一种投药量自优化的污泥智能调理系统

所属本发明涉及的是一种投药量自优化的污泥智能调理系统，属于环境保护。

背景技术：

1、城市化进程的推进导致城市用水量与日俱增，污水量也随之增加，污泥作为污水处理过程中的副产物，其排出量也日益增多。据住建部2021年统计数据，中国市政污泥产生量(以干污泥计)约14229015吨，较大的污泥产量使得污泥减量化与资源化成为我国城市发展过程中所面临的重要挑战。与此同时，较高的含水率使得污泥的体积较大，造成了运输、处理、处置等一系列困难，污泥的处置费用也因此一直居高不下。因此，市政剩余污泥的脱水减量尤为必要。目前在污泥调理脱水过程中，调理脱水的数字化与智能化程度较低，大多数污水厂采用实验室人工试验优化的方法确定调理药剂的最佳投加量。然而，由于污泥泥质多变，这种方法优化的调理剂最佳投加量往往并不能与泥质稳定匹配，使得调理投药过程较为粗犷，存在投药不足或投药过量的问题，这不仅会造成污泥管理过程中药剂成本的提高，还会影响整个脱水系统的稳定运行，带来滤布堵塞等一系列问题。因此，有必要提高调理脱水过程的数智化水平，精确控制调理药剂的投加。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供了一种投药量自优化的污泥智能调理系统，其目的是根据污泥调理投药过程中电化学参数ds/fc的变化，实时预测最佳投药量并计算出现有投药量与污泥最佳投药量间的差值，并以此控制药剂投加，且现有投药量越接近最佳投药量，预测越准确。

2、本发明可通过如下技术途径实现：

3、包括电化学阻抗仪、电导电极探头、投药控制系统，根据污泥调理投药过程中污泥的电化学参数ds/fc的动态变化，实时预测出已投药剂量与最佳投药量间的差值，投药过程中ds/fc的每一次变化都迭代对应出一个已投药剂量与最佳投药量间的差值，且已投药剂量越接近最佳投药量，差值预测越准确，根据差值控制药剂的投加，使已投药剂量逐渐逼近最佳投药量，直至调理系统自优化至最佳投药量。

4、根据ds/fc的动态变化计算已投药剂量与最佳投药量间的差值并控制投药的具体步骤为：

5、(1)用连接有电导电极的电化学阻抗仪对污泥进行频率扫描测试，提取ds/fc值，记为p1，检测到p1后，控制系统打开投药泵，投加第一阶段药剂量a0，a0的取值为0.001mg/g干泥-100mg/g干泥，到达阶段投药量后关闭投药泵；

6、(2)电化学阻抗仪执行第二次频率扫描，提取ds/fc值，记为p2，并计算电化学参数ds/fc的变化斜率，计算式为：

7、

8、式中，y2′为第二次频率扫描后电化学参数ds/fc的变化斜率；

9、检测到p2后，控制系统打开投药泵，投加第二阶段药剂量a1，a1的取值为0.001mg/g干泥-100mg/g干泥，到达第二阶段投药量后关闭投药泵，记录此时累计投药量a2，计算式为：

10、a2＝a0+a1

11、(3)电化学阻抗仪执行第三次频率扫描，提取ds/fc值，记为p3，并计算电化学参数ds/fc的变化斜率，计算式为：

12、

13、式中，y3′为第三次频率扫描后电化学参数ds/fc的变化斜率，根据y3′计算出此时已投药剂量与最佳投药量间的差值x3，计算式为：

14、

15、式中，b、c及q为计算系数，b的取值范围为-0.05-0.1，c的取值范围为-0.05-0.1，q的取值范围为0.1-5，检测到x3后，控制系统打开投药泵，投加第三阶段药剂量x3，到达第三阶段投药量后关闭投药泵，并记录第三阶段投药完成后的累计投药量a3：

16、a3＝x3+a2

17、(4)电化学阻抗仪执行第四次频率扫描，提取ds/fc值，记为p4，并计算电化学参数ds/fc的变化斜率，计算式为：

18、

19、式中，y4′为第四次频率扫描后电化学参数ds/fc的变化斜率，判断y′4的绝对值是否在0.001-0.5的范围内：

20、①若在，计算此时已投药剂量与最佳投药量间的差值x4，其计算式为：

21、

22、式中，b、c为计算系数，b的取值范围为-0.05-0.1，c的取值范围为-0.05-0.1，检测到x4后，控制系统打开投药泵，投加第四阶段药剂量x4，到达第四阶段投药量后关闭投药泵，投药结束；

23、②若不在，计算此时已投药剂量与最佳投药量间的差值x4，计算式为：

24、

25、式中，b、c及q为计算系数，b的取值范围为-0.05-0.1，c的取值范围为-0.05-0.1，q的取值范围为0.1-5，检测到x4后，控制系统打开投药泵，投加第四阶段药剂量x4，到达第四阶段投药量后关闭投药泵，并记录第四阶段投药完成后的累计投药量a4：

26、a4＝x4+a3

27、随后，电化学阻抗仪继续进行频率扫描，提取ds/fc值，并继续计算电化学参数ds/fc的变化斜率，计算式为：

28、

29、式中，y′n和y′n-1分别为第n次和第n-1次频率扫描后电化学参数ds/fc的变化斜率，pn和pn-1分别为电化学阻抗仪第n次和第n-1次频率扫描得到的ds/fc值，an-1和an-2分别为第n-1阶段和第n-2阶段投药完成后的累计投药量，若y′n的绝对值在0.001-0.5的范围内，计算此时已投药剂量与最佳投药量间的差值xn，计算式为：

30、

31、式中，b、c为计算系数，b的取值范围为-0.05-0.1，c的取值范围为-0.05-0.1，检测到xn后，控制系统打开投药泵，投加第n阶段药剂量xn，到达第n阶段投药量后，关闭投药泵，投药结束，若y′n的绝对值不在0.001-0.5的范围内，计算此时已投药剂量与可能的最佳投药量间的差值xn，计算式为：

32、

33、式中，b、c及q为计算系数，b的取值范围为-0.05-0.1，c的取值范围为-0.05-0.1，q的取值范围为0.1-5，检测到xn后，控制系统打开投药泵，投加第n阶段药剂量xn，到达第n阶段投药量后，关闭投药泵，并记录第n阶段投药完成后的累计投药量an：

34、an＝xn+an-1

35、随后，电化学阻抗仪继续进行频率扫描，直至第n次频率扫描后电化学参数ds/fc的变化斜率的绝对值在0.001-0.5的范围内。

36、进一步地，ds/fc的计算包括如下步骤：

37、(1)在测试时无需对样品进行特殊处理，仅将电极探头插入待测污泥中进行频率扫描以获取污泥的阻抗实部、虚部及复阻抗模量，并对复阻抗模量进行校正，其校正方法为，校正后的复阻抗模量等于每个扫描频率下对应的复阻抗模量减去最高频率下的复阻抗模量；

38、(2)计算出校正后复阻抗模量突变的临界频率fc，其方法为，所述临界频率为校正后的复阻抗模量的对数值由近似恒定转变为随频率的对数值增加而下降的相关频率点，计算式为：

39、

40、式中，fc为复阻抗模量突变的临界频率，rt和cp分别为污泥絮体双电层界面的电荷转移电阻及双电层电容，其数值用rt和cp的并联电路串联上污泥悬浊液的电荷移动电阻rc的等效电路拟合阻抗实部和虚部数据获取；

41、(3)以临界频率及其所对应的校正后的复阻抗模量为起始端点，对频率-校正后的复阻抗模量曲线做逆傅里叶变换，得到变换后的时间域及阻抗信号的振幅；

42、(4)对所得时间域-阻抗信号振幅曲线做傅里叶变换，得到频率域及阻抗信号振幅的平方，频率与阻抗信号振幅平方的无标度模型为：

43、

44、式中，p为阻抗信号振幅的平方，f为经逆傅里叶转换和傅里叶转换后的扫描频率，ds为电荷运动轨迹的谱维数；

45、(5)根据频率与阻抗信号振幅平方的无标度模型计算出电荷运动轨迹的谱维数ds，计算方法为，以阻抗信号振幅的平方p的对数值为y轴，以经逆傅里叶转换和傅里叶转换后的扫描频率f的对数值为x轴作图，并用线性回归分析对图进行拟合，将所得斜率代入p与f间的无标度模型，即可求得ds；

46、(6)用得到的ds除以临界频率fc，得到ds/fc。

47、其中，所述污泥的类型包括市政剩余污泥、消化污泥、工业废水污泥、河湖底泥、管道沉积物、粪便污泥、有机沼渣、药渣，污泥浓度的范围为3-100g/l；所述药剂包括聚合氯化铝、氯化铝及其水合物、铝盐及其水合物、聚丙烯酰胺、芬顿试剂、三价铁盐及其水合物、二价铁盐及其水合物、聚合硫酸铁、锰盐及其水合物、钛盐及其水合物、镁盐及其水合物、钙盐及其水合物；所述电化学阻抗仪相邻两次执行频率扫描的时间间隔为5s-30min；所述电化学阻抗仪频率扫描过程中施加的正弦电压范围为1-1000mv，扫描频率范围为0.1hz-10mhz。

48、本发明的有益效果是：

49、本发明提出了一种投药量自优化的污泥智能调理系统，与目前现有方法相比，本发明能够实时预测出已投药剂量与最佳投药量间的差值，并以此控制药剂精准投加，有效降低污泥调理脱水过程中的药剂成本，维持脱水系统稳定运行。