生物炭吸附污染水净化调控方法及系统

本发明涉及生物炭吸附污染水净化调控方法及系统，属于生物炭制备及云计算领域。

背景技术：

1、由于住宅和工业废水的净化标准越来越严格，未经处理的城市雨水直接排放后对环境的负面影响越来越明显，因此人们需要有效的吸附剂来解决这一问题。吸附剂可以有效地降低污水中的杂质，减轻污水处理厂的压力。目前对吸附剂的研究主要集中在提高活性炭的表面积，来提高吸附效率。但是，这些研究对经济可行性考虑有限。为了使吸附剂的生产效益更大化，我们需要使用低成本的原材料和加工工艺。

2、同时，由于化学活性炭的不可重复使用性，以及对化学原料的大量需求，生物吸附剂的经济效益就相对显得更高。相比于其他的几种生物质热处理方法，慢热解的工艺效率更高。

3、本发明利用太阳能、风能等绿色能源加工树皮样本制备生物炭，通过针对性投加生物炭吸附污染水中重金属、塑料颗粒、化工有害物等污染物，实现低成本、高效率污染水净化处理。

4、因此，现阶段迫切需要生物炭吸附污染水净化系统，提供生物炭智能吸附污染水净化综合性能指数最优模式调控策略，提高污染水净化效率、生物炭利用率同时降低能耗成本，实现低成本、高效率净化污染水，促进可再生能源的发展，推动能源结构的优化和升级，为城市的可持续发展提供重要的支撑和保障。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有的污染水净化调控系统中存在的问题，本发明提供了生物炭吸附污染水净化系统，利用绿色能源制备生物炭吸附污染水中重金属、塑料颗粒、化工有害物等污染物，用生物炭替代化学活性炭，提高经济效益的同时也提高了净化综合性能指数，实现污染水低成本、高效率净化。

2、技术方案：生物炭吸附污染水净化调控方法，包括以下步骤：

3、(1)集中收集工业废水、生活污水、商业污水、表面径流；

4、(2)对污染水进行格栅拦截、沉淀处理、水质水量调节、预曝气处理；

5、(3)利用水质检测系统进行水质检测并将检测数据传递至云平台模块，云平台模块对污染水水质数据进行收集分析并进行云计算，计算得出净化污染水最优生物炭组合及比例并驱动生物炭制备模块制备所需的生物炭，经过投加生物炭、生物炭吸附、固液分离后再次进行水质检测，判断是否达到排放标准，若达到排放标准则直接排放，若没有达到排放标准，则利用云计算得出净化所需生物炭并驱动生物炭制备模块进行制备，对污染水再次进行净化，直至达到排放标准后进行排放。

6、进一步的，步骤(3)中投加生物炭具体为将制备好的生物炭投加到污染水中，投加量根据污染水的浓度和处理要求进行调节，生物炭的投加方式为直接投加或者是通过固定床、流化床进行投加；生物炭吸附过程中在一定的时间内进行搅拌或者是通过固定床进行连续处理。

7、进一步的，所述云平台模块，利用基于白鲨算法改进的鱼鹰优化算法控制，主要包括如下步骤：

8、生物炭智能吸附污染水净化综合性能指数最优模式调控策略，通过优化目标函数所得到，目标函数为净化综合性能指数o：

9、

10、式中，pe为净化效率，表示单位时间内污染物浓度的降低率；bu为生物炭利用率，表示生物炭在吸附过程中的有效利用率；ec为能耗成本，单位为元/吨水，表示处理每吨水所需的能源成本；

11、

12、

13、

14、式中，cbefore为净化前污染物的浓度，单位为毫克/立方米，cafter为净化后污染物的浓度，单位为毫克/立方米，uactual为实际利用的生物炭量，单位为千克，utotal为总生物碳投入量，单位为千克，te为系统的总能耗，单位为kwh，ep为能源单价，单位为元/kwh，tw为处理的水量，单位为t；

15、步骤一：随机生成均匀分布的白鲨种群个体位置

16、

17、式中，为第i头白鲨第j维位置，i＝1,2,...,n，其中n为白鲨种群规模，uj、lj分别为第j维搜索空间上、下限，r为介于0和1之间的随机数；

18、步骤二：白鲨根据猎物移动来感知其位置，并更新自身速度，即进行污染水净化综合性能指数局部最优模式调控策略优化，其数学表达式如下：

19、

20、式中，为第i头白鲨第k+1次迭代速度，即为实现污染水净化调控系统综合性能指数最高，第k+1次迭代优化净化效率、生物炭利用率和能耗成本，为第i头白鲨第k次迭代速度，即第k次迭代优化净化效率、生物炭利用率和能耗成本，为目前为止白鲨在第k次迭代中获得的局部最优位置，即在k次迭代中污染水净化调控系统综合性能指数最高的调控策略，为第i头白鲨第k次迭代位置，为第i头白鲨第k次迭代速度对应的最优位置，即在k次迭代中，净化效率、生物炭利用率和能耗成本的局部最优解，c1、c2为介于0和1之间的随机数，p1、p2分别为的控制系数，μ为收缩因子；

21、

22、

23、式中，k、k分别为当前迭代次数和最大迭代次数，pmax、pmin分别为控制系数最大、最小值；

24、步骤三：基于最优猎物的位置更新，白鲨通过朝最优猎物移动来更新自身位置以找到最优或次优猎物，即在速度更新阶段的基础上，再次进行污染水净化综合性能指数局部最优模式调控策略优化，寻找局部最优解和次优解，其数学表达式如下：

25、

26、式中，为第i头白鲨第k+1次迭代位置，即在第k+1次迭代优化污染水净化调控系统综合性能指数中，净化效率、生物炭利用率和能耗成本的数据，并寻求局部更优解，为否定运算符，为位运算符，a、b为一维二进制向量，u、l分别为搜索空间上、下限，o0为逻辑向量，f为白鲨波浪运动频率，mv为白鲨接近猎物时随迭代次数增加而增加的动力，即污染水净化调控系统综合性能指数随迭代次数增加而增加；

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28、

29、

30、式中，sgn()为正负号返回函数；

31、基于最优白鲨的位置更新，白鲨通过朝着最优白鲨位置移动以靠近猎物最优位置，其数学表达式如下：

32、

33、式中，为第i头白鲨第k+1次迭代相对于猎物的新位置，即在k+1次迭代中，净化效率、生物炭利用率和能耗成本的局部最优解，r1、r2、r3为介于0和1之间的随机数，dk为猎物与白鲨之间的距离，ss为白鲨在接近最佳猎物时的嗅觉和视觉强度参数；

34、步骤四：利用鱼鹰优化算法，搜索空间中更优的目标函数值；鱼鹰随机检测到其中一条鱼的位置并攻击它，在模拟鱼鹰向鱼移动的基础上，计算相应鱼鹰的新位置，如果该新位置更优，则替换鱼鹰的先前位置；在白鲨优化算法基础上利用鱼鹰优化算法，搜索更优目标函数值，即净化效率、生物炭利用率和能耗成本的更优解；

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37、

38、式中，pi为第i只鱼鹰的鱼的集合，f为鱼鹰选中的鱼，ω为0和1之间的随机数，i的值为{1,2}中的一个；求得的数据即为最高净化效率、最高生物炭利用率和最低能耗成本数据；

39、步骤五：保留前三个最优解，即最高净化效率、最高生物炭利用率和最低能耗成本，即污染水净化综合性能指数最优模式调控策略的全局最优解，并根据这些最优位置来更新其他白鲨个体位置，其数学表达式如下：

40、

41、最后输出的即为迭代结果中生物炭智能吸附污染水净化综合性能指数最优模式调控策略，即最高净化效率、最高生物炭利用率和最低能耗成本。

42、进一步的，所述生物炭制备模块，利用绿色能源将树皮样本在70℃下烘干至含水量10％，然后在475℃下缓慢热解碳化3小时，最后在800℃下蒸汽活化3.5小时。

43、进一步的，生物炭表面积在400-600m2/g范围内。这一范围确保了生物炭具有足够的吸附能力来处理污染水。这种生物炭具有优异的吸附性能，能够有效地去除水体中的有害物质，实现污染水的净化。在生物炭吸附污染水净化调控方法中，通过控制生物炭的投加量和投加时间，以及与其他净化技术的结合使用，可以进一步提高净化效果，实现低成本、高效率的污染水净化处理。

44、生物炭吸附污染水净化调控系统，其特征在于，所述污染水净化调控系统，包括污染水收集模块、污染水预处理模块、污染水净化模块、生物炭制备模块、云平台模块；

45、所述污染水收集模块集中收集工业废水、生活污水、商业污水、表面径流；

46、所述污染水预处理模块对污染水进行格栅拦截、沉淀处理、水质水量调节、预曝气处理；

47、所述污染水净化模块利用水质检测系统进行水质检测并将检测数据传递至云平台模块，云平台模块对污染水水质数据进行收集分析并进行云计算，计算得出净化污染水最优生物炭组合及比例并驱动生物炭制备模块制备所需的生物炭，经过投加生物炭、生物炭吸附、固液分离后再次进行水质检测，判断是否达到排放标准，若达到排放标准则直接排放，若没有达到排放标准，则利用云计算得出净化所需生物炭并驱动生物炭制备模块进行制备，对污染水再次进行净化，直至达到排放标准后进行排放。

48、有益效果：

49、1、与传统的污染水净化系统相比，本发明通过针对性投加生物炭吸附剂，实现污染水低成本、高效率净化。

50、2、与传统的化学活性碳吸附剂相比，生物炭吸附剂不仅可重复使用，且原料易收集、加工工艺简单，吸附效率和吸附效果也更优。

51、3、本发明还通过基于白鲨算法改进的鱼鹰优化算法，优化净化效率、生物炭利用率和能耗成本，实现污染水净化调控系统综合性能指数最高。