申请日2018.10.19
公开(公告)日2019.01.18
IPC分类号C02F1/52; C02F1/46; C02F101/20
摘要
本发明提供一种用于重金属废水处理过程的多工况协调优化方法，该方法基于局部LSSVR建立废水处理过程模型;联立电能消耗模型，构建重金属废水处理过程多工况协调优化模型;采用NSGA‑Ⅱ算法对上述模型进行求解，得到不同工况下絮凝剂添加量和电流密度的最优设定值。本发明提供的多工况协调优化方法在保证出口废水重金属离子浓度达标的条件下，能够减少絮凝药剂的添加量和电量的消耗，实现重金属废水处理过程的优化运行。
权利要求书
1.一种用于重金属废水处理过程多工况协调优化方法，其特征在于：所述重金属废水处理过程为将化学絮凝与电化学处理结合的处理过程;所述多工况协调优化方法包括下述步骤：
步骤1：针对废水处理过程非线性、多工况的特点，用FCM算法对历史数据进行模糊分类;针对各工况，基于LSSVR方法建立反映污水处理过程入口重金属离子浓度、出口重金属离子浓度、入口流量、药剂添加量和电流密度之间关系的过程模型，并根据当前工况与各工况的匹配程度，采用加权求和多模型合成机制得到：
Cout,m=fm(Cin,m,Cc,n,Q,i) (1)
其中，m=1,2,3,4，分别指代与Pb，Cd，As和Ni相对应的量;Cout,m表示出口处m物质的浓度值,mg/L;Cin,m表示入口处m物质的浓度值,mg/L;fm为基于LSSVR建立的重金属废水处理过程模型;n=1,2,3,4分别指代与絮凝沉淀池添加的药剂NaClO、NaOH、FeSO4、PAM相对应的量,Cc,n表示添加的n药剂的质量,Kg;Q为入口流量,m3;i为电流密度,A/m2;
步骤2：建立电化学处理废水过程中的电能消耗模型为：
其中,Ce为电能消耗量，Kw/h;N为电解槽数;B为阴极板数;S为每块阴极板的截面积;V为槽电压,V;t为电解时间,h;
步骤3：根据入口参数，建立如下废水处理过程的协调优化模型，使得在出口重金属离子浓度满足预设阀值的情况下电能消耗和药剂消耗产生的总成本最小，其中所述入口参数包括Pb，Cd，As和Ni的入口浓度和入口流量。
其中,ωc,n为权重值，n=1,2,3,4表示与药剂NaClO、NaOH、FeSO4、PAM相对应的权值，ω5表示与电耗相对应的权值;根据不同工况对污水处理过程有不同的预期目标，取不同权值;Cmax,m为出口处m物质的排放指标值;
步骤4：对步骤3中的重金属废水处理过程优化模型采用NSGA-Ⅱ算法求解，从而得到在出口重金属离子浓度满足预设阀值的情况下电能消耗和药剂消耗产生的成本最小下的理想电流密度值和加药量。
2.根据权利要求1所述中用于重金属废水处理过程多工况协调优化方法,其特征在于,步骤1所述中多模型在线建模方案中由工况识别机制计算输入向量xi属于第j工况的隶属度uij，作为局部模型输出的权值，表征当前工况与各工况匹配的程度。
其中，xi为第i个输入向量;uij为输入xi属于第j工况的隶属度;m为模糊权重指数;vj为第j类的聚类中心。
3.根据权利要求1所述中用于重金属废水处理过程多工况协调优化方法,其特征在于,步骤1所述中多模型在线建模方案中利用隶属度函数，迭代算法将有限的数据集分别聚类的方法;FCM用值在(0，1)间的随机数初始化隶属矩阵uij，使其满足的约束条件，给定类别数c,模糊权重指数m;用式(4)计算c个聚类中心，即初始聚类中心vj;计算模糊聚类目标函数值，如果小于某一确定阈值，或者它相对上一次的价值函数值的改变量小于某一阈值，则算法停止;用式(5)更新隶属度矩阵uij，重复以上步骤。
4.根据权利要求1所述中用于重金属废水处理过程多工况协调优化方法,其特征在于,步骤1所述中多模型在线建模方案中利用LSSVR建立变量与出口重金属离子浓度的蕴含关系，建立絮凝处理过程模型。本发明采用常用的Gaussian核：K(xi,xt)=exp((-||xi-xt||2)/σ2)，xi为当前测量输入;xt为历史数据库中的第t个数据点;参数σ为核宽度。
5.根据权利要求1所述中用于重金属废水处理过程多工况协调优化方法,其特征在于,步骤1所述中多模型在线建模方案中多模型合成机制采用加权求和方法。
其中，为加权求和以后的模型输出;为局部模型输出，式子中局部模型输出对应的权值表示当前工况与各工况匹配的程度,数值上采用输入xi属于各工况的隶属度uij。
说明书
一种用于重金属废水处理过程的多工况协调优化方法
技术领域
本发明具体涉及一种用于重金属废水处理过程的多工况协调优化方法。
背景技术
重金属废水是对环境污染最严重和对人类危害最大的工业废水。随着污水处理负荷的不断增加以及出水排放指标的日益严格,实施工艺指标的操作优化对于保证污水处理出水水质指标、降低成本具有重要意义。
絮凝—电化学技术是实现重金属废水深度净化的有效途径之一。该技术用电化学技术对经传统絮凝沉淀过程处理后的废水进行深度处理，可以减少药剂的消耗，与单一的电絮凝处理废水相比，又可以节约电能。但现有技术的絮凝—电化学技术存在如下缺陷：絮凝沉淀过程药剂添加主要依赖于工艺人员的经验进行控制，主观盲目性大、生产过程波动大;由于工业过程工况的频繁波动和外部干扰，现场操作人员无法及时且精确的给出最优的电流密度设定值，整流器在调试完毕后以一个固定不变的较大功率值运行,导致能耗和极板消耗都较高。当絮凝过程对废水的处理效果不足时，为了保证出口废水符合排放标准，应当调整电流密度值，增强电化学反应效果，但盲目增大电流密度又会产生昂贵的电耗;一味降低电耗而削弱电化学的作用效果会导致电化学设备不能发挥最大的利用价值。因此，本发明提出一种用于重金属废水处理过程多工况协调优化方法，在保证重金属离子深度去除的前提下，拟寻求两种技术结合能达到最理想效果时电化学处理过程的电流密度设定值和化学絮凝过程的加药量设定值。
发明内容
针对实际应用过程中的问题，在保证检测指标合格的情况下,本发明提供一种用于重金属废水处理过程的去除率协调优化方法，以解决现有金属废水处理过程无法根据工况波动及时并精准地对药剂添加量和电流密度设定进行协调调整的技术问题。
本发明一种用于重金属废水处理过程的多工况协调优化方法，所述重金属废水处理过程为将絮凝-电化学技术处理过程;所述多工况协调优化方法包括下述步骤：
步骤1：针对废水处理过程非线性、多工况的特点，用FCM算法对历史数据进行模糊分类。针对各工况，基于LSSVR方法建立反映污水处理过程入口重金属离子浓度、出口重金属离子浓度、入口流量、药剂添加量和电流密度之间关系的过程模型，并根据当前工况与各工况的匹配程度，采用加权求和多模型合成机制得到：
Cout,m=fm(Cin,m,Cc,n,Q,i) (1)
其中，m=1,2,3,4，分别指代与Pb，Cd，As和Ni相对应的量;Cout,m表示出口处m物质的浓度值，mg/L;Cin,m表示入口处m物质的浓度值，mg/L;fm为基于LSSVR建立的重金属废水处理过程模型;n=1,2,3,4分别指代与絮凝沉淀池添加的药剂NaClO、NaOH、FeSO4、PAM相对应的量,Cc,n表示添加的n药剂的质量,Kg;Q为入口流量m3;i为电流密度A/m2;
步骤2：建立电化学处理废水过程中的电能消耗模型为：
其中,Ce为电能消耗量,Kw/h;N为电解槽数;B为阴极板数;S为每块阴极板的截面积，m2;V为槽电压,V;t为电解时间，h;
步骤3：根据入口参数(Pb，Cd，As和Ni的入口浓度和入口流量)，建立如下废水处理过程的协调优化模型，使得在出口重金属离子浓度满足预设阀值的情况下电能消耗和药剂消耗产生的总成本最小：
其中,ωc,n为权重值,其大小根据市场价格确定，n=1,2,3,4表示与药剂NaClO、NaOH、FeSO4、PAM相对应的权值，ω5表示与电耗相对应的权值;根据不同工况对污水处理过程有不同的预期目标，取不同权值;Cmax,m为出口处m物质的排放指标值;
步骤4：对步骤3中的重金属废水处理过程优化模型采用NSGA-Ⅱ算法求解，从而得到在出口重金属离子浓度满足预设阀值的情况下电能消耗和药剂消耗产生的成本最小下的理想电流密度值和加药量。
本发明中，步骤1所述中多模型在线建模方案中由工况识别机制计算输入xi属于第j工况的隶属度uij，作为局部模型输出的权值，表征当前工况与各工况匹配的程度。
其中，xi为第i个输入向量;uij为输入xi属于第j工况的隶属度;m为模糊权重指数;vj为第j类的聚类中心。
本发明中，步骤1所述中多模型在线建模方案中利用隶属度函数，迭代算法将有限的数据集分别聚类的方法。FCM用值在(0，1)间的随机数初始化隶属矩阵uij，使其满足
的约束条件，给定类别数c,模糊权重指数m;用式(4)计算c个聚类中心，即初始聚类中心vj;计算模糊聚类目标函数值，如果小于某一确定阈值，或者它相对上一次的价值函数值的改变量小于某一阈值，则算法停止;用式(5)更新隶属度矩阵uij，重复以上步骤。
本发明中，步骤1所述中多模型在线建模方案中利用LSSVR建立变量与出口重金属离子浓度的蕴含关系，建立絮凝处理过程模型。本发明采用常用的Gaussian核：K(xi,xt)=exp((-||xi-xt||2)/σ2)，xi为当前测量输入;xt为历史数据库中的第t个数据点;参数σ为核宽度。
本发明中，步骤1所述中多模型在线建模方案中多模型合成机制采用加权求和方法。
其中，
为加权求和以后的模型输出;
为局部模型输出，式子中局部模型输出对应的权值表示当前工况与各工况匹配的程度,数值上采用输入xi属于各工况的隶属度uij。
本发明具有以下有益效果：
根据多工况协调优化模型,对絮凝沉淀池的加药量和电解池的电流密度设定值进行协调调整,解决了无法根据工况波动及时并精准地对废水处理过程进行协调调整的技术问题,实现了对现有对重金属离子去除过程絮凝-电化学技术协调优化设定。根据工况波动合理地给出药剂添加最优设定值，从而显著降低了絮凝沉淀池的药剂添加量,缓解了不必要的药剂残留对环境造成的二次污染问题;精准调整电流密度，减少了不必要的整流器运行功率浪费，从而在保障出口废水重金属离子浓度稳定的同时实现了重金属离子去除过程的节能降耗。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外,本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图,对本发明作进一步详细的说明。