一种污水生物脱氮过程中氧化亚氮动力学模型的建模方法

摘要

本发明公开了一种污水生物脱氮过程中N

说明书

技术领域

本发明属于污水生物处理与资源化技术领域，特别涉及一种污水生物脱氮过程氧化亚氮动力学模型的建模方法。

背景技术

氧化亚氮（N₂O）作为一种强温室气体，可引起臭氧层的破坏并促进酸雨形成，在一定的气象条件下也很容易转化为二次颗粒污染物从而加重雾霾。因此N₂O对大气环境具有复合污染效应。污水生物处理过程被认为是N₂O产生的重要人为来源之一。因此，基于N₂O产生机理构建N₂O动力学模型具有重要的理论研究意义和工程应用价值。

目前国内仍未出现专门针对N₂O动力学模型的研究。相比之下，国外针对N₂O动力学模型的研究较为深入，但依然存在诸多亟待解决的问题，例如对N₂O的产生途径描述不够全面、对影响N₂O产生的关键因子分析不够深入等。与此同时，通过计算机模拟N₂O产生量的研究也相对较少。

由于ASM3号模型是国际水协提出的最新版活性污泥模型，具有一定的前瞻性与教育价值，同时也是目前更为合理的活性污泥模型基本架构。并且ASM3号模型充分肯定了“水解→储存→生长→内源呼吸作用”形式的代谢模式，符合当前对活性污泥中异养菌和自养菌代谢过程的研究。因此，基于ASM3建立的N₂O动力学模型将具有机理表达更加清楚、描述半反应过程更加细致、模型预测能力更加准确等优点。基于上述分析，本发明提出了一种污水生物脱氮过程N₂O动力学模型的建模方法以解决以上问题。

发明内容

本发明旨在解决上述问题。

为此，本发明的目的在于提出了一种污水生物脱氮过程氧化亚氮动力学模型的建模方法，其特征在于包括以下步骤：（1）全面分析N₂O的产生机理与产生途径，利用半反应方程式准确表达N₂O的产生机理与途径；（2）全面分析影响N₂O产生的各类工况条件，明确影响各类生化反应的关键因子；（3）基于活性污泥3号模型（ASM3）并根据已确定的半反应方程式与关键因子，利用化学计量学与能量转化关系，建立模型的矩阵表达形式进而建立基于ASM3的N₂O动力学模型；（4）利用MATLAB最优化算法，对建模过程中的未知参数进行参数估计与参数识别，并确定未知参数的置信区间；（5）在参数确定之后，利用MATLAB数学软件编写程序对N₂O动力学模型进行动态模拟，并对动力学和化学计量学参数进行灵敏度分析，找出对模型模拟效果影响最大的关键参数并进行修改；（6）基于MATLAB图形用户界面设计，建立N₂O动力学模型动态模拟软件；

根据本发明提出的模型建立方法，可以建立更加全面、准确的N₂O动力学模型。另外，根据本发明所提出的建模方法，还可具有如下附加技术特征：

进一步的，步骤（1）中所述的N₂O的产生途径有AOB反硝化、异养菌反硝化、NOH化学分析、微生物衰减过程。

进一步的，步骤（2）中所述的工况条件与关键因子有溶解氧、pH值、温度、COD/N比、NO₂^-浓度。

进一步的，步骤（4）中所述的MATLAB最优化算法为非线性最小二乘法，并可得到95%的置信区间。

进一步的，步骤（5）中所述的动态模拟程序算法为四五阶Runge-Kutta算法和基于数值差分的可变阶算法（BDFs，Gear）；所述的灵敏度分析为最常用的相对灵敏度函数S_jⁱ。

本发明是基于ASM3号模型并利用MATLAB软件提出的N₂O动力学模型的建模方法。本发明既全面考虑了N₂O产生途径，也注重微生物生长衰减和主要环境因素对N₂O产生的影响；既利用MATLAB软件对模型进行参数拟合和矫正，也开发了N₂O动态模拟软件。此外，本发明技术方案思路清晰简单，通过合理利用MATLAB软件可大大节约建模时间和成本。

附图说明

图1是本发明提出的一种污水生物脱氮过程氧化亚氮动力学模型的建模方法的流程示意图。

具体实施方式

图1是本发明提出的一种污水生物脱氮过程氧化亚氮动力学模型的建模方法的流程示意图，以下结合附图详细阐述N₂O动力学模型的建模方法中各个步骤：

步骤（1）：全面分析N₂O的产生机理与产生途径，利用半反应方程式准确表达N₂O的产生机理与途径。

具体的，通过分析总结实验和文献数据可知，当环境条件影响NOR生物酶的活性时会导致N₂O的产生，并且N₂O的产生途径主要有AOB反硝化、异养菌反硝化、NOH化学分析和微生物衰减过程。在明确了N₂O的产生机理与产生途径之后，即可利用半反应方程式准确表达出N₂O的产生机理与产生途径。

步骤（2）：全面分析影响N₂O产生的各类工况条件，明确影响各类生化反应的关键环境因子。

具体的，通过分析总结实验和文献数据可知，导致N₂O产生最本质的原因即NOR生物酶失活或活性降低。而导致NOR生物酶失活或活性降低的工况条件和关键因子主要有溶解氧、pH值、温度、COD/N比、NO₂^-浓度。

步骤（3）：基于活性污泥3号模型（ASM3）并根据已确定的半反应方程式与关键因子，利用化学计量学与组分间能量转化关系，建立模型的矩阵表达形式进而建立基于ASM3的N₂O动力学模型。

具体的，在完成步骤（1）和步骤（2）之后，利用化学计量学与组分间能量转换关系，在ASM3号模型的架构中增加与N₂O产生有关的物质组分和反应速率方程。进而表达N₂O动力学模型，同时ASM3号模型得到相应的扩展。

步骤（4）：利用MATLAB最优化算法，对建模过程中的未知参数进行参数估计与参数识别，并确定未知参数的置信区间。

具体的，在构建完基于ASM3模型的N₂O动力学模型后，利用MATLAB最优化算法，对新建模型中的未知参数进行拟合求解，并得到未知参数95%的置信区间。其应用的主要算法为非线性最小二乘法。

步骤（5）：在参数确定之后，利用MATLAB数学软件编写程序对N₂O动力学模型进行动态模拟，并对动力学和化学计量学参数进行灵敏度分析，找出对模型模拟效果影响最大的关键参数并进行修改。

具体的，利用MATLAB对N₂O动力学模型进行动态模拟时，主要调用的程序为四五阶Runge-Kutta算法和基于数值差分的可变阶算法（BDFs，Gear）。当对参数进行灵敏度分析时，主要运用的是相对灵敏度函数S_jⁱ。

步骤（6）：基于MATLAB图形用户界面设计，建立N₂O动力学模型动态模拟软件。

具体的，当完成N₂O动力学模型建立的各项基本工作之后，将之前编写的各类程序进行整合，再利用MATLAB进行图形用户界面设计，使模型与用户的交互方式更加简单便捷。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。因此凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。