COD-污泥负荷对SBR脱氮效果的影响

1、中国农村水利水电2002 年第 12 期35COD - 污泥负荷对 SB R 工艺脱氮效果影响研究基于MATLAB 的人工神经网络动态仿真法邵 青(武汉大学土木建筑工程学院430072)摘要 利用 MATLAB 的人工神经网络工具箱 ,对 SBR 工艺中进水 COD - 污泥负荷对系统脱氮效果的影响建立了预测模型。通过对模型预测结果与实测值的比较表明:模型预测精度较高。这为工艺运行中及时、合理地调整 COD - 污泥负荷来提高系统脱氮效果提供了一条新途径。关键词COD - 污泥负荷SBR 工艺脱氮效果 人工神经网络Research on Effect of COD- Sludge Loa d

2、on the RemovalEff iciency of Nitrogen in the Sequencing Batch ReactorDynamic Emulated Pulp Approach of Artificial Neural Network Based on the Software of MATLABShao Qing(School of Civil and Architecture Engineering ,Wuhan University ,Wuhan City 430072 , China)Abstract :A predicting model which refle

3、cts the effect of COD- sludge load on the removal efficiency of nitrogen in the Sequencing Batch Reactor is established by using the toolbar of Artificial Neural Network(ANN)2of MATLAB. The experimental results prove that the model is accurate by compar2ing the prediction results of the model with t

4、he test data. The model supplies a new way to change COD- sludge load scientifically and timely to improve the removal efficiency of nitrogen in the Sequencing Batch Reactor.2Key words :COD- Sludge loadsequencing batch reactorremoval efficiency of nitrogenartificial neural network在利用间歇式反应器 SBR (Sequ

5、encing Batch Reactor) 处理城镇污水时 ,为了达到脱氮除磷的效果 ,采用了以下模式进行每个周期的运行 :进水 厌氧 曝气 排泥 缺氧 轻微曝气 沉淀 排水。影响处理效果的因素有每个反应阶段的时间、污泥龄、进水 COD - 污泥负荷、pH 值、溶解氧、碳源等。由于本工艺为后置反硝化 ,因而 COD 负荷对脱氮效果的影响非常大。本文通过调整进水 COD 浓度来改变系统的 COD - 污泥负荷 ,从而着重讨论进水 COD - 污泥负荷对系统脱氮效果的影响。图 3相对土面蒸发强度 E/ ET0 与叶面积指数 LAI 关系3结 语E/ ETc 比例最大 ,为 70. 91 % ,抽穗

6、期最小 ,为 11. 50 %。(2) 叶面积指数和表层土壤含水量是影响棵间蒸发的两个主要因素。相对蒸发强度 E/ ET0 与叶面积指数 LAI 的关系呈幂函数形式;相对蒸发强度 E/ ET0 与表层土壤含水量关系呈指数趋势 ,表层土壤体积含水量低于 18 %时 , E/ ET0 低而稳定 ,基本小于 20 %。参考文献1 刘 钰 ,R Fernando ,L S Pereira . 微型蒸发器实测量麦田与裸地土面蒸发强度的试验研究J . 水利学报 ,1999 (6) :45492 刘昌明 ,张喜英 ,由懋正. 大型蒸渗仪与小型棵间蒸发器结合测定冬小麦蒸散的研究J . 水利学报 ,1998 (

7、10) :3639 作者简介张寄阳 ,男 ,29 岁 ,助理研究员(收稿日期:2002 - 07 - 10)(1) 春玉米整个生育期棵间蒸发占蒸散的27 . 24 % ,在苗期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.36COD - 污泥负荷对 SBR 工艺脱氮效果影响研究邵 青1 试验方法及数据 1 实验进水流量为 0. 032 m3 / d ,污泥龄为 16 d ,温度为 2225C。污泥浓度 MLSS 为 3 000 mg/ L

8、。从 48 组实验数据中选出代表 COD - 污泥负荷大、中、小的 10 组数据列如表 1 以进行数据分析。表 1进水 COD - 负荷对系统脱氮效果的影响试COD 负荷进水浓度(mg/ L)出水浓度(mg/ L)去除率( %)验 kg COD/NH3 -NO3- -序COD NH3 - NTNTNNH3 - NTN号(kg MLSS. d) NN10. 19619728. 231. 52. 020. 1 22. 192. 93020. 24024132. 836. 83. 214. 8 18. 090. 25130. 26726826. 530. 43. 510. 8 14. 386. 85

9、340. 29129237. 340. 54. 014. 1 18. 189. 35550. 34734945. 048. 33. 516. 820. 392. 25860. 39439632. 834. 73. 79. 513. 288. 76270. 44845039. 142. 15. 87. 713. 585. 27080. 52953240. 445. 213. 54. 618. 166. 66090. 59760035. 638. 915. 32. 217. 557. 055100. 90290745. 750. 622. 45. 427. 851. 045从表中可以看出 ,随着进

10、水 COD 负荷的提高 ,TN 的去除率逐渐升高 ,当 COD 负荷达到 0. 448 kg COD/ ( kg MLSS. d) 时 , TN 的去除率最高 ,达到 70 % ,以后随着 COD 的升高 , TN 的去除率又逐渐降低。以通过在线检测仪器 ,随时监测出各种相应水质指标的含量 , 进行适当的调整。但一般仪器较昂贵且不能提前预知这一个运行周期脱氮效果如何 ,COD - 污泥负荷是否合适。而人工神经网络 ANN (Artificial Neural Network) 方法是通过其状态的调整对外部输入信息的动态响应来处理信息的一种新型的黑箱方法 4 ,与传统的回归模型相比 ,人工神经网

11、络不要求监测数据具有很强的规律性 ,就可用训练后的网络模型对其进行预报 ,具有一定的实用性。本文将尝试利用 BP 网络建立 SBR 反应器中 COD - 污泥负荷对系统脱氮效果的影响预测模型。3 反向传播网络 (Back- Prop a gatio n Network ,简称 B P 网络)3. 1反向传播网络的结构及算法反向传播网络(Back- Propagation Network ,简称 BP 网络) ,是一种多层结构的映射网络。它能实现从输入到输出的任意非线性映射 ,其典型结构 4 如图 1 。2 试验结果分析在进水后的厌氧阶段 ,由于细菌生活在饥饿条件下 ,因此生物絮凝体大量吸附营养

12、物质 ,异氧菌将吸收有机碳源 ,并以多聚物的形式储存起来 23 。当反应进行到缺氧反硝化阶段时 ,细菌将储存的碳源释放 ,并被反硝化菌利用 ,进行反硝化反应。因此进水 COD 负荷提高 ,为生物储存较多的碳源提供了条件 ,有利于后置反硝化脱氮。当进水 COD 负荷较低时 ,在曝气阶段 ,异氧菌在好氧条件下过早将储存的碳源消耗 ,内源呼吸作用明显 ,使得反硝化时缺乏碳源 ,从而降低了脱氮效率。从 15 号试验结果也可看出 ,当 COD 负荷较低时 ,出水的 NH3 - N浓度较低 ,而 NO3- N 较高 ,这说明反硝化阶段缺乏碳源 ,因此反硝化不完全 , 出水 TN 浓度升高。在进水 COD

13、负荷提高到0. 448 kg COD/ (kg MLSS. d) 时 , TN 去除率达到最高 ,此后随着COD 负荷升高 ,脱氮效果反而逐渐变差。产生这种现象可能是以下原因 :硝化菌是一类自养菌 ,泥龄较长 ,有机基质的浓度并不是它的生长限制因素。当 COD 负荷过高时 ,在好氧条件下 , 异氧菌大量繁殖 ,与硝化菌竞争底物和溶解氧 ,使硝化菌的生长受到抑制 ,与异氧菌相比成为劣势菌种 ,使硝化过程受到影响 ,从而影响脱氮效果。从试验号 8 、9、10 也可以看出 ,COD 负荷较高时 ,出水 NH3 - N 升高 ,NO3- - N 浓度却降低 ,从而使硝化不彻底 ,脱氮率下降。因此在 S

14、BR 反应过程中 ,通常要取一个合适的 COD 负荷来同时满足硝化和反硝化的要求。如何根据运行中水质的具体情况 ,及时、合理地调整 COD - 污泥负荷呢 ? 一个方法是可图 1B P 网络典型结构图由图 1 可知:BP 网络是由输入层、输出层及隐含层组成。各层节点之间由可调节的权值相连 ,节点状态由节点处激活函数描述 ,BP 网络经常使用 S 型的对数或双曲正切激活函数:f ( x)= 1/ (1 + e - x )BP 算法属于算法 ,是一种监督式的学习算法。由两部分组成 :信息的正向传递与误差反向传播。在正向传播过程中 ,输入信息从输入经隐含层逐层计算传向输出层 ,每一层神经元的状态只影

15、响下一层神经元的状态。如果在输出层没有得到期望的输出 ,则计算输出层的误差变化值 ,然后转向反向传播 ,通过网络将误差信号沿原来的连接通路反传回来修改各层神经元的权值直至达到期望目标。详细的计算格式与步骤见参考文献 4 。3. 2进水 COD 污泥负荷对系统脱氮效果影响的人工神经网络预测模型的建立建立该模型的实质是确定输入层、输出层及隐含层的数量和按照一定的计算格式对网络进行训练 ,训练的目的就是对网络的权值和阈值进行调整 ,从而建立起各种神经元之间以及从输入值输出的映射关系。本研究中进水 COD - 污泥负荷、进水水质将会影响系统的脱氧效果 ,因此将进水 COD - 污泥负荷、进水 COD

16、、NH3 - N 、和 TN 浓度作为输入节点 ,输出层产生人工神经网络模型运行的结果 ,本研究希望输出的是出水 NH3 - H、 NO3- - N 和 TN 浓度 ,因此输出节点取为 3 ,分别为出水 NH3 -N 、NO3- N 和 TN 浓度。经试验 ,采用 4 - 4 - 3 体系进行建模。 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.中国农村水利水电2002 年第 12 期37榆次区城市供水现状及对策研究李怀忠(山西省晋中市水利勘

17、测设计院030600)摘要榆次区作为山西省最大的交通枢纽和晋中市的政治、经济和文化中心 ,人均水资源占有量仅为全国的 11 %、全省的 49 % ,地下水是城区供水的唯一水源 ,且均处于超采状态 ,已形成大范围降落漏斗。通过对城市供水的供需分析、预测 ,提出只有合理开发和利用地表水 ,保护地下水 ,加大节水力度 ,才是解决城市缺水的唯一而有效的途径。关键词 榆次区 城市供水 供需分析 水资源1水资源现状2城市供水现状与需水预测1. 1水文气象2. 1城市供水现状榆次地处大陆性半干旱气候区 ,春季多风 ,夏季多雨 ,秋季虽然流经榆次城区的潇河 ,其多年平均来水量为 1. 471 凉爽 ,冬季干寒

18、 ,多年平均气温 9. 71 ,多年平均无霜期186 天 ,108 m3 (源涡大坝) ,但是由于无控制性工程 ,城市用水基本不取多年平均降水量 422. 2 mm (19561998 年) ,最大年降水量601. 5用地表水 ,地下水是榆次城市供水的唯一水源。水源地为源mm(1973 年) ,最小年降水量 195. 1 mm (1997 年) ,降水多集中于涡、西窑和蔺郊 ,供水系统由城市自来水和城市自备水源组成 ,69月份 ,占年降水量的 70 % ,降水的年际和年内变化大。供水对象为城市生活和企业单位用水。按 1998 年统计 ,在采取1. 2水资源量多种限制用水的措施后 ,总取水量为

19、2. 314 107 m3 ,而城区地下根据晋中地区河川径流水资源评价和晋中地区地下水水资源量为1. 448 107 m3 ,超采8. 659 107 m3 。1999 年位于鸣谦资源评价报告,境内多年平均水资源总量为 8. 902 107 m3 ,其镇河口村的第三水源工程开始供水 ,年供水量 8 106 m3 。中地表径流量 2. 910 107 m3 ,地下水 7. 698 107 m3 ,重复计算2. 2需水预测量 1. 706 107 m3 ,另外 ,地下水境外补给 1. 718 107 m3 。人均根据榆次国民经济和社会发展总体规划和预测 , 近期水资源占有量为全国的 11 %、全省

20、的 49 % ,水资源量特别是地(2005 年) 城区人口达 27. 56 万人 ,流动人口 3. 8 万人 ,工业总产表径流量呈日渐减少的趋势。值达26 . 81亿元 ,城市商品菜地为666 . 7hm2 ,大生活定额为140与此同时 ,MATLAB 作为国际公认最优秀的数学应用软件 ,我们利用它提供的函数对网络进行初始化、仿真和训练 ,并通过变化的图表观察其动态训练过程。3. 3系统的神经网络模型训练利用 48 组实测资料 ,选取 40 组样本为训练样本 ,8 组为检测样本。在训练前 ,先对训练样本的输入及输出值作了归一化处理。经训练 ,网络达到稳定 ,得到收敛的节点权值和阈值如表 2 和

21、表 3 所示。表 2 输入层与隐含层之间的连接权值输入节点隐层 1隐层 2隐层 3隐层 4偏差13. 596 3- 1. 777 24. 581 65. 063 3- 9. 691 824. 599 7- 4. 186 3- 4. 348 3- 2. 265 01. 780 03- 3. 717 8- 3. 117 24. 796 2- 4. 022 21. 710 6表 3隐含层与输出层之间的连接权值隐层节点输出 1输出 2输出 3偏差1-4. 365 5-3. 987 64. 765 64. 577 622. 074 15. 236 1-4. 233 82. 321 23-3. 253 8

22、-3. 743 32. 894 31. 987 840. 376 23. 454 5-5. 532 3- 4. 656 53. 4模型预测结果分析表 4 是代表性的期望输出和实际输出结果 :表 4期望输出和实际输出比较表mg/ L水质指标NH3 - NNO3- - NTN期望输出15. 322. 42. 25. 417. 527. 8实际输出15. 362 3 22. 342 92. 204 55. 432 1 17. 519 6 27. 816 7相对误差( %)0. 400. 200. 200. 600. 100. 06从图 2 训练过程动态仿真图及表 4 可以看出 :模型可以收敛 ,而且

23、速度很快 ,只需经过 78 次迭代 ,SSE 达到 10 - 4 ,预测精4- 0. 420 74. 236 8- 6. 650 40. 603 7- 2. 844 5度很高 ,其相对误差很小。 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.38榆次区城市供水现状及对策研究李怀忠表 1城市需水量预测表城市生活城市工业商 品 菜需水量合计年份项 目人口定额需水量产值万元产值取需水量面积灌溉定额需水量(104m3)(万人)( )4 3(亿元)34

24、 3234 3L(10 m )水量(m )(10 m )(km )(m )(10 m )居民生活27. 56909052005公用事业31. 3661698合计1 60328. 7802 2966673503504 249居民生活30. 75951 0662015公用事业35. 1666. 9859合计1 92555. 9784 3606673503506 635L/ (人日) ,小生活定额 90 L/ (人日) ,万元产值取水量为 80 m3 / 万元 ;中期(2015 年) 城区人口达 30. 75 万人 ,流动人口 4. 4万人 ,工业总产值达 52. 25 亿元 ,城市商品菜地 666

25、. 7 hm2 ,大生活定额 150 L/ (人日) ,小生活定额 95 L/ (人日) ,万元产值取量 78 m3 / 万元 ,由此预测需水量见表 1 。从表中可知 ,在城区现有供水能力达到采补平衡的前提下 , 近期年缺水 2. 001 107m3 ,中期年缺水 4. 387 107 m3 。3城市供水存在的问题3. 1地下水超采严重根据 1989 年榆次市水资源开发利用现状分析报告地下图 1榆次市源涡水源地开采量、降深过程线图水开采状况分区结果 ,全市 15 个乡镇中 , 有 5 个乡镇为缺水区 ,建成区及源涡水源地、南沟、聂村一带已严重超采 ,鸣谦、鸣 二水源工程在未达到设计供水能力的情

26、况下 ,水位已经大幅度李一带、庄子、北田一带已形成超采区 ,全市缺水区、超采区、严 下降 ,并影响到周围地区的机井供水。重超采区面积达1 014. 48 km2 ,占全市面积的 76. 5 %。特别是3. 2 地表径流利用率低作为城市供水水源的源涡水源地 ,由于集中大量开采 ,水位下榆次市境内有潇河、涂河、涧河、龙门河、圪塔河、津水河、降尤为严重。牛耕河、黑沙河、泉子河、河口河等十条主要河流 ,其中涂河为源涡水源地开发于 1958 年 ,泉群总流量达 73. 2 L/ s ,随着潇河的支流 ,除潇河和涂河外 ,其余均为无尾时令河 ,流域面积泉群地下水的开采量逐年增加 ,地下水位逐年下降 ,造成

27、泉水不大 ,地表径流小 ,开发潜力不大 ,潇河是晋中市最大的河流 ,断流。特别是 1980 年以后 ,下降幅度迅速增大 ,1986 年泉域年也是榆次区地表水利用的主要水源。开采量达 1. 902 107 m3,年底水位降至 43. 79 m ,1990 年泉域年潇河发源于昔阳县沾沿乡马道岭 ,流经昔阳、寿阳、榆次、开采量达 2. 245 107 m3,年底水位降至 58. 78 m ,1998 年泉域年清涂等县市 ,汇入汾河 ,流域全长 137 km ,流域面积 3 720 km2 ,开采量为 5. 110 107 m3,年底水位为 67. 85 m。历年水源地开其中市区东的源涡大坝以上流域面积为 3 090