活性污泥法污水处理工艺利用微生物群落的吸附和降解能力,去除污水中的悬浮固体颗粒和可生化有机物,将所排放的污水转换为可以利用的水资源。活性污泥法污水处理工艺具有结构简单、操作管理方便等特点,已成为城市污水处理过程中的主流工艺。然而,污泥膨胀一直是制约活性污泥法污水处理工艺安全稳定运行的棘手问题。污泥膨胀会导致污泥沉降性能下降、污泥流失和出水水质恶化,甚至造成整个运行系统崩溃。由于污泥膨胀过程具有强烈的非线性和时变特性,且引发因素众多,机理错综复杂,导致准确诊断污泥膨胀仍然是一个挑战。因此,研究准确的污泥膨胀诊断方法,对于抑制污泥膨胀的发生,保证污水处理过程的正常稳定运行至关重要。为了准确诊断污泥膨胀,文中提出了一种数据和知识驱动的污泥膨胀诊断方法。首先,通过分析污泥膨胀的形成机理,研究污泥膨胀的影响因素,获取了影响污泥膨胀的主要水质变量和故障类别。其次,设计了一种基于递归核主成分分析的污泥膨胀检测模型,通过捕获污泥膨胀过程中的非线性及时变特性,提高污泥膨胀的检测精度。然后,提出了一种基于贝叶斯网络的污泥膨胀诊断模型,通过分析变量之间因果关系和概率关系,辨识污泥膨胀的根本原因变量和严重程度。最后,开发出一套污泥膨胀智能诊断系统,并将其应用于实际城市污水处理厂,实现污泥膨胀的有效检测和辨识。该论文主要的研究工作包括以下几点:1.污泥膨胀机理分析:通过研究污泥膨胀过程机理,文中获取了影响污泥膨胀的11种关键水质变量:进水流量、进水化学需氧量、进水总氮、进水总磷、溶解氧、温度、污泥负荷、好氧区悬浮物固体浓度、二沉池悬浮物浓度、回流污泥量和出水酸碱度;基于污泥膨胀的形成原因和严重程度,划分污泥膨胀的类别为:低溶解氧污泥膨胀、低温度污泥膨胀、低/高进水化学需氧量污泥膨胀、低进水总氮污泥膨胀、低进水总磷污泥膨胀和污泥微膨胀、污泥严重膨胀。2.基于递归核主成分分析的污泥膨胀智能检测:针对污泥膨胀过程存在的非线性及时变特性,导致污泥膨胀现象难以准确识别的问题,文中设计了一种基于递归核主成分分析的污泥膨胀检测模型。首先,通过分析污泥膨胀的过程机理,确定了检测模型的输入变量;其次,通过高斯核函数将输入变量数据映射至特征空间并进行特征值分解,以捕获污泥膨胀过程的非线性特征;最后,设计移动滑动窗口机制更新训练样本数据集,并对模型的参数进行自适应更新,以适应污水处理过程的时变特性。实验结果表明,所提出的基于递归核主成分分析的污泥膨胀检测模型能够实现污泥膨胀现象的有效检测。3.基于贝叶斯网络的污泥膨胀智能诊断:针对污泥膨胀引发因素众多,机理错综复杂,导致难以准确辨识污泥膨胀的根本原因变量和严重程度的问题,文中提出了一种基于贝叶斯网络的污泥膨胀诊断模型。首先,采用基于格兰杰因果分析方法,从污泥膨胀样本中初步评估过程变量之间的因果关系,并结合过程机理知识对所评估的因果关系进行确认和补充,以获取贝叶斯网络的结构信息;其次,采用基于最大似然估计方法,从污泥膨胀样本中评估过程变量之间的概率关系,以获取贝叶斯网络的参数信息;最后,设计基于递归核主成分分析的均值重构贡献度方法选取证据信息,并通过贝叶斯网络的推理过程实现污泥膨胀的诊断。实验结果表明,所提出的基于贝叶斯网络的诊断模型能够实现污泥膨胀根本原因变量和严重程度的有效诊断。4.污泥膨胀智能诊断系统开发:针对水厂常受到污泥膨胀的困扰,且尚未拥有一套通用完备的污泥膨胀诊断系统的问题,文中开发出一套污泥膨胀智能诊断系统。首先,根据需求分析确定诊断系统所需具备的功能模块;其次,将系统功能模块进行封装,完成污泥膨胀智能诊断系统的集成。最后,将所开发的污泥膨胀智能诊断系统运行于实际污水处理厂,对所开发的污泥膨胀诊断系统进行实际应用测试。测试结果表明,所开发的诊断系统能够实现污泥膨胀的有效检测和辨识,有利于污水处理过程的正常稳定运行。