摘要:本申請(qǐng)公開了一種生物膜內(nèi)溶解氧的監(jiān)測方法、優(yōu)化供氧方法、系統(tǒng)及設(shè)備，涉及廢水處理技術(shù)領(lǐng)域。該監(jiān)測方法包括：獲取污水處理過程中膜曝氣生物膜反應(yīng)器（MABR）污水處理裝置的生物膜的圖像數(shù)據(jù)；對(duì)所述圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，獲得圖像特征參數(shù)；將所述圖像特征參數(shù)輸入生物膜溶解氧預(yù)測模型，獲得生物膜溶解氧預(yù)測模型輸出的生物膜內(nèi)溶解氧有效濃度；所述生物膜溶解氧預(yù)測模型基于機(jī)器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練獲得。本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行圖像識(shí)別的生物膜內(nèi)溶解氧監(jiān)測方法，克服了微電極成本高、易損壞、維護(hù)難度大的缺陷，實(shí)現(xiàn)生物膜內(nèi)溶解氧的低成本的有效監(jiān)測。

膜曝氣生物膜反應(yīng)器（Membrane Aerated Biofilm Reactor，MABR）是氣體分離膜技術(shù)與生物膜法污水處理技術(shù)相結(jié)合的新型污水處理工藝，此工藝?yán)肕ABR為微生物載體并為微生物無泡曝氣，由靠近膜層到遠(yuǎn)離膜層形成好氧、缺氧、厭氧的生物環(huán)境，實(shí)現(xiàn)同步脫氮、除碳的效果；與傳統(tǒng)曝氣工藝相比，具有能耗低、生物膜不易脫落、氧利用率高等優(yōu)勢(shì)。

在MABR中，氧氣從膜纖維的管腔供應(yīng)，并通過膜擴(kuò)散到生物膜中。因此，生物膜中的DO（Dissolved Oxygen，溶解氧）濃度從生物膜內(nèi)部層（靠近膜）沿生物膜厚度向生物膜-液體邊界層降低；同時(shí)，營養(yǎng)物質(zhì)和其他污染物從散裝液體擴(kuò)散到生物膜中。與具有共擴(kuò)散生物膜的傳統(tǒng)生物膜反應(yīng)器相比，電子受體（例如硝酸鹽和亞硝酸鹽）和電子供體（氨氮和化學(xué)需氧量）從相反方向向MABR生物膜擴(kuò)散，從而形成特殊的反擴(kuò)散生物膜。

由于氧氣從內(nèi)部擴(kuò)散，監(jiān)測溶液中的溶解氧難以反應(yīng)出生物膜中的氧氣情況，因?yàn)榧词谷芤褐械娜芙庋鯙榱?，生物膜中由于形成?nèi)層好氧、外層厭氧的生物環(huán)境，仍能較好的實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化。通過微電極等技術(shù)可以監(jiān)測生物膜內(nèi)的溶解氧情況，然而微電極成本高、易損壞、維護(hù)難度大，難以運(yùn)用在實(shí)際工況。

一種生物膜內(nèi)溶解氧的監(jiān)測方法：

所述生物膜內(nèi)溶解氧的監(jiān)測方法應(yīng)用于膜曝氣生物膜反應(yīng)器，所述曝氣生物膜反應(yīng)器包括生化反應(yīng)單元，所述生化反應(yīng)單元內(nèi)設(shè)置有異相傳質(zhì)生物膜組件，所述異相傳質(zhì)生物膜組件包括生物膜和MABR膜組件，所述生物膜內(nèi)溶解氧的監(jiān)測方法包括：在利用膜曝氣生物膜反應(yīng)器進(jìn)行污水處理時(shí)，獲取污水處理過程中生物膜的圖像數(shù)據(jù)；對(duì)所述圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，獲得圖像特征參數(shù)；將所述圖像特征參數(shù)輸入生物膜溶解氧預(yù)測模型，獲得生物膜溶解氧預(yù)測模型輸出的生物膜內(nèi)溶解氧有效濃度；所述生物膜溶解氧預(yù)測模型基于機(jī)器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練獲得。

其中，機(jī)器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練過程為：利用得到的圖像特征參數(shù)及其對(duì)應(yīng)的生物膜內(nèi)溶解氧實(shí)測濃度（示例性的，該實(shí)測濃度通過微電極測試獲得），構(gòu)建模型數(shù)據(jù)集，并將模型數(shù)據(jù)集劃分為訓(xùn)練集和測試集，模型數(shù)據(jù)集不僅可以利用實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)實(shí)測數(shù)據(jù)構(gòu)建，還可利用網(wǎng)絡(luò)開源數(shù)據(jù)庫和論文集數(shù)據(jù)構(gòu)建，也可采用多種方式結(jié)合構(gòu)建，在此不做限制。利用訓(xùn)練集和測試集對(duì)ACO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和測試，進(jìn)一步的，通過均方誤差、平均絕對(duì)誤差以及決定系數(shù)評(píng)價(jià)模型的性能，調(diào)整超參數(shù)優(yōu)化模型擬合效果。

以間歇性獲取的圖像特征參數(shù)，輸入生物膜溶解氧預(yù)測模型，輸出生物膜內(nèi)溶解氧有效濃度。所得生物膜內(nèi)溶解氧有效濃度及水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)（包括：進(jìn)、出水池所測氨氮、總氮、COD、生化反應(yīng)單元內(nèi)DO濃度）通過數(shù)據(jù)線傳輸至智能終端，智能終端根據(jù)特定生化反應(yīng)的溶解氧指導(dǎo)值選擇調(diào)整模式，主要包括調(diào)整輸出功率和調(diào)整曝氣模式兩種方案，從而控制風(fēng)機(jī)的曝氣量，修正當(dāng)前生物膜溶解氧水平。