隨著人口增長、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展及工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快,城市污水排放量不斷增加,對污水處理設(shè)施的處理能力及排放指標(biāo)提出了更高要求。污水處理是典型的能耗密集型流程,運(yùn)行成本高是城市污水處理領(lǐng)域的一個嚴(yán)重問題,一定程度上制約了污水處理設(shè)施的可持續(xù)發(fā)展。本文旨在確保污水排放滿足標(biāo)準(zhǔn)的同時提高污水處理過程的能源效率,降低能耗。本文研究受到江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號：BK2011346)、湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號：2011CDB277)及“水力機(jī)械過渡過程”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目支持。提出了基于POET(Performance, operation, equipment and technology)的污水處理流程能源審計矩陣,用矩陣網(wǎng)格化分析方法規(guī)避了當(dāng)前能源審計研究中概念模糊、指南不明確等問題,規(guī)范了污水處理流程能源審計的內(nèi)容、方法和工具。用實(shí)際污水處理廠對基于POET的能源審計矩陣進(jìn)行了驗(yàn)證,建立了污水處理流程的耗能特征,尋求并驗(yàn)證了節(jié)能機(jī)會,并明確了污水提升和污水生物處理這兩個能效優(yōu)化的重點(diǎn)研究對象。以城市污水處理流程的連續(xù)性為原則,將管網(wǎng)提升泵站與污水處理廠作為整體進(jìn)行研究,提出了管網(wǎng)泵站的最優(yōu)控制策略。在優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中綜合考慮分時電價、泵的啟停次數(shù)及多臺泵之間的累計運(yùn)行時間差,建立了污水提升泵站基于多目標(biāo)平衡的混合最優(yōu)控制問題。算例研究表明污水提升泵站混合優(yōu)化控制方法在高中負(fù)荷及低負(fù)荷下能分別節(jié)省約25%及35%的能源費(fèi)用,還能有效抑制泵的頻繁啟停并均化各泵的累計運(yùn)行時間。提出了基于最小二乘支持向量機(jī)(Least square support vector machine, LS-SVM)進(jìn)行活性污泥污水生物處理過程學(xué)習(xí)建模的研究方法。研究了基于LS-SVM的動態(tài)建模方法,并將LS-SVM模型的稀疏化過程轉(zhuǎn)換為一個以樣本剪切率為優(yōu)化變量并以校驗(yàn)樣本均方根誤差(Root mean squared error, RMSE)為目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)化問題進(jìn)行研究。分別以BSM1 (Benchmark simulation model, No 1)及浙江省某污水處理廠(記為“Z”廠)為范例,建立了污水生物處理過程出水水質(zhì)指標(biāo)的LS-SVM動態(tài)預(yù)測模型。建立了活性污泥污水生物處理過程的多變量能效優(yōu)化控制問題,以污水處理流程的總能耗為優(yōu)化目標(biāo),以曝氣量、混合液回流量及排泥量為優(yōu)化變量,并考慮了排水水質(zhì)約束及控制量上下界約束。研究了基于粒子群優(yōu)化(Particle swarm optimization, PSO)的求解方法。以BSM1及Z污水處理廠為對象,分別驗(yàn)證了能效多變量最優(yōu)控制策略在多種工況下的有效性。結(jié)果表明：BSM1在晴天、雨天及暴雨天時,能效優(yōu)化控制能分別獲得2.8%、4.65%及5.44%的節(jié)能率;Z廠在入水COD(Chemical oxygen demand,化學(xué)需氧量)高、中、低3種工況下,能效優(yōu)化控制分別具有7.71%、9.73%及8.9%的節(jié)能潛力。本文針對污水提升系統(tǒng)及活性污泥污水生物處理過程展開了能效優(yōu)化研究,獲得了一定創(chuàng)新成果,體現(xiàn)在：①提出了基于POET(Performance, operation, equipment and technology)的污水處理流程能源審計矩陣,規(guī)范了污水處理過程能源審計的內(nèi)容、方法和工具；②提出了污水提升泵站能效混合優(yōu)化控制策略,在提高泵站能源效率的同時還能有效抑制泵的頻繁啟停并均化了各泵的累計運(yùn)行時間；③提出了基于PSO的LS-SVM模型最優(yōu)稀疏化方法,能同時獲得最優(yōu)剪切率及最小性能指標(biāo)。本文針對城市污水處理流程建立了一條從能源審計到控制建模在再到能效優(yōu)化的完整研究路線。提出了基于POET的能源審計、基于LS-SVM的動態(tài)建模及基于多變量最優(yōu)控制的能效優(yōu)化等一系列方法。論文的研究結(jié)論提高了污水處理流程運(yùn)行優(yōu)化的理論水平,可為污水處理流程的節(jié)能降耗提供技術(shù)支撐。
【學(xué)位單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：X703
【部分圖文】：

逡逑其發(fā)展歷程及技術(shù)變更在Ｐ５１中進(jìn)行了詳細(xì)歸納。典型的活性污泥污水處理流程如圖１－１逡逑所南＂１。逡逑在生物處理環(huán)節(jié)通過曝氣或e*拌使得活性污泥懸浮在水中，活性污泥通常為黃褐色逡逑（有時呈鐵紅色）絮絨狀顆粒，直徑一般為０．０２￣２邋ｍｍ；活性污泥具有較大的比表面積（可逡逑達(dá)２０￣１００邋ｃｍ２／ｍＵ及很強(qiáng)的吸附與氧化有機(jī)物的能力�；钚晕勰嘤捎袡C(jī)物及無機(jī)物兩部逡逑分組成。城市污水處理流程中的活性污泥，有機(jī)成分約占八％￣８５％，無機(jī)成分僅占逡逑１５％？２５％�；钚晕勰嘀杏袡C(jī)成分主要包含生長在活性污泥中的微生物，這些微生物群體逡逑構(gòu)成了一個相對穩(wěn)定的塵態(tài)系統(tǒng)和食物鏈�；钚晕勰嗤ㄟ^生物凝聚、吸附和氧化作用，逡逑分解去除污水中的有機(jī)污染物。然后使污泥與水分離，大部分污泥再回流到曝氣池，多逡逑余部分則排出活性污泥系統(tǒng)�；钚晕勰辔鬯幚砹鞒贪罅康纳锓磻�(yīng)過程，對環(huán)境逡逑敏感

運(yùn)行層主動能源審計采用了智能錯式電流、電壓、電功率儀等儀表對該污水處理廠逡逑的動力單元進(jìn)行了現(xiàn)場測試，記錄了現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)并進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析。逡逑圖２－４所示棒圖將污水處理流程各動力單元的裝機(jī)功率與實(shí)測功率進(jìn)行了對比。裝逡逑機(jī)功率按由大到小的順序排列為：鼓風(fēng)機(jī)房＞進(jìn)水栗房＞污泥泉池＞脫水機(jī)房＞八２／０逡逑生物池＞旋流沉砂池＞粗格柵＞二沉池＞細(xì)格柵。其中，用于Ａ２／０生物池供氧曝氣的逡逑鼓風(fēng)機(jī)房裝機(jī)功率最高，占全廠總裝機(jī)功率的５２．５９％�，F(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)還表明：由于該逡逑廠設(shè)計處理規(guī)模超過實(shí)際處理量，全廠使用功率僅占總裝機(jī)功率的％．３９％，設(shè)備利用逡逑率不高。逡逑在現(xiàn)場測試過程中進(jìn)一步對曝氣、提升泉及內(nèi)回流等環(huán)節(jié)的運(yùn)行方式進(jìn)行了確認(rèn)。逡逑生物處理環(huán)節(jié)的ＤＯ濃度采用手動控制，反應(yīng)池ＤＯ—般維持在較高水平，存在曝氣過逡逑量問題；內(nèi)回流也采用手動控制方式，且內(nèi)回流量比例為２．５左右。逡逑２５００１邐［邐［邐Ｉ邐ｉ邐；邐［邐Ｉ邐［邐［逡逑２０００邋－邐■邐—逡逑Ｓ＇邋１５００邋－邐■邐－逡逑§邋１０００邋－邐Ｉ邐—逡逑５００邋－邐■邋ｒ—１邐■逡逑０邐ｒ邋－邐■＇邐ｉ邐—ｆｉ邋Ｉ邐ｔｍｗ邋Ｉ邐■邐邐Ｌ邐Ｂｃｊ邐Ｈｉｍ＿逡逑Ｍ格柵邐進(jìn)水累鹿邋池格柵邋旋流沉砂池Ａ２／０生物池邋鼓風(fēng)化資邐二沉池邋巧泥索哱邋脫水機(jī)點(diǎn)逡逑■裝機(jī)功率邐２３

運(yùn)行層主動能源審計采用了智能錯式電流、電壓、電功率儀等儀表對該污水處理廠逡逑的動力單元進(jìn)行了現(xiàn)場測試，記錄了現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)并進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析。逡逑圖２－４所示棒圖將污水處理流程各動力單元的裝機(jī)功率與實(shí)測功率進(jìn)行了對比。裝逡逑機(jī)功率按由大到小的順序排列為：鼓風(fēng)機(jī)房＞進(jìn)水栗房＞污泥泉池＞脫水機(jī)房＞八２／０逡逑生物池＞旋流沉砂池＞粗格柵＞二沉池＞細(xì)格柵。其中，用于Ａ２／０生物池供氧曝氣的逡逑鼓風(fēng)機(jī)房裝機(jī)功率最高，占全廠總裝機(jī)功率的５２．５９％�，F(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)還表明：由于該逡逑廠設(shè)計處理規(guī)模超過實(shí)際處理量，全廠使用功率僅占總裝機(jī)功率的％．３９％，設(shè)備利用逡逑率不高。逡逑在現(xiàn)場測試過程中進(jìn)一步對曝氣、提升泉及內(nèi)回流等環(huán)節(jié)的運(yùn)行方式進(jìn)行了確認(rèn)。逡逑生物處理環(huán)節(jié)的ＤＯ濃度采用手動控制，反應(yīng)池ＤＯ—般維持在較高水平，存在曝氣過逡逑量問題；內(nèi)回流也采用手動控制方式，且內(nèi)回流量比例為２．５左右。逡逑２５００１邐［邐［邐Ｉ邐ｉ邐；邐［邐Ｉ邐［邐［逡逑２０００邋－邐■邐—逡逑Ｓ＇邋１５００邋－邐■邐－逡逑§邋１０００邋－邐Ｉ邐—逡逑５００邋－邐■邋ｒ—１邐■逡逑０邐ｒ邋－邐■＇邐ｉ邐—ｆｉ邋Ｉ邐ｔｍｗ邋Ｉ邐■邐邐Ｌ邐Ｂｃｊ邐Ｈｉｍ＿逡逑Ｍ格柵邐進(jìn)水累鹿邋池格柵邋旋流沉砂池Ａ２／０生物池邋鼓風(fēng)化資邐二沉池邋巧泥索哱邋脫水機(jī)點(diǎn)逡逑■裝機(jī)功率邐２３

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本文編號：2820329