微生物燃料电池污水处理系统及方法与流程

文档序号:25543428发布日期:2021-06-18 20:40
微生物燃料电池污水处理系统及方法与流程

本发明涉及污水处理设备技术领域,具体涉及一种基于改进的遗传模拟退火算法的微生物燃料电池污水处理系统及方法。



背景技术:

现阶段污水处理系统不能有效利用污水中含有的能量,同时处理污水要耗费大量的电能,微生物燃料电池可以在消耗污水中有机物的同时产生电能,是一种新型的清洁能源,且其cod去除率高,将微生物燃料电池与生活污水处理结合具有现实意义。

污水处理时要经过沉降池对污水中的污泥杂质进行沉降,并利用厌氧菌对污泥中的有机物进行分解,但会浪费污水中含有的能量,沉降式微生物燃料电池可以将污泥中有机物的化学能转化为电能,将沉积物微生物燃料电池与污水沉降池进行结合能够有效回收污泥中的能量,同时,化学能直接转化为电能可以有效提高能量利用率。

微生物燃料电池具有输出非线性特征,最大功率点追踪可以解决输出非线性的问题,由于电池受外部负载影响较大,传统的控制方法对其最大功率点追踪往往取不到令人满意的效果。随着人工智能的发展,智能算法被应用在各种问题中,遗传算法,粒子群算法等智能算法也被应用到光伏发电的最大功率点追踪中,并取得了良好的效果,遗传模拟退火算法结合遗传算法较强的全局搜索能力和模拟退火算法的局部搜索能力,适用各类寻优问题,尤其是求解多极值函数的极值问题。



技术实现要素:

本发明的目的在于提供一种基于改进的遗传模拟退火算法进行微生物燃料电池最大功率点追踪的微生物燃料电池污水处理系统及方法,以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

为了实现上述目的,本发明采取了如下技术方案:

一方面,本发明提供一种微生物燃料电池污水处理系统,包括:

沉降池,污水在沉降池中进行污泥沉降;

沉降池内部设置有第一微生物燃料电池,所述第一微生物燃料电池收集污泥中厌氧微生物产生的电能;

电磁阀,用于控制沉降池中污水流向处理池中的流量;

处理池内部设置有第二微生物燃料电池,所述第二微生物燃料电池利用由沉降池沉降处理后的污水产生电能;

控制器,用于根据所述第二微生物燃料电池的输出功率控制电磁阀的开合度。

优选的,所述第一微生物燃料电池包括设于所述沉降池底部的第一阳极,以及设于所述沉降池中污水水面上的第一阴极;所述第一阳极和所述第一阴极之间连接第一外部负载。

优选的,所述第二微生物燃料电池包括设于所述处理池污水流入端的第二阳极,以及设于所述处理池中污水水面上的第二阴极;所述第二阳极和所述第二阴极之间连接第二外部负载。

优选的,所述第二外部负载的两端连接有功率测量仪,用于采集第二外部负载的输入功率,作为所述第二微生物燃料电池的输出功率,并发生给所述控制器。

优选的,所述第一阳极由碳毡材料制成,所述第一阴极包含有铂催化剂。

优选的,所述第二阳极由碳毡材料制成,所述第二阴极包含有铂催化剂。

优选的,污水经进水管流入所述沉降池,所述进水管上设有滤网;所述处理池上远离所述第二阳极的一端设有出水管。

第二方面,本发明提供一种微生物燃料电池污水处理方法,包括:

污水在沉降池中沉降,污泥中的厌氧微生物大量繁殖,将化学能转化为电能,利用第一阳极和第一阴极实现电能的回收;

污水经沉降池沉降处理后,经电磁阀流入处理池,功率测量仪测量第二外部负载两端的输入功率,并发送给控制器;

控制器根据输入功率,结合改进的遗传模拟退火算法控制电磁阀的开合度,调整污水流入处理池的流量,保持第二微生物燃料电池最大功率输出。

优选的,结合改进的遗传模拟退火算法控制电磁阀的开合度包括:

采用二进制数对第二阳极进料流量进行编码,将初始种群分为两个大小相等的子种群;

对两个子种群采用相同的选择算子、交叉算子和变异算子同时进行遗传操作,当两个子种群达到最大迭代次数后,将两个子种群进行合并;

以功率测量仪的测量值作为个体适应度,将个体按照适应度排序,采用精英保留的方法确定每个个体被选中的概率,将两个子种群中原有的最优个体替换掉适应度最低的个体;

进行交叉变异操作,达到最大迭代次数,输出最优解,随机产生多个新解;若根据新解得出的最大功率大于最优解下的最大功率,则用新解替换最优解;若根据新解得出的最大功率小于最优解下的最大功率,则以退火概率接受新解;

进行迭代并降温,当温度达到终止温度时,停止操作,确定此时的阀门开合程度。

优选的,所述退火概率为:其中,f(x1)表示最优解x1下的最大功率,f(x)表示最优解x下的最大功率,t表示温度。

本发明有益效果:将沉降池与沉积物微生物燃料电池相结合,充分利用污泥中含有的化学能,同时,经沉降处理的污水流过由大型单室微生物燃料电池构成的污水处理器,微生物燃料电池的阳极与阴极与可变负载相连,负载两端的功率测量仪将采集到的功率信号传输至信号处理器与控制器,经改进的遗传模拟退火算法运算后调节进料流量,获得最大功率输出。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,这些将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的微生物燃料电池污水处理系统结构图。

图2为本发明实施例所述的基于改进的遗传模拟退化算法进行燃料电池最大功率点跟踪的方法流程图。

其中:1-沉降池;2-电磁阀;3-处理池;4-控制器;5-第一阳极;6-第一阴极;7-第一外部负载;8-第二阳极;9-第二阴极;10-第二外部负载;11-功率测量仪;12-进水管;13-滤网;14-出水管。

具体实施方式

下面详细叙述本发明的实施方式,所述实施方式的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解,除非另外定义,这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。

还应该理解的是,诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义,并且除非像这里一样定义,不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解,除非特意声明,这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是,本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件,但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。

在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本说明书的描述中,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中,术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本技术和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本技术的限制。

除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解,例如,可以是固定相连、设置,也可以是可拆卸连接、设置,或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。

为便于理解本发明,下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明,且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域技术人员应该理解,附图只是实施例的示意图,附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。

实施例1

如图1所示,本发明实施例1提供了一种微生物燃料电池污水处理系统,可以同时回收污水与污泥中能量的微生物燃料电池生活污水处理系统,且使该系统输出功率达到最大值。

在本实施例1中,微生物燃料电池污水处理系统包括:沉降池1,污水在沉降池1中进行污泥沉降;沉降池1内部设置有第一微生物燃料电池,所述第一微生物燃料电池收集污泥中厌氧微生物产生的电能;电磁阀2,用于控制沉降池1中污水流向处理池3中的流量;处理池3设置有第二微生物燃料电池,所述第二微生物燃料电池利用由沉降池1沉降处理后的污水产生电能;控制器4,用于根据所述第二微生物燃料电池的输出功率控制电磁阀2的开合度。

在本实施例1中,所述第一微生物燃料电池包括设于所述沉降池中污水水面上的第一阴极6;第一阳极5和所述第一阴极6之间连接第一外部负载7。

在本实施例1中,所述第二微生物燃料电池包括设于所述处理池污水流入端的第二阳极8,以及设于所述处理池中污水水面上的第二阴极9;所述第二阳极8和所述第二阴极9之间连接第二外部负载10。

在本实施例1中,所述第二外部负载10的两端连接有功率测量仪11,用于采集第二外部负载10的输入功率,作为所述第二微生物燃料电池的输出功率,并发生给所述控制器4。

在本实施例1中,所述第一阳极5、第二阳极8均由由碳毡材料制成,所述第一阴极6、第二阴极9均包含有铂催化剂。

在本实施例1中,污水经进水管12流入所述沉降池1,所述进水管12上设有滤网13;所述处理池3上远离所述第二阳极8的一端设有出水管14。

在本实施例1中,将沉降池1与沉积物微生物燃料电池相结合,充分利用污泥中含有的化学能,同时,经沉降处理的污水流过由大型单室微生物燃料电池构成的污水处理器(处理池3),处理池3中的微生物燃料电池的第二阳极8与第二阴极9与可变负载(第二外部负载10)相连,第二外部负载10两端的功率测量仪11将采集到的功率信号传输至控制器4,经改进的遗传模拟退火算法运算后调节进料流量,获得最大功率输出。

微生物燃料电池污水处理器(处理池3)与沉降池1由管道相连,管道设有可由控制器4进行控制的阀门(电磁阀2),用以控制处理池3的进料流量,微生物燃料电池污水处理器为完全密闭无氧环境,且保持恒温恒压状态,微生物燃料电池可变负载为生活中的低电压用电设备,会根据使用情况的变化造成电阻的不断变化。

在本实施例1中,利用改进的遗传模拟退火算法调节进料流量以实现微生物燃料电池污水处理器的最大功率输出,该算法主要包括以下步骤:

(1)采用二进制数对阳极进料流量进行编码,采取双种群方案,两个种群同时进行遗传操作,采用一样的选择算子交叉算子和变异算子,以微生物燃料电池功率测量仪测量值作为个体适应值,采用精英保留的方法确定每个个体被选中的概率,当达到最大迭代次数后,将两个种群进行合并,将两个种群中原有的最优个体替换掉适应度最低的个体,并进行退火操作,设定初始温度,中止温度及温度下降率,设定每个温度的最大迭代次数,当温度下降到某一设定温度时执行升温操作,减少掉入局部最优解的概率。

(2)对选择的个体进行遗传及退火操作,使改进的遗传模拟退火算法能以良好的搜索性能完成燃料电池最大功率点的寻优过程。当满足算法的终止条件时,停止运行,并使阀门阀门保持在阳极进料流量满足最大功率点输出时的开合程度。

实施例2

如图1、图2所示,本发明实施例2提供一种一种微生物燃料电池污水处理系统,可以同时回收污水与污泥中能量的微生物燃料电池生活污水处理系统,且使该系统输出功率达到最大值。

在本实施例2中,微生物燃料电池污水处理系统包括:沉降池1,污水在沉降池1中进行污泥沉降;沉降池1内部设置有第一微生物燃料电池,所述第一微生物燃料电池收集污泥中厌氧微生物产生的电能;电磁阀2,用于控制沉降池1中污水流向处理池3中的流量;处理池3内部设置有第二微生物燃料电池,所述第二微生物燃料电池利用由沉降池1沉降处理后的污水产生电能;控制器4,根据所述第二微生物燃料电池的输出功率控制电磁阀2的开合度。

在本实施例2中,所述第一微生物燃料电池包括设于所述沉降池中污水水面上的第一阴极6;所述第一阳极5和第一阴极6之间连接第一外部负载7。所述第二微生物燃料电池包括设于所述处理池污水流入端的第二阳极8,以及设于所述处理池中污水水面上的第二阴极9;所述第二阳极8和所述第二阴极9之间连接第二外部负载10。所述第二外部负载10的两端连接有功率测量仪11,用于采集第二外部负载10的输入功率,作为所述第二微生物燃料电池的输出功率,并发生给所述控制器4。

在本实施例2中,污水经进水管12流入所述沉降池1,所述进水管12上设有滤网13;所述处理池3上远离所述第二阳极8的一端设有出水管14。

如图1所示,在本实施例2中,污水进水管12收集生活废水,经滤网13过滤后流入沉降池1,控制沉降池1的温度,使水温始终保持在40℃,保证细菌快速繁殖,沉降池1的池底放入碳毡所做的微生物燃料电池阳极(第一阳极5),污水在沉降池中沉降一天,使水中的杂质污泥等充分沉淀,水面放置含有铂催化剂的微生物燃料电池阴极(第一阴极6),污泥中的无氧环境使污泥中的厌氧微生物大量繁殖,将化学能转化为电能,实现电能的回收。

污水经沉降处理后,经可控阀门(电磁阀2)流入微生物燃料电池污水处理器(处理池3),可控阀门受控制器4控制。

微生物燃料电池污水处理器采用单室微生物燃料电池(第二燃料电池),电池阳极(第二阳极)与阴极(第二阴极)连接可控负载(第二外部负载10),负载由于使用环境的不同使其电阻不断变化,功率测量仪11连接可控负载的两端用于测量负载两端的输入功率,并将数值传输至控制器4,控制器4通过改进的遗传模拟退火算法计算并调节可控阀门,使其进料流量满足最大功率输出的要求。

图2是本实施例中采用的改进遗传模拟退火算法流程图。

如图2所示,初始阶段,设定初始种群数量为40,以随机方法生成40个二进制字符串,设定初始温度t0=1000,降温系数r=0.9,中止温度t1=5,每个温度下迭代次数为400。

将种群分为两个大小相等的子种群,两个子种群采取相同的选择交叉和变异操作。

以电池的输出功率作为个体的适应度,采用精英选择的方法确定个体遗传到下一代的概率,将个体按照适应度大小排序,分为大小相等的四份,前四分之一复制两份,中间二分之一复制一份,进入下一代个体中,最后二分之一不复制。

对种群实施交叉和变异操作,选取交叉概率为0.8,采取固定位置和长度进行交叉操作,变异操作可以增加种群的多样性,变异概率过低会使种群早熟,过高会使种群难以收敛,本实施例2中,选取变异概率为0.05。

选取最大迭代次数为400,当达到最大迭代次数时,将两个子种群进行合并,将两个子种群中个体按适应度排序,取前四分之一替换掉代替适应度最低的个体保存下来。对种群继续进行遗传操作,设定最大迭代次数为200。

选取最优解,进入模拟退火操作,将最优解设定为x1,随机产生新解x,若根据新解得出的最大功率大于x1下的最大功率,则用x替换掉x1;

若新解x得出的最大功率小于x1下的最大功率,则以概率接受新解,其中,f(x1)表示最优解x1下的最大功率,f(x)表示最优解x下的最大功率,t表示温度。

继续迭代,每次迭代均随机产生新解并重复上述操作,当迭代次数达到400次时,执行降温操作,当温度达到10,50,100时执行升温操作,将温度上升30,100,200,升温操作仅执行一次,重复上述操作,当温度达到终止温度时,停止操作,确定此时的阀门开合程度,使其阳极进料流量满足最大功率输出的要求。

综上所述,本发明实施例所述的利用微生物燃料电池的污水处理系统及方法,以同时回收污水与污泥中能量,并基于改进的遗传模拟退火算法,实现了在外部负载变化时的最大功率点追踪,并调节阀门进行污水流量控制,实现微生物燃料电池污水处理器的最大功率输出。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已,并不用于限制本公开,对于本领域的技术人员来说,本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述,但并非对本公开保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明公开的技术方案的基础上,本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

再多了解一些
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