一種用于硝化階段穩(wěn)態(tài)求解的活性污泥模型及求解方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于硝化階段穩(wěn)態(tài)求解的活性污泥模型及求解方法，包括以下步驟：（1）對ASM3號模型進(jìn)行合理簡化并構(gòu)建其化學(xué)計量學(xué)矩陣和過程速率方程；（2）耦合亞硝酸鹽（NO2?）氧化過程和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌（NOB）生長衰減過程，并借鑒ASM3號模型，構(gòu)建其化學(xué)計量學(xué)矩陣和過程速率方程；（3）根據(jù)模型構(gòu)建出各組分的物料平衡方程，并利用MATLAB數(shù)學(xué)軟件求出各組分的解析解，再將各類參數(shù)和工況條件代入，最終確定模型中各組分的濃度。本發(fā)明可以用于硝化階段的穩(wěn)態(tài)求解，也可用于動態(tài)模擬時的初值確定，因此本發(fā)明構(gòu)建的活性污泥模型具有很強(qiáng)的實用性。
【專利說明】
一種用于硝化階段穩(wěn)態(tài)求解的活性污泥模型及求解方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于污水生物處理與資源化技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于硝化階段穩(wěn)態(tài)求 解的活性污泥模型及求解方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在污水處理過程中，當(dāng)入流和工藝條件不隨時間變化時，污水處理設(shè)施內(nèi)的各組 分濃度保持不變或者在較小的范圍內(nèi)變化，此時處理系統(tǒng)既處于穩(wěn)態(tài)。而研究污水穩(wěn)態(tài)處 理過程可以實現(xiàn)對污水廠前期設(shè)計及后期動態(tài)模擬的初值確定。與此同時，對于傳統(tǒng)污水 處理中氮素的去除過程，其首先進(jìn)行的既是好氧硝化階段，因此構(gòu)建一種更符合現(xiàn)代研究 理論的用于硝化階段穩(wěn)態(tài)求解及動態(tài)模擬初值確定的活性污泥模型將更有利于對此后氮 素去除過程的模擬，同時也將對整個硝化反硝化過程的穩(wěn)態(tài)模型構(gòu)建提供思路和借鑒。
[0003] 目前國內(nèi)外構(gòu)建了大量基于國際水協(xié)提出的活性污泥1號模型（ASM1)的穩(wěn)態(tài)模 型，但由于1號模型自身的建模理論相比于目前研究成果相對落后，并且由于現(xiàn)代污水處理 工藝需要對氮素去除過程進(jìn)行更細(xì)致的描述，這使得相對簡單地1號模型并不能很好的滿 足其的模擬要求。與此同時，目前相對缺少對于硝化階段穩(wěn)態(tài)模型的計算方法，或者已有的 活性污泥計算軟件其求解成本過高，因此，構(gòu)建一種即符合當(dāng)代研究理論，又能對各類含氮 化合物進(jìn)行細(xì)致描述，同時可以方便求解的硝化階段穩(wěn)態(tài)活性污泥模型具有重要的理論研 究意義和工程應(yīng)用價值。
[0004] 由于活性污泥3號模型(ASM3)是國際水協(xié)提出的最新版活性污泥模型，具有一定 的前瞻性與教育價值，同時ASM3號模型充分肯定了水解和內(nèi)源呼吸理論，更符合當(dāng)前對活 性污泥中異養(yǎng)菌和自養(yǎng)菌代謝過程的研究。因此，本發(fā)明旨在構(gòu)建一種基于對ASM3模型合 理簡化，并耦合更細(xì)致的氮素去除過程的可用于硝化階段穩(wěn)態(tài)求解的活性污泥模型。同時 也可利用MATLAB數(shù)學(xué)軟件實現(xiàn)對穩(wěn)態(tài)模型的求解。基于上述分析，本發(fā)明提出了一種用于 硝化階段穩(wěn)態(tài)求解的活性污泥模型及求解方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明旨在解決上述問題。
[0006] 為此，本發(fā)明的目的在于提出一種用于硝化階段穩(wěn)態(tài)求解的活性污泥模型及求解 方法，其特征在于包括以下步驟:（1)對ASM3號模型進(jìn)行合理簡化并構(gòu)建其化學(xué)計量學(xué)矩陣 和過程速率方程；（2)耦合亞硝酸鹽(N0；T)氧化過程和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌(N0B)生長衰減過 程，并借鑒ASM3號模型，構(gòu)建其化學(xué)計量學(xué)矩陣和過程速率方程；（3)根據(jù)模型構(gòu)建出各組 分的物料平衡方程，并利用MATLAB數(shù)學(xué)軟件求出各組分的解析解，再將各類參數(shù)和工況條 件代入，最終確定模型中各組分的濃度； 另外，根據(jù)本發(fā)明所提出的硝化階段穩(wěn)態(tài)求解的活性污泥模型及求解方法，還可具有 如下附加技術(shù)特征： 進(jìn)一步的，步驟（1)中所述的對ASM3號模型進(jìn)行簡化并構(gòu)建其化學(xué)計量學(xué)矩陣和過程 速率方程包括：只保留COD好氧貯存、異養(yǎng)菌好氧生長、異養(yǎng)菌好氧內(nèi)源呼吸、XSTO有氧呼吸 四個過程，同時只保留35、5_、乂挪上這4個組份，并且認(rèn)為在整個硝化過程中溶解氧含量是 充足的。
[0007] 進(jìn)一步的，步驟（2)中所述的耦合亞硝酸鹽(NOD氧化過程和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌 (N0B)生長衰減過程包括在硝化階段，認(rèn)為NH4+首先被氨氧化菌(A0B)氧化為N0：T，而N0：T再 被N0B氧化成N(V以完成整個硝化過程，同時利用內(nèi)源呼吸理論體現(xiàn)A0B和N0B的衰減過程， 并且認(rèn)為在整個硝化過程中溶解氧含量是充足的； 進(jìn)一步的，步驟(2)中所述的借鑒ASM3號模型構(gòu)建其化學(xué)計量學(xué)矩陣和過程速率方程 包括增加3順^〇3^〃四個組份，并相應(yīng)增加硝化（1)、硝化(2)^08有氧內(nèi)源呼吸、勵8有 氧內(nèi)源呼吸四個反應(yīng)過程； 進(jìn)一步的，步驟(3)中所述的求出各組分的解析解包括通過對模型中各組分建立物料 平衡方程，利用MATLAB數(shù)學(xué)軟件中的'solve'函數(shù)求出各組分的解析解，并通過已知的動力 學(xué)和化學(xué)計量學(xué)參數(shù)，加之運(yùn)行工況條件，從而最終確定各組分的濃度。
[0008] 本發(fā)明是基于對ASM3模型的合理簡化，通過耦合亞硝酸鹽(NOD氧化過程和亞硝 酸鹽氧化細(xì)菌(N0B)生長衰減過程，構(gòu)建的一種用于硝化階段穩(wěn)態(tài)求解的活性污泥模型，并 利用MATLAB數(shù)學(xué)軟件實現(xiàn)對穩(wěn)態(tài)模型的求解。
【附圖說明】
[0009] 圖1是本發(fā)明提出的一種硝化階段穩(wěn)態(tài)求解的活性污泥模型及求解方法的流程示 意圖。
【具體實施方式】
[0010] 圖1是本發(fā)明提出的一種硝化階段穩(wěn)態(tài)求解的活性污泥模型及求解方法的流程示 意圖，以下結(jié)合附圖詳細(xì)闡述硝化階段穩(wěn)態(tài)求解的活性污泥模型及求解方法中各個步驟： 步驟(1):對ASM3號模型進(jìn)行合理簡化并構(gòu)建其化學(xué)計量學(xué)矩陣和過程速率方程。
[0011] 具體的，保留ASM3號模型中C0D好氧貯存、異養(yǎng)菌好氧生長、異養(yǎng)菌好氧內(nèi)源呼吸、 XST0有氧呼吸四個過程和35、3^4 4^〇、乂11這4個組份，并且認(rèn)為在整個硝化過程中溶解氧含 量是充足的，其各組分的化學(xué)計量學(xué)矩陣如表1所示。
[0012] 表1七、3順4、乂5了〇、乂[1組份的化學(xué)計量學(xué)矩陣
其相應(yīng)過程的速率方程如下所示： Rl=ksT0*Ss*XH/(Ks+Ss) R2=uh*Snh4* Xsto/Xh *Xh/(Knh4+Snh4)/(Ksto+Xsto/Xh) R3=bH02*XH R4=bsT002*XsT0 其中Ss表不污水中有機(jī)物組分;SNH4表不污水中NH4+組分;Xstq表不胞內(nèi)儲藏物組分;Xh 表不異養(yǎng)菌；同時本步驟共包含4個化學(xué)計量學(xué)系數(shù)（iN,ss、丨〃，、￥511),02、￥[1,02)和7個動力學(xué) 參數(shù)(1?11)、1(5、11[1、1^4、1(511)、13[102上11)02)，這些參數(shù)都可以根據(jù)需要從試驗或文獻(xiàn)中獲得。
[0013] 步驟(2):耦合亞硝酸鹽(N02-)氧化過程和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌(NOB)生長衰減過程， 并借鑒ASM3號模型，構(gòu)建其化學(xué)計量學(xué)矩陣和過程速率方程。
[0014] 具體的，NH4+首先被氨氧化菌（A0B)氧化為N〇2-，而N〇2-再被亞硝酸鹽氧化細(xì)菌 (N0B )氧化成N〇3_以完成整個硝化過程，同時利用內(nèi)源呼吸理論體現(xiàn)A0B和N0B的衰減過程， 并且認(rèn)為在整個硝化過程中溶解氧含量是充足的；同時增加了3關(guān)、5關(guān)上上四個組份和硝 化（1)、硝化(2)、A0B有氧內(nèi)源呼吸、N0B有氧內(nèi)源呼吸四個反應(yīng)過程，其各組分的化學(xué)計量 學(xué)矩陣如表2所示。
[0015] 表2:3即2、3關(guān)^〃組份的化學(xué)計量學(xué)矩陣
其相應(yīng)過程的速率方程如下所示： R5=UA*SnH4*Xa/(KanH4+S_) R6=UN*Sn〇2*Xn/(K_2+Sn〇2) R7=bA〇2*XA R8=bN〇2*XN 其中Sn〇2表不污水中N〇2-組分;Sn〇3表不污水中N〇3-組分;Xa表不氨氧化菌;Xn表不亞硝 酸鹽氧化細(xì)菌；同時本步驟共包含2個化學(xué)計量學(xué)系數(shù)(YA、YN)和6個動力學(xué)參數(shù)(u A、KANH4、 UN、K_2、bAQ2、bNQ2)，這些參數(shù)都可以根據(jù)需要從試驗或文南犬中獲得。
[0016] 步驟(3):根據(jù)模型構(gòu)建出各組分的物料平衡方程，并利用MATLAB數(shù)學(xué)軟件求出各 組分的解析解，再將各類參數(shù)和工況條件代入，最終確定模型中各組分的濃度。
[0017] 具體的，通過對模型中各分組建立物料平衡方程，利用MATLAB中'solve'函數(shù)求解 一組非線性方程，進(jìn)而得出各組分的解析解，再根據(jù)需要將相關(guān)動力學(xué)和化學(xué)計量學(xué)參數(shù) 代入到方程中，并確定相關(guān)運(yùn)行工況參數(shù)，從而得出各組分最終濃度。
[0018] 以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此凡在 本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù) 范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種用于硝化階段穩(wěn)態(tài)求解的活性污泥模型及求解方法，其特征在于，包括以下步 驟： 步驟(1):對ASM3號模型進(jìn)行合理簡化并構(gòu)建其化學(xué)計量學(xué)矩陣和過程速率方程； 步驟(2):耦合亞硝酸鹽(ΝΟ：Γ)氧化過程和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌(NOB)生長衰減過程，并借 鑒ASM3號模型，構(gòu)建其化學(xué)計量學(xué)矩陣和過程速率方程； 步驟(3):利用MATLAB數(shù)學(xué)軟件求出各組分的解析解并進(jìn)行相應(yīng)計算。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于硝化階段穩(wěn)態(tài)求解的活性污泥模型及求解方法，其 特征在于，步驟（1)中所述的對ASM3號模型進(jìn)行合理簡化包括COD好氧貯存、異養(yǎng)菌好氧生 長、異養(yǎng)菌好氧內(nèi)源呼吸、XST0有氧呼吸四個過程和Ss、Snh4、Xstq、Xh四個組份，包括4個化學(xué) 計量學(xué)系數(shù)<^,55、1^"、￥51!),02、丫11,02)和7個動力學(xué)參數(shù)(1?11)、1(5、11[1、1(順4、1(511)、13[102、匕511)02)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于硝化階段穩(wěn)態(tài)求解的活性污泥模型及求解方法，其 特征在于，步驟(1)中所述的構(gòu)建其過程速率方程為： Rl=ksT〇*Ss*XH/(Ks+Ss) R2=uh*Snh4* Xsto/Xh *Xh/(Knh4+Snh4)/(Ksto+Xsto/Xh) R3=bH〇2*XH R4=bsTQC)2*XsT0 〇4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于硝化階段穩(wěn)態(tài)求解的活性污泥模型及求解方法，其 特征在于，步驟(2)中所述的耦合亞硝酸鹽(ΝΟΓ)氧化過程和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌(NOB)生長 衰減過程包括S NQ2、SNQ3、ΧΑ、Χ Ν四個組份和硝化（1)、硝化(2)、A0B有氧內(nèi)源呼吸、NOB有氧內(nèi)源 呼吸四個反應(yīng)過程，同時包含2個化學(xué)計量學(xué)系數(shù)(Ya、Yn)和6個動力學(xué)參數(shù)(ua、Kanh4、un、 K_02、bA02、bN02) 〇5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于硝化階段穩(wěn)態(tài)求解的活性污泥模型及求解方法，其 特征在于，步驟(2)中所述的過程速率方程為： R5=UA*S_*Xa/(KaNH4+SnH4) R6=UN*Sn〇2*Xn/(K_2+Sn〇2) R7=bA〇2*XA R8=bNQ2*XN。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于硝化階段穩(wěn)態(tài)求解的活性污泥模型及求解方法，其 特征在于，步驟(3)中所述的利用MATLAB數(shù)學(xué)軟件是指通過對模型中各分組建立物料平衡 方程，利用MATLAB中'solve'函數(shù)求解一組非線性方程，進(jìn)而得出各組分的解析解，再根據(jù) 需要將相關(guān)動力學(xué)和化學(xué)計量學(xué)參數(shù)代入到方程中，并確定相關(guān)運(yùn)行工況參數(shù)，從而得出 各組分最終濃度。
【文檔編號】G06F17/11GK106055521SQ201610425387
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月16日
【發(fā)明人】張守彬, 劉玉田, 邱立平, 鐘敬秀, 王嘉斌, 謝康
【申請人】濟(jì)南大學(xué)