基于Isomap法降维分析的活性污泥絮体结构特征指标体系建立及其应用研究

发布时间：2017-08-15 18:32

  本文关键词：基于Isomap法降维分析的活性污泥絮体结构特征指标体系建立及其应用研究

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【摘要】：絮体是活性污泥法污水处理工艺中主要作用者,它的形态特征对污泥特性和水处理效果有很大影响,但目前对絮体形态特征的描述尚不统一,絮体结构特征对污泥特性的影响研究较少。本研究通过对PCA线性降维法、Isomap非线性降维法的降维幅度和降维有效性的比较,建立絮体结构特征指标体系。采用建立的絮体结构特征指标体系分析了不同营养比的3个污水好氧处理系统(SBR1、SBR2、SBR3)中污泥驯化的不同阶段絮体结构特征的变化规律;采用偏最小二乘回归分析法探讨了絮体结构特征与污泥物理特性(MLSS、SVI、CST)和生化特性(EPS、细菌总数、脱氢酶活性)间的关系,并建立了以絮体结构特征指标为自变量的活性污泥特性函数。论文的主要研究结果如下:1)降维幅度与降维有效性分析表明:Isomap法建立的絮体结构特征指标体系更能准确表征絮体结构特征。絮体大小特征SZ、絮体规则特征RG、絮体密实特征CP、絮体丝状菌特征FL的综合表达式如下:SZ=|0.656SAmean+1.901SPconv+0.836SRmax-3.392SDeq|RG=|-3.050SRD+7.374SPR-3.751SAspect-8.353SFD-8.054SRR+7.456SST+7.612SFF+0.748 SAR|CP=|7.457SCN+0.129SPF-6.363SCA-8.447SHR+7.224SExt|FL=|-0.842SFal+0.842SFtl|其中,S表示数据为经过标准化后的值;Amean为絮体平均面积;Pconv为轮廓线周长;Rmax为最长半径;Deq为当量直径;RD为圆度;PR为凸率;Aspect为长短轴比;FD为分形维数;RR为长径比;ST为伸长比;FF为形状因子;AR为长宽比;CN为数量浓度;PF为像素分数;CA为面积浓度;HR为孔率;Ext为充实度;Fal为单位絮体面积内丝状菌长度;Ftl为单位悬浮固体内丝状菌长度。2)3个系统污泥驯化阶段时间有所差异。SBR1系统培养初期比SBR2系统少2d,中期多2d,后期天数相同;与SBR3相比,其中期多3d,后期少3d。SBR1培养初期为1~10d,中期为11~25d,后期为26~36d。无论是高营养比还是低营养比,污泥驯化过程中系统内的絮体结构特征变化过程规律均为:初期因环境的突变而特征突变,中期逐渐适应环境,后期稳定的过程。系统稳定后系统内的絮体SZ排列是中营养比低营养比高营养比;RG排列为低营养比中营养比高营养比;CP排列为高营养比中营养比低营养比;FL排列为低营养比≈中营养比≈高营养比。3)絮体结构特征指标对污泥物理特性有明显的指示作用。对污泥浓度(MLSS)和污泥沉降性(SVI)指示作用最强的指标均是RG和FL,其中MLSS在RG为12.50~25.00区间内变化较快,随其增大而快速增加,在区间5.00~12.50和25.00~35.00时变化较为缓慢;在FL为0.00~0.20和0.50~0.65区间内变化程度大,随其增大而快速减小,在区间0.20~0.50变化缓慢。SVI在RG为5.00~15.50和20.00~35.50时变化缓慢,随其增大而缓慢增加,当RG在区间15.50~20.00时,SVI与其相关性不明显,此时仅随FL增大而减小(FL为0.15~0.45),在FL为0.00~0.15和0.45~0.65区间时,SVI随其增大而快速增加。对污泥脱水性(CST)指示作用最大的是SZ和RG,其中SZ在0.00~0.75和2.00~2.50范围内时,CST随其增大而快速增加,在0.75~2.00时仅随其变化而逐渐增加;RG在5.00~22.50和25.00~35.00时,CST随其增大而逐渐增加,在区间22.50~25.00时,不随其变化。污泥物理特性与絮体结构特征指标间的回归模型函数如下:MLSS=|0.206SZ+0.238RG+0.166CP-0.340FL|SVI=|0.160SZ+0.174RG+0.132CP-0.335FL|CST=|0.258SZ+0.189RG+0.035CP-0.147FL|。4)絮体结构特征指标对污泥的生化特性仍有较强的指示作用。与污泥物理特性不同的是,絮体结构特征指标对污泥生化特性的指示作用较为复杂。各指标与胞外聚合物(EPS)含量均正相关;与细菌总数(MN)均负相关;絮体的SZ和RG与脱氢酶活性(HE)正相关,CP和FL与其负相关。对EPS含量指示作用最大的指标是CP和FL,其中当CP在区间20.00~24.00、FL在区间0.30~0.40时,EPS含量仅随CP的增加而增加,与FL无关;当CP在区间12.00~20.00和24.00~30.00时,EPS含量随其增加而大幅度增加;而当FL在区间0~0.30和0.40~0.65时,EPS含量随其变化缓慢。对细菌总数、脱氢酶活性指示作用最大的是SZ和RG,相反的是,SZ和RG与细菌总数正相关,与脱氢酶活性负相关。其中细菌总数在SZ和RG的任一区间内的变化均相同。而脱氢酶活性则在SZ为1.00~1.75、RG为20.00~25.00时,脱氢酶活性仅随SZ的增大而增大,与RG无关。通过回归模型分析得到回归方程如下:EPS=|0.061SZ+0.114RG+0.530CP+0.323FL|MN=|-0.225SZ-0.321RG-0.212CP-0.158FL|HE=|0.321SZ+0.308RG-0.105CP+0.206FL|。
【关键词】：絮体结构特征指标体系 污泥物理特性 污泥生化特性 Isomap非线性降维 PCA线性降维
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 概述12
• 1.2 活性污泥絮体结构研究12-15
• 1.2.1 絮体结构的形成与组成成分12-13
• 1.2.2 絮体结构特征的影响因素13-14
• 1.2.3 絮体结构组成对污泥絮凝性和脱水性的影响14-15
• 1.3 絮体结构特征参数研究及技术现状15-16
• 1.4 高维数据降维分析方法16-20
• 1.4.1 数据降维思路16
• 1.4.2 数据线性降维(PCA)分析16-18
• 1.4.3 数据非线性降维(Isomap)分析18-20
• 1.5 研究意义与研究内容20-22
• 1.5.1 课题的提出20
• 1.5.2 研究意义20
• 1.5.3 研究内容20-22
• 第二章 试验材料与方法22-30
• 2.1 活性污泥驯化22-23
• 2.1.1 接种污泥与人工污水的配制22
• 2.1.2 污泥驯化和反应器的控制22-23
• 2.2 试验测定方法23-25
• 2.2.1 污泥物理特性的测定23
• 2.2.2 污泥生化特性的测定23-25
• 2.3 试验仪器与药品25
• 2.3.1 试验仪器25
• 2.3.2 试验药品25
• 2.4 数据统计分析方法25-30
• 2.4.1 絮体结构特征的分析25-27
• 2.4.2 主成分分析27
• 2.4.3 Isomap的分析27-28
• 2.4.4 偏最小二乘分析28-30
• 第三章 活性污泥絮体结构特征指标体系建立30-41
• 3.1 絮体微观参数间的相关性分析30-31
• 3.2 基于PCA的絮体结构特征指标体系分析31-35
• 3.2.1 PCA法絮体大小特征指标分析31-32
• 3.2.2 PCA法絮体规则特征指标分析32-33
• 3.2.3 PCA法絮体密实特征指标分析33-34
• 3.2.4 PCA法絮体丝状菌特征指标分析34-35
• 3.3 基于Isomap的絮体结构特征指标体系分析35-37
• 3.3.1 Isomap法絮体大小特征指标分析35
• 3.3.2 Isomap法絮体规则特征指标分析35-36
• 3.3.3 Isomap法絮体密实特征指标分析36-37
• 3.3.4 Isomap法絮体丝状菌特征指标分析37
• 3.4 絮体结构特征指标体系的确定37-40
• 3.4.1 降维幅度比较37-38
• 3.4.2 降维有效性比较38-40
• 3.4.3 降维分析方法的确定40
• 3.5 本章小结40-41
• 第四章 絮体结构特征指标在污泥驯化过程中的应用41-48
• 4.1 活性污泥驯化阶段确定41-42
• 4.2 污泥驯化絮体大小特征变化42-44
• 4.3 污泥驯化絮体规则特征变化44-45
• 4.4 污泥驯化絮体密实特征变化45-47
• 4.5 污泥驯化絮体丝状菌特征变化47
• 4.6 本章小结47-48
• 第五章 絮体结构特征指标在污泥物理特性分析中的应用48-60
• 5.1 絮体结构特征指标在污泥量分析中的应用48-51
• 5.1.1 污泥量与絮体结构特征指标间的相关关系48-50
• 5.1.2 污泥量与絮体结构特征指标的回归模型50-51
• 5.2 絮体结构指标在污泥沉降性分析中的应用51-55
• 5.2.1 污泥沉降性与絮体结构特征指标间的相关关系51-53
• 5.2.2 污泥沉降性与絮体结构特征指标的回归模型53-55
• 5.3 絮体结构特征指标在污泥脱水性分析中的应用55-58
• 5.3.1 污泥脱水性与絮体结构特征指标间的相关关系55-57
• 5.3.2 污泥脱水性与絮体结构特征指标的回归模型57-58
• 5.4 本章小结58-60
• 第六章 絮体结构特征指标在污泥生化特性分析中的应用60-72
• 6.1 絮体结构特征指标在污泥EPS含量分析中的应用60-63
• 6.1.1 EPS含量与絮体结构特征指标间的相关关系60-61
• 6.1.2 EPS含量与絮体结构特征指标的回归模型61-63
• 6.2 絮体结构特征指标在污泥细菌总数分析中的应用63-66
• 6.2.1 细菌总数与絮体结构特征指标间的相关关系63-65
• 6.2.2 细菌总数与絮体结构特征指标的回归模型65-66
• 6.3 絮体结构特征指标在污泥脱氢酶活性分析中的应用66-70
• 6.3.1 脱氢酶活性与絮体结构特征指标间的相关关系66-69
• 6.3.2 脱氢酶活性含量与絮体结构特征指标的回归模型69-70
• 6.4 本章小结70-72
• 第七章 结论与展望72-74
• 7.1 结论72-73
• 7.2 展望73-74
• 致谢74-75
• 参考文献75-81
• 附录81

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5 阮，

本文编号：679697