活性污泥法污水处理过程仿真及仿真界面设计
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
物料守恒定律, 对各层进行物料衡算, 就可以得到污 泥浓度随时间变化的表达式。本文采用 T ak cs的双 指数沉淀速度模型来描述沉淀池的运作情况, T ak cs 的双指数沉降速率方程是基于颗粒速度的观点, 适用 于有阻滞和絮凝的沉淀条件。其方程为:
vs ( X ) = m ax{ 0, m in[ v!0, v0 ( e- rh( X- Xm in) ) e ) ] } - rP( X - Xm in)
图 1 好氧反应模块结构图
沉降过程主要发生在二沉池中, 二沉池的设计采 用一维模型, 建立沉淀池一维模型的基本思路是在垂 直方向上将二沉池分割成若干个体元层, 每一体元层 可视为一个 CSTR ( cont inuous st irred tank reactor) , 体 元层内活性污泥浓度相同。每一个体元层必须遵循
0. 969443
0. 973 SND
/ g% m - 3 0. 72886
0. 72595
0. 731
XI / g% m - 3 4. 5854
4. 587758
4. 58 XN D / g% m - 3 0. 015683
0. 015831
0. 0157
XS / g% m - 3 0. 22273
通过 CSTR的仿真运行获得各个状态变量的积分初 值方法, 本文通过这种方法计算得到积分初值, 如表 1所示。在获得积分初值后, 按照图 4所 示的流程 进行模型的仿真。
表1
通过 CSTR 稳态仿真得到的仿真模型积分初值
组分
初值 稳态解
SI
SS
XI
XS
XBH
XBA
XP
SO
SN O
SN H
SND
XN D
30
69. 5 51. 2 202. 3 28. 17
0
0
0
0
31. 56 6. 95 10. 59
7
30
2. 81 1149 82. 1 2552
148
449 0. 004 5. 37 7. 92 1. 22 5. 28 4. 93
30
2. 808 1149 82. 14 2552 148. 4 448. 9 0. 004 5. 37 7. 918 1. 217 5. 285 4. 928
模型, 并建立了仿真界面, 为活性污泥法污 水仿真提供了一种简便方法。通过对 BSM 1中污水处理过程的仿真实验
表明, S IMU L INK 建立的仿真 模型具有快速、准确、稳定的特点, 并且仿真模块容易得到修改 并应用到具体 的仿真对
象。因此, 通过此方法可以方便地实现常见的活性污泥法污水处理过程的仿真。
活性污泥法污水处理是个复杂、大滞后的非线 性过程, 同时活性污泥法污水处理的工艺也比较多 样化, 因此, 要实现对污水处理过程进行精确、稳定 的仿真, 需要精确的活性污泥数学模型和稳定的仿 真环境。本文基于国际水 质协会 ( IWA ) 提出的活 性污泥 1 号模 型 ( ASM 1) 和仿 真基准 ( BSM 1) , 在 MATLAB /SIMUL INK 仿真环境下, 建立了活性污泥 法污水处理过程仿真模型, 并且设计了活性污泥法 污水处理仿真界面, 提高了仿真模型的实用性。
1 污水处理过程仿真模型的建立
为了更好规范对活性污泥法污水处理过程的仿 真, 国际水质协会提出了一个标准的活性污泥 仿 真 基准 : B enchm ark S im ulat ion M ode l No. 1, 简称 BSM 1[ 5] 。 BSM 1详细说 明了活性 污泥法 污水处理
过程的仿真内 容, 并提供 了仿 真参数 和入 水数 据 ( http: / /www. benchm arkww tp. org / ) 。本文 活性 污 泥法污水处理过程仿真使用的参数和入水数据都是 来源于 BSM 1。
关键词: 活性污泥法; 污水处理; 仿真; 仿真界面
中图分类号: X793
文献标识码: B
文章编号: 1671- 4571( 2010) 06 0138 04
通过对活性污泥法污水处理过程的计算机仿真 模拟, 可以直观的对污水处理过程进行观察和分析, 同时能为污水处理控制系统的设计, 污水处理过程 的监控及污水处理工艺的改进等提供有效的辅助, 从而降低处理成本, 节约资源, 因此成为污水生物处 理领域 的研 究热 点问 题之一。在此 方面, 德 国的 S IM BA、英 国 的 STOAT、比 利 时 的 WEST、瑞 士 的 A SIM 等商业化的仿真软件都比较成功 [ 1, 2] , 国内也 有通过 MATLAB和 VC 等工具对活性污泥法污水处 理过程进行仿真研究, 然而自行开发的污水处理仿 真软件却很少 [ 3, 4] 。
好氧反应模块基本结构如图 1所示, 入水数据 和出水数据分别是模块的输入和输出, 包含入、出水 组分浓度和流量信息, 氧浓度、化学计量参数、动力 学参数、反应器体积是根据实际仿真对象设置的外 部参数, 8个反应过程是活性污泥 1号模型中所定 义的异养菌的好氧生长、异养菌的缺氧生长等 8 个
作者简介: 宁利, 男, 硕士研究生, 主要从事废 水处理和计算机仿真及控制方面的研究。 * 基金项目: 国家自然科学基金项目 ( 61074109) ; 华南理工大学百步梯项目。
图 4 活性污泥法污 水处理过程仿真流程图
由于篇幅有限, 表 2~ 表 4列出了部分仿真结 入水情况下运行是稳定的。表 4是在国际水质协会
果。表 2、表 3是以国际水质协会提供的静态入水 提供的晴天动态入水数据下仿真 14d的出水数据均
数据 (入水流量和组分浓度不变 ), 进行 200d仿真 值, 通过和文献 [ 5] 提供的其它仿真软件仿真 - 得
活性污泥法污水处理一般经过好氧反应、厌氧 反应和沉降三个过程。根据活性污泥法 1号模型, 好氧反应中包含了 13 个组分和 8个反应过程。其 中 13个组分的浓度由入水数据决定, 8个反应过程 由 14个化学计量参数和 5个动力学参数决定, 并受 到反应器中氧溶度 ( 氧传递系数 K la决定 ) 和反应 器体积的影响。
202 28. 17
10
0
240
0
31. 6 6. 95 10. 6
7
30
12. 38 1574
184 260. 4 192. 6
70
2
39. 2 0. 43 5. 61 10. 3 1. 98
注: 初值为 CSTR 仿真的初始状态值, 稳态解为 CSTR 仿真运行终值, 即各生物反应单元的状态变量初值。
SA LK
/ g% m - 3 / g% m - 3 / g% m - 3 / g% m - 3 / g% m - 3 / g% m- 3 / g% m- 3 / g% m- 3 /g% m- 3 /g% m- 3 / g% m - 3 / g% m - 3 /m ol% m - 3
30
69. 5
51. 2
的生物反应器 1和二沉池的出水仿真数据。其中的 出的参考值相比, 可以说明模型在动态入水情况下
输入值是 h ttp: / /www. benchm arkww tp. org /提供的 也能够稳定的运行。在仿真速度方面, 200d静态仿
静态入水数据, 基准值是 CO ST 仿真基准手册 [ 5] 提 真耗时约 3m in, 14d的动态仿真耗时约 2m in, 说明
P aper Sc ience & T echno logy 2010 Vo.l 29 No. 6
活性污泥法污水处理过程仿真及仿真界面设计*
宁 利 沈文浩 龙 周 刘天龙
(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室, 广东 广州, 510640)
摘 要: 基于活性污泥仿真基准 ( BSM 1) , 提出了通过 MATLAB /S IM UL INK 工具建立活性污泥法污水处理 过程仿真
图 3 活性污泥法污 水处理的仿真 SIM UL INK 模型
139
P aper Sc ience & T echno logy 2010 Vo.l 29 No. 6
1. 3 仿真及仿真结果分析 活性污泥模型对每一个生物反应单元的表达都
有 13个独立的状态变量, 这要求在仿真之前就确定 这些状态变量的积分初值。文献 [ 5] 中提出了一种
13 8
反应过程。厌氧反应过程可以看成一个氧浓度为零 的好氧反应过程。
#造纸科学与技术 ∃ 2010年 第 29卷 第 6期
v0 ∀ 最大理论沉降速度, m / d; v!0∀ 最大实际沉降速度, m / d; vs∀ 沉降速度, m / d。 根据图 1所示的结构图和 T ak cs双指数沉降 速率方程, 通过 C 语言编写 s- function 来实现好氧 反应、厌氧反应、沉降三个过程, 建立仿真模块。 1. 2 仿真模型的建立
供的参考值, 可以看出本文仿真得到的数据与基准 了模型具有较快的仿真速度。
值十分接近, 因此说明本文建立的仿真模型在静态
表2
静态仿 真 200d的出水数据 - 生物反应器
组分
输入值 基准值 仿真值
Leabharlann Baidu
SI
SS
XI
XS
XBH
XBA
XP
SO
SN O
SN H
SND
XN D
SA LK
/ g% m - 3 / g% m - 3 / g% m - 3 / g% m - 3 / g% m - 3 / g% m- 3 / g% m- 3 / g% m- 3 /g% m- 3 /g% m- 3 / g% m - 3 / g% m - 3 /m ol% m - 3
6394
表4
动态仿真的晴天出水数据 - 最终出水
组分
SIMU LINK G PS - X FORTRAN
组分
SIMU LINK G PS - X FORTRAN
SI / g% m - 3
30
30
30 SN H / g% m - 3 4. 7449
4. 857122
4. 8
SS / g% m - 3 0. 97332
表3
静态 仿真 200d的出水数据 - 二沉池
层数
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
基准值
12. 5
18. 1
29. 5
69
356
356
356
356
356
6394
X f / g% m - 3 仿真值
12. 497 18. 113
29. 54
68. 978 356. 07
356. 07 356. 07 356. 07 356. 07
SIMUL INK是 MATLAB 的一 个附加软件产品, 用于任何动态系统的建模、仿真和分析。 SIMUL INK 为建立模型模块和动态操作模块提供了一个图形用 户界面, 通过图形用户界面可以很容易的对线性、非 线性、连续时间的、离散时间的、多变量的系统进行 建模。 S IMUL INK 最大的特点是拥有大量的预定义 模块, 因此用户可以很方便的通过自定义这些模块 或者建立新模块, 扩展 SIMUL INK 的功能。 1. 1 仿真模块的建立
Xmin = fnsX f 式中: X f∀ 入口污泥浓度, g /m3;
fns ∀ 入流中悬浮固体中的不可沉降比例; rp∀ 低浓度 慢速 沉降悬 浮组分 的沉降 参数, m 3 / g; rh ∀ 沉降速率方程中干扰沉淀的沉降参数, m3 /g;
图 2 BSM 1活性污泥工艺设备布局 示意图
本文以仿真基准 BSM 1中的活性污泥工艺为仿 真对象, 通过上文中建立的仿真模块组建活性污泥仿 真模型。图 2所示的为 BSM 1活性污泥工艺设备布 局示意图, 包含两个厌氧反应器、三个好氧反应器和 一个 10层的二沉池。图 3为根据 BSM 1活性污泥工 艺设备示意图建立的活性污泥处理的 MATLAB /SIM UL INK仿真模型, 由 F low _comb( 混流器 ) 、H yd_de lay ( 延迟 模块 ) 、B ioreactor( 生物 反应器 )、F low _ spliter ( 分流器 ) 和 Settler( 二沉池 )等五种模块组成, 其中 F low _comb 模块的作用是混合入水和回流水, F low _ spliter模块的作用是分流, 这两个功能很容易通过 s - funtion编译实现, B ioreactor(生物反应器 )和 Settler ( 二沉池 ) 模块分别是前面建立的生物反应器 (好氧 和厌氧反应模块 ) 和二沉池模块; H yd _de lay( 延迟模 块 )模块的作用是防止代数环的产生。
0. 225014
0. 229 SA LK /m ol% m - 1 4. 4549
vs ( X ) = m ax{ 0, m in[ v!0, v0 ( e- rh( X- Xm in) ) e ) ] } - rP( X - Xm in)
图 1 好氧反应模块结构图
沉降过程主要发生在二沉池中, 二沉池的设计采 用一维模型, 建立沉淀池一维模型的基本思路是在垂 直方向上将二沉池分割成若干个体元层, 每一体元层 可视为一个 CSTR ( cont inuous st irred tank reactor) , 体 元层内活性污泥浓度相同。每一个体元层必须遵循
0. 969443
0. 973 SND
/ g% m - 3 0. 72886
0. 72595
0. 731
XI / g% m - 3 4. 5854
4. 587758
4. 58 XN D / g% m - 3 0. 015683
0. 015831
0. 0157
XS / g% m - 3 0. 22273
通过 CSTR的仿真运行获得各个状态变量的积分初 值方法, 本文通过这种方法计算得到积分初值, 如表 1所示。在获得积分初值后, 按照图 4所 示的流程 进行模型的仿真。
表1
通过 CSTR 稳态仿真得到的仿真模型积分初值
组分
初值 稳态解
SI
SS
XI
XS
XBH
XBA
XP
SO
SN O
SN H
SND
XN D
30
69. 5 51. 2 202. 3 28. 17
0
0
0
0
31. 56 6. 95 10. 59
7
30
2. 81 1149 82. 1 2552
148
449 0. 004 5. 37 7. 92 1. 22 5. 28 4. 93
30
2. 808 1149 82. 14 2552 148. 4 448. 9 0. 004 5. 37 7. 918 1. 217 5. 285 4. 928
模型, 并建立了仿真界面, 为活性污泥法污 水仿真提供了一种简便方法。通过对 BSM 1中污水处理过程的仿真实验
表明, S IMU L INK 建立的仿真 模型具有快速、准确、稳定的特点, 并且仿真模块容易得到修改 并应用到具体 的仿真对
象。因此, 通过此方法可以方便地实现常见的活性污泥法污水处理过程的仿真。
活性污泥法污水处理是个复杂、大滞后的非线 性过程, 同时活性污泥法污水处理的工艺也比较多 样化, 因此, 要实现对污水处理过程进行精确、稳定 的仿真, 需要精确的活性污泥数学模型和稳定的仿 真环境。本文基于国际水 质协会 ( IWA ) 提出的活 性污泥 1 号模 型 ( ASM 1) 和仿 真基准 ( BSM 1) , 在 MATLAB /SIMUL INK 仿真环境下, 建立了活性污泥 法污水处理过程仿真模型, 并且设计了活性污泥法 污水处理仿真界面, 提高了仿真模型的实用性。
1 污水处理过程仿真模型的建立
为了更好规范对活性污泥法污水处理过程的仿 真, 国际水质协会提出了一个标准的活性污泥 仿 真 基准 : B enchm ark S im ulat ion M ode l No. 1, 简称 BSM 1[ 5] 。 BSM 1详细说 明了活性 污泥法 污水处理
过程的仿真内 容, 并提供 了仿 真参数 和入 水数 据 ( http: / /www. benchm arkww tp. org / ) 。本文 活性 污 泥法污水处理过程仿真使用的参数和入水数据都是 来源于 BSM 1。
关键词: 活性污泥法; 污水处理; 仿真; 仿真界面
中图分类号: X793
文献标识码: B
文章编号: 1671- 4571( 2010) 06 0138 04
通过对活性污泥法污水处理过程的计算机仿真 模拟, 可以直观的对污水处理过程进行观察和分析, 同时能为污水处理控制系统的设计, 污水处理过程 的监控及污水处理工艺的改进等提供有效的辅助, 从而降低处理成本, 节约资源, 因此成为污水生物处 理领域 的研 究热 点问 题之一。在此 方面, 德 国的 S IM BA、英 国 的 STOAT、比 利 时 的 WEST、瑞 士 的 A SIM 等商业化的仿真软件都比较成功 [ 1, 2] , 国内也 有通过 MATLAB和 VC 等工具对活性污泥法污水处 理过程进行仿真研究, 然而自行开发的污水处理仿 真软件却很少 [ 3, 4] 。
好氧反应模块基本结构如图 1所示, 入水数据 和出水数据分别是模块的输入和输出, 包含入、出水 组分浓度和流量信息, 氧浓度、化学计量参数、动力 学参数、反应器体积是根据实际仿真对象设置的外 部参数, 8个反应过程是活性污泥 1号模型中所定 义的异养菌的好氧生长、异养菌的缺氧生长等 8 个
作者简介: 宁利, 男, 硕士研究生, 主要从事废 水处理和计算机仿真及控制方面的研究。 * 基金项目: 国家自然科学基金项目 ( 61074109) ; 华南理工大学百步梯项目。
图 4 活性污泥法污 水处理过程仿真流程图
由于篇幅有限, 表 2~ 表 4列出了部分仿真结 入水情况下运行是稳定的。表 4是在国际水质协会
果。表 2、表 3是以国际水质协会提供的静态入水 提供的晴天动态入水数据下仿真 14d的出水数据均
数据 (入水流量和组分浓度不变 ), 进行 200d仿真 值, 通过和文献 [ 5] 提供的其它仿真软件仿真 - 得
活性污泥法污水处理一般经过好氧反应、厌氧 反应和沉降三个过程。根据活性污泥法 1号模型, 好氧反应中包含了 13 个组分和 8个反应过程。其 中 13个组分的浓度由入水数据决定, 8个反应过程 由 14个化学计量参数和 5个动力学参数决定, 并受 到反应器中氧溶度 ( 氧传递系数 K la决定 ) 和反应 器体积的影响。
202 28. 17
10
0
240
0
31. 6 6. 95 10. 6
7
30
12. 38 1574
184 260. 4 192. 6
70
2
39. 2 0. 43 5. 61 10. 3 1. 98
注: 初值为 CSTR 仿真的初始状态值, 稳态解为 CSTR 仿真运行终值, 即各生物反应单元的状态变量初值。
SA LK
/ g% m - 3 / g% m - 3 / g% m - 3 / g% m - 3 / g% m - 3 / g% m- 3 / g% m- 3 / g% m- 3 /g% m- 3 /g% m- 3 / g% m - 3 / g% m - 3 /m ol% m - 3
30
69. 5
51. 2
的生物反应器 1和二沉池的出水仿真数据。其中的 出的参考值相比, 可以说明模型在动态入水情况下
输入值是 h ttp: / /www. benchm arkww tp. org /提供的 也能够稳定的运行。在仿真速度方面, 200d静态仿
静态入水数据, 基准值是 CO ST 仿真基准手册 [ 5] 提 真耗时约 3m in, 14d的动态仿真耗时约 2m in, 说明
P aper Sc ience & T echno logy 2010 Vo.l 29 No. 6
活性污泥法污水处理过程仿真及仿真界面设计*
宁 利 沈文浩 龙 周 刘天龙
(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室, 广东 广州, 510640)
摘 要: 基于活性污泥仿真基准 ( BSM 1) , 提出了通过 MATLAB /S IM UL INK 工具建立活性污泥法污水处理 过程仿真
图 3 活性污泥法污 水处理的仿真 SIM UL INK 模型
139
P aper Sc ience & T echno logy 2010 Vo.l 29 No. 6
1. 3 仿真及仿真结果分析 活性污泥模型对每一个生物反应单元的表达都
有 13个独立的状态变量, 这要求在仿真之前就确定 这些状态变量的积分初值。文献 [ 5] 中提出了一种
13 8
反应过程。厌氧反应过程可以看成一个氧浓度为零 的好氧反应过程。
#造纸科学与技术 ∃ 2010年 第 29卷 第 6期
v0 ∀ 最大理论沉降速度, m / d; v!0∀ 最大实际沉降速度, m / d; vs∀ 沉降速度, m / d。 根据图 1所示的结构图和 T ak cs双指数沉降 速率方程, 通过 C 语言编写 s- function 来实现好氧 反应、厌氧反应、沉降三个过程, 建立仿真模块。 1. 2 仿真模型的建立
供的参考值, 可以看出本文仿真得到的数据与基准 了模型具有较快的仿真速度。
值十分接近, 因此说明本文建立的仿真模型在静态
表2
静态仿 真 200d的出水数据 - 生物反应器
组分
输入值 基准值 仿真值
Leabharlann Baidu
SI
SS
XI
XS
XBH
XBA
XP
SO
SN O
SN H
SND
XN D
SA LK
/ g% m - 3 / g% m - 3 / g% m - 3 / g% m - 3 / g% m - 3 / g% m- 3 / g% m- 3 / g% m- 3 /g% m- 3 /g% m- 3 / g% m - 3 / g% m - 3 /m ol% m - 3
6394
表4
动态仿真的晴天出水数据 - 最终出水
组分
SIMU LINK G PS - X FORTRAN
组分
SIMU LINK G PS - X FORTRAN
SI / g% m - 3
30
30
30 SN H / g% m - 3 4. 7449
4. 857122
4. 8
SS / g% m - 3 0. 97332
表3
静态 仿真 200d的出水数据 - 二沉池
层数
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
基准值
12. 5
18. 1
29. 5
69
356
356
356
356
356
6394
X f / g% m - 3 仿真值
12. 497 18. 113
29. 54
68. 978 356. 07
356. 07 356. 07 356. 07 356. 07
SIMUL INK是 MATLAB 的一 个附加软件产品, 用于任何动态系统的建模、仿真和分析。 SIMUL INK 为建立模型模块和动态操作模块提供了一个图形用 户界面, 通过图形用户界面可以很容易的对线性、非 线性、连续时间的、离散时间的、多变量的系统进行 建模。 S IMUL INK 最大的特点是拥有大量的预定义 模块, 因此用户可以很方便的通过自定义这些模块 或者建立新模块, 扩展 SIMUL INK 的功能。 1. 1 仿真模块的建立
Xmin = fnsX f 式中: X f∀ 入口污泥浓度, g /m3;
fns ∀ 入流中悬浮固体中的不可沉降比例; rp∀ 低浓度 慢速 沉降悬 浮组分 的沉降 参数, m 3 / g; rh ∀ 沉降速率方程中干扰沉淀的沉降参数, m3 /g;
图 2 BSM 1活性污泥工艺设备布局 示意图
本文以仿真基准 BSM 1中的活性污泥工艺为仿 真对象, 通过上文中建立的仿真模块组建活性污泥仿 真模型。图 2所示的为 BSM 1活性污泥工艺设备布 局示意图, 包含两个厌氧反应器、三个好氧反应器和 一个 10层的二沉池。图 3为根据 BSM 1活性污泥工 艺设备示意图建立的活性污泥处理的 MATLAB /SIM UL INK仿真模型, 由 F low _comb( 混流器 ) 、H yd_de lay ( 延迟 模块 ) 、B ioreactor( 生物 反应器 )、F low _ spliter ( 分流器 ) 和 Settler( 二沉池 )等五种模块组成, 其中 F low _comb 模块的作用是混合入水和回流水, F low _ spliter模块的作用是分流, 这两个功能很容易通过 s - funtion编译实现, B ioreactor(生物反应器 )和 Settler ( 二沉池 ) 模块分别是前面建立的生物反应器 (好氧 和厌氧反应模块 ) 和二沉池模块; H yd _de lay( 延迟模 块 )模块的作用是防止代数环的产生。
0. 225014
0. 229 SA LK /m ol% m - 1 4. 4549