活性污泥系统模拟软件

第九章污水处理好氧系统模拟软件
第一节污水处理系统模拟软件研究的必要性当前，活性污泥法在污水处理领域得到了广泛应用，形成了多种多样的的污水处理工艺，针对这样一个多变量、强耦合、高度非线性、时变时滞系统，国内外提出了多种数学模型，并以此加快工艺改进、优化决策、提高污水处理设计水平。

其中，模拟有机物、氮和磷去除的活性污泥系统模型(activated sludge models，简称ASMs)系列模型是当今活性污泥系统模拟的主流模型。

随着有机物降解和微生物增值的数学模型的发展，采用计算机仿真技术模拟污水处理过程得到了广泛的应用，出现了越来越多的污水处理系统专业模拟仿真软件。

国外污水处理专业仿真软件的发展相对成熟，包含的模型库比较丰富，可模拟的工艺过程覆盖面广，常用的包括ASIM、SSSP、EFOR、GPS-x、SIMBA、STOAT、WEST、BioWin等。

这些仿真模拟软件可以通过连接单元模块模拟污水处理工艺过程，在实际污水处理的系统评估、运行管理及工艺优化中均发挥了作用。

国内相关仿真软件的应用和开发都相对较少，一般采用通用型仿真软件如Matlab/Simulink、Mathematica等研究相关模型，相比专业仿真软件效率较低。

针对新业薄片公司和烟草薄片行业工业生产废水处理过程，国外污水处理专业模拟软件和通用型仿真软件都存在一些问题。

对于国外污水处理专业软件：1.没有中文界面与语言支持：2.价格昂贵，一般包括单独使用费用和培训费用，如果进行二次开发和研究，需要另外购买版权或研究人员版本；3.新业薄片公司工业废水处理设施施工完成后，在较长时间内基本处理工艺流程不会改变，这意味着商业软件中全品类的处理模块、工艺单元、模型结构等只能选择其中某几项使用，其它功能或模块都得不到应用，软件无法获得理想性价比。

对于通用型仿真软件来讲：1.仿真模型移植性差，与仿真软件本身绑定,难以封装到污水处理的监测、控制系统中；2.缺少可视化界面或人机交互功能，相较商业软件良好的人机接口而言，通用型仿真软件多采用命令行实现，参数修改比较繁琐。

此外，由于废水种类、地域差异、暴雨径流和处理地地质条件等均会影响废水的水质组分，不同的废水及其特定的处理工艺，有其特有的化学计量系数和动力学参数，因此模型进水水质组分及部分模型参数的确定直接关系到模拟预测的准确程度，国外
软件提供的模型参数并不完全适用于我国和薄片行业污水水质。

所以为新业薄片公司和烟草薄片行业开发一个适合于公司现状和薄片行业的活性污泥系统模拟程序成为可能，该程序能够实现特定污水处理工艺过程的模拟，利用活性污泥系统模型等污水处理模型仿真，指导实际污水处理工程中的本地化实践，包括薄片生产废水处理过程中的工艺升级、参数优化、结果预测等功能。

此外还能够预留控制和数据接收接口，为下一步实现污水处理设施在线监测和控制提供接入和支持。

第二节污水处理系统模拟软件的技术路线选择根据活性污泥系统建立的污水处理数学模型，在此基础上开发一款活性污泥系统模拟程序，利用本程序基于ASM3模型对A/O-MBBR工艺进行模拟分析，建立可视化界面，并与实测值进行对比，校正模型相关参数，从而指导实际运行，并提供给污水处理相关人员学习和研究优化控制策略。

活性污泥系统模拟程序先利用C#编程语言建立应用程序窗体，开发适合研究人员和应用人员操作的人机交互界面。

程序基于MVC的软件设计模式，将界面控件与逻辑代码松耦合，便于后期加入其它的分析模型，增加程序的扩展性。

程序基于VS2012开发平台开发winform可视化窗体仿真软件，具有良好的人机交互界面和外接PLC控制系统的扩展能力，并可利用xml文档进行数据和运行参数的保存和读取,xml是一种通用数据交换格式。

第三节软件结构
9.3.1污水处理软件结构
程序采用MVC架构形成将业务逻辑与界面显示设计分离的代码组织形式，后期加入新的模型算法和额外的运算逻辑，无需改变界面显示和交互控件布局。

活性污泥系统模拟软件分为3个层次：
1.界面层：界面层主要功能是接收逻辑层输送的数据并将其显示，和通过用户交互界面接收相关参数设定并发送到逻辑层。

其中参数类数据采用属性方式存储，便于用户自定义调整。

入水组分和出水组分数据使用链表类型存储，并通过DataGridView表格控件集中展示，对于重要的输出指标采用自定义绘图控件展示，该控件基于PictureBox控件的重绘函数OnPaint()重写事件完成，工艺流程模块由基础控件组合完成，用于展示当前加载的污水处理工艺。

2.逻辑层：逻辑层执行数据运算、数据类型转换、文件读写、日志输出等操作。

其中文件读写采用Stream类流式读写，以XML格式保存，XML格式可以标记数据、定义数据类型，具有平台无关性的特性。

由于稳态仿真的初始值一般采用国际水协提供的典型值，动态仿真采用灵敏度分析后的值，所以动力学参数和化学计量系数输入提供文件读取和程序缺省值两种方式。

入水水质指标数据转换成入水组分数据操作在逻辑层完成。

3.算法层：算法层是程序的核心算法实现，主要完成相关函数方程的求解算法和数学模型的函数实现，并封装成类库，供逻辑层调用。

9.3.2活性污泥系统模拟程序的基本运行流程：
活性污泥系统模拟程序的输入参数包括反应器参数、环境参数、入水组分、动力学参数、化学计量系数等参数。

其中：反应器参数和环境参数根据实际情况测量即可；本程序采用的ASM3模型的入水组分有13种，在实际应用中，部分组分不能直接测量得出或测量复杂难以符合程序的输入频率要求，需要从常规的水质检查数据中计算得来，常规测量数据包括固体悬浮物浓度SS、化学需氧量COD、总氮TN浓度等，通过水质转换模型将常规分析指标转化为模型处理用组分；动力学参数和化学计量系数在不同地区不同特性污水中适用值不同，模型通过稳态模拟后进行实际组分数据与计算组分数据的灵敏度分析来校正这两个参数，稳态模拟一般适用固定初始值进行计算，这里采用国际水协推荐的典型值。

稳态模拟是指忽略系统入水水质水量每天的变化，只考虑系统运行相对稳定时期内的平均状况。

通过入水平均值和动力学参数、化学计量系数的典型值进行仿真。

随后将结果与实测值进行比较，通过校正减少拟合差距。

因为模型本身就说简化的动力学方程，所以校正方式是将模型看做数学函数，利用纯数学方式，依靠灵敏度分析的结果，调整参数值，使仿真结果逼近实测值，调整后的动力学参数和化学计量系数即是优化后的最适合于本工艺模型的参数值。

其中，灵敏度分析是逐个将模型中的动力学系数在初始值基础上提高10%，而保持其他参数不便，比较参数改变后模拟的差值，根据公式计算参数对出水指标的影响程度。

在实际运行中，系统的水质水量每时每刻都处于不断地变化之中，系统的稳态只是相对的稳态。

动态模拟就是在稳态模拟的基础上，描述实际运行中系统进
水水质水量的不断变化所引起出水的波动，可对系统的抗负荷性进行预测。

即将稳态模拟的结果作为动态模拟的初值，每隔一段较短的时间记录一次进水水质水量，然后通过模型计算出两次进水之间这段时间内的出水状况。

动态模拟的化学计量学系数和动力学参数使用稳态模拟调优后的参数。

通过动态模拟，可实现对污水处理系统实时的调整和动态管理。

稳态模拟和动态模拟的结果都会在程序右侧的指标变化中以图表的形式展现。

包括COD的入水值、出水模拟值、出水实测值，氨氮的入水值、出水模拟值、出水实测值，TN的入水值、出水模拟值、出水实测值。

具体组分的变化情况以报表表格的形式展出。

第四节软件界面展示
1、主界面展示
程序主页面包括工艺流程展示、基本操作和参数设置界面、操作日志记录、主要指标图表展示等几个模块。

右侧的图表区可以展示COD、氨氮、TN等主要指标的变化情况。

2、参数设置界面
化学计量系数和动力学参数可以由程序自带的国际水协推荐值和相关参考值设定，也可以手动设置，还可以从文件录入。

设备参数和运行环境参数通过手动输入录入。

3、模拟结果展示
出水指标即显示在主页面的图表中，也可以从水质指标界面读取到具体数值。

第五节
根据前一章的机理模型和本章的程序设计，从而完成了基于ASM3模型的活性污泥系统模拟程序设计，该程序通过可视化界面基于模型机理对相关参数进行
动态响应仿真，通过结果分析和过程跟踪不断优化模型的相关参数，对模型在本地化实践应用中起到较强的指导意义。

同时，可为下一步进行的污水处理监测和控制系统做好基础，通过污水处理系统的实时监测，与模型的结果进行拟合，进而修正模型的参数，又通过优化后的模型来控制污水处理系统，进一步提升污水处理系统的自动化程度。