（控制科学与工程专业论文）基于细胞自动机的污水处理过程动态可视化模型研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 虢弘! 丝銎嗍划 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 虢秘聊躲r 吼 伽p 1 夕 厂 摘要 摘要 活性污泥法是目前使用的最广泛的污水生物处理的方法。基于活性污泥法的 污水处理过程是一个复杂的生化反应过程，一方面，它利用活性污泥的吸附和生 化氧化作用来分解去除废水中的有机物质，从而使废水得到净化；另一方面，它 利用微生物的硝化和反硝化作用，去除废水中的含氮物质。该过程具有高度非线 性、时变、不确定性和时滞等特点，因此模型的建立异常困难。为保证处理过程 运行良好和提高出水质量，开发精确、实用的动态模型已成为国内外专家学者普 遍关心的问题。 细胞自动机可以在微观领域用简单的规则复现宏观领域的复杂物理现象，能 十分方便地展现出复杂现象的动态演变过程。利用细胞自动机对活性污泥法的污 水处理过程进行建模，可以从微观角度直接反映出活性污泥法系统的表观特征。 借助活性污泥法的净化机理和脱氮特性，用细胞自动机对活性污泥法污水处理 中的净化和脱氮过程进行了可视化模拟，主要工作如下： 1 在总结前人研究成果的基础上，全面剖析了净化机理和脱氮特性，提出 了利用细胞自动机模型来复现活性污泥净化废水过程的研究方案。 2 针对活性污泥的吸附、代谢和沉降过程，采用格子气细胞自动机演化规 则进行建模的思想，建立了污水净化过程的二维、三维格子气细胞自动机模型； 该模型反映出有机物作为营养物质被微生物吸附代谢与沉降的过程，并通过与 e c k e i 彘l d e r 模型进行比较，验证了模型的有效性。 3 在污水净化过程的格子气细胞自动机模型基础上，结合活性污泥脱氮的 机理，首次提出了污水脱氮过程的二维格子气细胞自动机模型，该模型可以直 观反映出微生物的净化特性和硝化反硝化特性，且与实际值进行比较，证明了 模型的有效性。 4 基于v c + + 与o p e n g l 软件开发了污水净化过程的三维可视化模拟软件 和污水整个处理流程的二维可视化模拟软件，并初步实现了污水净化过程和整 个处理流程的动态可视化模拟。 基于细胞自动机思想建立活性污泥法污水处理过程的净化和脱氮模型，并 开发了污水净化过程和整个处理流程的可视化模拟软件，研究工作为复杂过程 建模提供了新方法。 关键词污水处理；格子气细胞自动机模型；动态模拟；可视化模型 r a b s t r a c t a b s t r a c t a c t i v a t e d s l u d g e i st h em a i n b i o l o 西c a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g y c u 玎e n t l y t h ep r o c e s so fa c t i v a t e ds l u d g em e t h o dc o n t a i n se x t r e m e l yc o m p l e x b i o c h e m i c a lr e a c t i o l l s o nt h eo n eh a n d ，i tu s e sa c t i v a t e ds l u d g ea d s o 叩t i o na i l d b i o c h e m i c a lo x i d a t i o nt ob r e a kd o w no 唱a n i cma _ t t e ri nw a s t e w a t e r ，a n dp u r i 毋t h e w a s t e w a t e r o nt 量l eo t h e rh a n d ，i tu s e sm i c r o b i a ln i t r i f i c a t i o na 1 1 dd e n i t r i f i c a t i o nt o r e m o v em t r o g e nm a t e r i a li nw a s t e w a t e r t h ew h o l es y s t e mi sh i 曲l yn o n l i n e a r ， t i m e v a d r i n g ，u 1 1 c e n a i na n dt i m e d e l a y 1 1 1 e s ec h a r a c t e r i s t i c sm a k ei td 两c u l tt 0 s i m u l a t et h ep r o c e s so fw a s t e w a t e rt r e a t n l e n t i no r d e rt oe n s u r et h ep r o c e s sw o r kw e l l a 1 1 di m p r o v ew a t e rq u a l i 吼d e v e l o p i n ga na c c u r a t e ，p r a c t i c a la i l dd y n 锄i cm o d e lh a s b e c o m eac o m m o nc o n c e m e di s s u ea m o n ge x p e n sa l l ds c h o l a r sa th o m ea i l da b r o a d c e l l u l a ra u t o m a t ac a na c h i e v e m a c r o c o m p l e xp h y s i c a lp h e n o m e n a i na m i c r o - a r e ab yu s i n gs i m p l em l e s ，a i l de a s i l yr e - e m e r g et h ed 舢i c se v 0 1 u t i o no fa c o m p l e xp h e n o m e n o n t h em i l i z a t i o n o fc e l l u l a ra m o m a t ao nt h em o d e l i n go f a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s sd i r e c t l ys h o w st h ea p p a r e n tc h a r a c t e r i s t i c so fw a s t e w a t e r t r e a t m e n tp r o c e s si nt h em i c r o s c o p i cv i e w b a s e do nt h ep u r i f i c a t i o nm e c h a m s m 锄l d n i t r o g e nr e l n o v a lc h a r a c t e r i s t i co fa c t i v a t e ds l u d g em e t h o d ，“sp a p e ru s e dc e l l u l a r a u t o m a t at os i m u l a t ep u r i f i c a t i o na n di l i 仰g e nr e m o v a lo fa c t i v a t e ds l u d g ew a s t e w a t e r 仃e a t m e mp r o c e s s t h em a i nw o r k sa r ea sf o l i o w s ： 1 i i lt h ec o n c l u s i o no fr e s u l t so fp r e v i o u ss t u d i e s ，a i l di l lt h ec o m p r e h e n s i v e a l l a l y s i so ft h ep u r i f i c a t i o nm e c h a i l i s ma i l dm 仃o g e nc h a r a c t e r i s t i c s ，m er e s e a r c h p r o g r 锄w h i c hr e e m e 唱e da c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s so fw a s t e w a t e rp 嘶f i c a t i o nu s i n g c e l l u l a ra u t o m a t aw 2 l sp r o p o s e d 2 an e wi d e ab a s e do nl a t t i c e 9 2 l s c e l l u l a ra u t o m a _ t af o rt h e a b s o r p t i o n ， m e 切b o l i s ma n dd e p o s i t i o np r o c e s s e so fa c t i v a t e ds l u d g ew a sp r o p o s e d a 帕 帆o - d i m e n s i o n a la n dt h r e e d i m e n s i o n a ll a t t i c e g a s c e l l u l a ra u t o m a t a m o d e lo f w 2 l s t e w a t e rp u r i f i c a t i o np r o c e s sw e r es e tu p t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h i s m o d e l i n gs y s t e mi se f i e c t i v e 3 an e wi d e ab a s e do n “d i m e n s i o n a l l a t t i c eg a sc e l l u l a ra u t o m a t ao fn i t r o g e n r e m o v a lp r o c e s sw a sp r o p o s e d ，、v h i c hi sb a s e do nc e l l u l a ra l j t o m a t am o d e lo f w a s t e w a t e rp u r i 丘c a t i o np r o c e s sa n da c t i v a t e ds i u d g en i 臼o g e nr e m o v 面m e c h a m s m t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h i sm o d e l i n gs y s t e mi se f i e c t i v e i i k 一 a b s t r a c t 4 t h r e e - d i m e n s i o n a lv i s u a ls i m u l a t i o ns o 胁a r ef o rm ew a s t e w a t e rp u r i f i c a t i o n p r o c e s sa n d “v o d i m e n s i o n a lv i s u a ls i m u l a t i o ns o r w a r ef o rt 1 1 ew 2 l s t e w a t e r 仃e a t m e n t p r o c e s sw e r ed e v e l o p e db a s e do nv c + + a i l do p e n g l a n dt h ev i s u a ld y n 锄i c s i m u l a t i o no ft h ew a s t e w a t e rp u r i f i c a t i o np r o c e s sa n dw a s t e w a t e rt r ea _ t m e n tp r o c e s s w e r ei n i t i a l l yi m p l e m e n t e d c e l l u l a ra u t o m a t ai su s e dt oe s t a b l i s ha c t i v a t e ds l u d g ew a s t e w a t e r 讹a t m e n t p r o c e s so fp u r i f i c a t i o na n dn i t r o g e nm o d e l ，m ev i s u a ls i m u l a t i o ns o m a r e sf o r w 嬲t e w a t e rp u r i f i c a t i o np r o c e s sa i l dt h ee n t i r et r e a t m e n tp r o c e s sw e r ed e v e l o p e d 1 1 1 i s 、v o r kp m v i d e san e wm e t h o df o rm o d e l i n gc o m p l e xp r o c e s s k e yw o r d s ：w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ；l a _ t t i c eg a sc e l l u l a ra l i t o m a t am o d e l ；d y l l 锄i c s i m u l a t i o n ；v i s u a l i z a t i o nm o d e l 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录。i v 第l 章绪论1 1 1 课题背景及研究意义。l 1 1 1课题背景1 1 1 2 研究意义1 1 2 活性污泥法的模型研究2 1 2 1活性污泥法污水处理过程概述2 1 2 2 活性污泥法处理系统的建模现状3 1 3 细胞自动机的研究现状6 1 3 1 细胞自动机的特点6 1 3 2 细胞自动机的应用6 1 4 活性污泥法污水处理过程仿真技术的研究现状7 1 4 1国外仿真软件的研究现状7 1 4 2 国内仿真软件的研究现状8 1 5 课题来源9 1 6 研究内容与论文安排9 第2 章 活性污泥法污水处理过程分析1 1 2 1 活性污泥法的微生物学基础。1l 2 1 1活性污泥中的微生物1 1 2 1 2 活性污泥中的微生物新陈代谢过程1 2 2 1 3 活性污泥中的微生物反应过程1 3 2 2 活性污泥法污水处理过程1 4 2 2 1活性污泥的形态与组成1 4 2 2 2 活性污泥净化机理1 4 2 2 3活性污泥法生物脱氮技术1 5 2 2 4 活性污泥系统的相关参数1 6 2 2 5 活性污泥的增长动力学1 7 2 2 6 影响活性污泥污水处理过程的环境因素2 0 2 3 活性污泥法工艺简介2 l 2 4 本章小结2 2 第3 章污水净化过程的细胞自动机模型设计与实现2 3 3 1 细胞自动机特性分析2 3 3 1 1 细胞自动机定义2 3 3 1 2 细胞自动机的基本组成元素2 3 3 1 3 细胞自动机的基本特征2 5 3 1 4 典型细胞自动机规则2 5 3 2 污水净化过程的细胞自动机模型设计2 9 3 2 1模型限制条件2 9 i v 目录 3 2 2 污水净化过程的二维细胞自动机模型设计2 9 3 2 3 污水净化过程的三维细胞自动机模型设计3 3 3 3 污水净化过程的细胞自动机模型实现。3 6 3 3 1污水净化过程的二维细胞自动机模型实现3 6 3 3 2 污水净化过程的三维细胞自动机模型实现4 2 3 4 本章小结。4 8 第4 章污水脱氮过程的细胞自动机模型设计与实现4 9 4 1 污水脱氮过程的模型设计4 9 4 2 污水脱氮过程的模型实现。5 1 4 3 细胞自动机模型特点5 5 4 4 本章小结5 6 第5 章污水处理过程的可视化模拟软件开发5 7 5 1v i s u a lc + + 与o p e n g l 的特点5 7 5 2 污水净化过程的三维可视化模拟软件开发5 8 5 2 1功能设计5 8 5 2 2界面设计5 8 5 2 3 具体实现5 9 5 - 3 污水处理过程的二维可视化模拟软件开发6 l 5 3 1功能设计6 1 5 3 2 界面设置6 2 5 3 3具体实现6 2 5 4 本章小结6 7 结论6 8 参考文献。7 0 攻读硕士学位期间的成果7 5 致谢7 6 v _ 一_ - 一 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1课题背景及研究意义 1 1 1 课题背景 联合国世界水资源综合评估报告指出：水问题将严重制约2 1 世纪全球 经济与社会发展，并可能导致国家间冲突。水资源问题己成为世界各国政府首要 关注的议题。 我国属于严重缺水的国家，水资源人均占有量为2 2 4 0 立方米，约为世界人 均占有量的四分之一。改革开放以来，随着城市化、工业化进程的提速，社会对 淡水资源的需求量日益增大，同时对水环境的破坏也愈加严重。2 0 0 7 年国务院 印发的国家环境保护“十一五 规划中指出：全国2 6 的地表水国控( 国家 重点监控) 断面劣于水环境v 类标准，6 2 的断面达不到i i i 类标准；流经城市 9 0 的河段受到不同程度污染，7 5 的湖泊出现富营养化；3 0 的重点城市饮用 水源地水质达不到i i i 类标准【l 】。城市污水直接排放是水环境污染的主要“公 害，但是，如果处理好后再生利用，又可以减小社会对自然水的需求量，成为 城市最稳定的淡水资源。因此，建立城市污水处理厂，最大限度地保护水环境， 实现淡水资源持续利用和良性循环，已经成为我国政府水资源综合利用的战略举 措。 水污染问题的日益突出给社会生产和人们的生活带来极大的影响，引起了社 会的广泛关注。国家颁布了日益严格的法律法规对污水排放进行控制，并且投入 了巨大的人力财力进行水污染治理。2 0 0 7 年，中国水污染治理投资达到3 3 8 7 6 亿元，比上年增加3 2 ，占当年g d p 的1 3 6 。据2 0 0 9 年1 2 月1 日中国新闻 网消息，中国将在未来两至三年投入逾9 0 0 亿用于污水处理。2 0 0 9 年，环境保 护部副部长吴晓青在第四届中国城镇水务发展国际研讨会中表示，应该统筹考虑 供水与污水处理，加快实施一批水污染治理重大项目。因此，积极开展污水处理 新技术新方法的研究，可以显著提高污水处理的质量、降低治理成本和推进污水 的再生利用，其研究成果必将具有广阔的应用前景。 1 1 2 研究意义 活性污泥法是当前污水处理领域中应用最为广泛的处理技术1 2 j 。但是，由于 活性污泥法污水处理过程的生产条件恶劣，随机干扰严重，具有多输入、多输出、 北京工! i k 大学工学硕士学位论文 不确定性、强非线性、大时变性等特点，使该过程极其复杂，难以用数学模型来 描述。并在一定程度上限制了活性污泥系统的运行管理、工艺设计和过程控制。 与其他工业过程相比，目前污水处理过程的运行管理和控制方法都比较落后。因 此，为保证处理过程运行良好和提高出水质量，建立更精确、实用、完善的活性 污泥法污水处理系统的模型，已成为污水控制工程领域研究的重要课题，具有重 要的研究价值。 人工细胞自动机作为人工生命系统的一个分支学科，它为复杂系统建模和控 制提供了一种理想的生命计算模型，克服了活性污泥系统难于建立精确数学模型 的特点。本课题综合活性污泥内部的反应机理，采用格子气细胞自动机模型复现 活性污泥的污水处理过程，建立接近真实世界的虚拟污水处理过程的模拟模型， 可以更直观地刻画活性污泥法污水处理过程的动态演化行为。利用模拟的动态反 应过程，可以及时监测出水水质，对于污水处理过程分析和控制的决策具有重要 的价值，利于提高污水处理的质量和效率。同时其研究成果也将直接丰富和促进 细胞自动机理论在复杂系统建模的发展。 1 2 活性污泥法的模型研究 1 2 1活性污泥法污水处理过程概述 活性污泥是悬浮的微生物群体及它们所吸附的有机物质和无机物质的总称。 活性污泥法是利用活性污泥的吸附和生化氧化作用，以分解去除废水中的污染物 质，使废水得以净化。活性污泥法主要用于城市生活污水和工业有机废水的二级 处理。目前已经成为应用最广泛的有机污染废水生物处理方法【3 j 。 活性污泥法基本的工艺流程如图1 1 所示，污水经一级处理后流入反应池， 在有氧条件下，一方面，污水中的有机污染物与曝气池中的活性污泥充分混合接 触，首先被吸附在微生物的表面，被吸附的有机物，在经过数小时曝气后，相继 被微生物代谢掉，从而使污水得以净化；另一方面，污水中的氨氮作为微生物合 成氮源及生长的能源，被微生物最终氧化为硝酸盐，这个过程主要是有机物的去 除过程和氨氮的硝化过程。在无氧条件下，硝酸盐作为缺氧状态下微生物的最终 电子受体，被还原成氮气，这一过程主要是微生物的反硝化过程，即氮的去除过 程。净化后的废水在二次沉淀池中与活性污泥分离并排出，沉淀的活性污泥一部 分作为剩余污泥被排出，一部分回流到反应池中，以保证反应池中有足够的活性 污泥浓度，使工艺流程j 下常进行。 一2 一 ， - l 第1 章绪论 图1 1活性污泥法污水处理流程 f i g1 - 1t h en o wo fa c t i v a t e ds l u d g ef o rw a s t e w a t i 玎t r e a t m e n t 1 2 2 活性污泥法处理系统的建模现状 活性污泥法是当前城市污水处理过程中最常用的技术，已有近百年的发展历 史。无论是污水处理的工艺设计，还是污水处理过程优化控制都离不开过程模型。 活性污泥系统模型大体上可以分为经典的动力学模型，a s m ( a c t i va t i 甜s l u d g e m o d e l ) 系列数学模型，b s m 系列数学模型和智能模型。 ( 1 ) 经典活性污泥法动力学模型 从2 0 世纪4 0 年代，国外学者就开始研究污水处理过程模型，具有代表性的 有e c k e n f e l d e r 【4 1 、m c 心i l n e y 【5 1 以及l 踟代n c e m c c a n y 【6 j 等开发的活性污泥法简化 模型。这三种不同的模型都源自1 9 4 2 年m o n o d 提出的以米一门公式为基础的 m o n o d 方程。模型中只涉及含碳有机物的去除，计算过程和参数求解相对简单， 在稳态情况下基本能够满足污水处理的需要。但是伴随水体富营养化现象的加 剧，活性污泥法增加了出水脱氮除磷工艺，其应用范围受到了限制。7 0 年代中 后期，南非的m a r a i s 提出除碳、氮、磷的动态活性污泥数学模型，但由于结构 异常复杂而使其应用受到限制1 7 j 。 但) a s m 系列活性污泥数学模型 1 9 8 7 年，国际水质协会( i a w q ) 在m a r a i s 等人研究的基础上推出了a s m l 瞵1 ( a c t i v a t e ds l u d g em o d e ln o 1 ) ，a s m l 是活性污泥模型发展的罩程碑，它包括了 碳化、硝化反硝化过程。模型包含了溶解氧、硝态氧、氨氮及异氧生物和自养生 物等1 3 种组分；生化反应过程包括了异氧菌、好氧菌的好氧生长及衰减过程等 8 个过程；异氧菌、自氧菌生长和衰减过程及污泥中c o d 水解过程的1 4 个动力 学参数和5 个化学计量参数。a s m l 模型最主要的特征是采用矩阵的形式来描述 活性污泥系统中各组分的变化规律和相互关系，并在矩阵反应速率中使用“开关 函数”的概念，以反映环境因素改变而产生的抑制作用，避免那些具有开关型不 连续特征的反应过程表达式在模拟过程中出现数值不稳定现象。a s m l 推出后， 在欧美得到广泛使用，成为模拟活性污泥系统的强有力的工具。a s m l 主要缺陷 是未包含污水中磷的去除。 一3 一 北京工、i k 大学t 学硕士学位论文 1 9 9 5 年i a w q 课题组针对a s m l 中缺少生物除磷这一缺点，推出了a s m 2 【9 】， 在原有基础上增加了生物除磷及生物化学同时除磷过程，还增加了厌氧水解酵解 及与聚磷菌有关的4 个反应过程，使数学模型研究又前进了一大步。a s m 2 的 1 9 个组分中引入发酵过程；包含1 9 个反应过程和2 2 个化学计量系数及4 2 个动 力学参数。由于a s m 2 的复杂性和除磷的不确定性，致使a s m 2 没有a s m l 应 用广泛。 1 9 9 9 年，i a w q 又推出了a s m 3 【1 0 j 模型。a s m 3 针对a s m l 中许多组分不 易测量和参数的估测困难等等，对a s m l 进行了简化。a s m 3 的侧重点由水解转 为有机物在微生物体内的储藏，以强调细胞内部的活动过程。a s m 3 的准确性和 实用性尚需大量的试验进行验证。 a s m l 、a s m 2 和a s m 3 是活性污泥法数学模型的重大突破，并且成为活性 污泥法数学模型的研究平台。在a s m 系列模型的基础上，活性污泥系统建模与 控制在国外得到很大的发展【l l - 15 1 ，并在国内也取得了一定进展。季民等人【1 6 】提出 了适用于普通推流式活性污泥的碳氧化数学模型a s p s c o 及黄天寅等人【1 7 1 提出 了类神经网络活性污泥系统模型等。许多学者还在研究和应用a s m 的基础上推 出一些修正模型和简化模型，如于广平等人【1 8 】提出了适合推流式活性污泥碳去除 的a s p c r 模型等。 a s m 系列活性污泥数学模型可以描述生化过程的动态特性，但是这些模型 的设计是相当困难，主要因为模型中含有严重的不确定性、时变、非线性等因素。 模型中许多定量关系是由经验得到的，未知参数多，不确定参数在不同的环境呈 现不确定变化，因此，该系列模型不利于在线控制。 ( 3 ) b s m 系列活性污泥数学模型 2 0 0 0 年以来，欧盟科学技术与合作组织( c o s t ) 的6 8 2 号和6 2 4 号计划项 目的研究人员与i w a 合作的“基于呼吸运动计量法来控制活性污泥过程”的课 题组联合开发了“1 号基准仿真模型 ( b s m l ) 【1 9 】，b s m l 已经成为一种污水 处理过程模型与控制方法的评价标准。b s m l 可以与多种控制方案组合进行仿真 模拟，并按照指定的评价标准来考察控制方案的优劣。 在b s m l 基础上c o s t 提出b s m 2 模型【2 0 j ，b s m 2 能够实现在全厂范围内 对控制性能进行长期评估。b s m 2 可模拟整个污水处理厂运行，包含污水处理过 程中所有的设备及运行，如初沉池、活性污泥处理单元、二沉池、厌氧消化反应 单元、浓缩机和脱水系统等。 b s m 系列模型是当前检验污水处理过程控制方案的最佳机理模型，其主要不 足是只能模拟某些理想状况下的污水处理过程，运行范围较窄，有待进一步开发。 ( 4 ) 智能模型 第1 章绪论 智能模型主要是以人工神经网络为代表的智能过程建模。智能建模方法具有 很强的自学习能力，其本身是非线性的，可以通过学习达到所要求的非线性形状 来模拟对象模型，并且适合多输入多输出系统。 在国外，d u 等【2 l 】采用模糊神经网络模拟活性污泥法污水处理过程并可较准 确估计污泥泥龄。z h u 等【2 2 】首先采用多层感知器模型减少数据维度，然后采用时 间延迟神经网络来在线预测出水b o d 。t a y 等【2 3 j 采用以神经网络为基础的自适应 模糊推理系统为工具模拟厌氧处理系统，研究表明，该模型对厌氧处理系统的不 同运行条件表现良好的适应性。c h a i l g 等【2 4 】首先通过p c a 主元分析减少数据维 度，然后采用模糊c 聚类从数据中抽取系统固有特征，最后采用t s k 型模糊推理 系统预测出水c o d 。c h e n 等【2 5 】采用递归神经网络去预测硝化反应的程度。m j a l l i 等【2 6 】采用前馈神经网络和预测模型对系统的b o d 进行预测，效果良好。此外， 采用b p 神经网络建立污水处理系统模型的研究结果也很岁2 7 倒j 。 在国内，柴天佑等人【2 9 】提出一种基于递阶神经网络活性污泥过程机理模型， 将神经网络与过程机理模型以串级方式连接，以神经网络辨识活性污泥过程模型 中的非线性组分反应速率，对出水水质c o d 进行预测。郭劲松等p o 】建立了间歇 曝气活性污泥系统b p 神经网络水质模型，出水水质指标预测平均误差 2 k g b o d ( k g m l v s s d ) 时，活性污泥微生物处于对数增长阶段。在此阶段，底物浓 度高，活性污泥微生物的增长速率与底物浓度无关，只受微生物自身机理机能的 限制。可用下式表示： 似= k x t ( 2 - 1 ) 式中弘- 1 时刻( 以d 计算，d 表示天) 活性污泥微生物浓度，m g l ； 5 活性污泥微生物对数增长速率常数，d 1 ，k 值约为2 。7d 。 一】8 一 第2 章活性污泥法污水处理过程分析 b 当丹m 比值qk g b o d ( k g m l v s s d ) 时，活性污泥微生物处于减速增殖期 阶段，在此阶段，底物浓度低，活性污泥微生物的增长速率与底物的降解速率和 底物浓度有关。可用下式表示： 丛= 一k 2 船址 ( 2 - 2 ) 从= 一艺撕丛 ( 2 - 3 ) 式中s 叫时刻( 以d 计) 底物浓度，m g l ； 静1 时刻( 以d 计) 活性污泥微生物浓度，m l ； 墨减速增长速率常数，m g 一d ，活性污泥系统中约为0 0 0 3 0 0 2 m g d ； 瓦。表观产率系数，即去除单位底物实际生成的微生物量，生活污水 一般取0 5 o 6 5 。 c 当彤m 比值 0 时，随机的选择该细胞内一个吸 附有机物粒子，该粒子将被微生物合成新的微生物粒子，下一时刻该结点粒子状 态由3 变为2 ，这说明进入微生物细胞体内的有机物被微生物合成新细胞。此过 程微生物的增长量主要是用来描述微生物的增长速度，表示为： 当f m 2 时，活性污泥微生物处于对数增长阶段： 从= k 脚 ( 3 1 8 ) x = x o + s 批j 幺s “，挖 ( 3 1 9 ) 式中从微生物的每一时步的浓度变化量，m l ； x 一1 时刻微生物的浓度，m g l ； 墨活性污泥微生物对数增长速率常数d ，取5 d 一； r _ 每一时步的时间，取1 0 m i n 。 x o 初始微生物浓度，m l ； 舰朋j l z l 时刻有机物被合成微生物的粒子总数； s 。每个有机物粒子浓度，单位m l ； 瓦。表观产率系数，即去除单位底物实际生成的微生物量，。值取 0 6 5 ： 当2 f m o 1 时，活性污泥微生物处于减速增殖期阶段： s = 一j 己船丁 ( 3 2 0 ) 萨s o s 。勋臌 ( 3 - 2 1 ) 似= 一k 丛 ( 3 - 2 2 ) 式中s 底物浓度每一时步的浓度变化量，m g l ； s 叫时刻底物浓度，单位m g l ； k 活性污泥微生物减数增长速率常数m g d ，坞值取0 0 1 6 8 m g d ； s o 初始有机物浓度，单位m g l ； 鼽，蹦1 时刻有机物粒子数的总减少量。 内源呼吸：当此时，小于o 1 时，进入内源呼吸阶段。在此阶段，随机选 择一个新生成的微生物粒子，该粒子在内源呼吸作用下，将被微生物分解为气体、 水和能量，下一时刻该结点粒子状态由2 变为0 ，活性污泥微生物量减少，减少 第3 章污水净化过程的细胞自动机模型设计与实现 的量为： x = 一疋x r ( 3 - 2 3 ) 式中舣每一时步微生物的浓度变化量，m l ； 蟛活性污泥微生物衰减常数d ，蟛为o 0 6 d 。 c 沉降过程： 当内源呼吸作用逐渐减弱，微生物的减小量没有明显变化时，停止曝气。静 置一段时间后，活性污泥开始沉降。沉降规则是基于砂堆规则和重力沉降规则。 该规则下，小部分没有被降解的有机物、气体和水将仍然漂浮在水体中；被吸附 有机物和微生物沉降在底部。 ( 2 ) 实验仿真 本文基于m a t l 蛆实现该模型仿真。根据初始模型的分布，可知初始微生 物分布如图3 7 ( a ) 所示，图中“”表示微生物，该图表示初始微生物均匀的分 布在曝气池中。初始曝气池分布如图3 7 ( b ) 所示，“木”表示有机物，该图表示曝 气池中初始有机物与微生物的分布。 ( a ) 初始微生物分布 j - j - | p j - - _ - - - - - 4 i 砖q l t 岵l i 辟q 婶i i 母掌l 。 | 毒- - i l o 一- ，- - - i i 毋1 t i i 甘馏州霹1 r i j o - - i ，- d - - h - - - _ - | i 畸v 口| 霹睁t - 罐l 母- 譬哇1 d _ i 膏- h i - d _ _ - - ， - - q i 竹1 i l ，蹿t 譬味l _ 寸聋t i d _ - i i l - j - i - _ t h - - - 如 肆辩4 i 螬擎l 簟肆4 譬| 鼍i - d - - 童- - _ ， ， 一- - 一- - - 寸 二噼毕掌i t 舒翟州t h t - o - - - - 一 _ - - - - 1 - t i 碴辩哇- t q 簟噜如警 i i - | 幸- 蚋辞尊- r - 目日垂篁日皇t 目目t 簟目臼皇t 0 2 o 40 6 0 8 ( b ) 初始曝气池分布 图3 7 污水净化过程的二维模型的初始分布 f i g3 - 7t h ei n i t i a ld i s t r i b u t i o no fm o _ d i m e n s i o n a lm o d e lo fs e w a g ep u r i f i c a t i o n 根据活性污泥的净化机理，采用上述演化规则，进行模拟实验。可得到污水 净化过程的二维格子气细胞自动机模型的演化过程图，及仿真曲线。演化过程如 一3 9 一 lrr目rllrlkrlp目目哪0”01；矗飞越 0 0 d 0 北京丁业大学工学硕十学位论文 图3 8 所示，仿真曲线如图3 9 所示。 ( a ) 0 5 h o o o o o o o o ( c )2 h ( e ) 6 h q ) 8 5 h o o o o o 8 o 6 o 4 o 2 o o ( b ) 1 h ( d ) 3 5 h ( f ) 8 h 一4 0 一 ( h ) 9 h 第3 章污水净化过程的细胞自动机模型设计与实现 o 卫 o 6 o 4 o 2 嚣垂幸：圹囊。+ 鑫 熟j 0 2 o 4 0 6 o 81 ( i ) 1 0 h 图3 8 污水净化过程的二维模型的演化过程 f i g 3 8t 1 1 ee v o l u t i o np r o c e s s0 ft w o d i m e n s i o n a lm o d e lo fs e w a g ep u r i f i c a t j o n ( 3 ) 实验结果分析 1 ) 演化过程分析 图3 8 中，蓝色粒子表示有机污染物，红色粒子表示微生物。该演化过程主 要展示了有机污染物被活性污泥微生物摄取、代谢与利用的过程以及沉降过程。 从图3 8 ( a ) 中可以看出，初期0 5 内，主要是有机物与微生物的吸附反应。由于 活性污泥具有很强的吸附能力，在活性污泥系统中废水开始与活性污泥接触后的 较短时间内，废水中的有机物即被大量去除。从图3 8 ( a 卜( d ) 中可以看出，微生 物在不断地增加，有机物在不断减少。这表明微生物不断从其周围环境中摄取废 水中的有机物作为营养加以摄取、吸收。被微生物摄入的有机物一部分被氧化分 解成稳定的无机物质，一部分被合成新细胞物质。从图3 8 ( d 卜( f ) 中可以看出， 微生物不断减少。这表明随着有机物浓度的不断减少，微生物的营养物质越来越 少。活性污泥微生物由于得不到充足的营养物质，而开始大量地利用自身内贮存 的物质或衰亡菌体进行内源呼吸以维持生命活动。从图3 8 ( 耻( i ) 中可以看出，微 生物和被吸附有机物开始沉降。这表明随着内源呼吸逐渐减弱，微生物的减小量 没有明显变化，停止曝气，静置一段时间后，在重力作用下微生物和被吸附有机 物开始沉降，小部分没有被降解的有机物将仍然漂浮在水体中。 2 ) 仿真曲线分析 图3 9 ( a ) 很好的模拟了有机物的去除曲线。从图中可以看到有机物的去除率 达到了9 5 以上；图3 9 ( b