重金属废水处理过程协调控制方法

中国污水处理工程网时间：2018-2-26 14:51:20

　　申请日2016.06.21

　　公开(公告)日2016.09.21

　　IPC分类号G05D11/13

　　摘要

　　本发明提供了一种重金属废水处理过程的协调控制方法及装置，方法包括：S1：建立电能消耗优化模型;S2：对建立的电能消耗优化模型采进行求解，获取使得出口重金属离子浓度满足预设阈值以及电能消耗最小的目标电流密度值，目标pH值和目标电导率值;S3：通过控制碱添加量调节废水的pH以及控制电解质添加量调节电导率，使两个参数达到目标pH值和目标电导率值;S4：根据获取的目标电流密度值得到输出电流值，并控制整流器输出所述输出电流值，使得系统以最小的电能消耗运行。本发明提供的协调控制方法能够自动控制相应原料的添加量以及电解电流的大小，使得出口废水重金属离子浓度维持在一个稳定的范围内，进而节约电能和原料资源。

　　摘要附图

　　权利要求书

　　1.一种重金属废水处理过程的协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

　　S1：建立重金属废水处理过程的电能消耗优化模型，使得在出口重金属离子浓度满足预设阈值的情况下电能消耗最小;

　　S2：获取电解槽池待处理废水的入口重金属离子浓度的检测数据，对S1建立的电能消耗优化模型采用状态转移算法进行求解，获取使得出口重金属离子浓度满足预设阈值以及电能消耗最小的目标电流密度值，目标pH值和目标电导率值;

　　S3：对电解槽池待处理废水的pH值和电导率值分析，通过控制碱添加量调节废水的pH以及控制电解质添加量调节电导率，使两个参数的实际值达到S2获取的目标pH值和目标电导率值;

　　S4：根据S2获取的目标电流密度值得到输出电流值，并控制电化学重金属废水处理系统的整流器输出所述输出电流值，使得电化学重金属废水处理系统以最小的电能消耗运行。

　　2.根据权利要求1所述的重金属废水处理过程的协调控制方法，其特征在于，所述S3对电解槽池待处理废水的pH值和电导率值分析，通过控制碱添加量调节废水的pH以及控制电解质添加量调节电导率，使两个参数的实际值达到S2获取的目标pH值和目标电导率值，包括：

　　对电解槽池待处理废水的pH值和电导率值分析，通过模糊前馈解耦控制碱添加量调节废水的pH以及控制电解质添加量调节电导率，使两个参数的实际值达到S2获取的目标pH值和目标电导率值。

　　3.根据权利要求2所述的重金属废水处理过程的协调控制方法，其特征在于，所述通过模糊前馈解耦控制碱添加量调节废水的pH以及控制电解质添加量调节电导率，使两个参数的实际值达到S2获取的目标pH值和目标电导率值，包括：

　　S31：设置pH控制系统和pH值为主控制系统和主被控变量，电导率控制系统和电导率值为从控制系统和从被控变量;

　　S32：给从控系统的执行器一个初始控制信号，使执行器动作至能够使控制系统稳定运行的位置;

　　S33：启动主控制系统的模糊调节机制，使主被控变量调节至第一目标值，所述第一目标值为S2获得的目标pH值;

　　S34：关闭主控制系统的模糊反馈调节，开启从控制系统的模糊反馈调节和对主控制系统的前馈补偿控制，在维持主被控变量不变的情况下将从被控变量调节至第二目标值，所述第二目标值为S2获得的目标电导率值。

　　4.根据权利要求1所述的重金属废水处理过程的协调控制方法，其特征在于，S1中重金属废水处理过程的电能消耗优化模型为：

　　min(Jw)=minfmodel(Dk,pH,K,C0,β)

　　 $s . t \{\begin{matrix} C_{o u t} = f_{B P} (D_{k}, p H, K, C_{0}) \\ C_{o u t} \leq C_{m a x} \\ D_{k} \leq D_{k . m a x} \end{matrix}$

　　其中，Jw为电能;fmodel表示电能消耗模型的通用模型表示形式;fBP为电化学处理过程模型的通用模型表示形式;Dk为电解槽的电解电流密度;pH为待处理废水的pH值大小;K为待处理废水的电导率;C0为入口废水重金属离子浓度;β为待辨识参数;Cout为出口废水中重金属离子浓度;Cmax为出口废水中重金属离子浓度应达到的指标值;Dk.max为电解极板能承受的电流密度上限。

　　5.根据权利要求1所述的重金属废水处理过程的协调控制方法，其特征在于，S4还包括：根据整流器输出电压进行极板消耗检测的步骤，具体包括：实时检测电化学重金属废水处理系统中整流器的输出电压，将输出电压与预设的极板消耗报警电压值进行比较，若所述输出电压大于或等于预设的极板消耗报警电压值，则输出极板更换报警信号。

　　6.一种重金属废水处理过程的协调控制装置，其特征在于，包括：

　　建立单元，用于建立重金属废水处理过程的电能消耗优化模型，使得在出口重金属离子浓度满足预设阈值的情况下电能消耗最小;

　　获取单元，用于获取电解槽池待处理废水的入口重金属离子浓度的检测数据，对所述建立单元建立的电能消耗优化模型采用状态转移算法进行求解，获取使得出口重金属离子浓度满足预设阈值以及电能消耗最小的目标电流密度值，目标pH值和目标电导率值;

　　第一控制单元，用于对电解槽池待处理废水的pH值和电导率值分析，通过控制碱添加量调节废水的pH以及控制电解质添加量调节电导率，使两个参数的实际值达到所述获取单元获取的目标pH值和目标电导率值;

　　第二控制单元，用于根据所述获取单元获取的目标电流密度值得到输出电流值，并控制电化学重金属废水处理系统的整流器输出所述输出电流值，使得电化学重金属废水处理系统以最小的电能消耗运行。

　　7.根据权利要求6所述的重金属废水处理过程的协调控制装置，其特征在于，所述第一控制单元具体用于：

　　对电解槽池待处理废水的pH值和电导率值分析，通过模糊前馈解耦控制碱添加量调节废水的pH以及控制电解质添加量调节电导率，使两个参数的实际值达到所述获取单元获取的目标pH值和目标电导率值。

　　8.根据权利要求7所述的重金属废水处理过程的协调控制装置，其特征在于，所述第一控制单元通过模糊前馈解耦控制碱添加量调节废水的pH以及控制电解质添加量调节电导率，使两个参数的实际值达到所述获取单元获取的目标pH值和目标电导率值，具体包括：

　　设置pH控制系统和pH值为主控制系统和主被控变量，电导率控制系统和电导率值为从控制系统和从被控变量;

　　给从控系统的执行器一个初始控制信号，使执行器动作至能够使控制系统稳定运行的位置;

　　启动主控制系统的模糊调节机制，使主被控变量调节至第一目标值，所述第一目标值为所述获取单元获得的目标pH值;

　　关闭主控制系统的模糊反馈调节，开启从控制系统的模糊反馈调节和对主控制系统的前馈补偿控制，在维持主被控变量不变的情况下将从被控变量调节至第二目标值，所述第二目标值为所述获取单元获得的目标电导率值。

　　9.根据权利要求6所述的重金属废水处理过程的协调控制装置，其特征在于，所述建立单元建立的重金属废水处理过程的电能消耗优化模型为：

　　min(Jw)=minfmodel(Dk,pH,K,C0,β)

　　 $s . t \{\begin{matrix} C_{o u t} = f_{B P} (D_{k}, p H, K, C_{0}) \\ C_{o u t} \leq C_{m a x} \\ D_{k} \leq D_{k . m a x} \end{matrix}$

　　10.根据权利要求6所述的重金属废水处理过程的协调控制装置，其特征在于，所述第二控制单元还用于：

　　实时检测电化学重金属废水处理系统中整流器的输出电压，将输出电压与预设的极板消耗报警电压值进行比较，若所述输出电压大于或等于预设的极板消耗报警电压值，则输出极板更换报警信号。

　　说明书

　　一种重金属废水处理过程的协调控制方法及装置

　　技术领域

　　本发明涉及电化学技术领域，具体涉及一种重金属废水处理过程的协调控制方法及装置。

　　背景技术

　　随着有色金属行业的发展，重金属污染物(如铜、钴、镍等)进入到工业废水中，导致地下水环境重金属污染严重，具有“致癌、致畸、致突变”的巨大危害。在此背景下，开发一种新型高效节能的重金属废水处理技术势在必行。

　　电化学重金属废水处理技术具有施工周期短、运行成本低、处理效果好、设施占地面积小、工艺可自动化程度高、处理范围广、耐冲击负荷强、污泥产生量少、操作和维护简单等优点，因此在重金属废水治理领域得到广泛应用。

　　但现阶段处理重金属废水的电化学技术还存在许多缺陷：在处理重金属时，pH值、电导率和电流值的设定常根据人工经验进行判定，这就使得各重金属氢氧化物的析出情况变化较大，导致出口废水所含重金属离子浓度波动较大，整流器运行功率浪费，电能消耗和原料的浪费。

　　发明内容

　　针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种重金属废水处理过程的协调控制方法及装置，能够自动控制相应原料的添加量以及电解电流的大小，使得出口废水重金属离子浓度维持在一个稳定的范围，进而节约电能和原料资源。

　　第一方面，本发明提供了一种重金属废水处理过程的协调控制方法，包括以下步骤：

　　S1：建立重金属废水处理过程的电能消耗优化模型，使得在出口重金属离子浓度满足预设阈值的情况下电能消耗最小;

　　优选地，所述S3对电解槽池待处理废水的pH值和电导率值分析，通过控制碱添加量调节废水的pH以及控制电解质添加量调节电导率，使两个参数的实际值达到S2获取的目标pH值和目标电导率值，包括：

　　优选地，所述通过模糊前馈解耦控制碱添加量调节废水的pH以及控制电解质添加量调节电导率，使两个参数的实际值达到S2获取的目标pH值和目标电导率值，包括：

　　S31：设置pH控制系统和pH值为主控制系统和主被控变量，电导率控制系统和电导率值为从控制系统和从被控变量;

　　S32：给从控系统的执行器一个初始控制信号，使执行器动作至能够使控制系统稳定运行的位置;

　　S33：启动主控制系统的模糊调节机制，使主被控变量调节至第一目标值，所述第一目标值为S2获得的目标pH值;

　　优选地，S1中重金属废水处理过程的电能消耗优化模型为：

　　min(Jw)=min fmodel(Dk,pH,K,C0,β)

　　 $s . t \{\begin{matrix} C_{o u t} = f_{B P} (D_{k}, p H, K, C_{0}) \\ C_{o u t} \leq C_{m a x} \\ D_{k} \leq D_{k . m a x} \end{matrix}$

　　优选地，S4还包括：根据整流器输出电压进行极板消耗检测的步骤，具体包括：实时检测电化学重金属废水处理系统中整流器的输出电压，将输出电压与预设的极板消耗报警电压值进行比较，若所述输出电压大于或等于预设的极板消耗报警电压值，则输出极板更换报警信号。

　　第二方面，本发明还提供了一种重金属废水处理过程的协调控制装置，包括：

　　建立单元，用于建立重金属废水处理过程的电能消耗优化模型，使得在出口重金属离子浓度满足预设阈值的情况下电能消耗最小;

　　优选地，所述第一控制单元具体用于：

　　优选地，所述第一控制单元通过模糊前馈解耦控制碱添加量调节废水的pH以及控制电解质添加量调节电导率，使两个参数的实际值达到所述获取单元获取的目标pH值和目标电导率值，具体包括：

　　设置pH控制系统和pH值为主控制系统和主被控变量，电导率控制系统和电导率值为从控制系统和从被控变量;

　　给从控系统的执行器一个初始控制信号，使执行器动作至能够使控制系统稳定运行的位置;

　　启动主控制系统的模糊调节机制，使主被控变量调节至第一目标值，所述第一目标值为所述获取单元获得的目标pH值;

　　优选地，所述建立单元建立的重金属废水处理过程的电能消耗优化模型为：

　　min(Jw)=min fmodel(Dk,pH,K,C0,β)

　　 $s . t \{\begin{matrix} C_{o u t} = f_{B P} (D_{k}, p H, K, C_{0}) \\ C_{o u t} \leq C_{m a x} \\ D_{k} \leq D_{k . m a x} \end{matrix}$

　　优选地，所述第二控制单元还用于：

　　由上述技术方案可知，本发明提供了一种重金属废水处理过程的协调控制方法，建立电能消耗优化模型，使得在出口重金属离子浓度满足预设阈值的情况下电能消耗最小;获取电解槽池待处理废水的入口重金属离子浓度的检测数据，对建立的电能消耗优化模型采用状态转移算法进行求解，获取使得出口重金属离子浓度满足预设阈值以及电能消耗最小的目标电流密度值，目标pH值和目标电导率值;根据计算得到的目标pH值和目标电导率值，控制碱添加量和电解质添加量调节实际的pH值和电导率值达到获取的目标pH值和目标电导率值;最后，控制电化学重金属废水处理系统的整流器输出使得整流器运行目标电流值，使得电化学重金属废水处理系统以最小的电能消耗运行。该方法节约了电能和原料资源，稳定了出口废水重金属离子浓度，改变了落后的人工操作模式。