專利名稱：造紙廢水活性污泥法處理的仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及造紙廢水處理技術(shù)領(lǐng)域，具體是指造紙廢水活性污泥法處理的仿真方法。
背景技術(shù)：
造紙企業(yè)是傳統(tǒng)的廢水排放大戶，將廢水處理到符合國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，同時 最大限度地減少廢水處理的運行成本，是造紙企業(yè)關(guān)注的重要問題。在眾多的廢水處理方 法中，活性污泥法由于具有處理效果好、運行成本低等特點而成為目前造紙廠進行廢水處 理的常用工藝?；钚晕勰喾◤U水處理過程是一個強耦合的多輸入多輸出動態(tài)系統(tǒng)，具有高 度非線性、時變、不確定性和時滯等特點，因此導(dǎo)致了活性污泥法廢水處理過程研究的復(fù)雜 和困難。隨著活性污泥法處理仿真模型的成熟和計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，通過計算機仿真 模擬活性污泥法廢水處理過程，研究活性污泥法廢水處理工藝，廢水處理過程控制算法和 控制策略，對活性污泥法廢水處理系統(tǒng)進行改造等等，已成為造紙活廢水性污泥法處理的 研究熱點。傳統(tǒng)的造紙廠廢水處理系統(tǒng)的設(shè)計和改造，通常是通過實驗、工廠中試、或者是全 面的實驗后總結(jié)產(chǎn)生的，這樣的過程不但需要大量時間，而且會浪費大量的資源。而通過造 紙廢水處理計算機仿真模型設(shè)計或改造廢水處理系統(tǒng)，可以快速的對系統(tǒng)進行分析評價， 同時計算機仿真模型也便于修改，可以在較短的時間和較低的成本下完成廢水處理系統(tǒng)的 設(shè)計或改造。不僅在廢水處理工藝的改造和設(shè)計方面，在廢水處理系統(tǒng)的運行過程中，計算 機仿真模型也可以很好的輔助廢水處理系統(tǒng)的控制，以達(dá)到最優(yōu)的出水質(zhì)量和降低廢水處 理費用?；钚晕勰喾◤U水處理仿真模型和計算機仿真技術(shù)的發(fā)展完善，為活性污泥 法廢水處理過程仿真模擬的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。國際水質(zhì)協(xié)會(International Water Association, IWA)提出的活性污泥系列模型(ASM1，ASM2，ASM2D，ASM3)是目前研究最為成 熟的活性污泥模型，其中以活性污泥1號模型(ASMl)使用最為廣泛。ASMl模型原本是用于 對市政廢水處理過程的模擬，但是通過近年來的研究發(fā)現(xiàn)，通過對ASMl模型進行修正或者 加入特定的功能，也能夠較好地模擬工業(yè)廢水處理過程。MATLAB是由美國MathWorks公司推出的用于數(shù)值計算和圖形處理的計算機系統(tǒng) 環(huán)境，除了具備卓越的數(shù)值計算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號計算，文字處理，可視 化建模仿真和實時控制等功能。SIMULINK是MATLAB為模擬動態(tài)系統(tǒng)而提出的一個交互式 程序，允許用戶在屏幕上繪制框圖來模擬一個系統(tǒng)，能夠動態(tài)地控制該系統(tǒng)。近幾年，在學(xué) 術(shù)界和工業(yè)領(lǐng)域，SIMULINK以其強大的功能和簡便的操作已經(jīng)成為動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真方 面應(yīng)用最廣泛的軟件包之一。它支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)時間系統(tǒng)、離散時間系統(tǒng)、連 續(xù)和離散混合系統(tǒng)，且系統(tǒng)可以是多進程的?；钚晕勰喾◤U水處理仿真模型中包含了眾多的過程參數(shù)，如活性污泥1號模型中 包含了 13個化學(xué)計量參數(shù)和6個動力學(xué)參數(shù)，在進行模型仿真之前要確定這些參數(shù)，才能保證仿真的準(zhǔn)確穩(wěn)定。在眾多參數(shù)中，一些參數(shù)因為假設(shè)值能收到良好的效果，因此不需要 測定；而其它參數(shù)受環(huán)境因素和污泥自身特性影響較大，必須根據(jù)仿真對象對其進行測定。在活性污泥仿真模型中使用的廢水指標(biāo)和實際生產(chǎn)中的并不一樣，但是存在一定 的轉(zhuǎn)換關(guān)系，這也就要求需要將實際廢水指標(biāo)轉(zhuǎn)化為活性污泥法廢水處理仿真模型中使用 的組分。因此，解決活性污泥模型的過程參數(shù)和廢水組分劃分問題，是造紙廢水活性污泥法 處理仿真模型建立中必不可缺的一部分。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有造紙活性污泥法廢水處理過程仿真模型的過程參數(shù) 和廢水組分劃分的問題，提供造紙廢水活性污泥法處理過程仿真模型及其仿真方法，能對 仿真模型的過程參數(shù)進行測定和修正，也可以對入水組分進行劃分，并且為造紙廢水活性 污泥法處理系統(tǒng)的設(shè)計、改造和控制方案的實施提供評價體系。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)造紙廢水活性污泥法處理的仿真方法，包 括以下步驟(1)基于活性污泥1號模型，對造紙廢水、活性污泥進行特性分析，測得廢水組分 比例，建立造紙廢水活性污泥法處理過程的數(shù)學(xué)模型；(2)基于造紙廢水活性污泥法處理工藝過程，通過MATLAB/SIMULINK建立造紙廢 水活性污泥法處理過程的生物反應(yīng)SIMULINK仿真模型和沉淀過程SIMULINK仿真模型；(3)根據(jù)步驟(1)中的造紙廢水、活性污泥特性分析的結(jié)果，確定活性污泥仿真模 型的過程參數(shù)和入水組分劃分軟測量模型；(4)運行造紙廢水活性污泥法處理過程的生物反應(yīng)SIMULINK仿真模型和沉淀過 程SIMULINK仿真模型，并輸出仿真模型的仿真結(jié)果。步驟(3)所述活性污泥仿真模型的過程參數(shù)根據(jù)活性污泥特性呼吸計量實驗分 析以及Arrhenius公式修正得到；入水組分劃分軟測量模型指的是將造紙廠實際采樣廢水 按照步驟(1)中測得的廢水組分比例進行劃分而獲得仿真模型需要的組分濃度。步驟(4)所述仿真的步驟包括輸入入水流量和組分濃度都不變化的穩(wěn)態(tài)入水?dāng)?shù) 據(jù)進行穩(wěn)態(tài)仿真，直至各狀態(tài)參數(shù)值穩(wěn)定不變，完成穩(wěn)態(tài)仿真；將穩(wěn)態(tài)仿真的狀態(tài)函數(shù)終值 作為狀態(tài)函數(shù)初始值，輸入造紙廠采集的入水?dāng)?shù)據(jù)，進行動態(tài)仿真，運行若干時間直至仿真 系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)。所述若干時間為7天，或者為廢水處理系統(tǒng)的40個運行周期。步驟⑷所述生物反應(yīng)SIMULINK模型包含入水輸入、氧傳遞系數(shù)輸入和生物反應(yīng) 輸出，以及用于完成反應(yīng)過程的SBRBio模塊；其中入水輸入包含廢水流量和廢水的各組分 濃度數(shù)據(jù)，氧傳遞系數(shù)輸入用于表征生物反應(yīng)器中曝氣量的大小，生物反應(yīng)輸出包含廢水 各組分濃度數(shù)據(jù)。步驟(4)所述沉淀過程SIMULINK模型包含生物反應(yīng)結(jié)束時廢水的各組分濃度輸 入和沉淀過程輸出；其中沉淀過程輸出包含出水體積、出水各組分濃度、剩余污泥體積、剩 余污泥各組分濃度，以及排放污泥量。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果是1、提供了造紙廢水活性污泥法處理仿真模型的建立方式，以及活性污泥特性參數(shù) 和廢水組分劃分方式；解決了在建立活性污泥模型時，過程參數(shù)和廢水組分難以合理劃分的問題。2、造紙活性污泥法廢水處理仿真模型可以用于輔助造紙廢水活性污泥法處理系 統(tǒng)的設(shè)計、改造和運行，也可以作為造紙廢水活性污泥法處理控制方案設(shè)計評估的平臺。3、利用仿真結(jié)果，可以對工藝過程和控制系統(tǒng)進行評價，從而為造紙廢水活性污 泥法處理系統(tǒng)的設(shè)計、改造、運行、評估，以及造紙廢水活性污泥法處理控制系統(tǒng)的設(shè)計、運 行及評估提供一個平臺。


圖1是本發(fā)明的流程圖；圖2a是典型序列間歇式活性污泥法(SBR)廢水處理工藝示意圖；圖2b是造紙廢水SBR活性污泥法處理工藝示意圖；圖3是造紙廢水SBR活性污泥法處理生物反應(yīng)SIMULINK模型；圖4是造紙廢水SBR活性污泥法處理沉淀過程SIMULINK模型；圖5是造紙廢水SBR活性污泥法處理生物反應(yīng)SBRBio模塊結(jié)構(gòu)圖；圖6是造紙廢水SBR活性污泥法處理沉淀過程SBR_settler模塊結(jié)構(gòu)圖；圖7是造紙廢水SBR活性污泥法處理仿真模型仿真出水COD值；圖8是PID控制器SIMULINK結(jié)構(gòu)圖；
圖9是BP-PID控制器SIMULINK結(jié)構(gòu)圖；圖10是PID控制下溶解氧濃度和氧傳遞系數(shù)曲線圖；圖11是BP-PID控制下溶解氧濃度和氧傳遞系數(shù)曲線圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實施方式不 限于此。實施例本實施例以采用SBR活性污泥工藝的造紙廢水處理系統(tǒng)為例，首先建立造紙廢水 SBR處理過程仿真模型，然后在所建立的仿真模型基礎(chǔ)上，實施本發(fā)明造紙廢水活性污泥法 處理的仿真方法。如圖1所示，本發(fā)明造紙廢水活性污泥法處理的仿真方法，具體實施時，包括以下 步驟(1)基于活性污泥1號模型，對造紙廢水、活性污泥進行特性分析，測得廢水組分 比例，建立造紙廢水活性污泥法處理過程的數(shù)學(xué)模型。其中，造紙廢水活性污泥法處理過程包括SBR、A/0、A2/0、A/B等廢水活性污泥法處 理過程；數(shù)學(xué)模型包含了異養(yǎng)菌的好氧生長和異養(yǎng)菌的缺氧生長等8個過程。所述活性污泥1號模型由國際水質(zhì)協(xié)會提出。造紙廢水特性分析是結(jié)合呼吸計量 法和物化方法，按照活性污泥1號模型的廢水劃分方式，將造紙廢水組分劃分為可溶性惰 性有機物(S1)、易生物降解物質(zhì)(Ss)、顆粒性惰性有機物(X1)、慢速可生物降解物質(zhì)(Xs)、異 養(yǎng)性活性生物量(XB,H)、自養(yǎng)性活性生物量(XB,A)、由生物降解所產(chǎn)生的顆粒性產(chǎn)物(Xp)、氧 (S0)、硝酸鹽與亞硝酸鹽氮(Snq)、NH4++NH3氮(Snh)、溶解性可生物降解有機氮(Snd)、顆粒性可生物降解有機氮(Xnd)、堿度(SAUi)；并且根據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版，中國環(huán) 境科學(xué)出版社)測量造紙廢水中氨氮濃度，以及硝酸鹽與亞硝酸鹽氮濃度。活性污泥特性 分析為利用呼吸計量法對造紙廠取來的新鮮污泥進行異養(yǎng)菌產(chǎn)率系數(shù)、異養(yǎng)菌衰減系數(shù)和 異養(yǎng)菌最大生長速率系數(shù)測定。(2)基于造紙廢水活性污泥法處理工藝過程，通過MATLAB/SIMULINK建立造紙廢 水活性污泥法處理過程的生物反應(yīng)SIMULINK仿真模型和沉淀過程SIMULINK仿真模型。建立了 SIMULINK模型以后，就可以根據(jù)步驟1中建立的數(shù)學(xué)模型，用C語言編寫 描述造紙廢水活性污泥法處理過程生物反應(yīng)部分的S-fimction ；同時，基于TakcScs的雙指 數(shù)沉淀速度方程，利用C語言編寫描述造紙廢水活性污泥法處理沉淀過程的S-fimction。(3)根據(jù)步驟(1)中的造紙廢水、活性污泥特性分析的結(jié)果，確定活性污泥仿真模 型的過程參數(shù)和入水組分劃分軟測量模型。其中，活性污泥法廢水處理仿真模型的過程參數(shù)是根據(jù)活性污泥特性呼吸計量實 驗分析以及Arrhenius公式修正而來的，入水組分劃分軟測量模型指的是將造紙廠實際采 樣廢水按照步驟(1)中測得的組分比例進行劃分，而獲得仿真模型需要的組分濃度。其中
Arrhenius公式為= Ae~fT ;式中k為反應(yīng)速率常數(shù)，Ea為反應(yīng)活化能，R為氣體常數(shù)，T
為絕對溫度。(4)運行活性污泥法造紙廢水處理過程的生物反應(yīng)SIMULINK仿真模型和沉淀過 程SIMULINK仿真模型，并輸出仿真模型的仿真結(jié)果。其中，仿真步驟包括輸入入水流量和組分濃度都不變化的穩(wěn)態(tài)入水?dāng)?shù)據(jù)進行穩(wěn) 態(tài)仿真，直至各狀態(tài)參數(shù)值穩(wěn)定不變，完成穩(wěn)態(tài)仿真；將穩(wěn)態(tài)仿真的狀態(tài)函數(shù)終值作為狀態(tài) 函數(shù)初始值，輸入從造紙廠采集的入水?dāng)?shù)據(jù)，進行動態(tài)仿真，運行7天直至仿真系統(tǒng)進入穩(wěn) 定狀態(tài)。需要說明的是，動態(tài)仿真的運行時間只需滿足使得仿真系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)即可，并 不限于7天，例如，也還可以是廢水處理系統(tǒng)的40個運行周期。運行仿真模型的直接輸出 為出水各組分濃度和流量。(5)根據(jù)仿真模型的仿真結(jié)果，對造紙廢水活性污泥法處理系統(tǒng)進行工藝過程性 能評價和控制系統(tǒng)性能評價。其中，工藝過程性能評價包括出水質(zhì)量EQ、越限報告和運行費用三類指標(biāo)；所述 控制系統(tǒng)性能評價包括被控變量的絕對誤差積分、平方差積分、最大偏差和變量誤差的方 差，以及操作變量的極差、最大偏差和變化值的方差。
所述越限報告包括越限次數(shù)和越限持續(xù)時間百分比，各指標(biāo)計算方式如下
TKNe = SNH, e+SNDj e+XNDj e+iXB (ΧβΗ, e+^BA, e) + χΡ (^P, e) NO。= Sw
jNO，
Ntotal, e = TKNe+N0e
TSSe = 0.
CODe = SSJSIJUXBHJUUXI,
BOD5e = 0. 25(Ss,e+Xs,e+(l-fp) (XBH,e+XBA,e))
式中，TK隊出水中總凱氏氮濃度，g/m3 ；Nt。tal,e :出水中總氮濃度，g/m3 ；NOe 出水 中硝酸鹽和亞硝酸鹽濃度，g/m3 ；TSS 出水中總懸浮固體濃度，g/m3 ；CODe 出水中化學(xué)需氧 量，g/m3 ；BOD5e 出水中的生物需氧量，g/m3。
6
PUtss (t) = β TSSTSSe (t)PUcod (t) = β codCOD6 (t)PUbod (t) = β B0DB0De (t)PUtkn (t) = β τκνΤΚΝ6 (t)PUno (t) = β N0N0e (t)出水質(zhì)量可以根據(jù)下面的公式進行計算 式中、、t2分別為計算的起始和終止時間。運行費用包括污泥處理量Psludge、泵浦能PE和曝氣能AE三個指標(biāo)(1)污泥處理量Psludge (kg/d)，是指在一定時間內(nèi)二沉池底部產(chǎn)生的總污泥量 與設(shè)備中積聚的污泥量之和。t時刻的污泥量TSS (t) = TSSa (t)+TSSs ⑴TSSa(t)是生物反應(yīng)器中的污泥量
TSSe(t)是二沉池中的污泥量 污泥處理量Psludge為 (2)泵浦能 PE(kWhd-l) 式中Qa(t)為t時刻的污泥內(nèi)循環(huán)量(m3/d) ;Qr(t)為t時刻的污泥外循環(huán)量(m3/ d) ;Qw(t)為t時刻的廢污泥量(m3/d)。(3)曝氣能AE(kWh/d)的計算要考慮反應(yīng)器的特征(如氣泡的擴散方式和大小 等)，這里是根據(jù)三個曝氣反應(yīng)器中的氧傳遞系數(shù)KLa計算而來，計算方法如下式 式中& (t)是t時刻第i個反應(yīng)器的氧傳遞系數(shù)OT1)。廢水處理控制系統(tǒng)評定是將控制方案所產(chǎn)生的效果量化后進行比較，由兩部分組 成被控變量(CV)的表現(xiàn)和操作變量(MV)的表現(xiàn)。(1)被控變量的表現(xiàn)指標(biāo)。被控變量(CV)的表現(xiàn)情況由以下指標(biāo)來評定，其中j 代表不同的控制器(a)絕對誤差積分IAE
0086
0087
0088
0089
0090
0091
0092
0093
0094
0095
0096
0097
0098
0099
0100
0101 0102
0103
0104
0105
0106 0107
上式中。代表不同被控變量的設(shè)定值與實際測量值之間的誤差，計算如下式
ρ = 7-7
。j "j，setpo int "j，observed
(b)平方差積分ISE ISE= ^e)dt
(c)最大偏差Devwra Devmax = max (IejIl
(d)變量誤差的方差Var(e)
Far(e) = 7J-(7~f
式中
eJ 一 T~，ej 一 T~
(2)操作變量的表現(xiàn)指標(biāo)。操作變量(MV)的表現(xiàn)情況由以下指標(biāo)來評定
(a)極差DevMV
max (Devtw) = Ujj ^x-Ujj min
式中~是MV的值，j表示不同的MV。
(b)最大偏差DeZu:
max^ev^ )= max(Aw;)
式中表示一段時間間隔dt內(nèi)，相鄰兩次操作的偏差，計算如下式
Δ Uj = I Uj(t+dt)-Uj (t)
(3)MV變化值的方差Var(Δu) Var(Au) ) = AUj - (Δ f
式中
_ J2 AUjdt _ j*2 Au^dt
Aui = —- ,Au2l = ■.
TJ T
圖2a所示為常見的SBR活性污泥法廢水處理系統(tǒng)的工藝示意圖整個過程主要包 括入水、缺氧反應(yīng)、好氧反應(yīng)、沉淀和排水排泥五個子過程；其中缺氧反應(yīng)和好氧反應(yīng)過程 中發(fā)生生物降解，主要的生物反應(yīng)都在這兩個過程中進行；沉淀是泥水分離的過程，一般假 設(shè)在這個過程中不發(fā)生生物反應(yīng)。所有反應(yīng)在單個SBR反應(yīng)器中進行。圖2b所示為造紙 廢水SBR活性污泥法處理系統(tǒng)的工藝示意圖這個SBR廢水處理過程不包含厭氧反應(yīng)過程， 入水的后半階段有曝氣從而發(fā)生好氧反應(yīng)。上述步驟(1)中，根據(jù)活性污泥1號模型以及實際廢水處理過程，建立適用于上述 造紙廢水SBR活性污泥法處理系統(tǒng)的活性污泥法仿真模型，其反應(yīng)過程和組分矩陣表如表 1所示表 1
8組分 Xi 12 345 67 工藝過程速率r」工藝過S1Ss XiXsXbh XpS0 [M/(L3 Xt)]1 異養(yǎng)菌的好氧生長11Yh "“、+SsUjffiff2 異養(yǎng)菌的衰減1- fp-1 fpbjBH3 網(wǎng)捕性有機物水解1-1Κ、 KX+、XS Z XBH)上述步驟(4)中，根據(jù)圖2中所示的造紙廢水SBR活性污泥法處理過程，建立SBR 活性污泥法廢水處理SIMULINK仿真模型，如圖3、4所示，對生物反應(yīng)過程和沉淀過程分別 建立模型，具體為圖3所示的生物反應(yīng)SIMULINK模型包含兩個輸入和一個輸出，其中一個輸入 INFLUNENT為入水輸入，包含廢水流量和廢水的各組分濃度數(shù)據(jù)(廢水組分參見表1)，另 一個輸入KLa為氧傳遞系數(shù)，用來表征生物反應(yīng)器中曝氣量的大??；BI0_out為生物反應(yīng)輸 出，包含廢水各組分濃度數(shù)據(jù)，主要反應(yīng)過程由SBRBio模塊實現(xiàn)，SBRBio模塊中包含由C 語言編寫生物反應(yīng)過程的微分方程，從而實現(xiàn)對生物反應(yīng)過程的描述。圖4所示的沉淀過 程SIMULINK模型，包含一個輸入和一個輸出，輸入為BI0W，是生物反應(yīng)結(jié)束時廢水的各組 分濃度；Settler_0Ut為沉淀過程輸出，也是整個處理過程的最終輸出，包含出水體積、出 水各組分濃度、剩余污泥體積、剩余污泥各組分濃度，以及排放污泥量；而主要反應(yīng)過程由 SBR_settler模塊實現(xiàn)，也是通過C語言編寫生物反應(yīng)過程的微分方程，從而實現(xiàn)對沉淀過 程的描述。根據(jù)圖5所示的SBRBio模塊結(jié)構(gòu)示意圖，SBRBio模塊的輸入有生物反應(yīng)過程參 數(shù)、狀態(tài)參數(shù)初值、反應(yīng)器參數(shù)三種參數(shù)和生物反應(yīng)微分方程。生物反應(yīng)過程參數(shù)包含表1 中所示的￥11，％等化學(xué)計量參數(shù)和動力學(xué)參數(shù)；狀態(tài)參數(shù)初值為微分方程的積分初值；反應(yīng) 器參數(shù)包含反應(yīng)器的高度和底面積；根據(jù)表1的生物反應(yīng)過程速率，入水曝氣反應(yīng)階段SBR 池中各組分的物料平衡方程(即生物反應(yīng)微分方程)可以表示為
dv Γ =+ QinC0 Ctt j=\V SBR池泥水混合物的體積(m3)；Qin 入水流量(m3/day)；Xi SBR池中各組分的質(zhì)量(g)；Pi, j 組分Xi的第j個工藝過程Pj ；IV工藝過程速率；C0 入水各組分濃度(g/m3)。根據(jù)圖6所示的SBR_settler模塊結(jié)構(gòu)示意圖，SBR_settler模塊的輸入有沉淀 過程參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)初值、反應(yīng)器參數(shù)和沉淀過程微分方程。沉淀過程通過TakcScs的雙指數(shù)沉淀速度方程描述，因此，沉淀過程參數(shù)為TakcScs的雙指數(shù)沉淀速度方程中的參數(shù)，其 方程和參數(shù)為Vj(X) = Oaxjo5Inin v0，v0 (e_r“xDXfflin = fnsXfXf 入口 污泥濃度(mg/L)；fns 入流中懸浮固體中的不可沉降比例；rp 低濃度慢速沉降懸浮組分的沉降參數(shù)(m3/g)；rh 沉降速率方程中干擾沉淀的沉降參數(shù)(m3/g)；V0 最大理論沉降速度(m/day)；V0'最大實際沉降速度(m/day)；Vs 沉降速度(m/day)。將SBR池在垂直方向上分為均等的10個體元層，各體元層的物料平衡方程(即沉 淀過程微分方程)可以表示為(m表示層數(shù)，m= 10為頂層)
Γ dXm -minHvWU , …—r~ =-^-:- (m = 10)
dtKdXm ^ min(vsmXm,Vs^mXm+l)-rnin(vsmXm,vs>mXm_x)(丄 < …< 1Q)
dtKm
r dXm rnrn(ysmXm,vsmXm+l)-Tl =-:~——:-(m = 1)
dtK圖5中狀態(tài)參數(shù)初值采用通過靜態(tài)入水(即入水流量和組分濃度不變的入水)仿 真200個SBR反應(yīng)周期，得到的狀態(tài)參數(shù)終值；圖6中狀態(tài)參數(shù)初值為生物反應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)終值。沉淀過程參數(shù)采用國際水質(zhì)協(xié)會的推薦值，生物反應(yīng)過程參數(shù)中，一些參數(shù)因為 假設(shè)值能收到良好的效果，因此不需要測定，采用國際水質(zhì)協(xié)會的推薦值，而其它參數(shù)受環(huán) 境因素和污泥自身特性影響較大，則結(jié)合呼吸計量法和物化方法，進行活性污泥特性分析 而獲得。圖7為仿真40個SBR運行周期獲得的仿真出水COD變化曲線圖。利用以上所建立的仿真模型及仿真結(jié)果，可進行SBR池的溶氧量控制器設(shè)計并進 行評估圖8、圖9為通過MATLAB/SIMULINK工具設(shè)計的PID控制模塊和BP-PID控制模塊 (神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自調(diào)節(jié)PID控制器)，將兩個控制器分別嵌入仿真模型，進行仿真運行，得到溶解 氧濃度和氧傳遞系數(shù)變化曲線，如圖10、圖11所示。對于PID控制器的設(shè)計通過仿真模型，可以很容易的獲得比例、積分、微分三個參 數(shù)的最優(yōu)值。通過仿真模型還可以對兩種控制器作用下的出水質(zhì)量，能耗等指標(biāo)進行比較 評價。根據(jù)控制系統(tǒng)的評定方法，可以對上面兩種溶氧量濃度控制器的控制效果進行評 定，評定結(jié)果如表2所示表2
評價指標(biāo)
控制方案被控制變量操作變量IAEISEDVEerrorVAR (e)D6VmvDevAuVar (Au)PID16.895251.4152440.1136250.004445151514.95062BP-PID4.0451880.8820290.008750.0047042.192120.77020.005472從表2中可以看出在BP-PID控制器作用下的操作變量(即氧傳遞系數(shù))，較PID 控制下的穩(wěn)定性更加良好，波動范圍小，因此能夠減小設(shè)備負(fù)荷，降低能耗；被控制變量 (即SBR池溶解氧濃度)在BP-PID控制器的作用下較PID控制器的控制效果，更加快速、穩(wěn) 定、精確地達(dá)到設(shè)定值。通過控制器的評定結(jié)果，可以很容易的分析比較出控制方案對被控 制變量和操作變量控制的優(yōu)良程度。因此，通過造紙廢水活性污泥法處理過程仿真模型可以方便的對造紙廢水活性污 泥法處理過程進行控制方案的設(shè)計和評價，從而實現(xiàn)廢水處理控制方案的設(shè)計。上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的 限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
1權(quán)利要求
造紙廢水活性污泥法處理的仿真方法，其特征在于，包括以下步驟(1)基于活性污泥1號模型，對造紙廢水、活性污泥進行特性分析，測得廢水組分比例，建立造紙廢水活性污泥法處理過程的數(shù)學(xué)模型；(2)基于造紙廢水活性污泥法處理工藝過程，通過MATLAB/SIMULINK建立造紙廢水活性污泥法處理過程的生物反應(yīng)SIMULINK仿真模型和沉淀過程SIMULINK仿真模型；(3)根據(jù)步驟(1)中的造紙廢水、活性污泥特性分析的結(jié)果，確定活性污泥仿真模型的過程參數(shù)和入水組分劃分軟測量模型；(4)運行造紙廢水活性污泥法處理過程的生物反應(yīng)SIMULINK仿真模型和沉淀過程SIMULINK仿真模型，并輸出仿真模型的仿真結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的造紙廢水活性污泥法處理的仿真方法，其特征在于，步驟(3) 所述活性污泥法仿真模型的過程參數(shù)根據(jù)活性污泥特性呼吸計量實驗分析以及Arrhenius 公式修正得到；入水組分劃分軟測量模型指的是將造紙廠實際采樣廢水按照步驟(1)中測 得的廢水組分比例進行劃分而獲得仿真模型需要的組分濃度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的造紙廢水活性污泥法處理的仿真方法，其特征在于，步驟(4) 所述仿真的步驟包括輸入入水流量和組分濃度都不變化的穩(wěn)態(tài)入水?dāng)?shù)據(jù)進行穩(wěn)態(tài)仿真， 直至各狀態(tài)參數(shù)值穩(wěn)定不變，完成穩(wěn)態(tài)仿真；將穩(wěn)態(tài)仿真的狀態(tài)函數(shù)終值作為狀態(tài)函數(shù)初 始值，輸入造紙廠采集的入水?dāng)?shù)據(jù)，進行動態(tài)仿真，運行若干時間直至仿真系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀 態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的造紙廢水活性污泥法處理的仿真方法，其特征在于，所述若 干時間為7天，或者為廢水處理系統(tǒng)的40個運行周期。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的造紙廢水活性污泥法處理的仿真方法，其特征在于，步驟(4) 所述生物反應(yīng)SIMULINK模型包含入水輸入、氧傳遞系數(shù)輸入和生物反應(yīng)輸出，以及用于完 成反應(yīng)過程的SBRBio模塊；其中入水輸入包含廢水流量和廢水的各組分濃度數(shù)據(jù)，氧傳遞 系數(shù)輸入用于表征生物反應(yīng)器中曝氣量的大小，生物反應(yīng)輸出包含廢水各組分濃度數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的造紙廢水活性污泥法處理的仿真方法，其特征在于，步驟(4) 所述沉淀過程SIMULINK模型包含生物反應(yīng)結(jié)束時廢水的各組分濃度輸入和沉淀過程輸 出；其中沉淀過程輸出包含出水體積、出水各組分濃度，剩余污泥體積、剩余污泥各組分濃 度，以及排放污泥量。
全文摘要
本發(fā)明提供造紙廢水活性污泥法處理的仿真方法，包括測得廢水組分比例，建立造紙廢水活性污泥法處理過程的數(shù)學(xué)模型；建立生物反應(yīng)SIMULINK仿真模型和沉淀過程SIMULINK仿真模型；確定活性污泥法廢水處理仿真模型的過程參數(shù)和入水組分劃分軟測量模型；最后運行生物反應(yīng)SIMULINK仿真模型和沉淀過程SIMULINK仿真模型，并輸出仿真模型的仿真結(jié)果。本發(fā)明能對仿真模型的過程參數(shù)進行測定和修正，也可以對入水組分進行劃分，并且為造紙活性污泥法廢水處理系統(tǒng)設(shè)計、改造和控制方案的實施提供評價體系。
文檔編號C02F3/12GK101928064SQ201010247468
公開日2010年12月29日 申請日期2010年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月5日
發(fā)明者沈文浩, 陳小泉, 龍周 申請人:華南理工大學(xué)