再生水厂出水余氯风险预测方法与流程

本发明涉及一种出水余氯风险预测方法。特别是涉及一种可以为再生水厂生产、运行和管理提供依据的再生水厂出水余氯风险预测方法。

背景技术：
污水的再生利用已经成为解决水资源短缺这一世界性难题的主要途径之一。作为环境水系统的重要补充水源，再生水已在农、林、牧、渔业，城市生活，工业生产中展现了广泛应用前景。而为了保障再生水回用过程中的卫生安全，有效的水体消毒工艺就显得非常重要。液氯以其强大的杀菌力和低廉的价格，成为了众多再生水厂普遍采用的消毒剂，国、内外的多数再生水水质标准也通常以余氯浓度作为水质指标。然而，再生水水体中污染物质的含量和种类往往较高，使得其中的氯化消毒反应非常复杂，消毒后水中余氯浓度有时难以保证。而再生水出厂余氯浓度低于相应标准限值（即出厂水余氯浓度出现风险）时，经管网输配后，水中微生物指标可能就会明显升高，产生水质恶化现象。在实际运行中，如果检测到出厂水余氯浓度过低后，才简单地提高清水池投氯量或对出厂水补加氯，不但滞后于水质变化，而且可能由于过高的投氯量而导致再生水消毒副产物生成量增加、毒性升高等负面影响，对再生水水质安全更加不利。现有的余氯预测模型基本都是基于给水处理和实验室试验建立起来的，与再生水消毒工艺的实际情况相差较大。所以，为保证再生水水质安全，分析再生水中各组分物质对余氯消耗的影响，对水厂出水余氯风险进行有效预测，并提供及时、合理的应对措施就很有意义。

技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，提供一种在水厂源水水质不断波动条件下，可以迅速准确地预测氯化工艺出水余氯风险，及时提供出水水质风险预测信息，可以分析不同进水水质指标对出水水质的影响，为氯化工艺的优化、管理提供依据，从而保证水厂出水水质安全的再生水厂出水余氯风险预测方法。本发明所采用的技术方案是：一种再生水厂出水余氯风险预测方法，包括如下步骤：1）进行数据监测和采集，监测和采集的指标包括：氯化工艺进水的pH值、水温、氨氮浓度和化学需氧量，以及工艺出水的总余氯浓度；2）通过通讯系统将数据传输到服务器上；3）服务器根据采集的数据进行出水余氯风险预测、分析和决策支持，包括：（1）读取服务器数据库中存储的相应监测数据，并将监测数据输入水质模型，对工艺的出水余氯风险进行预测；（2）根据不同风险概率下监测到的pH值、水温、氨氮浓度和化学需氧量的分布情况，来判断对出水余氯风险概率有影响的指标；（3）根据（2）得到的指标来制定不同出水余氯风险概率下的应对措施。步骤3）中的（1）所述的对工艺出水余氯风险进行预测是：首先使用主成分分析方法将进水氨氮浓度、化学需氧量值、pH值和水温归类为两个主成分，然后根据城市污水再生利用国家标准GB/T18920-2002中对再生水出厂总余氯的指标要求即浓度≥1mg/L，设定二进制变量的判据：当出水余氯浓度≥1mg/L时，系统出水余氯浓度安全，二进制变量Alarm=0；当出水余氯浓度＜1mg/L时，系统出水余氯浓度出现风险，二进制变量Alarm=1；最后使用逻辑回归方法建立两个主成分与出水余氯风险的逻辑关系：式中P为风险概率模型计算值，Prin1和Prin2分别为主成分分析的结果显示累计贡献率达大于0.7的两个主成分的数值，在SAS软件中进行i、f1和f2的回归计算，得到模型参数的回归结果为：i=25.6741，f1=0.0586，f2=-0.7966。对于水质有周期性波动的水厂，在使用逻辑回归方法建模时，选取的样本监测数据要具备周期性变化的特征，即选取一个完整水质变化周期内的样本监测数据进行建模，以保证主成分分析和模型回归结果的稳定可靠。步骤3）中的（2）所述的根据不同风险概率下监测到的pH值、水温、氨氮浓度和化学需氧量数据的分布情况来判断对出水余氯风险概率有显著性影响的指标是，以获得的监测数据为基础，根据不同风险概率所对应的工艺进水pH值、水温、氨氮浓度和化学需氧量的监测数据分布情况，把不同风险概率下监测数据分布出现明显变化的进水指标，作为对出水风险概率有显著性影响的指标。步骤3）中的（3）所述的不同出水余氯风险概率下的应对措施是：（a）当风险概率P值为0～0.5时，清水池出水余氯浓度普遍高于1.0mg/L，风险级别为Ⅰ级，采取的应对措施为监测系统出水余氯浓度，掌握水质走向；（b）当风险概率P值为0.5～0.75时，清水池出水余氯浓度略低于1.0mg/L，风险级别为Ⅱ级，采取的应对措施为清水池前加氨，密切监测系统出水余氯浓度；（c）当风险概率P值为0.75～1.0时，清水池出水余氯浓度明显低于1.0mg/L，风险级别为Ⅲ级，采取的应对措施为提高加氨量，密切监测系统出水余氯浓度对于实际水厂，在二泵站吸水井补加氯。本发明的再生水厂出水余氯风险预测方法，通过联合使用主成分分析和逻辑回归建立了再生水中试处理系统的出水总余氯风险概率预测模型。经验证，该模型预测精度良好（精确度高于95%），从而使研究人员在面临水质变化时，可以及时、准确地预测出水余氯风险。通过比较不同风险概率下监测样本的数据分布情况，指出水温和氨氮浓度是影响再生水厂出水余氯风险的主要因素，结合风险计算和影响分析结果，初步拟定了不同出水余氯风险等级的应对措施，使中试系统在面临出水余氯风险时，可以采取合理措施保证水质安全。本发明对实际水厂的运行、管理也可以提供一定参考。附图说明图1a是建模所用出水余氯浓度数据在不同风险概率下的分布；图1b是模型检验所用出水余氯浓度数据在不同风险概率下的分布；图2a是不同风险概率下的清水池进水水温数据分布；图2b是不同风险概率下的清水池进水氨氮浓度数据分布；图2c是不同风险概率下的清水池进水化学需氧量数据分布；图2d是不同风险概率下的清水池进水中pH值数据分布。具体实施方式下面结合实施例和附图对本发明的再生水厂出水余氯风险预测方法做出详细说明。本发明的再生水厂出水余氯风险预测方法，包括如下步骤：1）进行数据监测和采集；数据监测和采集系统是水厂现有的设备，是由若干个遥测远传终端组成，用于采集水厂消毒工艺进、出水监测点的相关理化指标数据。监测和采集的指标包括：氯化工艺进水的pH值、水温、氨氮浓度和化学需氧量，以及工艺出水的总余氯浓度。2）按约定的时段定时通过通讯系统（有线或无线方式）将监测到的数据传输到服务器的数据库中，该数据库中按时序存储了在线监测到的理化指标数据以及工艺基本情况。服务器和数据库是水厂现有的设备。所述的服务器，用于控制数据监测和采集系统（SCADA）对工艺进、出水监测点理化指标进行循环数据采集，将采集数据存储到数据库中并进行操作与分析；服务器可随时操作数据库中的数据，如进行存储/读取，以图表方式显示数据等。3）服务器根据采集的数据进行出水余氯风险预测，并执行分析和决策支持，包括：（1）读取服务器数据库中存储的相应监测数据，并将监测数据输入水质模型，对工艺出水水质进行预测；所述的对工艺出水水质余氯风险进行预测是：首先使用主成分分析(PrincipalComponentAnalysis,PCA)方法将进水氨氮浓度、化学需氧量值、pH值和水温归类为两个主成分，然后根据城市污水再生利用国家标准GB/T18920-2002中对再生水出厂总余氯的指标要求即浓度≥1mg/L，设定二进制变量的判据：当出水余氯浓度≥1mg/L时，系统出水余氯浓度安全，二进制变量Alarm=0；当出水余氯浓度＜1mg/L时，系统出水余氯浓度出现风险，二进制变量Alarm=1；最后使用逻辑回归方法建立两个主成分与出水余氯风险的逻辑关系：式中P为风险概率模型计算值，Prin1和Prin2分别为主成分分析的结果显示累计贡献率达大于0.7的两个主成分的数值，在SAS软件中进行i、f1和f2的回归计算，得到模型参数的回归结果为：i=25.6741，f1=0.0586，f2=-0.7966。对于水质有周期性波动的水厂，在使用逻辑回归方法建模时，选取的样本监测数据要具备周期性变化的特征，即选取一个完整水质变化周期内的样本监测数据进行建模，以保证主成分分析和模型回归结果的稳定可靠。在实际使用中，本发明中所构建的出水余氯风险预测模型可以每年更新一次建模数据（即每年重新建模一次），而如果实际水厂的年际运行工况相对稳定，模型更新周期可以设定得更长。所述的对出水余氯风险进行有效预测是，以获得的工艺进水监测数据为基础，首先使用主成分分析将监测到的进水pH值、水温、氨氮浓度和化学需氧量归类为两个主成分，根据式（1）算出出水余氯风险概率。为了比较计算风险概率与实测出水余氯浓度关系，图1a绘出了不同风险概率范围内出水余氯浓度分布。可以看到：随着计算风险概率增加，出水余氯分布向余氯值更低的方向移动。同时可以发现，当模型计算所得风险概率在0.25～0.5之间时，大部分检测样本的余氯浓度高于1.0mg/L；当风险概率增加到0.5～0.75之间时，大部分样本的余氯浓度小于或等于1.0mg/L，即可把计算风险概率P＞0.5作为出水余氯是出现风险的判据，P≤0.5作为出水余氯是未出现风险的判据，依此来较验模型，则可发现图1a中模型准确率为95.24%。使用上述模型，另选工艺进、出水监测样本来校验出水余氯风险概率模型的精确度，可得图1b，仍以风险概率P＞0.5作为出水余氯出现风险的判据，P≤0.5作为出水余氯未出现风险的判据，则图1b中模型预测准确率为95.05%。根据图1a、图1b中的出水风险预测结果，在全部的出水余氯安全(P≤0.5)预测中仅有4次漏报（漏报概率约为2.67%）；在全部的出水余氯出现风险（P＞0.5）警报中，仅发出5次虚警（虚警概率约为9.09%），即本专利所提供的方法展现出了良好的准确性。这说明，采用本专利所提供方法进行出水余氯风险预测，可以及早地掌握出水余氯风险的准确信息，（相对于检测到出水余氯浓度过低时才提出警报）优势明显。（2）根据不同风险概率下监测到的pH值、水温、氨氮浓度和化学需氧量的分布情况，来判断对出水余氯风险概率有显著性影响的指标；所述的根据不同风险概率下监测到的进水pH值、水温、氨氮浓度和化学需氧量数据的分布情况，来判断对出水余氯风险概率有显著性影响的指标是，以获得的监测数据为基础，根据不同风险概率所对应的工艺进水pH值、水温、氨氮浓度和化学需氧量的监测数据分布情况，把不同风险概率下监测数据分布出现明显变化的进水指标，作为对出水风险概率有显著性影响的指标。观察图2a可以发现，随着风险概率的降低，检测样本的水温数据分布明显向低温方向移动。这是由于有效氯的衰减源于氯与水体中各组分的化学反应，而水温降低则会直接降低有效氯与水中还原性组分反应的速率常数，从而使出水余氯风险降低。图2b中，当风险概率由0.75～1.0降至0.25～0.5时，样本氨氮数据分布明显向高浓度方向移动，而风险概率达到0～0.25时，样本氨氮数据分布却变得很宽。这是由于在1.0～0.25风险概率下，清水池进水温度差异并不大，此时水中氨氮浓度升高则会使氯胺占总有效氯比例升高，而氯胺在水中的稳定性明显高于游离氯，从而使出水总余氯浓度升高、出水余氯风险概率随之降低；当氨氮浓度分布很宽时，出水余氯风险概率很低（0～0.25），则可能是由于此时清水池进水水温明显偏低，从而使得水中余氯消耗较少、出水余氯风险较低。在图2c、图2d中，不同风险概率下，监测到的化学需氧量，pH值分布的变化则并不明显。基于以上分析，中试清水池系统的进水水温和氨氮浓度影响了出水余氯风险，其中水温对风险概率的影响最显著，氨氮的影响稍弱。清水池进水化学需氧量、pH值对出水余氯风险的影响则并不明显。（3）根据（2）中指出的对出水余氯风险有显著影响的进水水质指标，来初步拟定不同 出水余氯风险概率下的应对措施。所述的根据对出水余氯风险有显著影响的进水水质指标，来初步拟定不同出水余氯风险概率下的应对措施是，根据图2a所示，出水余氯风险较高的情况可能会多发于水温较高的夏季，而在实际生产中，水厂进水水温（受天气影响）往往难以控制，所以如果出厂水余氯浓度较低时，可以选择加氨的方式来降低风险概率。采用加氨法控制出水风险时，会导致水中总余氯所含氯胺比例升高、游离氯比例降低，灭菌效果也会随之下降。但本研究中，再生水中试系统的清水池的进水细菌指标非常低（总大肠菌群数始终小于3个/L，符合城市污水再生利用国家标准GB/T18920-2002中对再生水出厂总大肠菌群的指标要求），且结合氯也可以有效控制细菌重新滋生，所以加氨方式是合理可行的。本发明根据出水余氯风险概率计算结果，将出水余氯风险划分为3个等级，结合余氯风险影响分析，初步拟定了不同风险等级下的应对措施（见表1）：表1不同出水余氯风险的应对措施表1是基于不同风险概率的初步应对措施，具体实施时可以通过实际水厂的生产性试验来进一步完善。上表是基于风险预测结果和影响分析的应对措施，它与检测到出水余氯浓度过低后才补加氯或提高投氯量相比，更加及时、更加合理。由表1得出不同出水余氯风险概率下的应对措施是：（a）当风险概率P值为0～0.5时，清水池出水余氯浓度普遍高于1.0mg/L，风险级别为Ⅰ级，采取的应对措施为监测系统出水余氯浓度，掌握水质走向；（b）当风险概率P值为0.5～0.75时，清水池出水余氯浓度略低于1.0mg/L，风险级别为Ⅱ级，采取的应对措施为清水池前加氨，密切监测系统出水余氯浓度；（c）当风险概率P值为0.75～1.0时，清水池出水余氯浓度明显低于1.0mg/L，风险级别为Ⅲ级，采取的应对措施为提高加氨量，密切监测系统出水余氯浓度对于实际水厂，必要时在二泵站吸水井补加氯。