一种超标抑制策略的污水处理过程多目标优化控制方法技术

本申请涉及一种超标抑制策略的污水处理过程多目标优化控制方法，包括以下步骤：利用长短期记忆网络的时序建模能力，建立出水氨氮浓度和总氮浓度的预测模型，对预测模型中硝态氮浓度和溶解氧浓度的设定值进行寻优；根据预测模型的输出判断水质参数超标情况，若水质参数超标，对外回流以及外加碳源加以控制，并对溶解氧浓度和硝态氮浓度的设定值进行二次优化，提高出水氨氮浓度和总氮浓度预测的精度，设定值选取时综合考虑水质和能耗，初步达到在提升水质的基础上降低能耗的目标；有效抑制出水氨氮浓度和总氮浓度预测峰值超标现象同时降低能耗、提升水质。提升水质。提升水质。

【技术实现步骤摘要】
一种超标抑制策略的污水处理过程多目标优化控制方法


[0001]本专利技术涉及污水处理
，特别涉及一种超标抑制策略的污水处理过程多目标优化控制方法。

技术介绍

[0002]水是人类赖以生存和发展的重要资源，随着工业化和城市化的快速推进，导致城市污水排放量不断增加。但随着国家对污水排放水质要求的提高，导致污水处理过程的能耗逐渐上升，而且排出的污水水质有波动，不稳定。因此对污水处理过程实施优化控制显得尤为重要，然而污水处理过程具有时变、非线性且变量间严重耦合的情况，从而在保证各项出水参数达标的情况下如何尽可能地降低能耗、提升水质成为污水治理领域重要的研究方向之一。污水处理过程中出水水质受硝态氮浓度(S
NO2
)和溶解氧浓度(S
O5
)的影响，可以通过回流泵和鼓风机分别对两者进行控制，达到提升水质的效果，但工艺设备在运行过程中会产生较高的能耗。
[0003]因此，需要在一定工艺条件约束下，对水质和能耗进行多目标优化控制。虽然多目标优化控制方法达到了平均水质排放标准且在能耗方面也取得了较为满意的结果，但优化控制过程中存在出水氨氮浓度(S
Nh，e
)和总氮浓度(S
Ntot，e
)超标的现象，如果面对该现象不采取任何措施直接将污水排出，仍然会对环境以及人体健康造成影响。
[0004]综上，污水处理过程中，主要存在以下问题：污水处理过程具有时变非线性、变量间严重耦合等特征，对其中参数变量很难建立预测模型；针对多目标优化控制过程中存在出水氨氮浓度和总氮浓度超标的情况，如何采用抑制控制策略使其能够约束在控制限内，并达到提升水质降低能耗的目标。

技术实现思路

[0005]本专利技术实施例提供了一种超标抑制策略的污水处理过程多目标优化控制方法，以解决现有技术中污水处理过程具有时变非线性、变量间严重耦合等特征，对其中参数变量很难建立预测模型的问题，以及实现针对多目标优化控制过程中存在出水氨氮浓度和总氮浓度超标的情况，如何采用抑制控制策略使其能够约束在控制限内，达到提升水质降低能耗的目的。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
[0006]本申请提供一种超标抑制策略的污水处理过程多目标优化控制方法，包括以下步骤：
[0007]利用长短期记忆网络的时序建模能力，建立出水氨氮浓度和总氮浓度的预测模型，对预测模型中硝态氮浓度和溶解氧浓度的设定值进行寻优；
[0008]根据预测模型的输出判断水质参数超标情况，若水质参数超标，对外回流以及外加碳源加以控制，并对溶解氧浓度和硝态氮浓度的设定值进行二次优化。
[0009]作为一种优选的实施方式，所述对预测模型中硝态氮浓度和溶解氧浓度的设定值进行寻优的过程采用多目标进化算法进行，其表达式为：
[0010]min F(X)＝{f
OCI
(X)，f
EQI
(X)}
[0011][0012]X＝(x1，x2)，l
i
≤x
i
≤u
i
，i＝1，2
[0013]其中，f
OCI
(X)和f
EQI
(X)分别表示出水水质和总能耗优化函数，s.t.给出了污水处理过程对5种水质参数的限制条件；S
Nh，e，avg
表示出水氨氮的平均浓度，X为决策向量，x1和x2分别为溶解氧浓度和硝态氮浓度；u
i
和l
i
分别表示各决策变量的上界和下界；
[0014]其中，出水水质的表达式如下：
[0015][0016]式中，TSS、COD、S
NKj
、S
NO
、BOD5、和Q
e
分别表示固体悬浮物浓度、化学需氧量、凯氏氮浓度、硝态氮浓度、5日生化需氧量和清水排出量；
[0017]总能耗的表达式如下：
[0018]OCI＝AE+PE+3EC
[0019]式中：AE表示曝气能耗，PE表示泵送能耗，EC表示碳源费用，其表达式如下：
[0020][0021][0022][0023]其中，T为采样周期；t0和t
f
分别表示开始时间和结束时间；V
i
和K
Lai
分别表示第i个生化反应池的体积和曝气量；Q
a
、Q
r
和Q
w
分别表示内回流量、外回流量和剩余污泥流量；q
EC，j
表示给第j个反应区外加碳源的流量。
[0024]作为一种优选的实施方式，所述对预测模型中硝态氮浓度和溶解氧浓度的设定值进行寻优的过程产生帕累托解，针对各周期超标情况挑选溶解氧浓度和硝态氮浓度的设定值，其具体方法为：
[0025]把寻优得到的帕累托解依次作为溶解氧浓度和硝态氮浓度设定值，带入预测模型，将满足该周期内平均出水水质约束的解，保留并存入解集P
A
；
[0026]如果P
A
不等于空集，从PA中选择可以使能耗降到最低的解作为偏好解；
[0027]如果P
A
等于空集，选择可以使水质达到相对较好的解作为偏好解。
[0028]作为一种优选的实施方式，所述预测模型预测的输出出水氨氮浓度超标时，加大外回流量对氨氮浓度进行稀释调节，对溶解氧浓度和硝态氮浓度的设定值进行动态优化，
先将S
O5
设为可调范围内的最大值，其次对硝态氮浓度进行二次寻优。
[0029]作为一种优选的实施方式，对所述溶解氧浓度和硝态氮浓度的设定值进行二次优化的具体步骤为：
[0030]判断当前氨氮浓度超标的所属周期p，其中{p∈N
*
|1≤p≤112}；
[0031]载入多目标优化控制在该周期所采集的溶解氧浓度和硝态氮浓度所对应的能耗和水质数据，用于训练预测模型；
[0032]固定多目标算法的一个自变量边界，令x1＝u1，其中u1表示溶解氧浓度的上边界，使算法在整个搜索过程中始终保持溶解氧浓度的最大值，通过不断优化硝态氮浓度的设定值，找到能耗和水质的帕累托解集，达到对硝态氮浓度二次寻优的目的；
[0033]对寻优得到的帕累托解集挑选能耗较低的设定值组合，并将该设定值组合作为更新后的设定值。
[0034]作为一种优选的实施方式，外回流量的调节公式如下：
[0035]Q
r
＝(5
‑
S
Nh5
)
×
50000
[0036]式中，S
Nh5
为第五分区的氨氮浓度，且S
Nh5
≤5mg/L。
[0037]作为一种优选的实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超标抑制策略的污水处理过程多目标优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：利用长短期记忆网络的时序建模能力，建立出水氨氮浓度和总氮浓度的预测模型，对预测模型中硝态氮浓度和溶解氧浓度的设定值进行寻优；根据预测模型的输出判断水质参数超标情况，若水质参数超标，对外回流以及外加碳源加以控制，并对溶解氧浓度和硝态氮浓度的设定值进行二次优化。2.根据权利要求1所述的一种超标抑制策略的污水处理过程多目标优化控制方法，其特征在于，所述对预测模型中硝态氮浓度和溶解氧浓度的设定值进行寻优的过程采用多目标进化算法进行，其表达式为：min F(X)＝{f
OCI
(X)，f
EQI
(X)}X＝(x1，x2)，l
i
≤x
i
≤u
i
，i＝1，2其中，f
OCI
(X)和f
EQI
(X)分别表示出水水质和总能耗优化函数，s.t.给出了污水处理过程对5种水质参数的限制条件；S
Nh，e，avg
表示出水氨氮的平均浓度，X为决策向量，x1和x2分别为溶解氧浓度和硝态氮浓度；u
i
和l
i
分别表示各决策变量的上界和下界；其中，出水水质的表达式如下：式中，TSS、COD、S
NKj
、S
NO
、BOD5、和Q
e
分别表示固体悬浮物浓度、化学需氧量、凯氏氮浓度、硝态氮浓度、5日生化需氧量和清水排出量；总能耗的表达式如下：OCI＝AE+PE+3EC式中：AE表示曝气能耗，PE表示泵送能耗，EC表示碳源费用，其表达式如下：中：AE表示曝气能耗，PE表示泵送能耗，EC表示碳源费用，其表达式如下：中：AE表示曝气能耗，PE表示泵送能耗，EC表示碳源费用，其表达式如下：其中，T为采样周期；t0和t
f
分别表示开始时间和结束时间；V
i
和K
Lai
分别表示第i个生化反应池的体积和曝气量；Q
a
、Q
r
和Q
w
分别表示内回流量、外回流量和剩余污泥流量；q
EC，j
表示给第j个反应区外加碳源的流量。3.根据权利要求2所述的一种超标抑制策略的污水处理过程多目标优化控制方法，其特征在于，所述对预测模型中硝态氮浓度和溶解氧浓度的设定值进行寻优的过程产生帕累
托解，针对各周期超标情况挑选溶解氧浓度和硝态氮浓度的设定值，其具体方法为：把寻优得到的帕累托解依次作为溶解...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊伟丽，刘传，马君霞，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：