（模式识别与智能系统专业论文）活性污泥法污水处理过程智能建模及仿真研究.pdf

摘要 摘要 活性污泥法是利用自然界微生物的生命活动来清除污水中有机物和脱氮除 磷的一种有效方法。活性污泥法污水处理过程是一个动态的多变量、强耦合过程， 具有时变、高度非线性、不确定性和滞后等特点，过程建模相当困难。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。此外，由于污水处理过程是一个复杂的生化反应过程，现 场试验不仅时间长且成本很高，因此，研究对污水处理过程的建模和仿真技术具 有十分重要的现实意义。 本文在深入分析现有研究成果的基础上，对活性污泥法污水处理过程的智能 建模方法及仿真技术进行了研究。主要做了以下几方面工作： ( 1 ) 在充分了解活性污泥法污水处理过程的现状及工艺流程的基础上，深入 分析了现有的几种建模的方法，并且给出该过程建模和仿真技术的发展方向； ( 2 ) 研究了基于b p 和r b f 神经网络的小型活性污泥法污水处理系统建模方 法，证明了神经网络建立污水处理过程模型是有效可行的；研究结果表明：采 用r b f 网络建立的模型，具有方法简单、学习速度快等优点；r b f 网络能很 快逼近训练数据，收敛速度明显快于b p 网络：b p 网络的泛化能力好于r b f 网络： ( 3 ) 提出了基于p c a 一减法聚类a n f i s 的活性污泥法污水处理过程建模方法， 并且与基于p c a b p 神经网络污水处理模型相比，具有更好的拟合能力及收敛速 度。 ( 4 ) 采用l a b v i e w 软件平台开发了活性污泥法污水处理过程仿真软件，初步 实现了曝气池和二沉池的反应机理。 本文的研究对我国污水处理过程的模型发展和仿真技术的开发有一定借鉴 意义，但由于条件和时间的限制，尚有许多方面有待改进和深入探讨。 关键词污水处理过程；建模；神经网络；a n f i s ：l a b v i e w 北京工业大学工学硕士毕业论文 a b s t r a c t a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s si sak i n do fe f f e c t i v em e t h o d ，w h i c hc o n s u m e st h e s u b s t r a t e s a n d p h o s p h a t e r e l e a s ea n dd e n i t r i f i c a t i o ni nw a s t e w a t e r b y m i c r o o r g a n i s m sm e t a b o l i s m a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s si sam u l t i - v a r i a b l e s 、s t r o n g c o u p l i n gs y s t e m ，w h i c hh a sc h a r a c t e r i s t i co ft i m ev a r y i n g 、h i g hn o n l i n e a r i t y 、 i n d e t e r m i n a t i o na n dl a g ，a n dd i f f i c u l tt ob u i l dp r o c e s sm o d e l f o ra s s u r i n g t r e a t m e n tp r o c e s sr u nw e l la n da d v a n c i n ge f f l u e n tq u a l i t y , i th a sa l r e a d yt u r n e di n t o t h eu n i v e r s a lc a r e f u lp r o b l e mb ym a n yr e s e a r c h e r so ft h es c i e n t i f i cw o r l dt os t u d y t h ep r e c i s ea n da p p l i e dd y n a m i cm o d e l b e s i d e s ，d u et ow a s t e w a t e rp r o c e s s ，a sa c o m p l i c a t e db i o c h e m i s t r yr e a c t i o np r o c e s s ，i t s l o c a l ee x p e r i m e n t sn e e dl o n gt i m e a n da r ee x p e n s i v e s oi th a se s p e c i a l l ye s s e n t i a lr e a l i s t i cv a l u et os t u d yt h em o d e l i n g a n ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g yo fw a s t e w a t e rp r o c e s s i nt h ep a p e r , o nt h eb a s i so ft h o r o u g ha n a l y z i n gp a s ta c h i e v e m e n t s ，t h ea u t h o r s t u d i e d i n t e l l i g e n tm o d e l i n g a n ds i m u l a t i o n t e c h n o l o g y o fa c t i v a t e d s l u d g e w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： ( 1 ) o nt h eb a s i so fu n d e r s t a n d i n gt h ea c t u a l i t yo fw a s t e w a t e rp r o c e s sa n d t e c h n i c s ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h o r o u g hp r e s e n tm o d e l i n gm e t h o d s ，a n dp o i n t e do u t t h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no f m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g yo f t h ep r o c e s s ； ( 2 ) t h ep a p e rs t u d i e dt h em o d e lm e t h o do fm i n i t y p ea c t i v a t e ds l u d g es y s t e m b y b pa n dr b fn e u r a ln e t w o r k s ，a n dt e s t i f i e dt h e s ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tm o d e l sb y n e u r a ln e t w o r ka r ee f f e c t i v e ；t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h er b fn e u r a ln e t w o r k m o d e lh a sc h a r a c t e r i s t i co fs i m p l em e t h o d 、r a p i ds t u d ys p e e d ，e t c ；t h er b fn e u r a l n e t w o r km o d e lh a sb e t t e rc o n v e r g e n c ea b i l i t ya n di m p e n d i n gs p e e dt h a nt h eb p n e u r a ln e t w o r km o d e l ； t h eb pn e u r a ln e t w o r km o d e lh a sb e t t e rg e n e r a l i z a t i o n t h a nt h er b fn e u r a ln e t w o r km o d e l ； ( 3 ) t h ep a p e rp u tf o r w a r dt h em o d e l i n gm e t h o do fa c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s so i l t h eb a s i so fp c a - s u b t r a c t i v ec l u s t e r i n g a n f i sn e t w o r k a n dc o m p a r i n gw i t h p c a b pw a s t e w a t e rt r e a t m e n tm o d e l ，i th a sb e r e t c o n v e r g e n c ea b i l i t y a n d i i a b s t r a c t i m p e n d i n gs p e e d ( 4 ) t h ep a p e rb u i l tt h es i m u l a t i o ns o f t w a r eo fa c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s su s e dt h e l a b v i e ws o f t w a r e ，t h ep a n e lc a ni m p l e m e n te l e m e n t a r yt h er e a c t i o nm e c h a n i s mo f a e r a t o ra n ds e c o n d a r yc l a r i f i e r t h ep a p e r sr e s e a r c hh a ss o m e w h a tl i s af o rr e f e r e n c et ot h em o d e ld e v e l o p m e n t a n ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g ye x p l o i t u r eo fw a s t e w a t e rt r e a t m e n ti no u rc o u n t r y b u t o w i n gt ot h el i m i to fc o n d i t i o na n dt i m e ，t h e r ea r em a n ys i d e sn e e dt ob ea m e l i o r a t e d a n dd i s c u s s e d k e y w o r d sw a s t e w a t e rp r o c e s s ；m o d e l i n g ；n e u r a ln e t w o r k ；a n f i s ；l a b v i e w i l l 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它教育机构 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 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：公淑日期：娜f 彳 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) 签名：m导师签名 华醐：丛 第1 章绪论 第1 章绪论 1 。1 课题背景及研究意义 水资源短缺是2 l 世纪人类面临的最为严峻的资源问题 1 】，目前全世界只有 1 4 的人群饮用到合乎标准的清洁水，1 3 的人口得不到安全的饮用水。我国6 0 0 多个城市中，有3 0 0 多个城市缺水，其中1 1 0 多个城市严重缺水。目前全国有8 0 0 0 万人饮水困难，城乡居民7 0 的生活用水水质达不到饮用水最低要求。随着现代 工业的飞速发展和人们生活水平的提高，污水排放量日益增加，严重的水污染加 重水荒，水资源污染已经成为世界目前主要的环境问题。据报道，全世界每年约有 4 0 0 0 万立方米的污水排入江河湖泊，污染全球径流总量的2 1 4 以上。在中国进行 监测的7 8 条河流中，有5 4 条受到较严重污染。据估计，我国每年因水污染造成 的经济损失已达到4 0 0 亿元。污水处理工程越来越引起人们的重视。 为加快我国城市的污水治理，我国建设部、国家环保总局、科技部联合发布 政策指出，到2 0 1 0 年全国城市和乡镇的污水平均处理率不低于5 0 ，城市的污 水处理率不低予6 0 ，重点城市的污水处理率不低于7 0 。北京市年污水排放量 高达1 2 亿立方米，长期以来主要由政府投资处理。为筹瓣2 0 0 8 年奥运会，实现 对世界“绿色奥运”的承诺，政府每年在污水治理领域的投资还将由原来的l0 亿 元增至2 0 亿元。因此，积极开展污永处理新技术新方法的研究，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。 活性污泥法作为一种二级污水处理方法1 2 1 ，于1 9 1 4 年在英国曼彻斯特建成 试验厂以来，已有将近百年的历史。由于其处理范围宽广、抗干扰能力强、处 理效率高等优点，使其在污水生物处理工艺中占有非常重要的地位，已被世界 各国所普遍采用。统计资料表明，美国采用活性污泥法工艺的约9 0 0 0 余座，占 总量的4 0 ，而日本的活性污泥法污水处理厂占总量的8 8 7 。在我国，活性 污泥法更是一种最主要的污水处理工艺。国内已建成和在建的城市污水处理厂， 绝大多数都采用活性污泥法。活性污泥法污水处理过程是一个强耦台的多输入 多输出动态系统，具有时变、高度非线性、不确定性和滞后等特点，过程建模 北京工业大学工学硕士学位论文 相当困难。与其它工业过程相比，污水处理过程的运行和控制方法都比较落后。 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吼 传统上，人们利用已获得的丰富的数学知识对实际系统进行建模，并在各 种领域的过程控制中得到了广泛的应用。然而，对于复杂的连续、时变、非线 性、大滞后工业控制过程，数学建模的方法受到了严峻的挑战，这迫使人们不 得不去寻求其他的技术手段。智能建模方法以其良好的特点为解决未知不确定 非线性系统的建模问题提出新思路。本文探讨的基于活性污泥法污水处理过程 的智能建模和仿真研究具有一定的现实意义和理论意义。 1 2 活性污泥法污水处理过程模型和仿真技术概述 1 2 1 活性污泥法污水处理过程简介 活性污泥法污水处理过程是利用自然界微生物的生命活动来清除污水中有 机物和脱氮除磷的一种有效方法，其工艺流程见图1 1 。活性污泥法污水处理过 程具体为：原生污水经过预处理和一级处理后，由初沉池进入曝气池，在活性 污泥的作用下，进行好氧和厌氧生物降解，将污水中的溶解和胶体状态的有机 物分解并进行脱氮除磷反应。曝气池的混合出水进入二沉池进行固液分离，若 水质达到排放标准，则将上部澄清水排入受纳水体。 图1 - 1 活性污泥法污水处理过程 f i g u r e l - 1t h ep r o c e s so f a c t i v a t e ds l u d g ew a s t e w a t e r 1 2 2 活性污泥法污水处理过程模型简介 污水处理过程建模对控制系统尤其是基于模型的控制系统的设计具有非常 2 第1 章绪论 重要的作用。活性污泥法污水处理过程是极其复杂的、动态的过程，其过程建 模非常困难1 4 】。国外学者在2 0 世纪6 0 年代开始污水处理过程建模的研究，8 0 年代后期随着a s m 数学模型的出现，进入污水处理过程建模研究的高峰，美 英和南非等国的研究走在世界前列。国内在污水处理模型的研究方面起步晚， 应用相当滞后，相关的研究报道少。基本的建模方法有传统数学模型、智能模 型以及混合模型( 具体见第二章节) 。 1 2 2 1 传统数学模型随着活性污泥处理工艺的深入完善，人们对活性污泥 法及其对污水处理过程的认识由宏观到微观、由表及里不断深化。活性污泥法 污水处理过程的数学模型用来模拟各类微生物、有机养料在处理过程中的动态 特性，因而对污水处理系统的设计与运行管理有重要的意义，活性污泥系统的 数学模型逐渐由简化的半理论半经验模型发展为较完整实用的数学模型。在活 性污泥系统包括曝气池和二沉池两部分。建立曝气池模型和二沉池模型是活性 污泥系统建模的关键，两者通过有效的途径结合起来组成完整的活性污泥模型 系统。 最具有代表性简化的曝气池数学模型是e c k e n f e l d e r 、m c k i n n e y 以及 l a w r e n c e m c c a r t y 在6 0 年代开发的活性污泥法模型。尽管这些传统模型对实际 系统和过程机理作了很大简化，但所导出的稳态结果基本满足工艺设计要求， 且具有模型变量可直接测定、动力学参数测定及方程的求解比较方便等特点， 故得以在环境工程领域内长期广泛使用。 进入8 0 年代后，随着活性污泥工艺的不断深入和完善，出现了多种反映活 性污泥系统曝气池的数学模型。其中，最有代表性的是国际水质协会( i a w q ) 于1 9 8 6 推出了包含去碳脱氮的a s m l 数学模型( a c t i v a t e ds l u d g em o d e ln o 1 ) ， 从而使活性污泥法的设计和运行管理进入了一个新阶段。1 9 9 5 年，i a w q 专家 组又提出a s m 2 模型。a s m 2 不仅增加了生物除磷和化学除磷过程，还增加了 厌氧水解，酵解及与聚磷菌有关的4 个反应过程。1 9 9 9 年，i a w q 又相继推出 a s m 2 d ，a s m 3 模型。进一步对a s m 模型进行完善。a s m 模型虽然存在一定的 缺点，如对进水水质的分析和测定以及对模型中随环境变化的参数的校正是繁 琐的过程，但它们仍是活性污泥法数学模型的重大突破，为活性污泥法数学模 型的深入研究建立平台。许多学者在研究和应用a s m 的基础上推出一些修正 北京工业大学工学硕士学位论文 模型和简化模型已经在处理过程的监测和控制中取得成功经验。 二沉池的特性至今以根据流量理论建模居多。有关二沉池中即净化 ( c l a r i f i c a t i o n ) 和加厚( t h i c k e n i n g ) 的固液分离过程有不少文献介绍。二沉池 固液分离建模时，通常是一维模型。二沉池中除一维模型以外，还出现t - - 维 模型即水力学建模。与一维模型相比，二维模型主要是对内部的流场及沉降过 程进行分析。 尽管传统数学模型可以描述生化过程的动态特性，但是这些模型设计控制 系统仍是相当困难，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，建立适合于控制的污水处理过程模型尤为重要。 1 2 2 2 智能模型智能建模方法与经典数学建模方法相比并非优越，只有当 常规方法解决不了或效果不佳时智能建模方法才能显示出优越性。尤其对问题 的机理不甚了解或不能用数学模型表示的系统，智能建模往往是最有利的工具。 另一方面，智能建模方法对处理大量原始数据而不能用规则或公式描述的问题， 表现出极大的灵活性和自适应性。 运用智能建模方法模拟污水处理系统近年来较引人瞩目。主要的建模方法 有：模糊建模、模糊神经网络建模、时间延迟神经网络建模、递归神经网络建 模、b p 神经网络建模、r b f 径向基神经网络建模，其中以b p 网络污水处理过 程模型最为常见。主要的建模对象是曝气池或整个活性污泥系统。采用智能建 模方法建立污水处理过程模型方面，国外学者的研究更具有吸引力。国内学者 虽展开一些开创性研究却仍处于起步阶段，建立的模型大多采用b p 神经网络的 方法。 1 2 2 3 混合模型 由于污水处理过程的复杂性，数学模型的误差客观存在， 精度不高。而神经网络能够对非线性复杂过程进行很好的拟合，将其和数学模 型相结合，形成所谓混合模型。将传统数学模型与神经网络模型的优势结合， 建立过程混合模型是活性污泥系统建模的新思路。典型的基于活性污泥法的混 合模型如图1 2 所示。 第1 章绪论 图1 2s p m 和神经网络合成混合模型 f i g 1 - 2h y b r i dm o d e li n c o r p o r a t i n gs p ma n dn e u r a ln e t w o r k 1 2 3 仿真技术简述 污水处理过程作为复杂的连续、时变、非线性、大滞后工业控制过程，微 生物在污水环境下的生存规律及所依赖的条件还远没有被完全认识，现场试验 不仅时间长，而且成本很高。基于模型的计算机仿真软件即可用于新工艺的开 发、探讨新运行策略的可行性；又能节省人力财力、提高科研效率和过程控制 效果。因此，仿真软件对污水处理系统格外重要。国外学者已提出不少功能强 大的污水处理过程仿真软件，并已经成功用于实践。国内在仿真领域的开发仍 相当滞后。最常用的仿真软件有丹麦水动力研究所基于整个a s m 系列开发的 e f o r 模拟软件、美国c l e m s o n 大学基于a s m l 编制的s s s p 程序、加拿大 h y d r o m a n i c s 公司开发的g p s - x 污水处理仿真软件等。 1 3 课题的来源与主要研究内容 1 3 1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金项目“活性污泥法污水处理过程智能优化 控制新方法”( 编号6 0 3 0 4 0 1 2 ) 和北京市科技新星计划项目“城市污水处理智 能优化控制新技术”( 编号h 0 2 0 8 2 1 2 1 0 1 2 0 ) 。本课题的主要目的是针对目前我 国活性污泥法污水处理自动化水平相对落后的现状，探索应用智能建模、控制 策略的可行性与有效性。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 2 本文主要研究内容 由于污水处理过程中原生污水的水质不稳定，外界环境干扰严重，在净水 手段上主要是利用微生物的生命活动来清除有机物，影响污水处理效果的因素 很多，因此，建立污水过程模型十分困难。由于活性污泥法具备的高度复杂性 和非线性的特点，使智能建模发挥巨大的作用。本文通过对污水处理过程的发 展及国内外污水处理过程模型现状进行综述，提出智能建模的新方法，通过仿 真实验表明模型是有效的。同时利用l a b v i e w 虚拟平台初步开发污水处理过 程的仿真软件。 全文分为六个章节，各章节的内容安排如下： 第一章绪论部分，首先介绍课题背景和研究意义，随后简单介绍污水处理 的基本概念、目前污水处理过程模型方法和仿真技术。最后介绍本文的课题来 源及全文的结构。 第二章活性污泥法污水处理过程的模型和仿真技术，主要介绍活性污泥法 污水处理过程的原理、综述其建模的发展及仿真软件的开发。 第三章基于神经网络的活性污泥法污水处理过程建模研究，详细介绍基于 b p 和r b f 神经网络的活性污泥法污水处理过程模型，并通过仿真结果比较其 建模结果。 第四章基于a n f i s 的活性污泥法污水处理过程建模研究，详细介绍基于 p c a 减法聚类a n f i s 的活性污泥法污水处理过程模型，同时给出仿真结果， 并与p c a b p 神经网络进行比较，表明该模型具有一定的优越性。 第五章活性污泥法污水处理过程仿真软件开发，主要介绍l a b v i e w 开发 平台及初步开发的界面及其实现。 结论和展望，是本文的结束语，对全文作了总结，并对智能建模方法和仿 真技术在污水处理过程中的进一步应用作了展望。 6 第2 章活性污泥法污水处理过程的模型及仿真技术 第2 章活性污泥法污水处理过程的模型及仿真技术 2 1 活性污泥法污水处理过程 2 1 1 污水处理过程 污水处理过程就是采用工程技术措施对污水进行处理，减轻乃至消除污水 对环境的污染，改善和保持水资源质量。污水处理技术已经经历了一百多年的 发展历史，按处理目标的演变经历了四个发展阶段【5 】。早期的污水处理是利用 物理方法去除污水中的悬浮物、漂浮物及通过重力可以沉降的固体颗粒，又称 一级处理。随着科技水平的提高，发现水中的有机污染物对生态环境的危害， 因此有机污染物和悬浮固体的去除成为污水处理的主要目标；污水处理技术进 入利用生物方法进行处理的二级处理阶段。到上世纪的六、七十年代，人们发 现仅仅去除有机污染物的悬浮污泥还是不够，氨氮的存在依然会导致水体的黑 臭或溶解氧浓度过低，这一问题的出现使常规二级生物处理技术从单纯的有机 物去除发展到有机物和氨氮的联合去除，即污水的硝化和反硝化处理。到上世 纪的七、八十年代，由于水体富营养化日益严重，污水氮磷去除的实际需要使 污水处理进入深度二级处理阶段。此外，在出水水质有特别要求的场合，还应 对二级处理后的出水利用物理或化学的方法进行磷、氮、有毒有害物去除，这 个过程通常被称为三级处理或深度处理。图2 1 为污水处理工艺流程图。 2 1 2 活性污泥法污水处理过程 活性污泥法是世界上应用最为广泛的工业有机污水和城市污水二级处理的 主要途径，主要包含曝气池和二沉池两个部分。活性污泥法是水体自净的人工 强化方法，是一种利用在曝气池内悬浮、流动状态的微生物群体的凝聚、吸附、 氧化分解等作用来去除污水中有机物的方法。所谓活性污泥，是微生物群体及 它们所吸附的有机物质和无机物质的总称。活性污泥法污水处理过程具体为： 原生污水经过预处理和一级处理后，初沉池出水进入曝气池，在活性污泥的作 用下，进行好氧和厌氧生物降解，将污水中的溶解和胶体状态的有机物分解并 7 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 - 1 污水处理过程 f i g u r e 2 - 1t h ep r o c e s so f w a s t e w a t e rl r e a t m e n t 进行脱氮除磷反应，曝气池的混合出水进入二沉池进行固液分离，上部澄清水 排入受纳水体。活性污泥法将产生大量的污泥，除回流的活性污泥外，剩余污 泥和初沉池的污泥混合后，进行消化、脱水等污泥处理过程。 活性污泥法嘲净化污水的三个主要过程为：吸附、微生物的代谢、絮凝与 沉淀。活性污泥法处理污水包含许多的生物化学过程，一个完整的具有去除有 机物、脱氮、除磷功能的活性污泥系统的主要生化过程包含七个方面：微生物 的生长和基质利用：微生物的内源呼吸、死亡、溶解、衰减；颗粒性大分子有 机物的溶解；溶解性微生物产物的形成；氨化作用；硝化作用与反硝化作用： 磷的吸收和释放。 2 1 3 污水主要水质参数及出水水质标准 2 1 3 1 污水主要水质参数污水的水质参数反应污水所受污染的程度，国家 也明确规定水污染的检测方法。污水处理出水所关注的主要参数有以下几个： ( 1 ) 生化需氧量( b o d 5 ) 在水温为2 0 0 c 的条件下，由于微生物的活动，将 有机物氧化成无机物所消耗的溶解氧量。生化需氧量是衡量废水和地表水遭受 有机物污染使用最广泛的参数。该指标目前难以直接测得，通常采用化验值表 示，每次测定一般需要5 天时间。 第2 章活性污泥法污水处理过程的模型及仿真技术 ( 2 1 化学需氧量( c o d ) 化学需氧量可用于测定废水和天然水中的有机物。 c o d 的测定原理是用强氧化剂( 我国法定用重铬酸钾) ，在酸性条件下将有 机物氧化成c 0 2 和h 2 0 所消耗的氧量，即称为化学需氧量，用c o d e r , 简称c o d 。 c o d 能在较短时间较精确的测量。如果污水中各成分相对稳定，那么c o d 与 b o d 5 存在定的比例关系，一般c o d b o d 5 。 ( 3 ) 悬浮物( s s ) 污水中的污染物质，根据其存在状态可分悬浮物，溶解物， 漂浮物等。悬浮物s s 采用过滤法测定。在污水处理中，悬浮物的去除百分率是 衡量沉淀效果的重要指标。 ( 4 ) 氨氮( n h 3 一n ) 氮是植物的重要营养物质，也是污水进行生物处理时 微生物所必需的营养物质。氮是导致湖泊，水库，海湾等缓流水体富营养化的 主要原因。因此脱氮是二级处理过程的重要化学反应。氨氮n h 3 一n 是衡量脱 氮效果的重要指标。 ( 5 ) 磷酸盐( p 0 4 - p ) 磷对藻类和其他生物的生长很重要，也是导致水体富 营养化的主要原因。正磷酸盐p 0 4 一p 是衡量污水除磷效果的重要指标。 2 3 2 出水水质标准污水处理后水质是否达标，控制效果如何，主要依据 排放标准。排放标准：1 9 9 8 年开始实行的二级污水处理厂污水综合排放标准 【g b 8 9 7 8 - - 1 9 9 6 1 7 1 各项指标如表2 1 所示。排放标准简单明确、但没有考虑到 受纳水体的功能、自净的条件等。 表2 - 1 污水综合排放标准 g b 8 9 7 8 - - 19 9 6 】 t a b l e2 - 1l e ts t a n d a r do fs e w a g e g b 8 9 7 8 - - 1 9 9 6 项目一级标准 二级标准 b o d 5( m e j l ) 2 03 0 c o d 。( m g ，l ) 6 01 2 0 s s ( m g e ) 2 03 0 氨氮( m e l ) 1 52 5 磷酸盐( r a g l ) o 5 1 o 2 2 活性污泥法污水处理过程模型 建模是对所研究的工业过程对象有关属性的模拟，所建立的模型应当具有 被描述过程的主要性质和特征。建模的目的，是离线优化操作规律( 曲线) ： 二是在线优化控制。 北京工业大学工学硕士学位论文 污水处理过程建模对控制系统尤其是基于模型的控制系统的设计具有非常 重要的作用。在活性污泥系统中建立曝气池模型和二沉池模型是活性污泥系统 建模的关键。曝气池模型描述其中的各种生物化学过程，如有机物降解、微生物 增长等；二沉池模型描述沉淀池中的固液分离过程，两者通过有效的途径结合 起来组成完整的活性污泥模型系统。污水处理的建模方法主要有传统数学模型、 智能模型以及混合模型。 2 2 1 数学模型 传统的活性污泥法污水处理过程模型是模拟各类微生物、有机养料在处理 过程中的主要动态行为和系统工艺特性的数学模型，它不仅对污水生物处理过 程的设计和运行管理有重要意义，对控制策略的设计也具有借鉴意义。 随着活性污泥处理工艺的推广，人们对它的认识也不断深入，其设计也逐 渐从简单采用经验数据发展到使用数学模型。活性污泥数学模型研究的目的和 用途直接影响模型的表达形式、复杂程度和性能，对生物反应过程内在机理的 认识深度、过程变量的测试水平和精度以及求解的方法和工具都对模型的发展 产生重要影响。因此活性污泥数学模型的研究经历从简化的半理论半经验模型 发展为较完整实用的数学模型。 2 ，2 1 1 曝气池模型微生物反应动力学是对曝气池的反应动力学方面做定量 考察，是污水生化处理工程研究的基本问题，也是建立曝气池模型的核心问题。 现在公认的微生物反应动力学理论起源是所谓一相说和二相说惮3 机理。一相说 是指将微生物的增值用一个统一的数学模型来描述。1 9 4 2 年法国科学家 m o n o d 【9 1 在以纯种菌对单一基质的分批培养研究基础上，提出动力学关系式 m o n o d 方程，用来描述微生物生长速率与生长限制性基质浓度的关系。二相说 是将微生物的增殖分为高基质浓度和低基质浓度两相而分别采用不同的动力学 方程。二相说和一相说的本质上是样的，所不同的是连续函数和非连续函数 的区别，二相说的两个方程是一相说方程的两种特殊情况。 上世纪五十年代中后期，国外学者开始以一相说和二相说方程作为微生物 反应动力学基础，提出了各种简化的数学模型，其中最具有代表性是 e c k e n f e l d e r 【10 1 、m c k i n n e y l l l l 以及l a w r e n c e m c c a r t y 1 2 1 在上世纪6 0 年代开发的 1 0 第2 章活性污泥法污水处理过程的模型及仿真技术 活性污泥法模型。1 9 6 1 年e c k e n f e l d e r 提出模型是在二相说的基础上，将基质的 降解和微生物的增殖分为高基质浓度和低基质浓度两相，采用五个基本参数而 建立不同数学模型。1 9 6 2 年所提出的m c k i n n e y 模型较e c k e n f e l d e r 模型缺少微 生物浓度因素，模型认为曝气池中的基质浓度和微生物浓度相比，是属于低基 质浓度，微生物的增殖处于增殖率下降的阶段，是基质的浓度控制代谢过程。 1 9 7 0 年所提出的l a w r e n c e - m c c a r t y 模型采用一相说的概念，即认为微生物的增 殖存在连续关系，模型突出泥龄参数，认为系统出水水质与泥龄有关，因此较 其它模型更具实用价值。简化模型的计算过程和参数求解相对简单，得出的稳 态结果基本满足处理要求，因此曾在污水处理系统广泛采用。然而伴随水体富 营养化现象的加剧，活性污泥法增加了出水脱氮除磷工艺，简化模型只涉及含 碳有机物的去除及仅有静态模拟的缺陷使其应用范围越来越受到限制。 7 0 年代中后期国外学者开发出活性污泥动态模型，南非的m a r a i s l l 3 提出除 碳、氮、磷的动态活性污泥数学模型，但由于结构非常复杂而限制它的应用。 在m a r a i s 等人研究的基础上，t h w q 于1 9 8 7 年推出的活性污泥1 号模型 a s m l 1 4 1 ，是活性污泥模型发展的里程碑，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。 i a w q 于1 9 9 5 年推出活性污泥2 号模型a s m 2 t ”】，它在a s m l 的基础上引 入生物除磷和化学除磷过程，还增加了厌氧水解，酵解及与聚磷菌有关的4 个 反应过程。因此a s m 2 更庞大复杂。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。1 9 9 9 年，i a w q 又相继推出a s m 2 d t l 6 】、a s m 3 e 1 7 1 模型。a s m 2 d 是对a s m 2 的发展，增加了两 北京工业大学工学硕士学位论文 m l l l l l l 个过程模拟聚磷菌利用细胞内有机产物的反硝化。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。该模型所涉及的主 要反应过程与a s m l 相同，没有包括生物除磷。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 模型虽然存在一定的缺点，如对进水水质的分析和测定以及对模型中 随环境变化的参数的校正是繁琐的过程，但它们仍是活性污泥法数学模型的重 大突破，为活性污泥法数学模型的深入研究建立平台。许多学者在研究和应用 a s m 的基础上推出一些修正模型和简化模型已经在处理过程的监测和控制中 取得成功经验。 近年来，国内学者开始以a s m 模型为基础，针对污水处理过程的建模做 较深入的探讨。季民等【l8 】在总结a s m 模型的基础上进行适当简化，建立适合 普通活性污泥法的碳氧化数学模型。模型包含8 个组分和3 个生化过程。杨青 等1 卅以a s m l 模型为基础，通过合理假设，建立动力学模型，对碳化、硝化、 反硝化过程进行动态模拟。黄勇等2 川建立结构化生物反应动力学模型，文中采 用概念模型图示和矩阵表达法表述模型中的定性定量信息。陈晓龙等2 1 l 对 a s m 2 模型进行参数校正，模型预测精度提高。 2 2 1 2 二沉池模型二沉池是活性污泥系统的重要组成部分。其功能为对混 合液进行固液分离，保证出水水质的污泥回流。采用数学模型对活性污泥系统 进行模拟，除了正确理解和描述曝气池的生化反应过程外，还必须综合考虑二 沉池固液分离系统中多项参数的动态变化。 目前，二沉池模型常用的有三种模型：理想分离点模型，这种模型把二沉 池视为理想的固液分离状态。近似表述系统的稳态特性，对动态模拟不适用； 简化沉淀模型，这种模型考虑二沉池的生化反应，但对二沉池的污泥层分布、 回流污泥浓度难以正确模拟；固体通量沉淀模型，这种模型将二沉池分为几层 ( 层数越多越接近于真实值) ，并假定各层内浓度相同，而各层间的浓度变化根据 该层进口的流通量等于出口流通量计算得到，由此模拟二沉池中污泥层的运动、 回流污泥浓度、出水污泥浓度及短流等因素。 s t e f a nd i e f e l 等吲提出的一维二沉池模型可预n - - 沉池内和出1 ：3 的所有可 溶性颗粒的生物组成的浓度。o l s s o n 等吲将二沉池的进水流量与出水s s 浓度 1 2 第2 章活性污泥法污水处理过程的模型及仿真技术 的关系近似为一维模型，并根据实际数据采用系统辨识模型参数，从而得到二 沉池模型。c h a t e l l i e r 等f 2 4 提出通过每层的对流量和沉淀量保持常量的假设，得 出一个新的沉淀速度表达式，模拟数据与实验结果吻合。黄勇等1 2 5 】以固体通量 理论为基础，通过介质连续性偏微分方程离散化建立二次沉淀池浓缩过程模型。 模型描述污泥的浓缩和贮存过程，可用于模拟二沉池中的污泥沿池深方向的分 布和底流污泥浓度随运行条件的动态变化。 数学模型在活性污泥法污水处理过程的研究中具有重要地位。然而由于数 学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， 建立适合于控制的污水处理过程模型尤为重要。 2 2 2 智能模型 近年来，对以人工神经网络为代表的智能过程建模及其控制系统的研究成 为一大热点。这是因为智能建模方法具有很强的学习能力或者说是自适应能力； 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。此外，智能建模方法对处理大量原始数据而不能 用规则或公式描述的问题，表现出极大的灵活性和自适应性。由于活性污泥法 污水处理过程具有高度的复杂性和非线性的特点，使神经网络可以在建模过程 中发挥巨大的作用。 1 9 8 9 年c h a p m a nd 等人【列出版关于污水处理厂模拟和控制的专著污水 处理动态模拟和专家系统，认为人工神经网络是构造活性污泥法污水处理过程 模型的重要工具，并由此引发污水处理领域应用神经网络的研究高潮。但神经 网络与污水处理过程相结合的时间毕竟较短，因此国内外关于智能建模方面的 研究文献还比较少见。主要的建模方法有：模糊建模、模糊神经网络建模、时 间延迟神经网络建模、递归神经网络建模、b p 神经网络建模、r b f 径向基神经 网络建模，其中b p 网络污水处理过程模型文献最多。主要的建模对象是曝气 池或整个活性污泥系统。 采用智能建模方法建立污水处理过程模型方面，国外学者的研究更具有吸 引力。d u 等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 北京工业大学工学坝士学位论文 目量曼曼皇i i 量| 置暑目e 蔓曼置| | 曼置璺i 污泥泥龄。z h u 等【2 8 1 首先采用多层感知器模型减少数据维度，然后采用时间延 迟神经网络改善多层感知器模型性能来在线预测出水b o d 。t a y 等1 2 9 1 鉴于厌氧 污水处理系统的过程复杂性，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。自适应模糊神经网络对厌氧处理系统的不 同运行条件表现良好的适应性。w a n 等1 3 0 】将a n n 与遗传算法( g a ) 结合，用于 污水厂出水水质预报及控制参数优化，建成的模型具有自组织、自学习能力， 对出水水质预报准确率达到了7 0 。c h e l a 等【3 l 】采用递归神经网络去预测硝化 反应的程度。此外，采用b p 神经网络建模方法【3 2 3 卅建模活性污泥法污水处理 系统的报道最为常见。 国内学者虽展开一些开创性研究却仍处于起步阶段，建立的模型大多采用 b p 神经网络的方法。郭劲松等建立了间歇曝气活性污泥系统b p 神经网络水 质模型，直接以现场历史数据为学习样本，出水水质指标预测平均误差 3 0 - ( 3 - 2 ) 则认为x 是异常数据，应予剔除。 ( 2 ) 数据归一化处理由于污水处理过程中所测量的数据有不同的工程单 位，各变量的大小在数值上差异很大，直接使用原始测量数据进行计算可能丢 失信息和引起数值计算的不稳定，因