基于pso-SVM廢水厭氧處理技術(shù)分析

廢水厭氧處理在工業(yè)廢水處理中越來越重要, 厭氧處理相對于好氧處理具有動力消耗小、污泥產(chǎn)量少、對氮和磷的需要量低, 可減少補充氮和磷營養(yǎng)的費用、厭氧消化可產(chǎn)生生物能等優(yōu)點(Wijekoon et al., 2011).厭氧消化過程可簡單地分為水解、發(fā)酵酸化、產(chǎn)乙酸、產(chǎn)甲烷4個階段(賀延齡, 1998;成喜雨等, 2008;Demirel et al., 2002).從厭氧消化降解有機物的過程來看, 產(chǎn)甲烷菌對VFA的利用對厭氧消化至關(guān)重要.一方面厭氧消化的最終產(chǎn)物取決于產(chǎn)甲烷階段;另一方面未被利用的VFA在一定程度上會抑制產(chǎn)甲烷菌的活性.Mawson等(1986)的研究表明, 當(dāng)乙酸和丙酸濃度分別達到2000 mg·L-1和500 mg·L-1時, 產(chǎn)甲烷菌的活性受到了抑制.Xiao等(2013)研究了未降解的乙酸對厭氧消化過程中水解酸化菌和產(chǎn)甲烷菌的影響, 該研究表明水解酸化階段可接受的最高未降解的乙酸濃度高于產(chǎn)甲烷階段, 也即產(chǎn)甲烷菌對厭氧體系中未降解的乙酸濃度更敏感, 同時該研究結(jié)果指出當(dāng)未降解的乙酸濃度在未超過閾值時乙酸的存在一定程度上提高了產(chǎn)甲烷菌的活性, 但當(dāng)體系積累的乙酸達到閾值時極大地抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性.需要指出的是, 不同的厭氧體系能忍受積累的VFA濃度是不同的, 這取決于厭氧消化降解的底物基質(zhì)和厭氧體系的操作條件(張仁瑞, 1997).因此監(jiān)控厭氧消化過程VFA濃度對于優(yōu)化廢水厭氧處理管理, 監(jiān)控厭氧處理設(shè)施的運行具有指導(dǎo)意義.

　　針對VFA濃度的檢測方法, 一直受到了高度的重視, 研究人員做了大量工作(Feitkenhauer et al., 2002;趙保全, 2008;Falk et al., 2015;姚崇齡, 2006).VFA濃度離線測定的方法主要有蒸餾法、滴定法、色譜法、比色法等(江偉, 2010), 然而這種基于電化學(xué)等離線分析耗時、滯后甚至費用昂貴, 不能滿足快速變化的高負荷厭氧消化系統(tǒng)的在線監(jiān)測需求.因此, 很有必要進一步研究VFA在線檢測技術(shù), 探究一個便捷、快速、低廉的檢測策略.

　　基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)理統(tǒng)計學(xué)等的軟測量技術(shù)在廢水處理過程中應(yīng)用越來越廣, 軟測量模型適用于非線性系統(tǒng)建模, 可以應(yīng)用快速并行處理算法從而大大提高辨識速度, 用于系統(tǒng)建模的方法很簡單, 只需通過系統(tǒng)的輸入和輸出數(shù)據(jù)等特點, 使其對于水質(zhì)變化頻繁的廢水生物處理仍然具有比較好的精度(李勇等, 2005;傅永峰, 2007;Huang et al., 2010).目前, 針對基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軟測量模型進行了大量研究, 其在廢水處理中運用越來越廣(Huang et al., 2016;黃明智, 2011).研究人員發(fā)現(xiàn), 盡管基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軟測量模型表現(xiàn)較好, 但是由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種局部最優(yōu)算法, 面對廢水水質(zhì)變化頻繁亦存在過擬合和欠擬合, 且對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層數(shù)和隱含層節(jié)點數(shù)的選擇并無理論上的指導(dǎo).SVM是近年來在機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域中受到關(guān)注較多的一種基于統(tǒng)計學(xué)原理的新技術(shù), 支持向量機(SVM, Support Vector Machine)作為一種高效簡單的機器學(xué)習(xí)方法, 其在廢水處理中的運用越來越受到關(guān)注(Selakov et al., 2014;Nieto et al., 2013;韓雯, 2012).劉博等(2014)提出一種基于PCA-LSSVM的厭氧廢水處理系統(tǒng)出水VFA在線預(yù)測模型, 仿真結(jié)果表明在穩(wěn)態(tài)環(huán)境下該模型具有很好的仿真能力, 然而元數(shù)據(jù)集加入非穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)后, 模型在非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下的仿真表現(xiàn)受到一定的干擾.

　　本文研究將基于SVM回歸和分類模型構(gòu)建軟測量模型, 利用粒子群算法對模型參數(shù)尋優(yōu), 預(yù)測廢水厭氧處理出水VFA濃度和COD去除率, 為監(jiān)控和優(yōu)化廢水厭氧處理, 提高厭氧處理穩(wěn)定性和效率提供指導(dǎo).

　　2 材料及方法(Materials and methods) 2.1 實驗裝置與實驗系統(tǒng)

　　為獲得不同進水條件下廢水厭氧降解有機物出水VFA濃度以及處理的效果, 在實驗室搭建一套廢水厭氧處理系統(tǒng).實驗裝置如圖 1所示, 實驗所用的IC厭氧反應(yīng)器為有機玻璃制作, 高1272 mm, 內(nèi)徑200 mm, 有效容積25.1 L, 第一反應(yīng)區(qū)與第二反應(yīng)區(qū)的體積比為4:1, 廢水通過BT600-2J型蠕動泵輸送至反應(yīng)器內(nèi), 水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)由在線pH儀表(美國哈希公司, GLI MODEL33)、在線ORP儀表(GOLDTO TP560)、PT100溫度傳感器(u2p-010) 和濕式氣體流量計(LML-1型)組成.反應(yīng)器經(jīng)過3個月成功啟動, 接種污泥為廣州某造紙廠IC反應(yīng)塔厭氧顆粒污泥, 其總固體懸浮物(TSS)為112.56 g·L-1, 揮發(fā)性懸浮物(VSS)為132.04 g·L-1, VSS/TSS為0.852.

　　圖 1(Fig. 1)

　　圖 1 實驗裝置示意圖

　　實驗廢水采用自制廢水, 實驗廢水將采用人工自配有機廢水, 有機廢水以葡萄糖、尿素、磷酸二氫鉀按COD:N:P=200:5:1的比例配制, 同時加入1.8 mg·L-1 CaCl2·2H2O、0.5 mg·L-1 MgSO4、0.25 mg·L-1 CuSO4·5H2O、0.248 mg·L-1 CoCl2·6H2O、0.24 mg·L-1 FeCl3 ·5H2O、0.205 mg·L-1 ZnCl2、0.19 mg·L-1 NiCl2·6H2O、0.014 mg·L-1 H3BO4和0.009 mg·L-1 NH4MoO4·4H2O, 以保證厭氧微生物微量元素所需.反應(yīng)器運行過程中通過變化進水有機負荷, 變化進水堿度的方式改變反應(yīng)器進水條件和處理條件來獲得不同條件下厭氧處理出水VFA濃度的變化以及出水VFA濃度與厭氧處理效果之間的聯(lián)系.試驗期間, pH值、ORP、溫度由在線監(jiān)測系統(tǒng)檢測, COD采用重鉻酸鉀滴定法測定, 產(chǎn)氣量采用濕式氣體流量計測定, 產(chǎn)氣組分采用氣象色譜(A90氣相色譜儀)外標(biāo)法測定, VFA濃度及其組分含量采用氣相色譜(A90氣相色譜儀)外標(biāo)法測定.

　　2.2 SVM模型

　　SVM是由貝爾實驗室的Vapnik及其研究小組于1995年在統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論的基礎(chǔ)上提出來的一類新型的機器學(xué)習(xí)方法(Vapnik et al., 1995).它開始是針對線性可分情況進行分析的, 后來對于線性不可分的情況, 通過使用非線性映射算法將低維輸入空間線性不可分的樣本映射到高維屬性空間使其線性可分, 使得在高維屬性空間采用線性算法對樣本的非線性特性進行分析成為可能, 通過使用結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化準(zhǔn)則在屬性空間構(gòu)造最優(yōu)分割超平面, 使得機器學(xué)習(xí)得到全局最優(yōu)化, 解決了學(xué)習(xí)問題, 對樣本具有較好的泛化能力, 由于支持向量機的訓(xùn)練問題本質(zhì)上是一個經(jīng)典的二次規(guī)劃問題, 避免了局部最優(yōu)解, 有效地克服了維數(shù)災(zāi)難.

　　為了使SVM模型獲得比較好的表現(xiàn), 以下兩點是至關(guān)重要的：① 為SVM模型選擇核函數(shù), 目前實際運用中比較常用的核函數(shù)有：高斯、多項式、樣條、S形、RBF等核函數(shù);② 為模型選擇參數(shù)ε和C, 懲罰因子C又稱正則化參數(shù), 用以在訓(xùn)練中平衡機器學(xué)習(xí)的復(fù)雜性和經(jīng)驗風(fēng)險(孫彤2013).

　　2.3 粒子群算法(pso算法)

　　粒子群(Particle Swarm Optimization, PSO)算法是由Kennedy和Eberhart (2013)在人工生命研究的影響之下提出來的, 又模擬了鳥群在尋找食物過程中的集體遷徙行為, 提出了這種基于群體智能的演化計算方法.國內(nèi)外研究表明pso算法廣泛地用于優(yōu)化統(tǒng)計學(xué)模型, 比如ANN模型(Dhanarajan et al., 2014), SVM模型(Nieto et al., 2016).原始的PSO算法的基本模型描述為：設(shè)在一個n維搜索空間中, 種群X={x1, x2, ……, xN}是由N個粒子構(gòu)成, 其中第i個粒子所處的當(dāng)前位置為x1={xi1, xi2, ……, xin}T, 其速度為v1={vi1, vi2, ……, vin}T, 該粒子的個體極值表示為P1={Pi1, Pi2, ……, Pin}T, 整個種群的全局極值表示為Pg={Pg1, Pg2, ……, Pgn}T, 按照粒子不斷尋優(yōu)的原理, 粒子xi的速度及位置更新公式如下所示

(1) (2)

　　式中, w是權(quán)重值, C1、C2為加速常數(shù).rand1、rand2是隨機函數(shù), 作用是為了產(chǎn)生(0, 1) 的隨機數(shù).pso算法優(yōu)化SVM模型的流程如圖 2所示.

　　圖 2(Fig. 2)

　　圖 2 pso算法優(yōu)化SVM模型流程

　　2.4 基于pso-SVM的軟測量模型建立

　　如前所述, 為得到模型較好的抗干擾能力、泛化能力和預(yù)測性能, 需要為模型選擇核函數(shù)、核參數(shù)和正則化參數(shù), 本文選取RBF函數(shù)作為SVM模型的核函數(shù), 利用pso算法優(yōu)化模型, 為SVM模型選擇最優(yōu)參數(shù), 通過Matlab2015b軟件平臺建立模型.pso算法優(yōu)化SVM模型得到的最優(yōu)參數(shù)如表 1所示.

　　表 1(Table 1)

　　表 1 pso-svm模型參數(shù)

 

　　整個基于pso-SVM的軟測量模型流程

如圖 3所示.元數(shù)據(jù)分成測試集和訓(xùn)練集, 訓(xùn)練集用于建立模型, 測試集用于驗證模型.將訓(xùn)練集數(shù)據(jù)用于pso-SVM-regression模型建模, 根據(jù)建模輸出數(shù)據(jù)與訓(xùn)練集輸出量的相對誤差將訓(xùn)練集分成兩個訓(xùn)練集(訓(xùn)練集① 及訓(xùn)練集②), 并標(biāo)記訓(xùn)練集①、② 的元數(shù)據(jù)標(biāo)簽分別為1、-1;根據(jù)分成的兩類訓(xùn)練集, 利用pso-SVM-classification模型將測試集分成兩類, 從而將元數(shù)據(jù)分成了兩個數(shù)據(jù)集;再利用SVM-Regression分別對數(shù)據(jù)集進行處理, 將經(jīng)分類和未分類的模型表現(xiàn)進行分析總結(jié).

　　圖 3(Fig. 3)

　　圖 3 pso-SVM模型流程圖

　　2.4.1 原始數(shù)據(jù)集采集及預(yù)處理

　　通過進水條件梯度變化, IC厭氧反應(yīng)器成功運行60 d, 數(shù)據(jù)人工剔除明顯異常值后利用拉依達準(zhǔn)則剔除離群值, 共采集159組元數(shù)據(jù).模型的輸入量包括進水有機負荷, 出水pH、T、產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣組分(甲烷、二氧化碳產(chǎn)量)、進水堿度、反應(yīng)器ORP(氧化還原電位), 輸出量包括出水總VFA濃度以及反應(yīng)器COD去除率.

　　為確保模型的輸入和輸出值的統(tǒng)計分布是大致均勻的, 提高模型的運行精度以及速度, 需要將元數(shù)據(jù)集作歸一化處理：

(3)

　　式中, S(i)為數(shù)據(jù)集中的一組數(shù)據(jù);min(S)為數(shù)據(jù)集中值最小的一組數(shù)據(jù);max(S)為數(shù)據(jù)集中值最大的一組數(shù)據(jù);

　　2.4.2 模型性能的評價指標(biāo)

　　為了直觀地表達軟測量模型的性能, 本文將選取以下評價指標(biāo)來表征：

　�、� 平均絕對百分比誤差(Mean Absolute Percent Error，MAPE), MAPE是兩組數(shù)據(jù)之間的所有相對誤差的絕對值求和的平均值，平均絕對誤差由于離差被絕對值化，不會出現(xiàn)正負相抵消的情況，能從整體上更好地反映預(yù)測值與實際值的偏差情況;

(4)

　�、� 均方根誤差(Root Mean Square Error，RMSE)估計值與真值偏差的平方與檢測次數(shù)n比值的平方根，RMSE主要是為了說明樣本的離散程度;

(5)

　�、� 相關(guān)系數(shù)(correlation coefficient，R), R反映了估計值整體偏離實際值的強弱，R越接近于1則說明估計值與實際值越接近;

(6)

　　(4) 相對誤差(Relative Error，RE)，RE表示絕對誤差值與被測量值的真值之比，相對誤差更能反映預(yù)測的可靠程度;

(7)

　　以上各式中，y為實際值，y*為實際值均值，yp為預(yù)測值，yp*為實際值均值，m為樣本數(shù)量.

　　3 結(jié)果與討論(Results and discussion) 3.1 廢水處理系統(tǒng)COD去除率與VFA濃度之間的聯(lián)系

　　圖 4體現(xiàn)了厭氧處理系統(tǒng)COD去除率與出水VFA濃度之間的關(guān)系.分析圖 4可得：隨著出水VFA濃度的增大, 系統(tǒng)COD去除率越來越低;出水VFA濃度在0~250 mg·L-1之間時, 系統(tǒng)COD去除率大部分在75%以上;出水VFA濃度達到400 mg·L-1時, 系統(tǒng)COD去除率降低到65%;由此可見, 厭氧體系未降解的VFAs達到一定濃度時對厭氧系統(tǒng)微生物降解有機物產(chǎn)生了抑制.具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔

　　圖 4(Fig. 4)

　　圖 4 體系VFA濃度與COD去除率之間的聯(lián)系

　　運用MATLAB的聚類多項式線性擬合工具體現(xiàn)VFA-COD去除率的線性關(guān)系.如圖 4a所示, 一次多項式擬合VFA-COD去除率的表現(xiàn)來看, VFA-COD去除率之間的聯(lián)系可用公式(4) 表示:

(8)

　　一次多項式線性擬合線性相關(guān)性系數(shù)為0.7476, 均方根誤差RMSE為0.4108;如圖 4b所示, 三次多項式擬合VFA-COD去除率的表現(xiàn)來看, VFA-COD去除率之間的聯(lián)系可用公式(5) 表示：

(9)

　　一次多項式線性擬合線性相關(guān)性系數(shù)為0.8765, 均方根誤差RMSE為0.1318.

　　目前經(jīng)常用作廢水厭氧消化效果的指標(biāo)有產(chǎn)氣量、COD去除率、pH、VSS等, 然而pH、產(chǎn)氣量和VSS在指示厭氧消化過程中的突變往往過于滯后(Ahring et al., 1995).根據(jù)本文的結(jié)果可以看出, 體系累積的VFA與體系COD去除率存在一定的關(guān)系, 但VFA濃度累積到一定濃度時, 體系COD去除率下降的幅度越來越大, 體系VFA濃度可以成為厭氧消化的性能指標(biāo).

　　3.2 廢水厭氧處理系統(tǒng)COD去除率預(yù)測仿真 3.2.1 元數(shù)據(jù)集分類結(jié)果

　　數(shù)據(jù)集分類前, 數(shù)據(jù)集分為訓(xùn)練集和測試集, 其中訓(xùn)練集共100組數(shù)據(jù), 測試集共59組數(shù)據(jù).模型運行開始后, 根據(jù)模型針對訓(xùn)練集的輸出量與實際值之間的誤差將訓(xùn)練集平分為兩個訓(xùn)練集(訓(xùn)練集① 及訓(xùn)練集②), 經(jīng)過pso-SVM-classification模型將測試集分成兩類測試集(測試集① 及測試集②), 至此, 元數(shù)據(jù)集分類成兩類數(shù)據(jù)集：數(shù)據(jù)集①：訓(xùn)練集共50組數(shù)據(jù)、測試集共28組數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)集②：訓(xùn)練集共50組數(shù)據(jù)、測試集共31組數(shù)據(jù).

　　3.2.2 模型仿真結(jié)果

　　廢水厭氧處理系統(tǒng)COD去除率預(yù)測仿真結(jié)果見表 2及圖 5.由表 2分析模型訓(xùn)練過程中的性能指標(biāo), 分類之后模型的線性相關(guān)性R由74.85%提高到91.43%和92.62%, 在元數(shù)據(jù)集分類之后模型訓(xùn)練過程中的其他指標(biāo)均有提升, 由此可知分類之后模型獲得了輸入量與輸出量之間更為明確的模糊關(guān)系.對比分類前后的模型表現(xiàn), 通過對比圖 5a與圖 5b、圖 5c, 模型在數(shù)據(jù)集分類后的性能表現(xiàn)提升較大, 雖然在水質(zhì)變化較大時, 模型的表現(xiàn)不夠理想, 但是相對于分類前模型表現(xiàn)提升較大.分類之前, 模型的各性能指標(biāo)(測試集)RMSE為5.94, MAPE為4.61%, 相關(guān)性R為65.86%;分類之后, 數(shù)據(jù)集① 及數(shù)據(jù)集② 的性能指標(biāo)分別為：RMSE為3.75、3.73, MAPE為2.96%、2.75%, 相關(guān)性R為92.34%、83.41%.圖 6表示的是模型仿真結(jié)果與實驗值的相對誤差, 模型分類前相對誤差最大為27.10%, 分類后相對誤差最大分別為11.84%、11.95%.

　　圖 5(Fig. 5)

　　圖 5 pso-SVM模型對COD去除率仿真結(jié)果

　　表 2(Table 2)

　　表 2 厭氧體系COD去除率模型預(yù)測性能

 

　　圖 6(Fig. 6)

　　圖 6 pso-SVM模型對COD去除率仿真相對誤差

　　3.3 廢水厭氧處理系統(tǒng)VFA濃度預(yù)測仿真 3.3.1 元數(shù)據(jù)集分類結(jié)果

　　數(shù)據(jù)集分為訓(xùn)練集和測試集, 其中訓(xùn)練集共100組數(shù)據(jù), 測試集共59組數(shù)據(jù).模型運行開始后, 根據(jù)模型針對訓(xùn)練集的輸出量與實際值之間的誤差將訓(xùn)練集平分為兩個訓(xùn)練集(訓(xùn)練集① 及訓(xùn)練集②), 經(jīng)過pso-SVM-classification模型將測試集分成兩類測試集(測試集① 及測試集②), 至此, 元數(shù)據(jù)集分類成兩類數(shù)據(jù)集：數(shù)據(jù)集①：訓(xùn)練集共50組數(shù)據(jù)、測試集共32組數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)集②：訓(xùn)練集共50組數(shù)據(jù)、測試集共27組數(shù)據(jù).

　　3.3.2 模型仿真結(jié)果

　　廢水厭氧處理系統(tǒng)VFA濃度預(yù)測仿真結(jié)果見表 2及圖 7.通過分析圖 7a, pso-SVM模型對廢水厭氧處理系統(tǒng)VFA濃度具有較好的預(yù)測仿真能力, 但是當(dāng)水質(zhì)變化較大時, 模型存在欠擬合的問題, 局部表現(xiàn)較差.對比分類前后的模型表現(xiàn), 通過對比圖 7a與圖 7b、圖 7c, 模型在數(shù)據(jù)集分類后的性能表現(xiàn)提升較大.分類之前, 模型的各性能指標(biāo)(測試集)RMSE為59.75, MAPE為42.97%, 相關(guān)性R為85.25%;分類之后, 數(shù)據(jù)集① 及數(shù)據(jù)集集② 的性能指標(biāo)分別為：RMSE為20.45、9.64, MAPE為12.11%、7.16%, 相關(guān)性R為99.14%、99.59%.圖 8表示的是模型仿真結(jié)果與實驗值的相對誤差, 模型分類前相對誤差最大為179.47%, 分類后相對誤差最大分別為21.91%、165.85%.從圖 8可以看出, 元數(shù)據(jù)集分類后模型對個別樣本單元的預(yù)測表現(xiàn)依然不夠理想, 若要針對每個樣本集獲得更為精確的預(yù)測結(jié)果, 需要優(yōu)化模型的核函數(shù)、分類策略等(Cao et al., 2016), 這也是未來的研究方向.

　　圖 7(Fig. 7)

　　圖 7 pso-SVM模型對VFA濃度預(yù)測結(jié)果

　　圖 8(Fig. 8)

　　圖 8 pso-SVM模型對VFA濃度仿真相對誤差

　　表 3(Table 3)

　　表 3 厭氧體系VFA濃度模型預(yù)測性能

 

　　4 結(jié)論(Conclusions)

　　1) 元數(shù)據(jù)集分類之前, pso-SVM模型對廢水厭氧處理體系COD去除率及出水總VFA濃度的仿真表現(xiàn)較好, 測試樣本的整體預(yù)測數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)分別為65.86%, 85.25%.

　　2) 為提升模型的表現(xiàn)加入分類策略將元數(shù)據(jù)集分成兩類(數(shù)據(jù)集① 和數(shù)據(jù)集②), 對比分類前后仿真結(jié)果, 數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)量達到一定量后, 通過加入分類策略可以較大地提升模型的表現(xiàn), 模型預(yù)測系統(tǒng)COD去除率測試樣本數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)分別為92.34%、83.41%;模型預(yù)測系統(tǒng)出水總VFA濃度測試樣本數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)分別為99.14%、99.59%.

　　3) 引入分類策略對元數(shù)據(jù)集進行有效分類, 基于pso-SVM的軟測量模型可為監(jiān)控、優(yōu)化和理解厭氧消化過程提供指導(dǎo).