跳到主要内容基于机器学习的生态组合塘强化城市污水处理厂脱氮优化 | 极客日志PythonAI算法
基于机器学习的生态组合塘强化城市污水处理厂脱氮优化
综述由AI生成针对生态组合塘污水处理厂进水波动下脱氮难优化的问题,研究采用 XGBoost 机器学习模型构建预测与优化框架。通过三年运行数据分析,筛选出 TN_7、能耗、DO_5 等关键特征,结合 SHAP 与 PDP 方法解析模型机理。集成 NSGA-II 与 TOPSIS 算法开发 GUI 工具,实现了出水总氮、能耗及外加碳源用量的同步降低。实测表明,优化后出水总氮平均下降 17.50%,COD 投药量减少 33.29%,年碳减排量达 788.40 吨,有效平衡了达标排放与节能降耗目标。
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背景与痛点
在中国小城镇,采用生态组合塘(ECPs)工艺的污水处理厂正面临一个棘手问题:进水水质波动大时,难以动态调整运行参数。为了满足严格的总氮(TN)排放标准,往往出现曝气过量、外加碳源投加过度的情况,导致能耗和成本上升。
为解决这些难题,我们需要为这类工艺建立适宜的总氮强化去除模型。本研究采集了某采用生态组合塘工艺的全尺度城镇污水处理厂三年的运行数据,通过可解释性机器学习方法对出水总氮浓度进行预测与优化。
数据基础与预处理
生态组合塘运行概况
该大型城市污水处理厂位于中国浙江,设计处理能力为 60,000 m³/d。整个系统分为 13 个区域,各区平均水深为 8.8 m。具体构造包括:
- 第一好氧区(1–5 区)
- 缺氧区(6–8 区)
- 第二好氧区(9–12 区)
- 沉淀区(13 区)
运行过程中,在第一缺氧区(6 区)和第二缺氧区(7 区)添加了一种聚合物外加碳源,并将混合液从沉淀区回流至第一缺氧区(6 区)。实际出水参数均远优于国家排放标准。

图 1。(a)全规模城市污水处理厂生态组合池的简化流程图;(b)通过 SHAP 分析和 PDP 确定了用于预测和优化废弃物 TN 浓度的机器学习框架。
数据集信息
研究收集了自 2021 年 1 月 1 日至 2023 年 12 月 31 日期间共 1095 组时间序列数据。系统监测了包括废水温度、进水 pH 值及出水化学需氧量(COD)浓度在内的 16 项关键运行参数。经过严格的特征选择方案,最终确定了 13 个作为后续预测模型驱动因素的重要参数:
| 参数分类 | 参数名称 (中) | 英文缩写 | 备注 / 功能说明 |
|---|
| 进水特征 | 进水流量 | Flowrate_inf | 反映污水处理厂的实时水力负荷 |
| 进水氨氮 | NH_4^+-N_inf | 硝化过程的主要底物来源 |
| 进水总氮 | TN_inf | 脱氮处理的总负荷基础 |
| 过程监控 | 5 区溶解氧 | DO_5 | 第一好氧区末端的充氧状态 |
| 5 区总氮 | TN_5 | 第一好氧区后的氮素残留情况 |
| 6 区化学需氧量 | COD_6 | 第一缺氧区的碳源水平 |
| 6 区总氮 | TN_6 | 第一缺氧区的脱氮初步效果 |
| 7 区溶解氧 | DO_7 | 第二缺氧区的环境状态 (需维持低 DO) |
| 7 区化学需氧量 | COD_7 | 第二缺氧区用于反硝化的有效碳源 |
| 7 区总氮 | TN_7 | 深度脱氮后的氮素水平 |
| 操作/控制 |
| 预测目标 | 出水总氮 | TN_eff | 核心预测变量,衡量排放是否达标 |
此外,研究采用 KNN 算法对采集的数据集进行了缺失值处理与离群值清洗,剔除了占总数据集不足 1% 的包含离群值的记录。
模型开发与评估
在模型开发阶段,预处理后的数据集按 8:2 的比例划分为训练集(80%)和测试集(20%)。为了提升模型的泛化能力,我们首先通过 Pearson 相关性分析剔除预测增益低且存在共线性的特征,同时引入 SHAP 值系统评估特征的重要性。
模型对比与选择
研究对比了多元线性回归(MLR)、支持向量机(SVM)、轻量级梯度提升机(LightGBM)、随机森林(RF)、极端梯度提升(XGBoost)和类别特征提升(CatBoost)六种机器学习算法。
结果显示,MLR 的预测能力有限(测试集 R² = 0.459),而其余五种非线性模型的性能表现优异。其中,XGBoost 模型表现最为突出,训练集准确率接近完美(R² = 0.999),但在测试集上的泛化能力略弱(R² = 0.829)。经过特征修剪(剔除冗余特征如进水 pH、废水温度、出水 COD)后,优化后的 XGBoost 模型性能显著提升,训练集和测试集的 R²分别达到 0.997 和 0.911,RMSE 分别为 0.196 和 1.283。
图 2f 显示了 XGBoost 模型的拟合曲线及其 95% 预测区间。由于绝大多数测试数据点均落在 95% 置信区间内,充分证明了该模型的可靠性与鲁棒性。因此,后续研究将采用 XGBoost 模型进行出水总氮浓度的计算与分析。
图 2. 以出水总氮浓度为目标特征的六种机器学习模型训练图。(f) 极端梯度提升 (XGBoost)。
代码实现:模型训练与评估
下面展示了核心的模型训练流程,包括数据加载、标准化、网格搜索超参数优化以及交叉验证策略。这里特别加入了提前停止(Early Stopping)机制,防止过拟合——若验证集均方误差连续 50 轮未改善则停止训练。
from sklearn.model_selection import KFold, GridSearchCV, train_test_split
from sklearn.metrics import mean_squared_error, r2_score
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import statsmodels.api as sm
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
import pickle
from xgboost import XGBRegressor
import shap
file_path = r'data.csv'
df = pd.read_csv(file_path, encoding='GBK')
X = df.drop(columns='Effluent TN')
y = df['Effluent TN']
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.20, random_state=42)
scaler = StandardScaler()
X_train_scaled = scaler.fit_transform(X_train)
X_test_scaled = scaler.transform(X_test)
with open('scaler.pkl', 'wb') as f:
pickle.dump(scaler, f)
param_grid = {
'n_estimators': [100, 300, 500, 1000],
'max_depth': [3, 5, 7, 9, 12],
'learning_rate': [0.01, 0.05, 0.1, 0.2],
'subsample': [0.6, 0.8, 1.0],
'colsample_bytree': [0.6, 0.8, 1.0],
'gamma': [0, 1, 5],
'reg_alpha': [0, 0.1, 1],
'reg_lambda': [1, 1.5, 2]
}
base_model = XGBRegressor(objective='reg:squarederror', random_state=42)
grid_search = GridSearchCV(
estimator=base_model,
param_grid=param_grid,
scoring='neg_mean_squared_error',
cv=5,
verbose=2,
n_jobs=-1
)
grid_search.fit(X_train_scaled, y_train)
best_params = grid_search.best_params_
print("\n找到的最佳参数组合:")
print(best_params)
xgboost_model = XGBRegressor(**best_params, objective='reg:squarederror', random_state=42)
kf = KFold(n_splits=5, shuffle=True, random_state=42)
train_r2_scores, train_rmse_scores = [], []
test_r2_scores, test_rmse_scores = [], []
all_y_train_pred, all_y_test_pred = [], []
all_y_train_true, all_y_test_true = [], []
for train_index, test_index in kf.split(X_train_scaled):
X_train_fold, X_test_fold = X_train_scaled[train_index], X_train_scaled[test_index]
y_train_fold, y_test_fold = y_train.iloc[train_index], y_train.iloc[test_index]
X_train_part, X_val_part, y_train_part, y_val_part = train_test_split(
X_train_fold, y_train_fold, test_size=0.2, random_state=42)
xgboost_model.fit(X_train_part, y_train_part, eval_set=[(X_val_part, y_val_part)], early_stopping_rounds=50, verbose=False)
best_iteration = xgboost_model.best_iteration
xgboost_model.n_estimators = best_iteration
xgboost_model.fit(X_train_fold, y_train_fold)
y_train_pred = xgboost_model.predict(X_train_fold)
y_test_pred = xgboost_model.predict(X_test_fold)
all_y_train_pred.extend(y_train_pred)
all_y_test_pred.extend(y_test_pred)
all_y_train_true.extend(y_train_fold.values)
all_y_test_true.extend(y_test_fold.values)
train_r2_scores.append(r2_score(y_train_fold, y_train_pred))
train_rmse_scores.append(np.sqrt(mean_squared_error(y_train_fold, y_train_pred)))
test_r2_scores.append(r2_score(y_test_fold, y_test_pred))
test_rmse_scores.append(np.sqrt(mean_squared_error(y_test_fold, y_test_pred)))
print(f"\n训练集平均结果:R²: {np.mean(train_r2_scores):.3f}, RMSE: {np.mean(train_rmse_scores):.3f}")
print(f"测试集平均结果:R²: {np.mean(test_r2_scores):.3f}, RMSE: {np.mean(test_rmse_scores):.3f}")
plt.figure(figsize=(10, 6), dpi=600)
plt.scatter(all_y_train_true, all_y_train_pred, edgecolors='black', c='darkgreen', marker='^', s=100, alpha=0.6, label='训练集')
plt.scatter(all_y_test_true, all_y_test_pred, edgecolors='black', c='lightyellow', marker='o', s=100, alpha=0.6, label='测试集')
X_plot = np.array(all_y_test_true).reshape(-1, 1)
y_plot_pred = np.array(all_y_test_pred)
sorted_idx = np.argsort(X_plot.flatten())
X_sorted = X_plot[sorted_idx]
y_sorted = y_plot_pred[sorted_idx]
linear_model = sm.OLS(y_sorted, sm.add_constant(X_sorted)).fit()
y_pred_line = linear_model.predict(sm.add_constant(X_sorted))
predictions_summary = linear_model.get_prediction(sm.add_constant(X_sorted)).summary_frame(alpha=0.05)
plt.plot(X_sorted, y_pred_line, color='red', linewidth=2, label='拟合回归线')
plt.fill_between(X_sorted.flatten(), predictions_summary['obs_ci_lower'], predictions_summary['obs_ci_upper'], color='lightpink', alpha=0.3, label='95% 置信区间')
plt.plot([0, 17.5], [0, 17.5], c='blue', linestyle='--', label='理想线 (y=x)')
plt.legend(); plt.show()
explainer = shap.Explainer(xgboost_model, X_train_scaled)
shap_values = explainer(X_train_scaled)
shap.summary_plot(shap_values, X_train_scaled, feature_names=X_train.columns)
模型灵敏度分析与优化策略
SHAP 与 PDP 分析
利用 SHAP 摘要图和部分依赖图(PDP),我们可以深入理解各特征的影响力及其相关性。
- 关键特征识别:TN_7、EC(能耗)、DO_5、TN_6、进水流量以及 DO_7 是决定出水总氮浓度的最重要特征。其中,DO_5 和 DO_7 与能耗(EC)显著相关,这为后续制定智能节能策略提供了逻辑基础。
- 单特征影响:维持较高的 DO_5 浓度有利于提高总氮去除效率,但该工艺中 5 号区的曝气兼具搅拌功能,导致其 DO_5 浓度时常超过 10 mg/L,这凸显了利用机器学习优化 DO_5 以降低能耗的必要性。
- 交互作用:较低的 DO_7 与较高的 DO_5 结合可实现更高的脱氮效率。适量的 COD 投加能增强脱氮性能,但过量投加则会增加废水负荷与化学品消耗。
综上所述,强化脱氮效率的最优运行区间建议为:DO_5 控制在 5.8–8.8 mg/L,DO_7 在 0.3–2.8 mg/L,COD_6 在 28.0–35.5 mg/L,COD_7 在 0–26.4 mg/L,且 ECS 投加量控制在 1.9–2.3 m³/d。
多目标优化与 GUI 开发
为了便于实际应用,我们开发了图形用户界面(GUI),集成了 NSGA-II(带策略非支配排序遗传算法)和 TOPSIS(逼近理想解排序法)算法。用户可以通过输入进水水质数据和核心工艺参数,自动预测并优化出水总氮、能耗和外加碳源的使用。
核心优化代码片段
以下是 NSGA-II 优化主流程和 TOPSIS 决策方法的实现逻辑。
import numpy as np
import random
from deap import base, creator, tools, algorithms
import xgboost as xgb
import pandas as pd
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
default_data = {
'Influent NH4+-N': 29.6,
'Influent TN': 35.9,
'Influent Flowrate': 38808.4,
'DO of Zone 5': 7.1,
'TN of Zone 5': 22.2,
'COD of Zone 6': 55.0,
'TN of Zone 6': 13.8,
'DO of Zone 7': 4.06,
'COD of Zone 7': 31.9,
'TN of Zone 7': 11.7,
'External Carbon Source': 3.3
}
variable_ranges = [
(5.8, 7.5),
(28.0, 35.5),
(0.3, 2.8),
(1.0, 26.4),
(1.9, 2.3)
]
df = pd.DataFrame([default_data])
scaler = StandardScaler()
scaler.fit(df)
model_tn = xgb.Booster()
model_power = xgb.Booster()
prediction_cache = {}
def predict_outputs(data):
if data.ndim == 1:
key = tuple(data)
data = data.reshape(1, -1)
else:
return model_power.predict(xgb.DMatrix(data)), model_tn.predict(xgb.DMatrix(data))
if key in prediction_cache:
return np.array([prediction_cache[key][0]]), np.array([prediction_cache[key][1]])
dmatrix = xgb.DMatrix(data)
pred_energy = model_power.predict(dmatrix)
pred_tn = model_tn.predict(dmatrix)
prediction_cache[key] = (pred_energy[0], pred_tn[0])
return pred_energy, pred_tn
def evaluate(individual, fixed_water_params, true_energy, true_tn):
full_input = np.concatenate([fixed_water_params, individual])
energy, tn = predict_outputs(np.array(full_input))
delta_energy = energy[0] - true_energy
delta_tn = tn[0] - true_tn
return delta_energy, delta_tn
def optimize_parameters(fixed_water_params, initial_operating_params):
if not hasattr(creator, 'FitnessMin'):
creator.create("FitnessMin", base.Fitness, weights=(-1.0, -1.0))
if not hasattr(creator, 'Individual'):
creator.create("Individual", list, fitness=creator.FitnessMin)
toolbox = base.Toolbox()
toolbox.register("attr_float", lambda: [random.uniform(r[0], r[1]) for r in variable_ranges])
toolbox.register("individual", tools.initIterate, creator.Individual, toolbox.attr_float)
toolbox.register("population", tools.initRepeat, list, toolbox.individual)
toolbox.register("mate", tools.cxSimulatedBinaryBounded, low=[r[0] for r in variable_ranges], up=[r[1] for r in variable_ranges], eta=15.0)
def custom_mutate(individual):
individual = tools.mutPolynomialBounded(individual, low=[r[0] for r in variable_ranges], up=[r[1] for r in variable_ranges], eta=20.0, indpb=0.3)[0]
for i in range(len(individual)):
low, up = variable_ranges[i]
individual[i] = max(low, min(up, individual[i]))
if isinstance(individual[i], complex) or np.isnan(individual[i]) or np.isinf(individual[i]):
individual[i] = (low + up) / 2
return individual
toolbox.register("mutate", custom_mutate)
toolbox.register("select", tools.selNSGA2)
full_input = np.concatenate([fixed_water_params, initial_operating_params])
true_energy, true_tn = predict_outputs(full_input)
def fitness_func(ind):
return evaluate(ind, fixed_water_params, true_energy[0], true_tn[0])
toolbox.register("evaluate", fitness_func)
pop = toolbox.population(n=100)
pop[0][:] = initial_operating_params.copy()
for ind in pop:
ind.fitness.values = toolbox.evaluate(ind)
hof = tools.ParetoFront()
hof.update(pop)
best_fitness = min([ind.fitness.values[0] for ind in pop])
stall_count = 0
for gen in range(20):
offspring = algorithms.varOr(pop, toolbox, lambda_=100, cxpb=0.5, mutpb=0.5)
for ind in offspring:
if not ind.fitness.valid:
ind.fitness.values = toolbox.evaluate(ind)
pop = toolbox.select(pop + offspring, k=20)
hof.update(pop)
current_best = min([ind.fitness.values[0] for ind in pop])
if current_best < best_fitness * 0.99:
best_fitness = current_best
stall_count = 0
else:
stall_count += 1
if stall_count >= 5:
break
n_samples = min(60, len(hof))
pareto_samples = [hof[i] for i in np.linspace(0, len(hof) - 1, n_samples, dtype=int)]
return pareto_samples, true_energy[0], true_tn[0]
GUI 交互界面
为了方便现场工程师使用,我们基于 Tkinter 开发了图形用户界面。它允许用户输入当前工况参数,系统会自动预测原始出水总氮和能耗,并根据优化算法推荐新的参数组合,从而同步降低出水总氮、能耗和外加碳源用量。
import tkinter as tk
from tkinter import ttk
import xgboost as xgb
import pandas as pd
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
default_data = {
'Influent NH4+-N': 29.6,
'Influent TN': 35.9,
'Influent Flowrate': 38808.4,
'DO of Zone 5': 7.1,
'TN of Zone 5': 22.2,
'COD of Zone 6': 55.0,
'TN of Zone 6': 13.8,
'DO of Zone 7': 4.06,
'COD of Zone 7': 31.9,
'TN of Zone 7': 11.7,
'External Carbon Source': 3.3
}
df = pd.DataFrame([default_data])
scaler = StandardScaler()
scaler.fit(df)
model_tn = xgb.Booster()
model_tn.load_model('model_effluent_TN.json')
model_power = xgb.Booster()
model_power.load_model('model_energy_consumption.json')
run_count = 0
first_external_carbon_source = None
original_tn = tk.StringVar()
original_power = tk.StringVar()
optimized_tn = tk.StringVar()
optimized_power = tk.StringVar()
energy_savings_var = tk.StringVar()
carbon_savings_var = tk.StringVar()
output_text = tk.StringVar()
feature_entry_map = {}
units = {
"Influent NH4+-N": "5.4 - 60.7 mg/L",
"Influent TN": "9.8 - 108.0 mg/L",
"TN of Zone 5": "4.8 - 44.6 mg/L",
"TN of Zone 6": "3.0 - 42.3 mg/L",
"TN of Zone 7": "2.8 - 38.9 mg/L",
"Influent Flowrate": "0 - 69970.0 m³/d",
"DO of Zone 5": "5.8 - 8.8 mg/L",
"COD of Zone 6": "28.0 - 35.5 mg/L",
"DO of Zone 7": "0.3 - 2.8 mg/L",
"COD of Zone 7": "0 - 26.4 mg/L",
"External Carbon Source": "1.9 - 2.3 m³/d"
}
def validate_input(value):
try:
return float(value)
except ValueError:
return None
def clear_inputs():
global run_count, first_external_carbon_source
run_count = 0
first_external_carbon_source = None
for entry in feature_entry_map.values():
entry.delete(0, tk.END)
original_tn.set("")
original_power.set("")
optimized_tn.set("")
optimized_power.set("")
energy_savings_var.set("")
carbon_savings_var.set("")
output_text.set("")
def predict():
global run_count, first_external_carbon_source
if run_count >= 2:
output_text.set("The prediction limit has been reached. Please click the Reset button to reset and try again.")
return
inputs = []
for feature, entry in feature_entry_map.items():
value = entry.get().strip()
if not value:
inputs.append(default_data[feature])
else:
validated = validate_input(value)
if validated is None:
output_text.set(f"Invalid input for {feature}. Please enter a valid number.")
return
inputs.append(validated)
try:
inputs_df = pd.DataFrame([inputs], columns=default_data.keys())
inputs_scaled = scaler.transform(inputs_df)
dmatrix = xgb.DMatrix(inputs_scaled)
effluent_tn_pred = model_tn.predict(dmatrix)[0]
power_consumption_pred = model_power.predict(dmatrix)[0]
if run_count == 0:
original_tn.set(f"{effluent_tn_pred:.4f}")
original_power.set(f"{power_consumption_pred:.4f}")
first_external_carbon_source = inputs_df["External Carbon Source"].iloc[0]
elif run_count == 1:
optimized_tn.set(f"{effluent_tn_pred:.4f}")
optimized_power.set(f"{power_consumption_pred:.4f}")
original_power_value = float(original_power.get()) if original_power.get() else 0.0
energy_savings = original_power_value - power_consumption_pred
energy_savings_var.set(f"{energy_savings:.4f}")
second_external_carbon_source = inputs_df["External Carbon Source"].iloc[0]
carbon_savings = first_external_carbon_source - second_external_carbon_source
carbon_savings_var.set(f"{carbon_savings:.4f}")
run_count += 1
except Exception as e:
output_text.set(f"An error occurred during prediction:\n{e}")
root = tk.Tk()
root.title("Effluent TN Prediction and Optimization")
root.geometry("1200x800")
root.configure(bg="#e8f0f2")
default_font = ("Arial", 12)
main_frame = tk.Frame(root, bg="#e8f0f2", padx=20, pady=20)
main_frame.pack(expand=True)
title_label = tk.Label(main_frame, text="Effluent TN Prediction and Optimization", font=("Arial", 18, "bold"), bg="#e8f0f2")
title_label.grid(row=0, column=0, columnspan=8, pady=15)
left_labels = [("Influent NH₄⁺-N", "Influent NH4+-N"), ("Influent TN", "Influent TN"), ("TN of Zone 5", "TN of Zone 5"), ("TN of Zone 6", "TN of Zone 6"), ("TN of Zone 7", "TN of Zone 7")]
right_labels = [("Influent Flowrate", "Influent Flowrate"), ("DO of Zone 5", "DO of Zone 5"), ("COD of Zone 6", "COD of Zone 6"), ("DO of Zone 7", "DO of Zone 7"), ("COD of Zone 7", "COD of Zone 7"), ("External Carbon Source", "External Carbon Source")]
tk.Label(main_frame, text="Water Quality Parameters", font=("Arial", 14, "bold"), bg="#e8f0f2").grid(row=1, column=1, columnspan=2, pady=10)
for i, (label, feature) in enumerate(left_labels, start=2):
tk.Label(main_frame, text=label, font=default_font, bg="#e8f0f2").grid(row=i, column=0, padx=10, pady=5, sticky="e")
entry = tk.Entry(main_frame, font=default_font, width=20)
entry.grid(row=i, column=1, padx=10, pady=5, sticky="ew")
feature_entry_map[feature] = entry
unit_text = units.get(feature, "")
tk.Label(main_frame, text=f"({unit_text})", font=default_font, bg="#e8f0f2").grid(row=i, column=2, padx=10, pady=5, sticky="w")
tk.Label(main_frame, text="Controllable Parameters", font=("Arial", 14, "bold"), bg="#e8f0f2").grid(row=1, column=3, columnspan=2, pady=10)
for i, (label, feature) in enumerate(right_labels, start=2):
tk.Label(main_frame, text=label, font=default_font, bg="#e8f0f2").grid(row=i, column=3, padx=10, pady=5, sticky="e")
entry = tk.Entry(main_frame, font=default_font, width=20)
entry.grid(row=i, column=4, padx=10, pady=5, sticky="ew")
feature_entry_map[feature] = entry
unit_text = units.get(feature, "")
tk.Label(main_frame, text=f"({unit_text})", font=default_font, bg="#e8f0f2").grid(row=i, column=5, padx=10, pady=5, sticky="w")
predict_button = tk.Button(main_frame, text="Predict", font=("Arial", 14), command=predict, bg="#4CAF50", fg="white", width=18)
predict_button.grid(row=8, column=0, columnspan=4, pady=20)
reset_button = tk.Button(main_frame, text="Reset", font=("Arial", 14), command=clear_inputs, bg="#FF5722", fg="white", width=18)
reset_button.grid(row=8, column=4, columnspan=4, pady=20)
output_frame = tk.Frame(main_frame, bg="#e8f0f2")
output_frame.grid(row=9, column=0, columnspan=8, padx=10, pady=20)
tk.Label(output_frame, text="Original Effluent TN (mg/L):", font=default_font, bg="#e8f0f2").grid(row=0, column=0, sticky="e")
tk.Entry(output_frame, textvariable=original_tn, font=default_font, state="readonly").grid(row=0, column=1)
tk.Label(output_frame, text="Optimized Effluent TN (mg/L):", font=default_font, bg="#e8f0f2").grid(row=0, column=2, sticky="e")
tk.Entry(output_frame, textvariable=optimized_tn, font=default_font, state="readonly").grid(row=0, column=3)
tk.Label(output_frame, text="Original Energy Consumption (kWh):", font=default_font, bg="#e8f0f2").grid(row=1, column=0, sticky="e")
tk.Entry(output_frame, textvariable=original_power, font=default_font).grid(row=1, column=1)
tk.Label(output_frame, text="Optimized Energy Consumption (kWh):", font=default_font, bg="#e8f0f2").grid(row=1, column=2, sticky="e")
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实施效果
通过优化关键参数,出水总氮浓度从 14.29 mg/L 降至 11.59 mg/L,污水处理厂能耗每天减少了 128.66 kWh,COD 投加浓度降低了 34.29 mg/L,对应外加碳源投加量从 3.72 m³/d 降至 2.25 m³/d。
全年数据显示,出水总氮浓度平均下降了 17.50%,而 COD 投药量减少了 33.29%。值得注意的是,仅通过强化总氮去除、降低能耗与碳源投加量,即可实现年碳减排量 788.40 吨二氧化碳。
本研究成果为进水水质波动压力下、采用生态组合塘工艺的城镇污水处理厂提供了总氮强化去除的优化模型,助力其既满足严格的总氮排放标准,又助力节能与碳减排目标的实现。
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