泥膨胀征兆属性个数，r表示征兆属性值，i=1，2，...，n; 相似度函数式(1)中，污泥膨胀征兆R与Ri的第j个属性的相似度为： 其中j=1，2，...，m。 判断污泥膨胀征兆数据库中是否已记录当前的污泥膨胀征兆采用以下步骤： 当当前当前污泥膨胀征兆与污泥膨胀征兆数据库记录的最大相似度大于等于相似度函数阈值即SIMmax≥thread时，说明污泥膨胀征兆数据库中已储存了与当前征兆相似的信息，不需要再存储当前征兆; 当当前当前污泥膨胀征兆与污泥膨胀征兆数据库记录的最大相似度小于相似度函数阈值即SIMmax 当前工况为“不确定”时，对污泥膨胀征兆数据库进行征兆匹配和检索，判断是否有污泥膨胀发生可能包括以下步骤： 当出现“不确定”工况时，采用最近相邻策略进行征兆的匹配和检索，当前征兆R与征兆数据库第i条征兆Ri的距离为： 式中ωj为第i项征兆属性的加权系数，R为当前污泥膨胀征兆，Ri为污泥膨胀征兆数据库中的第i条征兆记录，simj为污泥膨胀征兆R与Ri的第j个属性的相似度，SIM(R，Ri)为当前征兆R与数据库第i条征兆Ri的相似度;m为污泥膨胀征兆的属性数量; 式(5)中，设当前的污泥膨胀征兆为R，征兆数据库共有n条记录，分别记为R1，R2，...，Rn，则当前征兆R和数据库第i条征兆R分别为： R={r1，r2，…，rm} (1) Ri={ri，1，ri，2，…，ri，m} (2) 式中r表示征兆属性值，i=1，2，...，n; 相似度函数式(5)中，污泥膨胀征兆R与Ri的第j个属性的相似度为： 当distance(R，Ri)小于相应阈值时，则认为Ri即为当前征兆的匹配征兆;当持续一段时间内都能找到匹配征兆时，预测污泥膨胀即将发生。 本发明具有以下有益效果及优点： 1.预测准确率高。本发明方法结合专家知识和数据驱动方法，综合分析定性与定量数据，离线与在线数据，准确识别污泥膨胀征兆，预测污泥膨胀。 2.减少污泥膨胀发生频率，保证污水处理系统的安全稳定运行，降低系统在异常工况时的维护费用。