用于預(yù)測(cè)廢水處理過(guò)程的參數(shù)的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于預(yù)測(cè)廢水處理過(guò)程的參數(shù)的系統(tǒng)和方法。特別地，所述系統(tǒng)和方 法適于(但不限于)膨脹顆粒污泥床(EGSB)過(guò)程中的流出參數(shù)的預(yù)測(cè)，并將在下文中進(jìn)行描 述。
【背景技術(shù)】
[0002] 貫穿整個(gè)說(shuō)明書，除非文中另外要求，否則詞語(yǔ)"包含"或者諸如其單數(shù)形式或現(xiàn) 在分詞形式等變形將被理解為暗示包括所表示的整體或整體的組，但不排除任何其它整體 或整體的組。
[0003] 此外，貫穿整個(gè)說(shuō)明書，除非文中另外要求，否則詞語(yǔ)"包括"諸如其單數(shù)形式或現(xiàn) 在分詞形式等變形將被理解為暗示包括所表示的整體或整體的組，但不排除任何其它整體 或整體的組。
[0004] 厭氧廢水處理過(guò)程是利用微生物在無(wú)氧環(huán)境下降解廢水中的污染物的工業(yè)過(guò)程。 工業(yè)中使用的厭氧廢水處理過(guò)程的典型變型包括厭氧濾池、下流式靜態(tài)固定膜反應(yīng)器、流 化床厭氧反應(yīng)器和上流式厭氧污泥填土反應(yīng)器(UASB)。膨脹顆粒污泥床(EGSB)反應(yīng)器是具 有高廢水處理速率的USAB的特殊應(yīng)用。在EGSB過(guò)程中，廢水以高上流速度流過(guò)反應(yīng)器。
[0005] 由于對(duì)有機(jī)負(fù)荷擾動(dòng)和流入廢水中的物質(zhì)濃度的動(dòng)態(tài)變化高度靈敏的厭氧廢水 處理過(guò)程的復(fù)雜性，恰當(dāng)?shù)氖谴_保適當(dāng)進(jìn)行生物質(zhì)發(fā)電的管理。典型地，生物質(zhì)管理是反應(yīng) 性完成的（即在濃度/擾動(dòng)突然變化之后），并且這是不期望的，因?yàn)樵谄渌鼏?wèn)題中，生物質(zhì) 需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)適應(yīng)流入廢水。在由于不能及時(shí)反應(yīng)而導(dǎo)致生物質(zhì)存量低的情況下，可 能出現(xiàn)導(dǎo)致嚴(yán)重停工的過(guò)程混亂以及生物質(zhì)損失。這種停工可能進(jìn)一步伴隨由于不能交付 而導(dǎo)致的相關(guān)聯(lián)的經(jīng)濟(jì)損失、時(shí)間和資源損失。因此，需要將廢水處理過(guò)程從"反應(yīng)性"管理 轉(zhuǎn)變?yōu)?預(yù)測(cè)性"管理。
[0006] 由于上述原因，預(yù)測(cè)管理的一種方式是使用數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)已處理廢水的關(guān)鍵組 成質(zhì)量。這種方法減少了對(duì)廢水處理過(guò)程的有效操作的任何阻礙并且方便生物質(zhì)存量管 理。然而，由于其多價(jià)以及非線性的性質(zhì)、對(duì)隨機(jī)噪聲和由于使用測(cè)量設(shè)備而導(dǎo)致的系統(tǒng)誤 差的易感性、過(guò)程信息的動(dòng)態(tài)性質(zhì)和時(shí)間可延遲性，找到合適的數(shù)學(xué)模型來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)厭氧 廢水處理性能是一個(gè)挑戰(zhàn)。此外，包含基礎(chǔ)理論的當(dāng)前的數(shù)學(xué)模型（例如機(jī)械模型)在為厭 氧反應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)復(fù)雜性建模方面是不充分或者不高效的。容易領(lǐng)會(huì)，由于系統(tǒng)復(fù)雜性的 增加，需要的計(jì)算時(shí)間也指數(shù)性地增加。這使得機(jī)械模型不適于"接近實(shí)時(shí)"型預(yù)測(cè)或預(yù)期 合理的回旋時(shí)間的情況。
[0007] 另一個(gè)方法是使用軟傳感器，并且特別地是統(tǒng)計(jì)的、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的軟傳感器，其根據(jù) 所記錄的過(guò)程歷史數(shù)據(jù)而建立，以預(yù)測(cè)諸如總有機(jī)碳(TOC)等流出參數(shù)。當(dāng)將這種軟傳感器 用于預(yù)測(cè)某些廢水處理過(guò)程并監(jiān)測(cè)流出（已處理的水)參數(shù)時(shí)，需要進(jìn)一步改進(jìn)這種軟傳感 器以便在改進(jìn)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度的同時(shí)減少計(jì)算要求和資源。
[0008] 由于這些USAB或EGSB過(guò)程的復(fù)雜性和要考慮的過(guò)大量的參數(shù)，還沒有出現(xiàn)軟傳感 器的用于USAB或EGSB過(guò)程以預(yù)測(cè)諸如TOC等流出參數(shù)的應(yīng)用。此外，還需要通過(guò)提供對(duì)前述 流出參數(shù)的可靠的評(píng)估以估計(jì)EGSB反應(yīng)器在合理的回旋時(shí)間（如果不是接近實(shí)時(shí)的）的性 能來(lái)改進(jìn)這種軟傳感器預(yù)測(cè)技術(shù)的準(zhǔn)確度和效率。
[0009]因此，本發(fā)明的目標(biāo)是滿足上述需要，并至少部分地減少所述挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明包括對(duì)軟傳感器的開發(fā)以預(yù)測(cè)并監(jiān)測(cè)廢水處理操作的操作，特別是在膨脹 顆粒污泥床(EGSB)反應(yīng)器的領(lǐng)域中，但在工業(yè)廢水的厭氧處理中不限于這種反應(yīng)器。在一 個(gè)實(shí)施例中，基于偏最小二乘法的軟傳感器用于預(yù)測(cè)TOC作為性能指示來(lái)監(jiān)測(cè)污水處理廠 (WffTP)中的EGSB反應(yīng)器。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的方面，存在用于預(yù)測(cè)廢水處理過(guò)程的參數(shù)的方法，其包括如下步 驟:_(a)獲得數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集包括與待預(yù)測(cè)的廢水處理過(guò)程的參數(shù)相關(guān)的多個(gè)過(guò)程變量； (b)獲得待預(yù)測(cè)的參數(shù)的預(yù)定數(shù)量的測(cè)量值；（c)預(yù)處理所獲得的數(shù)據(jù)集;預(yù)處理步驟包括 對(duì)準(zhǔn)(a I i gn)過(guò)程變量以解釋(ac coun t for)過(guò)程變量的任何隨時(shí)間變化的性質(zhì)、以及將數(shù) 據(jù)集分類成輸入組，輸入組包括數(shù)據(jù)集和待預(yù)測(cè)的參數(shù)的測(cè)量值；（d)在每個(gè)軟傳感器獲得 合成輸出；以及(e)對(duì)跨多個(gè)軟傳感器中的每一個(gè)的合成輸出進(jìn)行平均;平均后的合成輸出 被設(shè)為最終的預(yù)測(cè)參數(shù)。
[0012] 優(yōu)選地，廢水處理過(guò)程包括膨脹顆粒污泥床(EGSB)反應(yīng)器過(guò)程，并且待預(yù)測(cè)的參 數(shù)為EGSB反應(yīng)器的流出的總有機(jī)碳(TOC)。
[0013] 優(yōu)選地，預(yù)處理的步驟包括:在數(shù)據(jù)集中檢測(cè)到空白的情況下，將性插值法或諸如 多項(xiàng)式和樣條等其它插值法應(yīng)用到數(shù)據(jù)集。
[0014] 優(yōu)選地，數(shù)據(jù)集的分類包括:采用采用具有外因輸入(ARX)結(jié)構(gòu)的自回歸的方式來(lái) 表達(dá)數(shù)據(jù)集。
[0015] 優(yōu)選地，待預(yù)測(cè)的參數(shù)的測(cè)量值在步驟(d)之前經(jīng)過(guò)噪聲減少濾波器。噪聲減少濾 波器優(yōu)選地可以包括Savitzky-Golay濾波器和/或Kalman濾波器。
[0016] 優(yōu)選地，包括四個(gè)軟傳感器。在這種實(shí)例中，優(yōu)選地進(jìn)一步處理四個(gè)感應(yīng)器中的每 一個(gè)的輸出，以解釋由步驟(e)之前的廢水處理過(guò)程的動(dòng)態(tài)性質(zhì)產(chǎn)生的不準(zhǔn)確性。
[0017] 優(yōu)選地，軟傳感器包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、高斯過(guò)程回歸。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，存在用于預(yù)測(cè)廢水處理過(guò)程的參數(shù)的系統(tǒng)，其包括被布 置為獲得數(shù)據(jù)集的第一組測(cè)量設(shè)備，數(shù)據(jù)集包括與待預(yù)測(cè)的廢水處理過(guò)程的參數(shù)相關(guān)的多 個(gè)處理變量;被布置為獲得待預(yù)測(cè)的參數(shù)的預(yù)定數(shù)量的測(cè)量值的第二組測(cè)量設(shè)備;處理器， 其被布置為:_(i)接收來(lái)自第一和第二組測(cè)量設(shè)備的數(shù)據(jù)集和預(yù)定數(shù)量的測(cè)量值;處理器 可操作用于預(yù)處理所獲得的數(shù)據(jù)集，并將數(shù)據(jù)集分類成輸入組;輸入組還包括數(shù)據(jù)集和待 預(yù)測(cè)的參數(shù)的測(cè)量值；（ii)獲得每個(gè)軟傳感器的合成輸出；（iii)對(duì)跨多個(gè)軟傳感器中的每 一個(gè)的合成輸出進(jìn)行平均;平均后的合成輸出被設(shè)為最終的預(yù)測(cè)參數(shù)。
[0019] 優(yōu)選地，廢水處理過(guò)程包括膨脹顆粒污泥床(EGSB)反應(yīng)器，并且待預(yù)測(cè)的參數(shù)為 流出參數(shù)。
[0020] 優(yōu)選地，流出參數(shù)包括EGSB反應(yīng)器的總有機(jī)碳(TOC )、化學(xué)需氧量(COD )、和生化需 氧量(BOD)。
[0021] 優(yōu)選地，EGSB反應(yīng)器包括至少一個(gè)平衡池和至少一個(gè)流入調(diào)節(jié)池。
[0022] 優(yōu)選地，第一組測(cè)量設(shè)備包括在線和離線測(cè)量。
[0023] 優(yōu)選地，第二組測(cè)量設(shè)備包括離線測(cè)量。
[0024] 優(yōu)選地，過(guò)程變量包括:至少一個(gè)平衡池中的廢水的水平;平衡池與流入調(diào)節(jié)池之 間的流速、流入和流出溫度;平衡池和調(diào)節(jié)池處的廢水pH值。
【附圖說(shuō)明】
[0025]為使本發(fā)明更容易理解并且有效地進(jìn)行實(shí)踐，現(xiàn)在將參考附圖，附圖示出本發(fā)明 的優(yōu)選實(shí)施方式，并且在附圖中：
[0026]圖1顯示了膨脹顆粒污泥床(EGSB)反應(yīng)器過(guò)程；
[0027] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于預(yù)測(cè)廢水處理過(guò)程的參數(shù)的方法的流程圖；
[0028] 圖3是用于開發(fā)用于預(yù)測(cè)廢水處理過(guò)程的參數(shù)中的軟傳感器所采用的算法的流程 圖；并且
[0029]圖4顯示了根據(jù)用于預(yù)測(cè)廢水處理過(guò)程的參數(shù)的方法的預(yù)測(cè)結(jié)果。
[0030]本發(fā)明也可采用其它裝置，并且因此，附圖不能被理解為代替本發(fā)明的說(shuō)明書的 普遍性。
【具體實(shí)施方式】
[0031]在說(shuō)明書中，要領(lǐng)會(huì)，術(shù)語(yǔ)"出水"指來(lái)自厭氧/EGSB反應(yīng)器的處理后的廢水。處理 后的廢水可以或可以不達(dá)到排放水質(zhì)，即來(lái)自厭氧/EGSB反應(yīng)器的處理后的廢水可能需要 進(jìn)一步處理以達(dá)到足夠的質(zhì)量。
[0032]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)