一种矩形二沉池的实时评估系统及实时评估方法与流程

1.本发明涉及环境保护技术领域，尤其涉及一种矩形二沉池的实时评估系统及实时评估方法。


背景技术：

2.二沉池是传统城镇污水处理厂的重要组成部分，其主要原理为通过重力沉淀实现污泥浓缩与泥水分离，为活性污泥系统持续提供回流污泥，是保障城镇生活污水处理厂出水达标的关键单元。矩形二沉池是一种构型不同于传统幅流式二沉池、竖流式二沉池及平流式二沉池，其矩形结构形式更有利于水厂进行整体的平面布置，具有土地利用率高、节地效果好、表面水力负荷高等优点。目前，矩形二沉池被广泛应用于地下式污水处理厂中或对占地有较高要求的地上式污水厂中。
3.矩形二沉池的运行效果和运行稳定性受工艺设计参数、工艺运行参数、运行状态情况等多种因素影响。其中，(1)工艺设计参数包括表面水力负荷、固体负荷、水力停留时间、有效水深、配水孔孔径与间距、池体宽度与深度等；(2)工艺运行参数，如污泥浓缩层高度、泥水界面高度、竖向污泥浓度分布、清水层高度、污泥回流量、回流污泥浓度、出水悬浮物浓度、出水磷酸盐与硝酸盐浓度等；(3)工艺运行效果，如出水带泥情况、池面飘泥情况、流量分配情况、配水孔/配水渠均匀情况等。
4.上述影响因素虽然在设计阶段考虑较多，但在实际运行中，运行人员仅可依靠有限的仪表和效率低下的化验手段监测二沉池的运行参数，而其运行效果则更多地需要通过运行人员目视观察出水状态及池面浮泥状态等来判断，因此存在简单粗放、延迟滞后、效率低下等弊端，无法有效控制二沉池长期处于良好运行状态。
5.此外，由于矩形二沉池被广泛应用于地下式污水处理厂中，其池体多为封闭或半封闭形式，实际运行中运行人员难以准确观察二沉池的运行状态。矩形二沉池作为一种不同于传统二沉池的新技术，其运行效果与运行稳定性的实时监测、科学评估极为重要，对于指导运行人员针对性的调整二沉池运行工况，保证城镇污水处理厂稳定运行具有重要意义。
6.cn104090488a公开了污水厂自动实时控制溶解氧、污泥负荷和污泥龄的方法，通过剩余污泥流量计、剩余污泥浓度计、出水污泥浓度计、二沉池泥位计等实现二沉池常规参数的简单监测。
7.cn112807759a公开了一种污水处理厂二沉池均匀排泥系统及其控制方法，该方法主要通过设置限流阀，使不同二沉池通过排泥管进入污泥回流池的流量相同。
8.cn113788540b公开了浸没式主动红外自清洗二沉池污泥层感应装置及方法，该方法仅关注了二沉池泥位的精准控制。
9.综上，现有矩形二沉池的运行效果主要依靠有限仪表、效率较低的化验方法以及人工经验来判断，存在简单粗放、延迟滞后、效率低下等问题。


技术实现要素：

10.鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种矩形二沉池的实时评估系统及实时评估方法，所述实时评估系统适用于城镇污水处理厂的矩形二次沉淀池，通过构建合理指标体系，提出评估指标实时获取方法，形成针对矩形二沉池的高效、科学、实时评估方法，指导实际运行生产。
11.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
12.第一方面，本发明提供一种矩形二沉池的实时评估系统，所述实时评估系统包括：
13.实时采集实时数据的在线仪表组；
14.用于将所述在线仪表组中实时数据传输至中控系统的数据传输系统；
15.所述中控系统包括根据所述实时数据计算评估指标的指标计算模块、标准化评估指标的标准化模块、确定各评估指标权重的确权模块以及根据标准化评估指标的组合权重计算实时评估指数的评估指数计算模块；
16.所述评估指标包括工艺设计参数d、工艺运行参数o和工艺运行效果e三个维度。
17.本发明通过构建工艺设计参数、工艺运行参数和工艺运行效果三个维度评估指标的指标体系，形成适用于矩形二沉池的实时评估系统与方法，能够实时评估矩形二沉池的运行效果，有效指导实际运行生产与优化提升。
18.本发明优选选择三个维度的指标，能够从工艺运行、效果以及设计三方面综合入手对矩形二沉池进行实施评估，评估的准确性更高。
19.优选地，所述在线仪表组包括流量测量装置、污泥浓度测量装置、液位装置、污泥界面测量装置、悬浮物浓度测量装置或硝酸盐氮在线分析装置中的任意一种或至少两种的组合。
20.优选地，所述流量测量装置包括设置在进水渠内的第一流量测量装置和污泥回流渠内的第二流量测量装置。
21.优选地，所述污泥浓度测量装置包括进水渠内的第一污泥浓度测量装置、矩形二沉池底部的第二污泥浓度测量装置和污泥浓缩层之间距离二沉池底部l处设置的第三污泥浓度测量装置。
22.优选地，所述液位装置包括矩形二沉池的池表面设置的液位计。
23.优选地，所述污泥界面测量装置设置在矩形二沉池内。
24.优选地，所述悬浮物浓度测量装置设置在出水渠内。
25.优选地，所述硝酸盐氮在线分析装置包括进水渠的第一硝酸盐氮在线分析装置、出水渠的第二硝酸盐氮在线分析装置和污泥回流渠内的第三硝酸盐氮在线分析装置。
26.优选地，所述工艺设计参数d中评估指标包括表面水力负荷d1、固体负荷d2和水力停留时间d3。
27.优选地，所述工艺运行参数o中评估指标包括污泥浓缩层高度o1、清水层高度o2、污泥回流量o3、回流污泥浓度o4、水力迹线平均值o5和污泥停留时间o6。
28.优选地，所述工艺运行效果e中评估指标包括出水悬浮物浓度e1、出水浮泥当量e2、硝酸盐氮反硝化率e3和出水堰负荷e4。
29.优选地，所述指标计算模块包括工艺设计参数d计算部、工艺运行参数o计算部和工艺运行效果e计算部。
30.本发明优选选用上述指标作为三个维度的指标，具有如下效果：
31.(1)对于矩形二沉池的设计而言，其表面水力负荷、固体负荷、水力停留时间是对其实际运行效果影响最大的设计参数，这三个设计参数既需要在工艺设计阶段选取正确，也需要在运行维护阶段保证处于相对合理范围；
32.(2)对于矩形二沉池的运行维护而言，除了上述三个设计阶段参数外，污泥浓缩层高度、清水层高度、污泥回流量、回流污泥浓度、水力迹线平均值和污泥停留时间，这些参数既有内在联系，也同样重要；其中，清水层高度相对越高，则矩形二沉池抗冲击负荷高、出水带泥情况将减少；污泥回流量和污泥回流浓度一方面影响着污泥浓缩层高度和清水层高度，另一方面，污泥回流量和污泥回流浓度的升高也通常发生在污泥停留时间偏长的情况下，易导致矩形二沉池出水水质和效果变差；而水力迹线平均值则代表着矩形二沉池内水力流态的好坏，水力流态的好坏直接影响其污泥浓缩效果和沉淀效果；
33.(3)对于矩形二沉池的运行效果而言，出水悬浮物浓度是能够最直观反应二沉池运行效果的传统有效监测手段；而出水浮泥当量一般通过人为判断，但本发明通过神经网络模型实现了自动实时监测，更为高效科学；硝酸盐反硝化率则主要用来衡量目标二沉池是否发生严重反硝化情况，该情况通常会导致大量浮泥上浮、影响水质，因此也极为重要；此外，出水堰负荷是衡量矩形二沉池实际负荷的重要参数，对其的监测可有效防止二沉池超负荷而导致出水水质变差。
34.综上，本发明优选通过上述十三个评估指标进行综合评估，能够更加全面准确的对二沉池的状态进行实时评估。
35.优选地，所述工艺设计参数d计算部包括根据式(1)计算表面水力负荷d1的d1部，式(1)中d1为表面水力负荷，单位为m3/(m2·
h)。q为进水流量，单位为m3/h；b和l分别为矩形二沉池的池宽和池长，单位均为m；
[0036][0037]
优选地，所述工艺设计参数d计算部包括根据式(2)计算固体负荷d2的d2部。式(2)中：d2为固体负荷，单位为kg/(m2·
h)；qr为污泥回流量，单位为m3/h；c1、c2、c3分别为矩形二沉池进水渠、底部、距底部l处的污泥浓度，单位为g/l；qr为矩形二沉池污泥回流泵的流量，单位为m3/h，
[0038][0039]
优选地，所述污泥浓度采用vs＝a
·
e-bc
进行拟合，式中vs为区域沉降速率，单位为m3/(m2·
h)；a为自由沉降速率，单位为m3/(m2·
h)；b为沉降参数，单位为l/g；c为污泥浓度，单位为g/l。
[0040]
本发明优选对目标矩形二沉池，首先进行沉降速率和污泥浓度间相互关系的测试实验，得到沉降速率-污泥浓度拟合公式vs＝a
·
e-bc
，然后再测得污泥浓度，检测数据更准确。
[0041]
优选地，所述工艺设计参数d计算部包括根据式(3)计算水力停留时间d3的d3部，式(3)中d3为水力停留时间，单位为h。h
t
为液面高度，单位为m；hs为污泥界面仪测量得到的污泥浓缩层高度，单位为m，
[0042][0043]
优选地，所述工艺运行参数o计算部通过设置在矩形二沉池内的1个污泥界面测量装置，实时采集、记录周矩形二沉池的污泥层高度hs，记为污泥浓缩层高度o1。
[0044]
优选地，所述工艺运行参数o计算部包括根据式(4)计算清水层高度o2的o2部，式(4)中o2为清水层高度，单位为m。h
t
为液面高度，单位为m；hs为污泥界面仪测量得到的污泥浓缩层高度，单位为m，
[0045]
o2＝h
t-hsꢀꢀ
式(4)。
[0046]
优选地，所述工艺运行参数o计算部通过设置在矩形二沉池的污泥回流渠内的1个流量测量装置，实时采集、记录矩形二沉池的污泥回流量qr，记为污泥回流量o3。
[0047]
优选地，所述工艺运行参数o计算部通过设置在矩形二沉池底部的1个污泥浓度测量装置，实时采集、记录测试点位对应的污泥浓度为c2，该浓度即为回流污泥浓度o4。
[0048]
优选地，所述工艺运行参数o计算部包括根据式(5)计算水力迹线平均值o5的o5部，式(5)中o5为水力迹线平均值，单位为m。n为矩形二沉池出口端面平均分布的计算节点；i为矩形二沉池出口端面第i个的计算节点；ji为第i个计算节点的迹线长度，单位为m；
[0049][0050]
本发明中所述水力迹线平均值o5的测量优选包括如下步骤：
[0051]
a.针对目标矩形二沉池，建立长宽高符合目标池体的数值计算三维模型，三维模型采用全六面体结构化网格划分；
[0052]
b.以矩形二沉池出口端面为基准，在出口端面上取50～100个平均分布的计算节点，采用计算流体力学软件，基于连续性方程、动量方程和标准κ-ε模型进行单相流动的数值模拟计算，也可根据连续性方程、动量方程和湍流模型自编程序进行单相流动的数值模拟计算；
[0053]
c.根据数值计算结果，得到上述所有计算节点的迹线长度，并根据公式(5)计算得到水力迹线平均值o5。
[0054]
优选地，所述工艺运行参数o计算部包括根据式(6)计算污泥停留时间o6的o6部，式(6)中o6为污泥停留时间，单位为h。vs为污泥部分总容积，单位为m3；
[0055][0056]
优选地，所述工艺运行效果e计算部包括根据式(7)计算出水悬浮物浓度e1的e1部，式(7)中e1为出水悬浮物浓度，单位为mg/l。s
eff
为悬浮物浓度计实时采集、记录的出水悬浮物浓度，单位为mg/l；
[0057]
e1＝s
eff
ꢀꢀ
式(7)；
[0058]
优选地，所述工艺运行效果e计算部包括依据出水渠水面图像对对出水渠水面浮泥进行识别与计数的e2部。
[0059]
优选地，所述e2部中含有对出水渠水面图像进行标注和训练的深度神经网络模型
构建模组。
[0060]
优选地，所述工艺运行效果e计算部包括根据式(8)计算出水浮泥当量e2的e2部，式(8)中e2为出水浮泥当量，单位为个/min。m为记录到的出水渠水面浮泥数量，单位为个；t为图像采集时间间隔，单位为min；
[0061][0062]
优选地，所述工艺运行效果e计算部包括依据出水渠水面图像对出水浮泥当量e2进行识别与计数的e2部。
[0063]
优选地，所述e2部中含有对出水渠水面图像进行标注和训练的深度神经网络模型构建模组。
[0064]
本发明所述e2部中具体包括：在矩形二沉池出水渠上设置图像采集装置，优选所述图像采集装置旁设置辅助光照设备，保证图像采集区域内的光照均匀度大于0.75，实时采集出水渠水面图像并传输至中控系统；对采集的图像进行灰度化处理与直方图均衡化处理，建立出水浮泥检测深度神经网络模型，并对出水渠水面浮泥进行识别与计数。
[0065]
优选地，所述建立出水浮泥检测深度神经网络模型包括以下步骤：i.采集历史数据库中含有水面浮泥的实时图像作为样本图像集合；ii.对样本图像集合中的水面浮泥进行标注，得到浮泥样本标注图像集合；iii.将浮泥样本标注图像集合输入初始神经网络进行训练，得到出水浮泥检测深度神经网络模型；
[0066]
优选地，所述将浮泥样本标注图像集合输入初始神经网络进行训练，得到出水浮泥检测深度神经网络模型包括以下步骤：i.将浮泥样本标注图像集合分为训练样本图像集合和测试样本图像集合，训练样本图像集合和测试样本图像集合的比例为3:1；ii.将训练样本图像集合输入初始神经网络进行训练，所述初始神经网络采用cnn卷积神经网络，得到出水浮泥检测深度神经网络模型；iii.利用测试样本图像集合对出水浮泥检测深度神经网络模型进行测试；iv.在未得到计数成功的含有水面浮泥的测试样本图像时，则根据该未得到计数成功的含有水面浮泥的测试样本图像对出水浮泥检测深度神经网络模型进行优化更新，得到优化更新后的出水浮泥检测深度神经网络模型。
[0067]
优选地，所述工艺运行效果e计算部包括根据式(9)计算硝酸盐氮反硝化率e3的e3部，式(9)中e3为硝酸盐氮反硝化率，单位为％。n
inf
为矩形二沉池进水硝酸盐氮浓度，单位为mg/l；n
eff
为矩形二沉池出水硝酸盐氮浓度，单位为mg/l；nr为矩形二沉池回流污泥硝酸盐氮浓度，单位为mg/l；
[0068][0069]
优选地，所述工艺运行效果e计算部包括计算出水堰负荷e4的e4部。
[0070]
优选地，所述工艺运行效果e计算部还包括依据出水堰实时图像和历史数据构建的水头标注模型计算计算出出水堰负荷e4的e4部。
[0071]
优选地，所述e4部中包括对历史数据中出水堰实时图像进行标注和神经网络训练的水头标注模型构建模组。
[0072]
优选地，所述e4部包括：在平行于出水堰外合适位置上设置图像采集装置，拍摄出
水堰实时图像并传输至中控系统；利用历史数据库中处理后的出水堰实时图像构建出水堰作用水头标注模型；将拍摄得到的出水堰实时图像输入出水堰作用水头标注模型进行标注，得到出水堰作用水头标注图像；利用出水堰作用水头标注图像中插入出水堰水体中的标准尺刻度值分析得到出水堰作用水头高度hw；计算出出水堰负荷e4。
[0073]
优选地，所述利用历史数据库中处理后的出水堰实时图像构建出水堰作用水头标注模型包括以下步骤：i.采集历史数据库中含有待识别的出水堰作用水头的实时图像作为样本图像集合；ii.对样本图像集合中的出水堰作用水头进行标注，得到作用水头样本标注图像集合；iii.将作用水头样本标注图像集合输入初始神经网络进行训练，得到出水堰作用水头标注模型。
[0074]
优选地，所述将作用水头样本标注图像集合输入初始神经网络进行训练，得到出水堰作用水头标注模型包括以下步骤：i.将作用水头样本标注图像集合分为训练样本图像集合和测试样本图像集合，训练样本图像集合和测试样本图像集合的比例为5:1；ii.将训练样本图像集合输入初始神经网络进行训练，得到出水堰作用水头标注模型；iii.利用测试样本图像集合对出水堰作用水头标注模型进行测试；iv.在未得到标注成功的含有待识别的出水堰作用水头的测试样本图像时，则根据该未得到标注成功的含有待识别的出水堰作用水头的测试样本图像对出水堰作用水头标注模型进行优化更新，得到优化更新后的出水堰作用水头标注模型。
[0075]
优选地，所述初始神经网络采用cnn卷积神经网络。
[0076]
优选地，所述图像采集装置旁设置辅助光照设备，保证图像采集区域内的光照均匀度大于0.75。
[0077]
优选地，当出水堰为锯齿堰时，根据公式(10)计算出水堰负荷e4。式(10)中e4为出水堰负荷，单位为l/(m
·
s)；k为锯齿堰所含三角堰个数；θ为锯齿堰所含三角堰顶角角度，单位为
°
；hw为出水堰作用水头高度，单位为m；μ为流量系数，当θ＝90
°
时取0.593，当θ＝60
°
时取0.596；lw为出水堰堰长，单位为m；
[0078][0079]
优选地，当出水堰为水平堰时，所述e4部根据公式(11)计算出水堰负荷e4。式(11)中e4为出水堰负荷，单位为l/(m
·
s)；hw为出水堰作用水头高度，单位为m；lw为出水堰堰长，单位为m；
[0080][0081]
优选地，所述标准化模块中包括针对水力停留时间d3、清水层高度o2或水力迹线平均值o5的正效益标准化模型。
[0082]
优选地，所述正效益标准化模型如式(12)所示，式(12)ri为标准化后的评估指标。ci为待标准化的评估指标，包括水力停留时间d3、清水层高度o2或水力迹线平均值o5；c
max
为评估指标实时获取系统所获取的对应评估指标的最大值；c
min
为评估指标实时获取系统所获取的对应评估指标的最小值；
[0083][0084]
优选地，所述标准化模块中包括针对表面水力负荷d1、固体负荷d2、污泥浓缩层高度o1、污泥回流量o3、回流污泥浓度o4、污泥停留时间o6、出水悬浮物浓度e1、出水浮泥当量e2、硝酸盐氮反硝化率e3或出水堰负荷e4的负效益标准化模型。
[0085]
优选地，所述负效益标准化模型如式(13)所示，式(13)中ri为标准化后的评估指标。ci为待标准化的评估指标，包括表面水力负荷d1、固体负荷d2、污泥浓缩层高度o1、污泥回流量o3、回流污泥浓度o4、污泥停留时间o6、出水悬浮物浓度e1、出水浮泥当量e2、硝酸盐氮反硝化率e3、出水堰负荷e4；c
max
为评估指标实时获取系统所获取的对应评估指标的最大值；c
min
为评估指标实时获取系统所获取的对应评估指标的最小值；
[0086][0087]
优选地，所述确权模块包括：
[0088]
对每个评估指标打分的打分部；构建判断矩阵，对打分后的评估指标进行一致性检验与归一化处理的归一部；计算经过一致性检验和归一化处理的各个评估指标的组合权重的权重计算部。
[0089]
优选地，所述评估指数计算模块采用式(14)计算矩形二沉池的实时评估指数。式(14)中si为第i次采样时的决策指数；r
ik
为第i次采样时的第k项评估指标标准化后的数据；wk为第k项评估指标的组合权重；n为评估指标总数；
[0090][0091]
第二方面，本发明提供一种矩形二沉池的实时评估方法，所述实施评估方法采用第一方面所述的矩形二沉池的实时评估系统进行。
[0092]
作为本发明第二方面优选地技术方案，所述实时评估方法包括如下步骤：
[0093]
(1)实时采集实时数据；
[0094]
(2)根据所述实时数据，计算评估指标，所述评估指标包括工艺设计参数d、工艺运行参数o和工艺运行效果e三个维度；
[0095]
(3)将所述评估指标标准化处理，得到标准化评估指标；
[0096]
(4)确定各评估指标的权重；
[0097]
(5)根据标准化评估指标的组合权重，计算实时评估指数。
[0098]
优选地，步骤(1)中所述实时数据包括流量、污泥浓度、液位、污泥界面、悬浮物浓度或硝酸盐氮浓度中的任意一种或至少两种的组合。
[0099]
优选地，所述流量包括设置在进水渠内的第一流量和污泥回流渠内的第二流量。
[0100]
优选地，所述污泥浓度包括进水渠内的第一污泥浓度、矩形二沉池底部的第二污泥浓度和污泥浓缩层之间距离二沉池底部l处设置的第三污泥浓度。
[0101]
优选地，所述液位包括矩形二沉池的池表面的液位。
[0102]
优选地，所述污泥界面为矩形二沉池内的污泥界面。
[0103]
优选地，所述悬浮物浓度为出水渠内的悬浮物浓度。
[0104]
优选地，所述硝酸盐浓度包括进水渠的第一硝酸盐氮浓度、出水渠的第二硝酸盐氮浓度和污泥回流渠内的第三硝酸盐氮浓度。；
[0105]
优选地，步骤(2)中所述工艺设计参数d中评估指标包括表面水力负荷d1、固体负荷d2和水力停留时间d3。
[0106]
优选地，所述工艺运行参数o中评估指标包括污泥浓缩层高度o1、清水层高度o2、污泥回流量o3、回流污泥浓度o4、水力迹线平均值o5和污泥停留时间o6。
[0107]
优选地，所述工艺运行效果e中评估指标包括出水悬浮物浓度e1、出水浮泥当量e2、硝酸盐氮反硝化率e3和出水堰负荷e4。
[0108]
优选地，步骤(3)中所述标准化处理包括：针对水力停留时间d3、清水层高度o2或水力迹线平均值o5的正效益标准化模型。针对表面水力负荷d1、固体负荷d2、污泥浓缩层高度o1、污泥回流量o3、回流污泥浓度o4、污泥停留时间o6、出水悬浮物浓度e1、出水浮泥当量e2、硝酸盐氮反硝化率e3或出水堰负荷e4的负效益标准化模型。
[0109]
优选地，步骤(4)中所述确定各评估指标的权重包括：对每个评估指标打分。构建判断矩阵，对打分后的评估指标进行一致性检验与归一化处理；计算经过一致性检验和归一化处理的各个评估指标的组合权重；
[0110]
优选地，步骤(5)中所述计算实时评估指数包括：采用式(14)计算矩形二沉池的实时评估指数。式(14)中si为第i次采样时的决策指数；r
ik
为第i次采样时的第k项评估指标标准化后的数据；wk为第k项评估指标的组合权重；n为评估指标总数；
[0111][0112]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0113]
(1)本发明提供的矩形二沉池的实时评估系统提出的评估指标体系科学合理，可准确的反应矩形二沉池的运行状态；；
[0114]
(2)本发明提供的矩形二沉池的实时评估系统通过设置一系列仪表、提出一系列算法等途径，构建了评估指标数据的实时获取方法；；
[0115]
(3)本发明提供的矩形二沉池的实时评估方法基于前述评估指标数据的实时获取方法，可得出矩形二沉池的实时评估指数，实现矩形二沉池的实时评估，评估间隔可降低至10～30分钟级别；
[0116]
(4)本发明提供的矩形二沉池的实时评估方法可实现工艺设计参数、工艺运行参数、工艺运行效果多维度实时综合评估，指导实际生产运行，有效解决传统粗放的运行效果评价方法存在的弊端，填补矩形二沉池实时评估系统和方法的空白。
附图说明
[0117]
图1是本发明实施例1提供的矩形二沉池的实时评估系统中评估指标体系图。
[0118]
图2是本发明应用例1提供的矩形二沉池的实时评估方法流程图。
[0119]
图3是本发明应用例1中局部六面体结构网格。
具体实施方式
[0120]
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
[0121]
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
[0122]
实施例1
[0123]
本实施例提供一种矩形二沉池的实时评估系统，所述实时评估系统包括：
[0124]
实时采集实时数据的在线仪表组；用于将所述在线仪表组中实时数据传输至中控系统的数据传输系统；所述中控系统包括根据所述实时数据计算评估指标的指标计算模块、标准化评估指标的标准化模块、确定各评估指标权重的确权模块以及根据标准化评估指标的组合权重计算实时评估指数的评估指数计算模块；所述评估指标包括工艺设计参数d、工艺运行参数o和工艺运行效果e三个维度。
[0125]
所述在线仪表组包括流量测量装置、污泥浓度测量装置、液位装置、污泥界面测量装置、悬浮物浓度测量装置或硝酸盐氮在线分析装置中的任意一种或至少两种的组合；
[0126]
所述流量测量装置包括设置在进水渠内的第一流量测量装置和污泥回流渠内的第二流量测量装置；所述污泥浓度测量装置包括进水渠内的第一污泥浓度测量装置、矩形二沉池底部的第二污泥浓度测量装置和污泥浓缩层之间距离二沉池底部l处设置的第三污泥浓度测量装置；所述液位装置包括矩形二沉池的池表面设置的液位计；所述污泥界面测量装置设置在矩形二沉池内；所述悬浮物浓度测量装置设置在出水渠内；所述硝酸盐氮在线分析装置包括进水渠的第一硝酸盐氮在线分析装置、出水渠的第二硝酸盐氮在线分析装置和污泥回流渠内的第三硝酸盐氮在线分析装置。
[0127]
如图1所示，所述工艺设计参数d中评估指标包括表面水力负荷d1、固体负荷d2和水力停留时间d3；所述工艺运行参数o中评估指标包括污泥浓缩层高度o1、清水层高度o2、污泥回流量o3、回流污泥浓度o4、水力迹线平均值o5和污泥停留时间o6；所述工艺运行效果e中评估指标包括出水悬浮物浓度e1、出水浮泥当量e2、硝酸盐氮反硝化率e3和出水堰负荷e4；
[0128]
所述指标计算模块包括工艺设计参数d计算部、工艺运行参数o计算部和工艺运行效果e计算部；
[0129]
所述工艺设计参数d计算部包括根据式(1)计算表面水力负荷d1的d1部，式(1)中d1为表面水力负荷，单位为m3/(m2·
h)；q为进水流量，单位为m3/h；b和l分别为矩形二沉池的池宽和池长，单位均为m；
[0130][0131]
所述工艺设计参数d计算部包括根据式(2)计算固体负荷d2的d2部；式(2)中：d2为固体负荷，单位为kg/(m2·
h)；qr为污泥回流量，单位为m3/h；c1、c2、c3分别为矩形二沉池进水渠、底部、距底部l处的污泥浓度，单位为g/l；qr为矩形二沉池污泥回流泵的流量，单位为m3/h，
[0132][0133]
所述工艺设计参数d计算部包括根据式(3)计算水力停留时间d3的d3部，式(3)中d3为水力停留时间，单位为h；h
t
为液面高度，单位为m；hs为污泥界面仪测量得到的污泥浓缩层
高度，单位为m，
[0134][0135]
所述工艺运行参数o计算部包括根据式(4)计算清水层高度o2的o2部，式(4)中o2为清水层高度，单位为m；h
t
为液面高度，单位为m；hs为污泥界面仪测量得到的污泥浓缩层高度，单位为m，
[0136]
o2＝h
t-hsꢀꢀ
式(4)；
[0137]
所述工艺运行参数o计算部包括根据式(5)计算水力迹线平均值o5的o5部，式(5)中o5为水力迹线平均值，单位为m；n为矩形二沉池出口端面平均分布的计算节点；i为矩形二沉池出口端面第i个的计算节点；ji为第i个计算节点的迹线长度，单位为m；
[0138][0139]
所述工艺运行参数o计算部包括根据式(6)计算污泥停留时间o6的o6部，式(6)中o6为污泥停留时间，单位为h；vs为污泥部分总容积，单位为m3；
[0140][0141]
所述工艺运行效果e计算部包括根据式(7)计算出水悬浮物浓度e1的e1部，式(7)中e1为出水悬浮物浓度，单位为mg/l；s
eff
为悬浮物浓度计实时采集、记录的出水悬浮物浓度，单位为mg/l；
[0142]
e1＝s
eff
ꢀꢀ
式(7)；
[0143]
所述工艺运行效果e计算部包括根据式(8)计算出水浮泥当量e2的e2部，式(8)中e2为出水浮泥当量，单位为个/min；m为记录到的出水渠水面浮泥数量，单位为个；t为图像采集时间间隔，单位为min；
[0144][0145]
所述工艺运行效果e计算部包括根据式(9)计算硝酸盐氮反硝化率e3的e3部，式(9)中e3为硝酸盐氮反硝化率，单位为％；n
inf
为矩形二沉池进水硝酸盐氮浓度，单位为mg/l；n
eff
为矩形二沉池出水硝酸盐氮浓度，单位为mg/l；nr为矩形二沉池回流污泥硝酸盐氮浓度，单位为mg/l；
[0146][0147]
所述工艺运行效果e计算部包括计算出水堰负荷e4的e4部；
[0148]
当出水堰为锯齿堰时，根据公式(10)计算出水堰负荷e4；式(10)中e4为出水堰负荷，单位为l/(m
·
s)；k为锯齿堰所含三角堰个数；θ为锯齿堰所含三角堰顶角角度，单位为
°
；hw为出水堰作用水头高度，单位为m；μ为流量系数，当θ＝90
°
时取0.593，当θ＝60
°
时取0.596；lw为出水堰堰长，单位为m；
[0149][0150]
当出水堰为水平堰时，所述e4部根据公式(11)计算出水堰负荷e4；式(11)中e4为出水堰负荷，单位为l/(m
·
s)；hw为出水堰作用水头高度，单位为m；lw为出水堰堰长，单位为m；
[0151][0152]
所述标准化模块中包括针对水力停留时间d3、清水层高度o2或水力迹线平均值o5的正效益标准化模型；
[0153]
所述正效益标准化模型如式(12)所示，式(12)ri为标准化后的评估指标；ci为待标准化的评估指标，包括水力停留时间d3、清水层高度o2或水力迹线平均值o5；c
max
为评估指标实时获取系统所获取的对应评估指标的最大值；c
min
为评估指标实时获取系统所获取的对应评估指标的最小值；
[0154][0155]
所述标准化模块中包括针对表面水力负荷d1、固体负荷d2、污泥浓缩层高度o1、污泥回流量o3、回流污泥浓度o4、污泥停留时间o6、出水悬浮物浓度e1、出水浮泥当量e2、硝酸盐氮反硝化率e3或出水堰负荷e4的负效益标准化模型；
[0156]
所述负效益标准化模型如式(13)所示，式(13)中ri为标准化后的评估指标；ci为待标准化的评估指标，包括表面水力负荷d1、固体负荷d2、污泥浓缩层高度o1、污泥回流量o3、回流污泥浓度o4、污泥停留时间o6、出水悬浮物浓度e1、出水浮泥当量e2、硝酸盐氮反硝化率e3、出水堰负荷e4；c
max
为评估指标实时获取系统所获取的对应评估指标的最大值；c
min
为评估指标实时获取系统所获取的对应评估指标的最小值；
[0157][0158]
所述确权模块包括：对每个评估指标打分的打分部；构建判断矩阵，对打分后的评估指标进行一致性检验与归一化处理的归一部；计算经过一致性检验和归一化处理的各个评估指标的组合权重的权重计算部。
[0159]
所述评估指数计算模块采用式(14)计算矩形二沉池的实时评估指数；式(14)中si为第i次采样时的决策指数；r
ik
为第i次采样时的第k项评估指标标准化后的数据；wk为第k项评估指标的组合权重；n为评估指标总数；
[0160][0161]
应用例1
[0162]
本应用例提供一种利用实施例1中实时评估系统的实时评估方法，以贵阳某地下式污水处理厂为例，如图2所示，针对该污水处理厂配套的矩形二沉池的实时评估方法包括如下步骤：
[0163]
(1)实时采集实时数据，并实时传输至中控系统；具体包括：
[0164]
①
在矩形二沉池的进水渠内设置1个流量计，实时采集、记录矩形二沉池的进水流量q；
[0165]
②
在矩形二沉池的进水渠内设置1个污泥浓度计，实时采集、记录测试点位对应的污泥浓度为c1；在矩形二沉池底部设置1个污泥浓度计，实时采集、记录测试点位对应的污泥浓度为c2；在污泥浓缩层之间、距离二沉池底部l处设置1个污泥浓度计，实时采集、记录测试点位对应的污泥浓度为c3；
[0166]
③
在矩形二沉池的污泥回流渠内设置1个流量计，实时采集、记录矩形二沉池的污泥回流泵的流量qr；
[0167]
④
在矩形二沉池的池表面上设置1个液位计(包括但不限于超声波液位计、微波液位计、电容式液位计等)，实时采集、记录矩形二沉池的液面高度h
t
；
[0168]
⑤
在矩形二沉池内设置1个污泥界面仪，实时采集、记录矩形二沉池的污泥层高度hs；
[0169]
⑥
在矩形二沉池的出水渠内设置1个悬浮物浓度计，实时采集、记录出水悬浮物浓度s
eff
；
[0170]
⑦
在矩形二沉池的进水渠、出水渠、污泥回流渠内分别设置1个硝酸盐氮在线分析仪，实时采集、记录进水、出水及回流污泥的硝酸盐氮浓度n
inf
、n
eff
、nr；
[0171]
(2)根据所述实时数据，计算评估指标；所述评估指标包括工艺设计参数d、工艺运行参数o和工艺运行效果e三个维度；具体如下：
[0172]
1)工艺设计参数d维度：
[0173]
①
表面水力负荷d1：根据式(1)实时计算出表面水力负荷d1：
[0174][0175]
式(1)中：d1为表面水力负荷，单位为m3/(m2·
h)；q为进水流量，单位为m3/h；b和l分别为矩形二沉池的池宽和池长，对于目标地下式污水处理厂的矩形二沉池分别为7m、80m。
[0176]
②
固体负荷d2：
[0177]
a.对于目标矩形二沉池，首先进行沉降速率和污泥浓度间相互关系的测试实验，得到沉降速率-污泥浓度拟合公式vs＝a
·
e-bc
＝8.6
·
e-0.855c；式中：vs为区域沉降速率，单位为m3/(m2·
h)；a为自由沉降速率，单位为m3/(m2·
h)；b为沉降参数，单位为l/g；c为污泥浓度，单位为g/l。
[0178]
b.根据公式(2)实时计算出固体负荷d2：
[0179][0180]
式(2)中：d2为固体负荷，单位为kg/(m2·
h)；qr为污泥回流量，单位为m3/h；c1、c2、c3分别为矩形二沉池进水渠、底部、距底部l处的污泥浓度，单位为g/l；qr为矩形二沉池污泥回流泵的流量，单位为m3/h。
[0181]
③
水力停留时间d3：根据公式(3)实时计算出水力停留时间d3：
[0182][0183]
式(3)中：d3为水力停留时间，单位为h；h
t
为液面高度，单位为m；hs为污泥界面仪测量得到的污泥浓缩层高度，单位为m。
[0184]
2)工艺运行参数o维度：
[0185]
①
污泥浓缩层高度o1：通过前述设置在矩形二沉池内的1个污泥界面仪，实时采集、记录周矩形二沉池的污泥层高度hs。
[0186]
②
清水层高度o2：根据公式(4)实时计算出清水层高度o2：
[0187]
o2＝h
t-hsꢀꢀ
式(4)
[0188]
式(4)中：o2为清水层高度，单位为m；h
t
为液面高度，单位为m；hs为污泥界面仪测量得到的污泥浓缩层高度，单位为m。
[0189]
③
污泥回流量o3：通过前述设置在矩形二沉池的污泥回流渠(或污泥回流管)内的1个流量计，实时采集、记录矩形二沉池的污泥回流量qr。
[0190]
④
回流污泥浓度o4：通过前述设置在矩形二沉池底部的1个污泥浓度计，实时采集、记录测试点位对应的污泥浓度为c2，该浓度即为回流污泥浓度。
[0191]
⑤
水力迹线平均值o5：
[0192]
a.针对目标矩形二沉池，建立长宽高符合目标池体的数值计算三维模型，如图3所示，三维模型采用全六面体结构化网格划分；
[0193]
b.以矩形二沉池出口端面为基准，在出口端面上取80个平均分布的计算节点，本实施例采用计算流体力学软件(fluent)，基于连续性方程、动量方程和标准κ-ε模型进行单相流动的数值模拟计算，在其他实施例中也可根据连续性方程、动量方程和湍流模型自编程序进行单相流动的数值模拟计算；
[0194]
c.根据数值计算结果，得到上述所有计算节点的迹线长度，并根据公式(5)计算得到水力迹线平均值o5。
[0195][0196]
式(5)中：o5为水力迹线平均值，单位为m；n为矩形二沉池出口端面平均分布的计算节点；i为矩形二沉池出口端面第i个的计算节点；ji为第i个计算节点的迹线长度，单位为m。
[0197]
⑥
污泥停留时间o6：根据公式(6)实时计算污泥停留时间o6：
[0198][0199]
式(6)中：o6为污泥停留时间，单位为h；vs为污泥部分总容积，单位为m3。
[0200]
3)工艺运行效果e维度：
[0201]
①
出水悬浮物浓度e1：根据公式(7)实时计算出水悬浮物浓度e1：
[0202]
e1＝s
eff
ꢀꢀ
式(7)
[0203]
式(7)中：e1为出水悬浮物浓度，单位为mg/l；s
eff
为悬浮物浓度计实时采集、记录的出水悬浮物浓度，单位为mg/l。
[0204]
②
出水浮泥当量e2：
[0205]
a.在矩形二沉池出水渠上设置图像采集装置，实时采集出水渠水面图像并传输至中控系统；
[0206]
b.对采集的图像进行灰度化处理与直方图均衡化处理，建立出水浮泥检测深度神经网络模型，并对出水渠水面浮泥进行识别与计数，最终根据公式(8)计算得出出水浮泥当量e2；
[0207][0208]
式(8)中：e2为出水浮泥当量，单位为个/min；m为记录到的出水渠水面浮泥数量，单位为个；t为图像采集时间间隔，单位为min。
[0209]
所述建立出水浮泥检测深度神经网络模型包括以下步骤：i.采集历史数据库中含有水面浮泥的实时图像作为样本图像集合；ii.对样本图像集合中的水面浮泥进行标注，得到浮泥样本标注图像集合；iii.将浮泥样本标注图像集合输入初始神经网络进行训练，得到出水浮泥检测深度神经网络模型；
[0210]
所述将浮泥样本标注图像集合输入初始神经网络进行训练，得到出水浮泥检测深度神经网络模型包括以下步骤：i.将浮泥样本标注图像集合分为训练样本图像集合和测试样本图像集合，训练样本图像集合和测试样本图像集合的比例为3:1；ii.将训练样本图像集合输入初始神经网络进行训练，得到出水浮泥检测深度神经网络模型；iii.利用测试样本图像集合对出水浮泥检测深度神经网络模型进行测试；iv.在未得到计数成功的含有水面浮泥的测试样本图像时，则根据该未得到计数成功的含有水面浮泥的测试样本图像对出水浮泥检测深度神经网络模型进行优化更新，得到优化更新后的出水浮泥检测深度神经网络模型。
[0211]
所述初始神经网络采用cnn卷积神经网络；所述图像采集装置旁设置辅助光照设备，保证图像采集区域内的光照均匀度为0.80。
[0212]
③
硝酸盐氮反硝化率e3：根据公式(9)实时计算出硝酸盐氮反硝化率e3：
[0213][0214]
式(9)中：e3为硝酸盐氮反硝化率，单位为％；n
inf
为矩形二沉池进水硝酸盐氮浓度，单位为mg/l；n
eff
为矩形二沉池出水硝酸盐氮浓度，单位为mg/l；nr为矩形二沉池回流污泥硝酸盐氮浓度，单位为mg/l。
[0215]
④
出水堰负荷e4：
[0216]
a.在平行于出水堰外合适位置上设置图像采集装置，拍摄出水堰实时图像并传输至中控系统；所述图像采集装置旁设置辅助光照设备，保证图像采集区域内的光照均匀度为0.80；
[0217]
b.利用历史数据库中处理后的出水堰实时图像构建出水堰作用水头标注模型；具体包括以下步骤：i.采集历史数据库中含有待识别的出水堰作用水头的实时图像作为样本
图像集合；ii.对样本图像集合中的出水堰作用水头进行标注，得到作用水头样本标注图像集合；iii.将作用水头样本标注图像集合输入初始神经网络进行训练，得到出水堰作用水头标注模型。
[0218]
所述将作用水头样本标注图像集合输入初始神经网络进行训练，得到出水堰作用水头标注模型包括以下步骤：i.将作用水头样本标注图像集合分为训练样本图像集合和测试样本图像集合，训练样本图像集合和测试样本图像集合的比例为5:1；ii.将训练样本图像集合输入初始神经网络进行训练，得到出水堰作用水头标注模型，所述初始神经网络采用cnn卷积神经网络；iii.利用测试样本图像集合对出水堰作用水头标注模型进行测试；iv.在未得到标注成功的含有待识别的出水堰作用水头的测试样本图像时，则根据该未得到标注成功的含有待识别的出水堰作用水头的测试样本图像对出水堰作用水头标注模型进行优化更新，得到优化更新后的出水堰作用水头标注模型
[0219]
c.将拍摄得到的出水堰实时图像输入出水堰作用水头标注模型进行标注，得到出水堰作用水头标注图像；
[0220]
d.利用出水堰作用水头标注图像中插入出水堰水体中的标准尺刻度值分析得到出水堰作用水头高度hw；
[0221]
e.目标矩形二沉池的出水堰为90
°
锯齿堰，根据公式(10)计算出水堰负荷e4：
[0222][0223]
式中：e4为出水堰负荷，单位为l/(m
·
s)；k为锯齿堰所含三角堰个数，取180；θ为锯齿堰所含三角堰顶角角度，单位为
°
；hw为出水堰作用水头高度，单位为m；μ为流量系数，取0.593；lw为出水堰堰长，单位为m。
[0224]
(3)将所述评估指标标准化处理，得到标准化评估指标；对于水力停留时间d3、清水层高度o2、水力迹线平均值o5，采用正效益模型，见公式(12)。对于表面水力负荷d1、固体负荷d2、污泥浓缩层高度o1、污泥回流量o3、回流污泥浓度o4、污泥停留时间o6、出水悬浮物浓度e1、出水浮泥当量e2、硝酸盐氮反硝化率e3、出水堰负荷e4，采用负效益模型，见公式(13)。
[0225][0226][0227]
式(12)中：ri为标准化后的评估指标；ci为待标准化的评估指标，包括水力停留时间d3、清水层高度o2、水力迹线平均值o5；c
max
为评估指标实时获取系统所获取的对应评估指标的最大值；c
min
为评估指标实时获取系统所获取的对应评估指标的最小值。
[0228]
式(13)中：ri为标准化后的评估指标；ci为待标准化的评估指标，包括表面水力负荷d1、固体负荷d2、污泥浓缩层高度o1、污泥回流量o3、回流污泥浓度o4、污泥停留时间o6、出水悬浮物浓度e1、出水浮泥当量e2、硝酸盐氮反硝化率e3、出水堰负荷e4；c
max
为评估指标实时获取系统所获取的对应评估指标的最大值；c
min
为评估指标实时获取系统所获取的对应评估指标的最小值。
[0229]
本实施例中，标准化后的评估指标见表1。
[0230]
表1
[0231]
采集次数nn+1n+2表面水力负荷d10.590.210.38固体负荷d20.610.450.14水力停留时间d30.260.130.13污泥浓缩层高度o10.250.350.50清水层高度o20.750.170.33污泥回流量o30.460.530.23回流污泥浓度o40.510.560.42水力迹线平均值o50.130.290.46污泥停留时间o60.750.290.84出水悬浮物浓度e10.490.230.23出水浮泥当量e20.500.330.50硝酸盐氮反硝化率e30.250.490.45出水堰负荷e40.630.650.39
[0232]
(4)确定各评估指标的权重；具体包括：
[0233]
通过对评估指标体系中的每个评估指标进行打分；构建判断矩阵，对打分后的评估指标进行一致性检验与归一化处理；最终计算得到计算经过一致性检验和归一化处理的各个评估指标的组合权重。
[0234]
本实施例中，评估指标体系中各个评估指标的组合权重见表2。
[0235]
表2
[0236][0237][0238]
(5)根据标准化评估指标的组合权重，计算实时评估指数。
[0239][0240]
式(14)中：si为第i次采样时的决策指数；r
ik
为第i次采样时的第k项评估指标标准化后的数据；wk为第k项评估指标的组合权重；n为评估指标总数。
[0241]
本实施例中，进一步计算得到目标矩形二沉池的实时评估指数，见下表3。该表中n、n+1、n+2代表第n次实时计算、第n+1次实时计算、第n+2次实时计算，每次实时计算的间隔可缩短至10～30min级别，而常规二沉池的污泥浓度检测等就需要长达24h的检测，滞后严重。因此，运行人员可根据此表格实时判断目标矩形二沉池的运行状态，指导实际生产调控。
[0242]
表3
[0243][0244]
本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。