活性污泥法污水处理过程建模与仿真研究

摘要

活性污泥法是目前使用的最广泛的污水生物处理的方法。由于采用微生物的生理特性对污水中的有机物进行净化,在处理过程中生化反应极其复杂,系统呈现出高度非线性、时变、不确定性和时滞等特点,导致污水处理过程的建模十分困难。自针对活性污泥法模型的研究开始以来,基于机理的模型一直是描述活性污泥法污水处理过程的重要渠道,它能够从本质上反映各个组分以及参数之间的映射关系。
　　 另外机理模型由于其明确的函数关系表达式,也有助于仿真软件的开发,能够使软件具备较强的通用性和实用性。由于国内尚未有通用的污水处理仿真软件,国外污水处理仿真软件的价格垄断,开发拥有自主知识产权的仿真软件能够极大的降低污水处理运行成本,为污水处理的实际运行寻求最优方案。
　　 本文的研究工作主要围绕以下几个部分开展:
　　 1.在深入研究IWAQ(国际水质协会)提出的ASM1(ActivatedSludgeModelNo.1)模型动力学特性的基础上,建立了曝气池模型。针对ASM1包含的反应过程和参数众多,不同的污水处理厂在进水水质,处理工艺以及构筑物的参数均存在很大差异,ASM1往往对实际工况无法有针对性应用的问题。本文结合合理依据,对ASM1模型的高阶微分方程进行了降阶处理,大大降低了模型的复杂程度和一些不可测因素的影响,有利于模型的应用和实时优化控制的实现。
　　 2.简化后的曝气池模型需要进行参数校正以保证模型的准确性。首先通过灵敏度分析找到对出水水质影响力最大的参数,接着采用神经网络的参数整定方法,参数在合理范围内整定后的模拟结果证明了模型的有效性和参数的准确性。另外,二沉池模型部分使用目前最为精确的分层模型,通过对比不同层数时模型的精度情况,结合计算成本,确定了合适的分层数。沉降速率方程采用Takacs双指数沉降方程,同样采用神经网络对方程中的参数进行整定。最后,通过组分之间的转化将曝气池和二沉池连接起来,构成活性污泥法的全流程模型。
　　 3.开发了基于传统活性污泥工艺的污水处理仿真软件,开发语言为Visualstudio2005平台下的C＃语言。软件实现了三个污水处理模型的仿真,并且在软件中能够使用其PID控制器对模型的变量进行简单控制,初步完成了污水处理通用软件所应具备的条件。该软件具备较强的扩展性和二次开发性,所有内部的模型和控制器均是以控件的形式灵活加载,能够快速升级各类组件,而不再需要开发新的平台。
　　 活性污泥数学模型概括了活性污泥工艺的理论基础和先进的设计思想,在污水处理的研究和设计中起到了不可忽视的作用。本课题建模部分有效的模拟了活性污泥法污水处理过程,并结合神经网络的模型的参数校正过程保证了其精确度。根据模拟系统对出水水质进行模拟预测,以保证出水水质的稳定性。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.1.1 课题背景

1.1.2 研究意义

1.2 活性污泥法污水处理过程模型研究现状

1.2.1 曝气池模型发展及现状

1.2.2 二沉池模型发展及现状

1.3 活性污泥法仿真技术研究现状

1.3.1 国外仿真软件的研究现状

1.3.2 国内仿真软件的研究现状

1.4 建模与仿真技术的前景分析

1.5 研究内容与论文安排

第2章 活性污泥法模型的建立

2.1 曝气池模型

2.1.1 理论基础

2.1.2 组分及生化反应过程

2.1.3 模型参数

2.1.4 降阶模型

2.2 二沉池模型

2.2.1 二沉池的分层

2.2.2 沉降速率方程

2.2.3 仿真研究

2.3 耦合模型

2.4 本章小结

第3章 模型参数校正与系统仿真

3.1 污水数据采集及组分划分

3.1.1 数据采集

3.1.2 组分划分方法

3.2 模型参数灵敏度分析

3.2.1 曝气池模型参数灵敏度分析

3.2.2 二沉池参数灵敏度分析

3.3 基于BP神经网络的系统模型参数校正

3.3.1 基于BP神经网络校正参数方法

3.3.2 曝气池参数校正

3.3.3 二沉池参数校正

3.3.4 动态模拟

3.4 本章小结

第4章 模型的可视化实现

4.1 软件系统设计

4.1.1 污水处理过程传统工艺的简化模型

4.1.2 曝气过程模型

4.1.3 控制器模块

4.2 软件界面设计

4.3 软件功能介绍及展示

4.3.1 污水处理过程仿真

4.3.2 过程曲线绘制

4.3.2 动态加载模型和控制器

4.4 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢