（环境工程专业论文）活性污泥过程动态模拟及控制仿真软件开发.pdf

敬苏大学硕士学使论文 攘要 随着社会的发展，污水排放黛越来越大，1 耐对污水出水的水质要求熨l j 越来越 严格。为了使污水处理达到最理想的经济效蔬和社会效益，麴必对污水处理过程 避蠢镌纯设嚣积控联。戳螽经浮溅法秀主嚣王愁熬污拳生纯处理是当夔鲶惩工逢 有机潜水和城市生活污水的主嚣途径，然而从控制理论的角度来看，生他处理过 程是媳型的非线性、时变、不确定性、时滞的复杂系统。因此，人们必须借助污 水处壤豹数学模型釉计算机模拟来研究和把搬污水处理过程中活性污溅的状态 及麓德，实褒污承簸毽器工艺滚程及箕控嚣g 策略酶优琵设谤褡霞往整麓。 一些发达国家融经广泛地歼腥了这方面的研究工作。相比于国际水平，我国 在污水活性污泥处理数学模型方丽的研究和成用还很滞后，尚未建立起可靠的模 援与按裁静谤真乎鑫。秀了缩短譬嚣强熬差题，本论文尝试捷惩嚣囊慰象貔思想 和方法，秘雳v o 卜 和m a t l a b 作为工其对滔往污泥避稷进行建模，歼发了一 套独溉于其它仿真平台的活性污泥污水处理仿真软件w w t p s 。 农分析动态仿冀平台结构的簇础土，采用黼向对象的绞建模方法，建立了 类骰予s i m u l i n k 、g p s - x 软佟豹疆立豹承憝建傍囊平螽，霞嚣，熊够澍震 m a t l a b 的s i m u l i n k 工具箱建藏用户自定义的污水处理操作单元以及污水处理 工艺过程与模型对软件模块进行扩展。在分析构建该软件所涉及到的活性污泥数 学援慰、二沉洼揍黧! 及其覆怒潜象实理方式黪罄建上，实瑷了污承憝理z 慈过程 的可褫纯动态建模。 为了验证该软件的稳定性与可靠性，根据欧洲c o s t 6 2 4 研究小组所提出的 污水处理仿真规范及其原始数据进行动态仿真，其结果与c o s t 6 2 4 小缎评价其 宅薅嶷敬薛结栗瓣警垮誊摇毙较，璃差稷枣，坎箨谤卖过程霹靠，结暴瑶蕊。 禚此基础上对几种不同的控铕0 方案进行了幼态模拟和比较，并从a s m i 模型 角度使用灵敏度分析的方法对模拟过程的硝化和反硝化的结果作出了解释，从另 一个侧瑟证实了软传懿可靠性。 关键词：面向对象，活性污泥法，数学模型，仿真，软件，m a t l a b 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h es o c i e t y , m o r ea n dm o r ew a s t e w a t e ri sd i s c h a r g e d 。o n t h eo t h e rh a n d ，d u et ot h ei n c r e a s e dp u b l i ca w a r e n e s so ft h ep r o b l e mo fw a t e r p o l l u t i o n e m u e n ts t a n d a r d sf o rw a s t cw a t e rt r e a t m e n tp l a n t sa r eb e c o m i n gm o r ea n d m o r es t r i n g e n t i no r d e rt oo b t a i nt h eb a l a n e eb e t w e e ne c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t ， a d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g i e sm u s tb ea p p l i e dt ow a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s e s b i o l o g i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s e s ，w h e r eo r g a n i cm a t e r i a l si nw a s t c w a t e ra r e r e m o v e db ym i c r o o r g a n i s m ，a r ew i d e l yu s e da ss e c o n d a r y 仃e a t m e n tp r o c e s s e s ，w h i c h a r eo f n o n l i n e a r , u n c e r t a i n , t i m e - v a r y i n ga n dd e l a y - t i m ec o m p l e xs y s t e m si nt c r n l so f c o n t r o lt h e o r y s ow em u s t 啪m a t h e m a t i c a lm o d e l st ol o o ki n t ot h ep r o c e s s e sa n d r e a l i z et h eo p t i m a ld e s i g na n dc o n t r o lf o ra c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s e s b e f o r et h es i m u l a t i o no ft h ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s e s ，ar e l i a b l es o f t w a r e p l a t f o r mm u s tb ed e v e l o p e df i r s t i no r d e rt op r o m o t et h eu s eo fa c t i v a t e ds l u d g e m o d e li no u rc o u n t r y , w w t p s ，as i m u l a t o ro f t h ea c t i v a t e ds h d g ep r o c e s s e sb a s e do l l v c + + a n d “u l a b w h i c hi ss i m i l a rt og p s xa n ds i m u l i n k , i sp r e s e n t e dt h r o u g h t h eo b j e c t o r i e n t e dm o d e l i n gt e c h n o l o g y 1 1 a c t i v a t e ds l u d g em o d e l su s e db vw 呵 p sa r ed e s c r i b e da n ds o m ef e a t u r e so f t h e ma r ed i s c u s s e d w i t hw w r p s u s e rc a l lc o n s t r u c tt h ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s f r e e l ya n da d dt h eu n i tm o d e lb vm a t l a b s i m u l i n k f i n a l l y , t h eb e n c h m a r k d e v e l o p e db yc o s t 6 2 4i s r e a l i z e dw i t hw w t p s 。a n dt h er e s u l t sp r o v e dt h e r e l i a b i l i t yo ft h ew 、 h p s s o m ec o n t r o is t r a f e 西e sa l ec o m p a r e db a s e do nt h e d y n a m i cs i m u l a t i o nr e s u l t s a s p e c t so ft h es i m u l a t i o n sa b o u tn i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o na r ei n t e r p r e t e db a s e do ns e n s i t i v i t ya n a l s y s e sf o ra s m l k e y w o r d s ：o b j e c t - o r i e n t e d , a c t i v a t e ds l u d g e s i m u l a t i o n , s o r w a r e ，m a t l a b 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使阉学位论文的规定，同意学位保 留并商国家容关部门或枫狗送交论文的复印臀和奄子版，允许论文被查掰和借 阕。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或罄分内容编入鸯关数据痒 进行检索，可以采用影印、缩印或扫接等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 年解密后适用本授权书。 不保密画。 学位论文作者签名：江荫为 2 吓洱牟否月如日 指导教师签名夕易刍爹 嘲枣占月沙曰 ， 本人郑重声明：所呈交的学位论文，媳本人在导师的指导下，独立进 行搿究工捧所取褥熬成果。除文孛露注鞠零l 援戆内蜜汉终，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的硬 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明礴方式标明。本人完 全意识嚣本声磷黪法律嚣暴爨奉天惑挺。 学位论文作者签名：五臻泰 霞鬻：二翔孵g 胃秽磊 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章引言 我国人均水资源占有量只有世界人均水平的i 4 ，而水污染控制的相对滞后、 受污染的水体逐年增加，又加剧了水资源的短缺。2 0 0 2 年，全国工业和城镇生 活废水排放总量为4 3 9 5 亿立方米，其中工业废水排放量2 0 7 2 亿立方米，城镇 生活污水排放量2 3 2 3 亿立方米。城镇生活污水和工业废水排放量的年增长率大 概在0 9 、2 3 左右。2 0 0 2 年生活污水处理能力每天大概是2 5 4 4 万立方米，处 理率仅为2 2 3 左右；工业污水排放达标率为8 8 3 。全国9 0 以上的城市水 域受到不同程度的污染，近5 0 的重点城镇集中饮用水源不符合取水标准。大 规模地下水开采不仅形成了区域性的地面沉降，而且加快了地表水污染向地下水 污染的转移。功能性的水资源缺乏已经严重地威胁区域经济的持续发展和人们的 正常生活【i 】。 水污染控制设施投资巨大。据国家环保总局提供的数字，目前全国共建设城 市污水处理厂4 5 2 座，其中= 、三级污水处理厂3 0 7 座，城市排水管道约1 5 8 万公里，城市污水处理率达到3 6 5 。到2 0 0 5 年，城市污水处理率达到4 5 ， 5 0 万人口以上的城市要达到6 0 以上。如果要达到这个确定的目标，到2 0 0 5 年， 污水年处理能力应该是2 1 0 亿立方米。按照这个目标计算，用于城市污水处理厂 的建设需要1 2 0 0 多亿的投资。再加上其他工业污染处理，大概计划投资2 7 0 0 多 亿解决水污染的问趔”。 污水处理的能耗相当可观。据了解，日处理1 0 万吨的城市污水处理厂每年 的费用不低于8 0 0 万元，其中运行费用占6 0 之多。污水处理的运行成本一定程 度上阻碍了我国城市污水处理厂的建设，建成的一些污水处理厂也因能耗问题处 于停产或半停产状态口】。为了改变这种不利局面，一些城市已经开始实施增加自 来水水费政策来维持污水处理厂的运行。 在大规模兴建污水处理厂的同时，我国对污水处理厂出水的水质要求也越来 越高。我国新颁布的城市污水厂排放标准对9 8 年1 月1 日之后建成的污水厂出 水中氮、磷指标提出了明确要求，按接纳水体的等级，污水厂出水中总磷含量不 得超过o 5 li r 虮，这与发达国家的指标基本一致。在这种形势下提高已建或在 建污水处理厂的运营效率，降低各类物料和能源消耗成本、提高废水处理质量达 到工业回用标准、按城市水生态体系能容纳废水排放的能力控制污水处理厂的运 行等，成为我国当前水污染控制工作者必须解决的问题。 发达国家在解决以上问题时已经用实践证明，实施i c a ( 仪表、控制和自动 江苏大学硕士学位论文 化) 技术是一条可行之路【3 】【4 】四【6 j 用，其中污水处理系统建模与模拟扮演着非常重 要的角色 污水处理涉及物理、化学和生物等基础科学及其工程技术方面的知识。污水 处理机理复杂、多样，从控制理论角度看，是典型的非线性、时变、不确定、大 时滞的复杂系统，使得其优化设计与优化控制都具有极大的难度。要很好地解决 这些难题，就必须对污水处理的过程机理进行深入的研究，建立污水处理过程的 数学模型数学模型分析有助于新系统的设计和优化运行管理，可以指导现有生 物处理系统的扩展或改造；可以帮助设计者从众多的工艺中选择出最合适的，并 在保证处理效率的同时确定最经济的构筑物物理尺寸和关键运行参数；可以利用 数学模型来预测进水水质与进水流量对于处理效果的影响，从而对污水处理过程 实施有效的优化预测控制；可以利用数学模型为运行效果不理想的工艺过程提供 合理的控制方案和工艺改造方向；可以利用数学模型建立污水处理软件试验环 境，降低试验经费的投入、节省人力、物力和时间，提高科研、设计水平与效率， 提高污水生物处理操作人员的能力和专业知识水平。 随着高速计算机的普及，数值计算与软件工程的飞速发展，模型分析进入了 一个新的阶段，过程的动态模拟逐步成为当今研究与应用的基本手段。污水处理 系统计算机模拟以及基于模型的控制策略研究越来越受到重视，城市污水处理厂 计算机模拟控制及应用软件开发已成为污水处理厂管理与控制研究方面的新课 题。 1 2 国外模拟软件介绍 国外对于污水处理数学模型的研究起步比较早，在模拟仿真方面也先后涌现 了许多水处理仿真软件。第一个活性污泥工艺模拟软件s s s p 由美国c l e m s o n 大 学1 9 8 8 年根据a s m l 编制，可对污水处理厂进行稳态模拟，也可进行动态模拟，显 示氨氮去除率、泥龄、水力停留时间、回流比、溶解氧、耗氧速率、混合液悬浮 固体浓度等4 5 个变化速率之间的关系曲线。a s i m 是e a w a g ( s w i s sf e d e r a l i n s d m t ef o re n v i r o n m e n ts c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 基于a s m l 编制而成的，其最初 主要用于教学、科研和咨询。它可以应用于目前存在的大多数生化动力学模型， 也可对目前存在的大多数具有脱氮功能的活性污泥工艺进行模拟。 其他较为出名的模拟仿真软件还有e f o r 和g p s - x 。e f o r 是基于a s m 系 列活性污泥模型的废水处理工艺开发和模拟用软件，由e f o r a p s 公司与以 m o g e n s h e r e 教授为首的i a w 活性污泥模型国际专家组联合开发，目前在国外普 遍使用。该软件能够模拟活性污泥法中的碳氧化、硝化与反硝化和生物除磷过程， 包括传统活性污泥工艺、分段进水、交替硝化反硝化、氧化沟工艺、a b 法及生 2 江苏大学硕士学位论文 物化学同时除磷工艺等，获得稳态与动态的出水效果。其最新版本的e f o r 2 0 0 3 支持从s c a d a 系统获取数据进行分析。经过适当的修正, e f o r 软件能够比较真 实地模拟活性污泥工艺，使复杂的环境条件明朗化。但是，成功地应用该软件还需 要做大量实际的工作，不仅要克服软件本身的限制，如二沉池内不发生生化反应、 温度和曝气池个数有限制等，还要对程序的内部参数进行设定，并针对不同的应用 条件建立相应的程序修正方法。 g p s x ( t h eg e n e r a lp u r p o s es i m u l a t i o n ) 是由h y d r o m a n t i s 公司开发的面向对 象、模型独立的交互式商业化软件，可在g r m d o w s 与s o l a r i s 环境下运行，目前 在国外使用广泛。g p s - x 软件的主要功能有【1 3 】： ( 1 ) 对处理规模( 如进水水流数目、曝气池数目、二沉池数目等) 和工艺流程没 有限制； ( 2 ) 提供用户可编辑的数据库( 如碳氮、碳磷、用户指定的工业污染物等) ，可以 优化模型运行效率； ( 3 ) 计算功能强大( 有7 种算法) ； ( 4 ) 含多参数优化程序； ( 5 ) 提供灵敏度分析； ( 6 ) 提供两种稳态计算器( 快速和鲁棒) ，以适应不同条件和要求的计算； 能够模拟单一活性污泥或多种活性污泥的系统运行情况； ( 8 ) 输入、输出既可用数据文件格式，也可用d d e 格式，还可与微软e x c e l 链 接以电子表格的形式输出。用图、表直观地显示整个变化过程； ( 9 ) 可在屏幕流程图中显示某个操作单元( 如曝气池、二沉池) ，并通过阀门点击 来调整该装置的参数或对其进行相应的操作； ( 1 0 ) 覆盖的单元操作齐全，包括均化池、配水渠、初沉池、二沉池、浓缩池、 泵站、深井、序批式反应器( s b r ) 、连续搅拌釜式反应器( c s a x ) 、活塞流式反应 器，滴滤池、生物滤池( b a f ) 、转盘滤池、气浮、消化池、沉砂池、澄清池、灭 菌工艺等； ( 1 1 ) 自动化功能强大，内置开关、p i d 控制和超前滞后、前馈控制模拟程序， 并可与m a t l a b 软件整合，以检验控制方案是否得力，还可自动校测各传感器，及 时诊断各种工艺故障。与其他活性污泥工艺软件相比，g p s - x 集成了超过5 0 0 个 各类模型，包括活性污泥a s m 3 模型、m a n t i s 模型( 增加温度的影响) 、 g e m a r a l n e w g e n e r a l 模型( 增加了除磷过程) 、生物除磷v n p 模型、t a k a c s 双指 数一维沉淀模型( 由v e s s l i n d 指数模型扩展得出) 、入流模型( 以b o d 数据为基础， 输入b o d 、t s s 、t k n 和化学计量法) 、a n d r e w sb a r n e t t 厌氧模型和1 w a s a l dh o m e r 过滤模型等。 其他类似的活性污泥工艺软件还有s c i e n c et r a v e l l e ri n t e r n a t i o n a l 公司针对好 氧系统推出的活性污泥稳态模拟软件s a s s p r o ：用于生化除氮( b n r ) 废水处理预 江苏大学硕士学位论文 曝气装置分析设计和操作优化的第一个商业化预曝气工艺软件d s p ；用于市政污 水处理厂优化的软件s t o a t 以及b i o w mp r o c e s sa d v i s o r 和基于m a t l a b 的 s i m b a 工具箱等。 1 3 国内研究状况 国内在活性污泥模型方面所做的工作大多局限于稳态模型的介绍和研究。例 如顾夏声着重介绍各种废水与生物处理数学模型的推导和基本应用；钱易等应用 l a w r r e n c em c c a r t y 模型对活性污泥工艺中泥龄的影响进行了实验研究；张自杰等 对e c k e n f e l d e r 、m c k i n n e y 、l a w r r e n c em c c a r t y 等模型的理论、应用和研究成果 作了较为全面的论述，张亚雷等编译了国际水协废水生物处理设计与运行数学模 型课题组所译著的活性污泥数学模型0 8 1 ，姚重华等编写了 环境工程仿真与 控制 2 7 1 。近年来我国开发的活性污泥工艺软件，主要集中在污水处理工艺的计 算机辅助设计，主要研究成果有同济大学承担国家“七五”科技攻关项目开发的 “水处理工程计算机辅助设计”软件包( 基于传统的活性污泥模型，注重整个污水 处理厂的设计及各个组成部分之间的协调) 、北京建筑工程学院承担国家“八五” 科技攻关项目开发的“稳定塘智能化c a d 系统”( 包括稳定塘设计系统、稳定塘流 程优化系统、稳定塘专家系统和稳定塘工程图形系统等) 。国家“九五”科技攻关 项目“城市污水处理技术集成与决策支持系统建设”。在活性污泥工艺的动态模拟 方面，施汉昌等从9 0 年代中期开始对计算机模拟废水处理过程研究，工艺过程 模拟及专家系统决策支持软件近年来开始在工程中进行验证【1 0 1 。也有其他高校开 始这方面的研究，如浙江大学。但国内目前还没有比较有影响力的对于污水活性 污泥处理进行模拟、控制的商业应用软件。 1 4 本论文的研究内容 对于以上种种国内外的活性污泥工艺过程模拟软件，一般应用于以下4 个方 面【2 1 1 ： ( 1 ) 用于科学研究，开发新工艺； ( 2 ) 用于辅助设计，进行工艺方案选择； ( 3 ) 用于污水处理厂的运行管理，如确定不同负荷条件的最佳运行策略、进行改 造和扩建的可行性研究等； ( 4 ) 用于专业教学，形象表征活性污泥工艺中生物过程的相互作用与联系。 但是，g p s - x 等国外仿真专业软件在我国进行应用推广有其天然的缺陷： 1 )模拟过程中对于模型中众多参数的设定过程非常复杂，且其用语多 江苏大学硕士学位论文 为专业用语，但是又无中文操作界面，国内操作用户使用不便； 2 )没有考虑我国废水处理的国情和特点； 3 )对于模块的可扩展性不强，在该平台上编制用户自己的污水处理生 化反应模型非常不便。 4 )对于模拟数据的处理这些软件大多以文本格式存储，不利于对已有 的数据运用各种工具进行进一步分析。 5 )均为离线操作，不具有在线监测污水数据并对污水处理效果做出在 线预测、对处理效果做出评价、对运行故障做出判断和诊断并提出相应对策 的功能。 考虑以上原因，本论文将v c + + n e t 的强大的软件开发功能与m a t l a b 对 科学数值运算程序的开发能力相结合，运用面向对象编程的思想与方法制作出了 一个包含了多个污水处理操作单元模块以及a s m 系列仿真算法的污水活性污泥 处理模拟仿真软件平台- - w w t p s 。实现了用户进行污水处理模拟与模块开发的 可扩展性和高效性 在此基础之上，本文根据w w t p s 对欧洲c o s t 6 2 4 小组提出的污水活性污 泥处理仿真规范( b e n c h m a r k ) 手册进行了模拟仿真，证实了软件的稳定性和可靠 性，并对该标准工艺的几种不同的控制方法进行了评估，实现污水处理控制方案 的择优选择。 1 5 仿真建模语言及工具的选择 早期的计算机仿真技术大致经历了几个阶段：2 0 世纪4 0 年代模拟计算机仿 真；5 0 年代初数字仿真；6 0 年代早期仿真语言的出现等。8 0 年代出现的面向对 象仿真技术为系统仿真方法注入了活力。近2 0 年以来，国际、国内出现了许多 专门用于计算机数字仿真的仿真语言与工具，如c s m p ，a c s l ，s i m n o n ， m a t l a b s i m u l i n k ，m a t r i x - x s y s t e mb u i l d ，c s m p c 等。 早期数学软件包的发展概况 数字计算机的出现给数值计算技术的研究注入了新的活力。在现代计算技术 的早期发展中，出现了一些著名豹数学软件包，如美国的基于特征值的软件包 e i s p a c k 和线性代数软件包l i n p a c k 问，英国牛津数值算法研究组( n u m e r i c a l a l g o r i t h mg r o u p ) 开发的n a g 软件包等，这些都是在国际上广泛流行的、有着 较高声望的软件包。 美国的e i s e a c k 和l i n p a c k 都是基于矩阵特征值和奇异值解决线性代数 问题的专用软件包。这些软件包大都是由f o r t r a n 语言编写的源程序组成的，使 用时首先要给一些数组和变量依据软件包所规定的格式做出定义和赋值，并编写 出主程序，再经过编译和连接过程，形成可执行文件，最后得出所需的结果。 江苏大学硕士学位论文 英国的n a g 和美国学者的n u m e r i c a lr e c i p e s 包则包括了各种各样数学问题 的数值解法，工者中n a g 的功能尤其强大n a g 的子程序都是以字母加数字编 号的形式命名的，非专业人员很难找到适合自己问题的子程序，更不用说能保证 以正确的格式去调用这些子程序这些程序包使用起来极其复杂，谁也不能保证 不发生错误，n a g 数百页的使用手册就十几本。 如果用上述的软件包进行程序设计，尤其当涉及矩阵运算或画图时，无论编 程还是调试都会很麻烦。用它们编写程序有如下的缺点【1 2 】： 使用不方便。对不是很熟悉所使用软件包的用户来说，直接利用软件包编写 程序是相当困难的，也是容易出错的。如果其中一个子程序调用发生微小的错误 则可能导致最终得出错误的结果。 调用过程繁琐。首先需要编写主程序，确定对软件包的调用过程，再经过必 要的编译和连接过程，有时还要花大量的时间去调试程序以保证其正确性，而不 是想得出什么马上就可以得出的。 执行程序过多。想求解一个特定的问题就需要编写一个专门的程序，并形成 一个可执行文件如果需要求解的问题很多，那么就需要在计算机硬盘上同时保 留很多这样的可执行文件，这样，管理起来十分困难。同时，由于通过软件包调 用方式会针对每个具体问题形成单个孤立的可执行文件，因而在一个程序中产生 的数据无法传入另一个程序，更无法使几个程序同时执行以解决所关心的问题。 维数指定困难。在很多数学问题中最重要的变量是矩阵，如果要求解的问题 维数较低，则形成的程序就不能用于求解高阶问题。所以有时为使得程序通用。 往往将维数设置得很大。这样在解小规模问题时会出现空间的浪费，而更大规模 问题仍然求解不了在优秀的软件中往往需要动态地进行矩阵定维 此外，大多数软件包都是由f o r t r a n 语言编写的，使用f o r t r a n 语言实现数据 可视化并不是轻而易举的事情，它需要调用相应的软件包做进一步处理。 1 5 1 仿真软件的发展 从前面提及的软件包的局限性看，直接调用它们进行系统仿真将有较大的困 难，因为要掌握这些由数的接口是件相当复杂的事，准确调用它们将更难。此外， 软件包函数调用直接得出的结果可信度也不是很高，因为软件包的质量参差不 齐。抛弃成型的软件包另起炉灶自己编写程序也不是很现实的事，毕竟在成型软 件包中包含有很多专家的心血，同时自己从头编写程序很难达到理想的效果，所 以必须采用经验证的信誉著称的高水平软件包或计算机语言来进行仿真研究。 仿真技术引起该领域各国学者、专家们的重视，建立起国际的仿真委员会 ( s i m u l a t i o nc o u n c i l s ，简称为s c i ) ，并于1 9 6 7 年通过了仿真语言规范。仿真语言 c s m p ( c o m p u t es i m u l a t i o nm o d e l i n gl a n g u a g e ) 属于建立在该标准上的最早的 6 江苏大学硕士学位论文 专用仿真语言。2 0 世纪8 0 年代初期，美国m i t c h e a n dg a u t h i e ra s s o c i a t e 公司 推出了依照该标准的著名仿真语言a c s l ( a d v a n c e dc o n t i n u o u ss i m u l a t i o n l a n g u a g e ) ，该语言出现后，由于其功能较强大，并有一些系统分析的功能，很 快就在仿真领域占据了主导地位。a c s l 首先要求用户依照其语言规则建立起一 个模型文件，然后可以通过a c s l 提供的命令对之进行仿真及辅助分析。a c s l 与f o r t r a n 语言的主要区别在于a c s l 的语句更简练，内容更丰富a c s l 语 言也可以直接调用f o r t r a n 编写的子程序a c s l 编程的结构比相应的 f o r t r a n 语言更严格。程序的基本结构必须严格按照规定的格式来编写，否则 所得出的仿真结果可能出现意想不到的错误。a c s l 提供了几十个系统子模块 ( m a r c u s ) ，用户可以利用这些子模块简单地编写出描述给定系统的仿真模型， 然后采用a c s l 提供的功能来对系统进行仿真分析，并绘制出结果的曲线表示。 编写完a c s l 源程序后则可以采用a c s l 的编译命令来编译并将此模型和a c s l 库连接起来，则可以形成一个可执行文件。著名的水处理仿真软件g p s - x 就是 在a c s l 的基础上开发的。 和a c s l 大致同时的还有e s l 等这些语言的编程语句结构也是很类似的， 因为它们所依据的标准都是相同的。此外还有其他一些数值计算软件如m a p l e 、 m a t h e m a t i c a 等。 m a t l a b 语言的出现将数值计算技术与应用带入了一个新的阶段，与之配套 的s i m u l i n k 仿真环境又为系统仿真技术提供了新的解决方案。m a t l a b 语言发 行后国际上又出现了很多仿照其思想的软件如稍后出现的美国的商品软件 c 廿1 c 、m a t r i r - xo m a t r i x ，韩国汉城国立大学权旭铁教授主持开发的c e m t 0 0 1 以 及现在仍作为免费软件的o c t a v e ，s c i l a b 等这些软件的全部源程序也是公开 的，有较高的透明度，但目前它们的功能已经无法与越来越强大的m a t l a b 语 言相比。m a t l a b 已经逐步成为仿真领域水平最高及最实用的软件。 1 5 2m a t l a b 语言 1 5 2 1m a t l a b 语言的特色与优势 m a t l a b 语言拥有强大数值计算和数据可视化功能，还有其他语言难以比拟 的其他功能。它和其他语言的接口能够保证它可以和各种各样的强大计算机软件 相结合发挥更大的作用。 m a t l a b 以复数和矩阵作为基本编程单元，具有较高的运算精度。一般情况 下，在矩阵类运算中往往可达到t 0 - s 数量级的精度，符合一般科学与工程运算的 要求。m a t l a b 是可靠的、数值稳定的，而采用c 或其他高级语言编写出来的 程序在求解这类问题时，如选择的算法不当则可能得出错误结果。 m a t l a b 执行效率要低于其他高级语言，但其编程效率与可读性、可移植性 7 江苏大学硕士学位论文 要远远高于这些高级语言。对于从事科学运算与系统仿真研究的人员来说，因为 m a t l a b 语言可以轻易地再现c 或f o r t r a n 语言几乎全部的功能，并且不必深入 了解复杂数值算法的具体内容，在科学运算中从像m a t l a b 这样的专用高级语 言入手，即使用户不懂c 或f o r t r a n 这样的程序设计语言也照样可以设计出功能 强大、稳定可靠的高质量程序，可以大大地提高编程的效率、缩短开发周期，提 高程序的可靠性与可信性【1 2 1 。 另外，m a l 见a b 的s i m u l i n k 工具箱近几年在学术界和工业领域已经成为在动 态系统建模和仿真方面应用最广的软件包之一。它的魅力在于强大的功能和简便 的操作。现在，s i m u l i n k 的版本以及发展到5 0 ，功能更加强大、可靠，使用也 越来越方便。 作为m a t l a b 的重要组成部分，s i m u l i n k 具有相对独立的功能和使用方法。 确切地说，它是对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包，支持线性和非 线性系统、连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统，而且系统可以 是多进程的。提供了包括o d e 4 5 ( d o r m a n d - p r i n c e ) 、o d e 2 3 ( b o g a c k i - s h a m p i n e ) 、 o d e l l 3 ( a d a m s ) 在内的八种数值积分算法，可以进行定步长、变步长数字积分 运算。 s i m u l i n k 的模块库为用户提供了多种多样的功能模块，这是一笔非常丰富的 资源。其中在s i m u l i n k 下的基本功能模块包括了连续系统( c o n t i n u o u s ) 、离散 系统( d i s c r e t e ) 、非线性系统( n o n l k m a r ) 几类基本系统构成模块，还包括连接、 运算类模块：函数与表( f u n c t i o n s & t a b l e s ) 、数学运算模块( m a t h ) 、信号与系 统( s i g n a l s & s y s t e m s ) 。而输入源模块( s o u r c e s ) 和接受模块( s i n k s ) 则为模型 仿真提供了信号和结果输出设备同时s i m u l i n k 和m a t l a b 的其它工具箱组合 使用，可以实现更多更丰富的功能。 对于废水处理系统这样一个多变量、非线性的动态( 连续时间) 系统而言， 其数学模型方程维数庞大，各种参变量很多，采用常规的数值分析处理方法建模 不易、调试更不方便。利用上述介绍的这些s i m u l i n k 模块库，可以方便快捷地 建立模块化的面向对象计算机仿真模型，从而进行实时、非实时仿真，并通过对 计算机仿真结果的分析，来实现对系统各项操作参数的优化控制决策。 1 5 2 2m a t l a 8 的局跟性 m a t l a b 正如其名字一样，比较适合在实验室中作科学研究的模拟仿真来 运用。由于其m 函数更是仿佛一般的脚本语言一样，执行效率极其的低下，仿 真时耗费大量的系统资源，所以不利于工程实践当中的运用。 基于纯m a t l a b 环境所编译出来的程序不便于发布。m a t l a b 的程序编译 8 江苏大学硕士学位论文 发布一般为一个个孤立的可执行程序，之后如果我们想要对原有程序的功能进行 扩展和更新极为困难，并且不适合工业上的实际运用。 m a t l a b 编译发布的程序对于计算仿真结果一般以m a t 文件的格式进行存 储，我们如果要对这些模拟仿真的结果进行进一步的分析和利用还是必须回到 m 枷，a b 的环境下m a t l a b 6 5 也提供了简单的数据库访问功能，不过不够成 熟和灵活，不适合实际运用。 在m a t l a b 下使用其所提供的图形用户界面( g u i ) 功能进行界面设计亦比较 复杂和不便，且其界面元素与功能远不能和v c + + 和v b 等高级软件开发平台相 比拟，在科研与教学当中尚可。但不适合工程上的实际运用。 9 江苏大学硕士学位论文 第二章活性污泥数学模型 仿真是一种基于模型的活动，模型即系统的抽象。仿真就是通过对模型的实 验来达到对系统进行研究的目的。要对活性污泥污水处理系统进行模拟，其关键 之一是建立或选择能够准确表达活性污泥过程中微生物的生化反应的动力学模 型目前，研究得最多、使用得最为广泛的为活性污泥l 号模型( a s m l ) 。 2 1活性污泥动力学模型的产生和发展 由于微生物降解底物的反应是一个很复杂的生物化学动力学过程，自从活性 污泥法工艺广泛得到使用之后。人们对其动力学过程的奥妙的探索一直就没有停 过。m i c h a e l i s m e n t o n 提出酶的“中间产物”学说，通过理论推导和实验验证， 提出了含单一基质单一反应的酶促反应动力学公式( 米门公式) 。 m o n o d 曾两次进行了单一基质的纯菌种培养实验，也发现了与酶反应动力学 类似的规律，进而提出了与米门公式类似的表达微生物比增殖速率与基质浓度 之间关系的动力学关系式，即莫诺德( m o n o d ) 模式。随后发现，用由混合微生 物群体组成的活性污泥对多种基质进行微生物增殖实验，也取得了符合这种关系 的结果【1 7 1 在这以后许多人提出了自己的活性污泥动力学模型，其中最有代表性的传统 静态模型是以e e k e n f e l d e r 为代表的基于v s s ( 挥发性固体悬浮物) 累积速率的经 验模式和以l a w r e n c e m c c a r t y 为代表的基于微生物生长动力学理论的基本模式。 e c h e n f e l d e r 经验模式主要考虑了处理厂的负荷与处理结果之间的关系，模式 的推导常以基质的降解服从一级反应为基础。而l a w r e n c e - m c c a r t y 基本模式是 将m o n o d 方程引入废水处理领域而推导出来的，它以微生物生理学为基础，更 深入地说明了微生物增长与基质降解之间的关系l i “。一般说来，基本模式比较 适用于含有单一基质的废水，而经验模式更适用于含有多种基质的废水。 此外，六十年代提出的m c k i n n e y 模式与e c k e n f e l d e r 模式相比，仅缺少了微 生物浓度( 项。m c k i n n e y 认为在一般城市污水处理厂中，微生物浓度已足够大， 它不再是基质去除率的影响因素。c , - l 盟u 等人1 9 7 5 年在e e k e n f e l d e r 模式的基础上 考虑到进水基质的浓度的波动提出了更为完善的g r a b 模式。 l a w r e n e e - m e c a r t y 模型突出了泥龄s r t 这一参数，认为系统出水水质仅与泥 龄有关，而泥龄则可以通过污泥量的排放来控制，因此该模型比起前述的其它模 型更具有实践意义l “j 。 以上的传统静态模型都将整个系统分为两个过程进行，即微生物的生长与衰 l o 江苏大学硕士学位论文 减，实质上是采纳了h e r b e r t 提出的内源呼吸理论。 对于活性污泥的动态模型研究较早的有美国的a n d r e w s 模型，该模型采用储 存代谢机理，认为在活性污泥过程中非溶解性有机物和部分溶解性有机物首先 被生物絮体快速吸附，以胞内储存物的形式贮存，然后再被微生物吸收利用。这 一机理的引入合理解释了有机物“快速去除”的现象，很好地预测了实际中所观 测到的底物浓度增加时微生物生长速度变化的滞后现象。w r c 模型是英国水研 究q a g , , ( w a t e r r e s e a r c hc e n t e r ) 所提出的。该模型引入存活非存活细胞代谢机理， 认为生物活性可因细胞破裂酶的溢出而得到增强，从而使得有机物的降解速率可 以在微生物量未增加的情况下增大。如此可以用来解释m o n o d 方程描述污水生 物处理过程中细胞浓度预测值偏高的原因以上两个模型虽然用不同的机理解释 了传统静态模型所无法解释的一些现象，但是其仍然是基于内源呼吸理论的，没 有考虑代谢产物的再利用。其次他们只是描述了污水中碳的去除，没有考虑氦和 磷的降解过程。 针对现有模型的不足，1 9 8 2 年，国际水污染研究与控制协会( i a w p r c ，后更 名为i a w q 、i w a ) 成立了活性污泥法设计和运行数学模型课题组，希望能够创建 出具有脱氮功能、满足未来发展需要的活性污泥模型通用平台，同时使模型的复 杂度尽可能降到最低。 国际水污染控制与研究协会于1 9 8 5 年在国际水污染研究与控制协会的一个 专题研讨会上对模型的框架进行了讨论。1 9 8 7 年发表了活性污泥过程l 号模型 ( a s m l ) ，并以科技研究报告的形式出版，同时也给出了相应的计算机代码和提 供了一套参数缺省值。l 号模型所推出的不仅仅是模型本身，而且是一种对污水 特性的描述方法。至此，仅对模型参数作微小的改动便可得到较准确的结果。 随后，a s m i 得到了普遍的认同，并广泛作为模型进一步深化发展的基石。 在a s m i 的基础上，1 9 9 5 年推出了a s m 2 。该模型的建立方式与a s m l 基本相 同，不同处为引入聚磷菌作为新的微生物组分，可模拟活性污泥过程除碳、脱氮、 除磷等过程的动态性质。1 9 9 9 年a s m 3 问世。该模型针对a s m l 中的问题作了 改进，并且在建模的微生物作用机理方面有较大变化，可模拟除碳、脱氮等过程 的动态性质，但不包括除磷。a s m l ，a s m 2 及a s m 3 发表以来，受到环境工程 界的广泛关注，目前已成为活性污泥过程仿真和控制的重要理论基础。 2 2 活性污泥1 号模型( a s m l ) 2 2 1 a s m i 中的组分与反应【1 4 】 废水中污染物划分的基础是底物的生物降解特性。对于不可生物降解物质， 江苏大学硕士学位论文 经过活性污泥系统后没有物质形态上的变化，所以可以依据它们的物质形态分为 两类：溶解性的和颗粒性的。对于惰性可溶有机物( 研) 以进入系统的浓度排出 系统。对于惰性悬浮有机物( 蜀) ，或者被活性污泥所吸附，或者沉降下来，以 剩余污泥的形式排出系统。 可生物降解物质也可以按其生物降解特性分为两类：易生物降解和缓慢生物 降解物质。为了便于模拟，易生物降解物质( 风) 被当作可溶物来处理，而缓慢 生物降解物质( 恐) 则被当作颗粒物处理。事实上，一些缓慢降解有机物则是可 溶的。易生物降解物质的分子结构比较简单，为异养微生物生长生化反应过程 的唯一碳源底物，可以直接被异养微生物吸收并用于生长代谢，其去除与微生物 的生长成正比。这些有机物的一部分被用来合成微生物体，另一部分则用来提供 细胞合成所需的能量。对于分子结构较复杂的慢速降解物质，在被利用之前必须 先在胞外水解，转化为易生物降解物质。慢速生物降解物质的水解