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科技新进展:矾花视境®智能加药技术

发布时间:2022/10/27

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一、研究背景及问题

2017年年初,国家发改委发布了《“互联网+”绿色生态三年行动实施方案》的通知,文中明确提出了“大力发展智慧环保”要求,这是智慧环保概念的首次提出。“智慧水务”是“智慧环保”概念具体到水务领域的体现,以更加精细和动态的方式管理水系统,具有可靠性高、功率小、运行成本低、实时性强等特点,有助于规范管理、节能降耗、减员增效。

我国水处理行业在经历了上世纪八十年代的打基础阶段以及新世纪前后的自动化阶段后,已基本实现了城镇污水全处理(截止2016年底,全国城镇污水处理率达96%以上),水处理厂均建设了设备自动化控制系统,大幅解放了劳动力。目前,行业正处于智能化转型阶段,利用无线传感器网络、数据库技术和3/4G网络,搭建水处理企业的数字化业务系统和数据库,大大提高了信息存储、查询和回溯的效率,初步实现了业务管理的信息化,突破了水处理企业原有各工艺、各系统环节间的“数据孤岛”,实现了数据“一张图”、“一张表”。然而,从信息化到智能化仍然存在较大差距,例如,缺少对水处理工艺环节的智能控制,绝大部分过程控制仍然依靠人工决策,难以将数据与精细化管理充分结合。

以混凝工艺为例,这是最常见、应用最广泛的一种水处理工艺。其原理是通过向水中投加化学药剂,破坏水中悬浮污染物电荷稳定性,促使其团聚形成矾花后从水中沉淀去除。整个混凝反应过程受多种因素影响,包括水体污染程度、水中电荷分布、流场情况、温度情况等等,并且反应过程存在滞后性,整个反应过程难以建立精确的数学模型,造成目前仍以人工巡检为主要控制方式,存在人力投入大、药剂浪费、水质波动等问题。

二、解决问题的思路与技术方案

针对上述问题,本技术将机器视觉、AI算法、深度学习等智能化技术手段与传统水处理工艺深度融合,模拟人工控制过程中“肉眼识别+大脑判断”的过程,通过识别混凝反应过程产生的矾花形貌特征,结合水质参数,混凝工艺过程参数的实时智能运算,最终取代人工决策环节,实现“高效感知——智能决策——自动控制”的无人化智能闭环控制体系。

国内外针对混凝沉淀工艺过程的智能控制已经开展了大量的研究,也有研究团队提出了模拟人工控制模式中“肉眼识别+大脑判断”的决策过程,利用图像识别技术对矾花的特征进行描述,进而实现对药剂量的精确控制。但是这些技术存在诸多问题:一是仅以矾花图像特征参数为混凝反应效果的判断依据,对水质波动不敏感;二是算法需要人为对不同矾花图像对应的反应情况及加药量情况进行评估及标注,算法自主学习能力差;第三,算法拓展性差,只能控制混凝剂投加量,要扩展控制参数必须增加模型输出层维数,会导致模型的准确度快速降低;最后,算法加药控制精度差,无法快速控制到位。

考虑到这些存在的技术问题,开展了自学习耦合智能算法研究,矾花图像特征参数识别算法研究,水下图像采集系统研究及装置开发,以及集成智能加药控制系统研究及软件开发等工作内容,通过以上内容模拟并替代传统混凝沉淀工艺控制过程中人工识别、人工决策的过程,实现巡检加药无人化、自学习以及高精准控制。

三、主要创新性成果

1、基于AI图像识别及混凝反应机理的智能算法

利用神经网络、遗传算法、梯度爆炸等算法构建了基于出水水质的回归模型,可直接计算出水水质,进而实现对药剂量的控制。模型对进出水水质参数实时跟踪,保证对进水波动的敏感性。

2、矾花图像关键特征参数识别算法

模拟人工判断逻辑,对矾花形貌特征进行识别提取,判断混凝反应效果。对于矾花形貌判断过程中可能存在的人为差异,全部由自学习耦合智能算法结合出水情况进行自动标注,加强了算法模型的自学习能力,并显著减少了人为判断误差。此外,考虑到矾花拍摄环境复杂,当水下图像采集装置镜头表面滋生微生物、或沾附矾花后,评估有效信息占比,当有效信息占比偏低时,系统将提示清洗镜头。

3、图像采集装置

专门用于矾花图像拍摄的水下图像采集装置,如下图所示。为保证在水下的连续稳定运行,整体进行高防护等级封装(IP68),防止电气元件在水下损坏;同时水下承压可达50m,保证了水下图像采集装置在不同场景内的适用性;强制补光防止不同时刻、不同气候下的光线干扰;创新设计的自清洁刮片机构保证镜头清洁度。

四、应用情况与效果

该技术于2019年10月在湛江钢铁中央水厂生产废水处理线中成功应用。

湛江钢铁中央水厂生产废水处理线日处理水量约3万m3/d,分为1#高密度沉淀池及2#高密度沉淀池。该技术于2019年进行测试应用,应用于2#高密池,1#高密池维持原有的人工控制模式以作对比分析。

2019年9月完成矾花视境智能加药系统的安装调试工作,经过一个多月的数据收集训练,于2019年10月17日正式介入生产控制。开启智能控制模式以来,实现了对水下矾花图像的实时采集、实时识别、实时显示,并且实现了无人巡检、无人加药等智能化操作,药剂控制更加精准。

以浊度表征水质情况,应用智能加药系统的2#高密池水质达标率(出水浊度≤1NTU)可达100%,与之相比,维持人工控制模式的1#高密池水质达标率不足70%,水质稳定性显著提高。同时药剂量也有了明显降低,与应用智能加药系统前的平均药剂量相比,总体可节约30%药剂使用量,减少了对后续膜系统的药剂残留污堵风险。

自2019年智能加药系统技术成果成功应用于湛江钢铁中央水厂生产废水处理线后,湛江钢铁后续在三高炉新建水处理系统、焦化废水处理站中均继续使用该技术。截止2022年,在钢铁、市政等领域提供技术产品30余套,包括中天绿色精品钢基地、江苏建湖自来水厂、重庆白洋滩自来水厂、攀钢矿业兴茂矿厂等项目。该技术产品得到了业内的广泛关注及认可,得到了央视、中国冶金报等媒体报道。

信息来源:中冶赛迪工程技术股份有限公司

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