一种工厂化循环水养殖低碳脱氮高效挂膜的方法及系统与流程

本申请涉及水处理，尤其涉及一种工厂化循环水养殖低碳脱氮高效挂膜的方法及系统。

背景技术：

1、工厂化循环水养殖系统通过生物膜反应器实现水质净化，是保障养殖水体氮素平衡的核心技术路径。生物膜挂膜过程即微生物在填料表面附着并形成具有降解功能的菌群结构，直接决定了系统能否稳定运行。然而，当前挂膜技术普遍面临培养周期长、碳源消耗大、系统稳定性难以预判等制约，难以满足现代化高效养殖的需求。

2、现有挂膜方法多依赖经验参数调控曝气量和投料浓度，无法准确把握反应器内部流场分布与微生物生长状态的时空耦合关系。例如在采用曝气翻滚流场的反应器中，不同空间位置的溶解氧浓度、基质传递速率存在显著差异，导致填料表面微生物附着速度极不均匀。当反应器角落区域流速过低时，该区域营养物质供给严重不足，微生物繁殖停滞；而曝气口附近产生的过强剪切力又会不断冲刷掉尚未稳固的初期生物膜。这种空间异质性使得整体挂膜进程被局部薄弱环节严重拖累，即使大部分填料已形成有效菌群，系统仍需等待滞后区域达标才能投入使用。此外，现有调控策略缺乏对微生物繁殖周期与物质代谢规律的精准匹配。硝化细菌世代时间约为十几小时，若曝气间歇期设置不当，刚刚附着的菌体会因缺氧而脱落；碳氮比失衡则导致异养菌过度繁殖进而抑制自养硝化菌。实际操作中往往通过盲目加大碳源投加量来加速挂膜，这不仅大幅增加了运行成本，还会在系统正式运行后因突发高负荷冲击导致生物膜大片脱落。例如当养殖密度突然提升引发氨氮浓度激增时，未经抗冲击能力评估的生物膜系统可能在数小时内完全失去降解能力，引发水质急剧恶化。

技术实现思路

1、针对以上问题，本申请提供了一种工厂化循环水养殖低碳脱氮高效挂膜的方法及系统，以解决上述背景技术中所存在的问题。

2、第一方面，本申请提供了一种工厂化循环水养殖低碳脱氮高效挂膜的方法，包括：

3、s1、获取隔离生化仓内传感器阵列采集的状态环境参数序列，基于曝气翻滚流场的三维网格确定各传感器的空间邻接权重，结合所述状态环境参数序列，构建时空状态属性图张量；

4、s2、获取目标微生物的繁殖周期参数并配置时域卷积核，利用配置后的时域卷积核对所述时空状态属性图张量进行图卷积与时域卷积操作，提取生物活性演化特征序列；

5、s3、将所述生物活性演化特征序列输入预训练的预测网络中，输出未来时间步的目标物质降解率预测值与生物膜厚度预测值，所述预测网络的损失函数包括基于标准生化动力学方程及碳氮比极限代谢边界参数构建惩罚项；

6、s4、判断所述生物膜厚度预测值是否大于或等于预设厚度阈值，若是，则生成模拟物质释放曲线的虚拟冲击载荷张量，基于所述虚拟冲击载荷张量获取目标物质降解率的波动曲线；

7、s5、基于所述波动曲线，确定隔离生化仓的抗逆恢复时间，在所述抗逆恢复时间小于预设时间阈值时，以物质消耗量最小与挂膜周期最短为优化目标，通过强化学习算子生成包含物质投加泵送流速与流体扰动阀门开度的基准控制向量；

8、s6、根据预设的专家规则库对所述基准控制向量进行边界限幅生成安全控制指令，按照所述安全控制指令驱动加药泵与流体扰动装置，计算实际降解率与目标物质降解率预测值的残差，若所述残差连续n个监测周期均小于预设残差阈值，则判定挂膜成功并输出连通目标水路的阀门切换指令。

9、第二方面，本申请提供了一种工厂化循环水养殖低碳脱氮高效挂膜的系统，用于实现所述的一种工厂化循环水养殖低碳脱氮高效挂膜的方法，包括：

10、张量构建模块，用于获取隔离生化仓内传感器阵列采集的状态环境参数序列，基于曝气翻滚流场的三维网格确定各传感器的空间邻接权重，结合所述状态环境参数序列，构建时空状态属性图张量；

11、特征提取模块，用于获取目标微生物的繁殖周期参数并配置时域卷积核，利用配置后的时域卷积核对所述时空状态属性图张量进行图卷积与时域卷积操作，提取生物活性演化特征序列；

12、预测输出模块，用于将所述生物活性演化特征序列输入预训练的预测网络中，输出未来时间步的目标物质降解率预测值与生物膜厚度预测值，所述预测网络的损失函数包括基于标准生化动力学方程及碳氮比极限代谢边界参数构建惩罚项；

13、冲击测试模块，用于判断所述生物膜厚度预测值是否大于或等于预设厚度阈值，若是，则生成模拟物质释放曲线的虚拟冲击载荷张量，基于所述虚拟冲击载荷张量获取目标物质降解率的波动曲线；

14、基准生成模块，用于基于所述波动曲线，确定隔离生化仓的抗逆恢复时间，在所述抗逆恢复时间小于预设时间阈值时，以物质消耗量最小与挂膜周期最短为优化目标，通过强化学习算子生成包含物质投加泵送流速与流体扰动阀门开度的基准控制向量；

15、安全执行模块，用于根据预设的专家规则库对所述基准控制向量进行边界限幅生成安全控制指令，按照所述安全控制指令驱动加药泵与流体扰动装置，计算实际降解率与目标物质降解率预测值的残差，若所述残差连续n个监测周期均小于预设残差阈值，则判定挂膜成功并输出连通目标水路的阀门切换指令。

16、第三方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，所述指令被处理器执行时实现所述的一种工厂化循环水养殖低碳脱氮高效挂膜的方法。

17、本申请的有益效果如下：

18、本申请提出了一种工厂化循环水养殖低碳脱氮高效挂膜的方法及系统，与现有技术相比，本申请通过传感器阵列获取状态环境参数后，基于曝气翻滚流场的三维网格确定各传感器的空间邻接权重并构建时空状态属性图张量，将反应器内部的空间异质性信息显式纳入建模，克服了传统方法忽视流场空间分布对挂膜影响的缺陷；继而利用匹配目标微生物繁殖周期的时域卷积核进行图卷积与时域卷积操作，提取蕴含空间传质信息与时间演化规律的生物活性演化特征序列，使后续预测网络能够准确把握微生物的生长节律与代谢动力学特征；预测网络中引入基于标准生化动力学方程及碳氮比极限代谢边界参数的惩罚项，约束预测结果符合生化反应的内在规律，避免脱离实际动力学边界的无效预测。在此基础上，通过虚拟冲击载荷评估生物膜的抗逆恢复能力，确保挂膜后的系统能够抵御养殖密度突变等实际工况冲击；以物质消耗量与挂膜周期为优化目标通过强化学习生成控制向量，再经专家规则库边界限幅保障执行安全，形成了“感知-预测-评估-优化-执行-验证”的完整闭环调控链路。

1.一种工厂化循环水养殖低碳脱氮高效挂膜的方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述s1包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述s2包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述s3包括：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述s4包括：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述s5包括：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述s6包括：

8.一种工厂化循环水养殖低碳脱氮高效挂膜的系统，用于实现如权利要求1至7任一项所述的一种工厂化循环水养殖低碳脱氮高效挂膜的方法，其特征在于，包括：

9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的一种工厂化循环水养殖低碳脱氮高效挂膜的方法。