2024/11/3周报

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#人工智能 #机器学习 #lstm #深度学习

于 2024-11-03 12:03:25 首次发布

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摘要

本周阅读了一篇基于图优化的工业废水进水水质预测的混合深度学习框架的文章，研究的主要目的是针对工业废水处理厂（IETP）在面对进水水质和水量波动时的挑战，提出一种新型的深度学习模型，以提高预测的准确性和稳定性，从而为废水处理的优化管理提供支持。在实际应用中，GCN–CNNGA模型在多个预测指标上均表现出色。特别是在COD、NH3-N、TN和TP的预测任务中，相较于传统模型，GCN–CNNGA模型实现了显著的RMSE和MAE的降低。接着学习了A2/O工艺的具体原理和具体流程，列举一些该工艺关键流程中产生的进出水相关数据。

Abstract

This week, I read an article on a hybrid deep learning framework for predicting the inflow water quality of industrial wastewater based on graph optimization. The main purpose of the research is to propose a new deep learning model for industrial wastewater treatment plants (IETP) to improve the accuracy and stability of predictions when facing fluctuations in inflow water quality and quantity, thereby providing support for the optimization management of wastewater treatment. In practical applications, the GCN-CNNGA model performs well in multiple predictive metrics. Especially in the prediction tasks of COD, NH3-N, TN, and TP, the GCN-CNNGA model achieved significant reductions in RMSE and MAE compared to traditional models. Then I learned the specific principles and processes of A2/O technology, and listed some water inlet and outlet related data generated in the key processes of this technology.

A2/O反应原理与详细流程

A2/O工艺（厌氧-缺氧-好氧）是一种高效的污水生物处理工艺，广泛应用于城市污水和工业废水的处理。其主要目标是去除污水中的有机物、氮和磷，从而达到环保标准。本文将详细介绍A2/O工艺的反应原理及其具体流程。
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一、反应原理

A2/O工艺的反应原理主要基于三个阶段：厌氧、缺氧和好氧。每个阶段都涉及特定的微生物群体和反应机制，以实现有效的污染物去除。

厌氧阶段：
- 过程：在厌氧池中，污水中有机物在厌氧细菌的作用下被降解，生成短链脂肪酸、氢气、二氧化碳和氨氮。这一阶段不仅去除了一部分有机物，还释放了磷酸盐。
- 反应：
  $[ \text{有机物} + \text{NH}_4^+ \rightarrow \text{小分子有机物} + \text{H}_2 + \text{CO}_2 + \text{NH}_3 ]$
- 生物作用：厌氧细菌在缺乏氧气的环境中分解有机物，促进氨氮的生成，并释放磷。
缺氧阶段：
- 过程：在缺氧池中，污水与外加的电子供体（如甲醇）混合。缺氧条件下，反硝化细菌将氨氮转化为氮气，同时进一步降低污水中的有机物。
- 反应：
  $[ 6\text{NO}_2^- + 3\text{CH}_3\text{OH} \rightarrow 3\text{N}_2\uparrow + 6\text{OH}^- + 3\text{H}_2\text{O} + 3\text{CO}_2\uparrow ]$
- 生物作用：反硝化细菌在缺氧环境中利用亚硝酸盐和外加的碳源，将氨氮转化为气态氮，释放到大气中。
好氧阶段：
- 过程：在好氧池中，活性污泥通过曝气充氧，促进好氧细菌的生长与繁殖。在这个阶段，剩余的有机物和亚硝酸盐进一步被氧化，形成硝酸盐。
- 反应：
  $[ 2\text{NO}_2^- + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}_3^- ]$
- 生物作用：好氧细菌在充足氧气的环境中，利用氧化反应去除有机物并转化亚硝酸盐为硝酸盐。

二、工艺流程

A2/O工艺的具体流程可以分为以下几个阶段：

预处理：
- 目的：去除污水中的大颗粒物质和沉积物，保护后续处理设施。
- 设备：格栅和沉砂池。
- 过程：污水通过格栅去除树枝、塑料等大颗粒物质，接着进入沉砂池去除砂粒和重物。
厌氧反应段：
- 反应池：厌氧池。
- 进水：经过预处理的污水。
- 反应过程：
  - 污水在厌氧池中进行厌氧反应，厌氧细菌将有机物降解为小分子有机物和氨氮，同时释放磷酸盐。
  - 反应时间一般为6-12小时，以保证反应的充分性。
- 出水：含有氨氮和部分磷的污水流向缺氧池。
缺氧反应段：
- 反应池：缺氧池。
- 进水：厌氧池的出水。
- 反应过程：
  - 在缺氧池中，污水与外加的碳源（如甲醇）混合，反硝化细菌在缺氧环境下将氨氮转化为氮气，同时去除一部分有机污染物。
  - 反应时间一般为6-12小时。
- 出水：含有亚硝酸盐和低浓度氨氮的污水流向好氧池。
好氧反应段：
- 反应池：好氧池。
- 进水：缺氧池的出水。
- 反应过程：
  - 在好氧池中，污水通过曝气进行氧气供应，促进好氧细菌的生长与繁殖。
  - 好氧细菌对污水中的有机物和亚硝酸盐进行氧化反应，生成硝酸盐和水。
  - 反应时间一般为4-6小时，以确保充分降解有机物。
- 出水：经过好氧处理的污水，含有硝酸盐和低浓度有机物，准备进入沉淀池。
沉淀阶段：
- 反应池：沉淀池。
- 进水：好氧池的出水。
- 过程：
  - 在沉淀池中，经过处理的污水与活性污泥混合，污泥沉降分离，清水从上层流出。
  - 沉淀池通常设计为静态沉淀，沉降时间在2-4小时。
- 出水：清水流出，符合排放标准。
污泥处理：
- 过程：
  - 沉淀池底部的污泥一部分被回流至厌氧池，以保持活性污泥的浓度和活性。
  - 另一部分污泥进行脱水处理，减少污泥体积，便于后续处置。

三、反应控制与优化

为了提高A2/O工艺的处理效果，需要在各个阶段进行有效的监控和控制：

监控进水质量：
- 定期监测进水的氨氮、COD、总磷和pH等参数，确保进入处理系统的污水质量在可控范围内。
调节反应条件：
- 厌氧池：监测温度和停留时间，确保有机物的充分降解。
- 缺氧池：根据进水和出水的氨氮、亚硝酸盐浓度，调整外加碳源的投加量，以保证反硝化过程的顺利进行。
- 好氧池：监测溶解氧浓度，调整曝气量以确保好氧细菌的活性。
优化污泥回流：
- 根据沉淀池的污泥浓度，合理调节污泥回流比，确保厌氧池的活性污泥浓度适宜。
定期维护和清理：
- 定期清理设备和管道，保持系统的良好运行状态，防止堵塞和其他故障。

A2/O工艺通过厌氧、缺氧和好氧的相互作用，有效去除了污水中的有机物、氮和磷。其详细的反应原理和流程，强调了各个反应阶段的重要性和相互关系。通过合理的监控和优化，可以显著提高处理效率，达到环保标准，为可持续发展贡献力量。随着技术的进步，A2/O工艺也在不断演化，以适应日益严峻的水资源和环境保护挑战。

模拟数据

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文献阅读

标题

A hybrid deep learning framework for predicting industrial wastewater inffuent quality based on graph optimisation
这篇文章的标题为《基于图优化的工业废水进水水质预测的混合深度学习框架》，发表在《水处理工程》期刊上。研究的主要目的是针对工业废水处理厂（IETP）在面对进水水质和水量波动时的挑战，提出一种新型的深度学习模型，以提高预测的准确性和稳定性，从而为废水处理的优化管理提供支持。

研究背景与重要性

随着工业化进程的加快，工业废水的排放量显著增加，其水质复杂性和污染物浓度的高变异性给废水处理带来了严峻的挑战。许多传统的污水处理厂（WWTP）已经无法有效应对这些变化，导致处理能力不稳定，甚至无法达到环保标准。这不仅影响了水资源的可持续利用，也对生态环境造成了严重威胁。因此，研究者们越来越关注如何通过提前预测进水水质，来改善废水处理厂的运行效果，实现预防性维护。

在这一背景下，许多研究开始采用深度学习技术来解决时间序列预测问题，特别是在工业领域，深度学习在处理高非线性和复杂性数据方面表现出了显著优势。传统的预测模型往往面临准确性和鲁棒性不足的问题，难以满足现代废水处理的需求。

模型构建与方法论

为了解决上述问题，研究团队构建了一种综合且高度适应性的混合深度学习预测框架，称为GCN优化的CNN-GRU-注意力模型（GCN–CNNGA）。该模型结合了图卷积网络（GCN）、卷积神经网络（CNN）、门控循环单元（GRU）以及注意力机制，旨在充分挖掘和捕捉进水数据的高维特征和复杂的时空模式。
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模型各部分的功能

卷积神经网络（CNN）：CNN主要用于从IETP的时间序列数据中提取关键的局部特征。通过多层卷积操作，模型能够有效识别数据中的重要模式，为后续的分析提供基础。
图卷积网络（GCN）：GCN用于捕获进水参数之间的拓扑信息，揭示它们之间的相互依赖关系。通过构建特征邻接矩阵，GCN能够更深刻地挖掘污染物间的复杂依赖性，从而提高预测的准确性。
门控循环单元（GRU）：GRU模块用于捕捉数据的长期依赖性，适应不同时间尺度的变化。通过GRU的特性，模型能够更好地理解时间序列数据中长时间跨度的动态特征。
注意力机制：注意力机制的引入进一步优化了特征权重的分配，使模型能够聚焦于对预测最重要的信息，提升了模型的整体性能。

数据收集与预处理

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本研究使用的数据来自东部中国某工业园区的实际IETP，包含52家化工企业的废水处理数据。数据集包括多个重要参数，如进水流量、进水化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）和总氮（TN）。在数据收集阶段，共收集了5136个数据点，具有较高的时间分辨率（每小时一次）。

为了确保数据质量，研究团队使用KNN方法对缺失值进行插补，并对数据进行了线性归一化处理，以避免不同特征的数量级差异对模型训练造成的影响。这一过程对于提升模型的预测性能至关重要。

模型训练与实验

模型训练过程中，数据被分为训练集、验证集和测试集，以确保模型的泛化能力。研究团队采用Adam优化器，设定损失函数为平均绝对误差，并进行了150个epoch的训练。为了评估模型的性能，研究还与传统的时间序列预测模型（如随机森林、支持向量机、人工神经网络、LSTM等）进行了比较。

实验结果与分析

在实际应用中，GCN–CNNGA模型在多个预测指标上均表现出色。特别是在COD、NH3-N、TN和TP的预测任务中，相较于传统模型，GCN–CNNGA模型实现了显著的RMSE和MAE的降低。具体数据表明，该模型在COD的预测中，RMSE减少了约20%，而在NH3-N的预测中，RMSE的改善幅度更是达到了近30%。
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