基于多因素影響的城市水污染處理節(jié)能技術(shù)研究

中圖分類(lèi)號(hào)：X703.1

文章編號(hào)：1674-6139（2025）07-0087-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Energy-saving Technology for Urban Water Pollution Treatment Based on Multi-factorInfluence

XingFengxia’，Zhang Jialan2，Chen Junnan2 （1.Puyang Municipal Facilities Affairs Center，Puyang 457O0o，China; 2.Sichuan Central Inspection Technology Inc.，Zigong 643OOo，China）

Abstract：Thesewagetreatmentplantproceesalargeamountofsewageeveryday，withhighenergyconsumption.Basedonthis， themoleculardyamicsteoyalgoritisintroducdtoupdatethdisoledoxygenconcetrationandratenitrogenconcetationin realtimethroughmolecularpositiontrasformation.Basedothebenchmarksiulationmodel，thepaperdetectedtheoptimalratioof disolvedxygenconcentrationnditratenrogenconcentratiomoleculesndptiedthsoledogenndnitraterogco centrations.Therelevantconstraintsandlimitationsofwagetreatmentwasdjusted，ultimatelyachevingtetialeuenuality andthelowestsewagetreatmenteergyonsumptionandimprovingswagetreatmentefciencyTheresearchesultsshowthattetotal daily energy consumption of this new technology on sunny and rainy days is 3267.91kWh and 4554.72kWh ，respectively.By comparison，thismetodcosumessignificantlyseergythanothertehnologesTheesultsshowthathetechologyproposedytheah institute providesan effective energy-saving solution for urban sewage treatment.

Key words：multi-factor；energy saving；activated sludge process；wastewater；environment

前言

隨著城市生活排水量和工業(yè)排水量增加，污水處理廠的污水消耗小于凈水供給，污水處理能力不足。使得水污染不僅威脅到城市居民的健康和生活質(zhì)量，還對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成了不可逆轉(zhuǎn)的破壞。傳統(tǒng)的活性污泥法在處理城市污水方面應(yīng)用廣泛，但高能耗問(wèn)題成為推廣應(yīng)用的瓶頸[1]。因此，許多先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)被提出，如人工智能的膜生物反應(yīng)器、智能優(yōu)化曝氣控制系統(tǒng)和人工智能輔助的厭氧氨氧化等[2]。這些技術(shù)在提高污水處理效率和降低能耗方面取得了一定的進(jìn)展，但研究方法多側(cè)重于單一技術(shù)的優(yōu)化，而忽略了多因素綜合影響的系統(tǒng)性研究，因此，研究通過(guò)引入KMTOA算法和BSM1模型，通過(guò)KMTOA分子位置變換來(lái)實(shí)時(shí)更新溶解氧濃度和硝態(tài)氮濃度，進(jìn)而調(diào)整污水處理的相關(guān)限制，最終達(dá)到最優(yōu)值的出水水質(zhì)和最低的污水處理能耗，優(yōu)化污水處理過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)[3]B1M1模型用于檢測(cè)出最佳配比的溶解氧濃度和硝態(tài)氮濃度分子，同時(shí)全面考慮了污泥齡、酸堿度、混合懸浮液固體濃度、溫度、溶解氧濃度、硝態(tài)氮濃度和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度等多個(gè)因素的影響，結(jié)合兩種算法，優(yōu)化溶解氧和硝態(tài)氮濃度，為污水治理提出了一種新的節(jié)能優(yōu)化技術(shù)。

1城市水污染處理節(jié)能技術(shù)

1.1基于活性污泥法的水污染多因素目標(biāo)模型構(gòu)建

動(dòng)態(tài)服務(wù)器頁(yè)面（ActiveServerPages，ASP）技術(shù)是一種處理污水廣泛使用的技術(shù)，主要用于處理城市污水。BSM1模型是一種活性污泥處理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化仿真模型[4-6]。BSM1的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

由圖1可知，整個(gè)BSM1結(jié)構(gòu)可分為生化反應(yīng)池和二沉池兩大部分[7]。研究以數(shù)學(xué)函數(shù)的方式表達(dá)凈化處理后的出水水質(zhì)（EffluentQuality，EQ）計(jì)算式見(jiàn)式（1）。

式（1）中， B_ss 和 SS_e 分別表示BSM1系統(tǒng)中和出水的固體懸浮物濃度； B_coD 和 COD_e 分別表示BSM1系統(tǒng)中和出水化學(xué)需氧量濃度； B_NKj，e 和 S_NKj，e 分別表示系統(tǒng)中和出水凱式氮濃度； B_N0 和 S_v0，e 分別表示BSM1系統(tǒng)和出水的硝態(tài)氮濃度； B_BOD 和BOD_e 分別表示BSM1系統(tǒng)和出水的生化需氧量濃度。在污水處理中，需要大量電力。而曝氣能耗（AerationEnergy，AE）和泵送能耗（PumpingEnergy，PE）。其中 AE 和 PE 的數(shù)學(xué)計(jì)算式見(jiàn)式（2）。

式（2）中， B_so 和 S_o 分別表示BSM1系統(tǒng)和出水的溶解氧濃度； V_i 表示曝氣池的體積； K_La 表示轉(zhuǎn)換因子，用于將功率和時(shí)間的乘積轉(zhuǎn)換為能量消耗量；Ψ_tΨ_t 表示單元， ，t∈T，t=1，2，3，4，5°Q_a?Q_r 和 Q_w 分別表示BSM1系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)回流量、系統(tǒng)外的循環(huán)回流量和污泥排放量。此時(shí)的BSM1污水處理多目標(biāo)影響因素模型見(jiàn)式（3）。

J=*min（β₁?（AE+PE）+β₂?EQ）

式（3）中， ?β₁ 和 β₂ 皆表示權(quán)重系數(shù)，且滿足 β₁+ β₂=1 。

1.2基于改進(jìn)活性污泥法的水污染處理

由于一般的污水處理參數(shù)指標(biāo)受天氣變化影響。因此，引入KMTOA算法。該算法受參數(shù)變化影響較小。研究隨機(jī)以溶解氧濃度和硝態(tài)氮濃度為關(guān)鍵影響指標(biāo)，建立了KMTOA分子位置信息示意圖。見(jiàn)圖2。

由圖2可知，兩種顏色的圓圈分別代表了溶解氧濃度和硝態(tài)氮濃度分子。通過(guò)KMTOA，使得兩類(lèi)分子的位置信息不斷更新，此時(shí)的橫縱坐標(biāo)不斷變化。在運(yùn)行BSM1結(jié)束后，從而檢測(cè)出最佳配比的溶解氧濃度和硝態(tài)氮濃度分子。再代入到式（1）和式（2）中從而計(jì)算出此時(shí)的水質(zhì)和能耗。整個(gè)過(guò)程可分為解空間設(shè)定、分子位置設(shè)定和位置信息更新。解空間設(shè)定指的是根據(jù)設(shè)定的BSM1溶解氧濃度和硝態(tài)氮濃度，選擇KMTOA分子對(duì)應(yīng)的求解范圍，即可能值區(qū)域。分子位置設(shè)定指通過(guò)選擇記憶和剔除的方式對(duì)于無(wú)法移動(dòng)向最優(yōu)解區(qū)域的分子解進(jìn)行篩選，從而加速算法的運(yùn)行。位置信息更新則是通過(guò)KMTOA分子位置變換來(lái)實(shí)時(shí)更新溶解氧濃度和硝態(tài)氮濃度。其中單個(gè)分子的速度和位置更新計(jì)算式見(jiàn)式（4）。

式（4）中， d 表示迭代次數(shù)， d∈D;v_i（d） 表示分子的移動(dòng)速度； x_i（d） 表示分子的位置； a_i 表示分子移動(dòng)的加速度。適應(yīng)度表示求解的KMTOA分子解的好壞，研究結(jié)合前文總結(jié)的污水處理節(jié)能多目標(biāo)影響因素模型，定義個(gè)體適應(yīng)度等同于式（3），則此時(shí)結(jié)合BSM1模型和KMTOA的污水處理實(shí)現(xiàn)最佳水質(zhì)的計(jì)算式見(jiàn)式（5）。

F（S_o，S_N0，e）=β₁?EQ（S_o，S_N0，e）+β₂?AE（S_o，S_N0，e）

式（5）中， F（S_o，S_N0，e） ）表示污水處理后出水的最佳溶解氧濃度和硝態(tài)氮濃度。此時(shí)最低能耗函數(shù)如式（6）所示。

E（S_o，S_N0，e）=K_La^p?v_i?S_o+K_La^q?r（S_N0，e）

式（6）中， K_La^p 和 K_La^q 皆表示轉(zhuǎn)換系數(shù)，即將操作參數(shù)轉(zhuǎn)換為能耗； r（S_N0，e ）表示硝態(tài)氮濃度對(duì)泵送能耗的影響函數(shù)。綜上所述，污水處理是一個(gè)循環(huán)過(guò)程。將處理后的污水?dāng)?shù)據(jù)輸入到優(yōu)化策略模塊中，首先選定優(yōu)化周期，即污水處理天數(shù)。其次在ASP技術(shù)的處理基礎(chǔ)上，引入KMTOA算法進(jìn)行優(yōu)化，求解最優(yōu)解，如溶解氧濃度和硝態(tài)氮濃度的最佳值。將最優(yōu)解數(shù)值再次輸入到ASP技術(shù)中，進(jìn)而調(diào)整污水處理的相關(guān)約束限制，最終達(dá)到最優(yōu)值的出水水質(zhì)和最低的污水處理能耗。

2污水處理節(jié)能優(yōu)化性能測(cè)試

測(cè)試的CPU采用IntelCoreTMi7-9700CPU @ 3.00GHz×16 ，GPU采用NVIDIAGeForceRTX1660。編譯環(huán)境采用MATLAB2018b，BSM1上的所有數(shù)據(jù)在Ubuntun上運(yùn)行實(shí)現(xiàn)。采用污水處理廠能源消耗數(shù)據(jù)集和城市規(guī)模與水質(zhì)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)作為測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)源。以污水處理時(shí)間為指標(biāo)，引入同類(lèi)型較為流行的污水處理技術(shù)模型進(jìn)行對(duì)比。例如基于人工智能的膜生物反應(yīng)器（AI-EnhancedMembraneBioreactor，AI-MBR）、智能優(yōu)化曝氣控制系統(tǒng)（In-telligentAerationControlSystem，IACS）和人工智能輔助的厭氧氨氧化（AI-AssistedAnammox，AI-Anammox）。測(cè)試的結(jié)果見(jiàn)圖3。

在相同的污水處理量下，以 350m³ 為例，AI-MBR技術(shù)的處理時(shí)間更長(zhǎng)為5.7小時(shí)，其次為IACS的5.1小時(shí)和AI-Anammox的4.7小時(shí)，而研究所提技術(shù)模型的處理時(shí)間為3.6小時(shí)。因此，可以說(shuō)明研究所提技術(shù)在處理時(shí)間層面具有一定的優(yōu)越性。研究以晴天、雨天和暴雨天，不同的污水環(huán)境為變量，測(cè)試不同處理技術(shù)下的溶解氧濃度和硝態(tài)氮濃度與COD濃度變化以及處理所用的能耗進(jìn)行比較。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。

由圖4和圖5可知，四類(lèi)污水處理技術(shù)在晴天和雨天的溶解氧濃度與硝態(tài)氮、COD濃度變化都符合正常規(guī)律，損耗電能對(duì)比其他方法最低。說(shuō)明實(shí)驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)具有可靠性。研究量化數(shù)據(jù)，以曝氣能耗、泵送能耗和總能耗進(jìn)一步測(cè)試了以上不同技術(shù)的平均每日能耗變化，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，研究所提技術(shù)在節(jié)能、效率及經(jīng)濟(jì)成本方面最具優(yōu)勢(shì)，而其他三類(lèi)污水處理技術(shù)則有較大的改進(jìn)空間。

3結(jié)論

城市化進(jìn)程加快和環(huán)境保護(hù)需求增加使得污水處理成為重要研究領(lǐng)域。傳統(tǒng)的污水處理方法存在高能耗低效率的問(wèn)題，因此，研究通過(guò)引入KMTOA與BSM1相結(jié)合，提出一種新的污水處理節(jié)能技術(shù)，通過(guò)分子位置變換來(lái)實(shí)時(shí)更新溶解氧濃度和硝態(tài)氮濃度，結(jié)合BSM1模型，檢測(cè)出最佳配比的溶解氧濃度和硝態(tài)氮濃度分子，優(yōu)化溶解氧和硝態(tài)氮濃度，最終達(dá)到最優(yōu)值的出水水質(zhì)和最低的污水處理能耗，提高處理效率。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，與其他方法在處理污水效率進(jìn)行了比較，研究提出的方法的每日總能耗分別為3267.91千瓦時(shí)和4554.72千瓦時(shí)。綜上所述，研究提出的節(jié)能優(yōu)化技術(shù)在應(yīng)用中可以解決污水處理高能耗低效率的問(wèn)題。

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