隨著人口增長(zhǎng)、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(duì)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(gè)嚴(yán)重問(wèn)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(shí)提高污水處理過(guò)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(hào)：BK2011346)、湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：2011CDB277)及“水力機(jī)械過(guò)渡過(guò)程”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)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(jì)矩陣,用矩陣網(wǎng)格化分析方法規(guī)避了當(dāng)前能源審計(jì)研究中概念模糊、指南不明確等問(wèn)題,規(guī)范了污水處理流程能源審計(jì)的內(nèi)容、方法和工具。用實(shí)際污水處理廠對(duì)基于POET的能源審計(jì)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(huì),并明確了污水提升和污水生物處理這兩個(gè)能效優(yōu)化的重點(diǎn)研究對(duì)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(shí)電價(jià)、泵的啟停次數(shù)及多臺(tái)泵之間的累計(jì)運(yùn)行時(shí)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(wèn)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(jì)運(yùn)行時(shí)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(guò)程學(xué)習(xí)建模的研究方法。研究了基于LS-SVM的動(dòng)態(tài)建模方法,并將LS-SVM模型的稀疏化過(guò)程轉(zhuǎn)換為一個(gè)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(wèn)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(guò)程出水水質(zhì)指標(biāo)的LS-SVM動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型。建立了活性污泥污水生物處理過(guò)程的多變量能效優(yōu)化控制問(wèn)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(duì)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(shí),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(duì)污水提升系統(tǒng)及活性污泥污水生物處理過(guò)程展開(kāi)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(jì)矩陣,規(guī)范了污水處理過(guò)程能源審計(jì)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(shí)還能有效抑制泵的頻繁啟停并均化了各泵的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間；③提出了基于PSO的LS-SVM模型最優(yōu)稀疏化方法,能同時(shí)獲得最優(yōu)剪切率及最小性能指標(biāo)。本文針對(duì)城市污水處理流程建立了一條從能源審計(jì)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(jì)、基于LS-SVM的動(dòng)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(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類(lèi)】：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(guò)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(shí)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(wú)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(wú)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(zhǎng)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(gè)相對(duì)穩(wěn)定的塵態(tài)系統(tǒng)和食物鏈�；钚晕勰嗤ㄟ^(guò)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(guò)程，對(duì)環(huán)境逡逑敏感

運(yùn)行層主動(dòng)能源審計(jì)采用了智能錯(cuò)式電流、電壓、電功率儀等儀表對(duì)該污水處理廠逡逑的動(dòng)力單元進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，記錄了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(dòng)力單元的裝機(jī)功率與實(shí)測(cè)功率進(jìn)行了對(duì)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％。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)還表明：由于該逡逑廠設(shè)計(jì)處理規(guī)模超過(guò)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(chǎng)測(cè)試過(guò)程中進(jìn)一步對(duì)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(dòng)控制，反應(yīng)池ＤＯ—般維持在較高水平，存在曝氣過(guò)逡逑量問(wèn)題；內(nèi)回流也采用手動(dòng)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(dòng)能源審計(jì)采用了智能錯(cuò)式電流、電壓、電功率儀等儀表對(duì)該污水處理廠逡逑的動(dòng)力單元進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，記錄了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(dòng)力單元的裝機(jī)功率與實(shí)測(cè)功率進(jìn)行了對(duì)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％。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)還表明：由于該逡逑廠設(shè)計(jì)處理規(guī)模超過(guò)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(chǎng)測(cè)試過(guò)程中進(jìn)一步對(duì)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(dòng)控制，反應(yīng)池ＤＯ—般維持在較高水平，存在曝氣過(guò)逡逑量問(wèn)題；內(nèi)回流也采用手動(dòng)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(hào)：2820329