CN101540008A - 基于hpp元胞自动机模型的活性污泥净化过程的模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于HPP格子气元胞自动机模型的污水处理净化过程的模拟方法，包括以下步骤：建立活性污泥系统中相应的初始模型，并初始化元胞状态；设置边界点；根据初始模型确定演化规则；其中包括粒子的反应过程；反应过程包括：粒子吸附、粒子分解代谢、粒子合成代谢、内源呼吸。本方法立足于人工生命系统，基于HPP格子气元胞自动机模型设计了活性污泥细胞自动机演化规则，并进行了演化实现。模拟了微生物吸附分解有机物的情况，并很好地模拟了活性污泥生长模式曲线的对数期、减速增长期和内源呼吸期，也很好的模拟了BOD有机物的降解曲线。对于进一步认识和理解污水生物处理的过程具有指导作用。

Description

基于HPP元胞自动机模型的活性污泥净化过程的模拟方法

技术领域

本发明涉及一种活性污泥净化过程的模拟方法，特别涉及一种基于HPP格子气元胞自动机模型的活性污泥净化过程的模拟方法，该方法对于污水处理过程分析和控制器的设计具有重要的价值，属于智能科学与环境工程学科领域。

背景技术

活性污泥法净化废水的过程实质是有机物作为营养物质被活性污泥微生物摄取、代谢与利用的过程，即“活性污泥反应”的过程。这一过程的结果是废水得到净化，微生物获得能量合成新的细胞，使活性污泥得到增长。在这一过程中，发生了复杂的生化反应，整个活性污泥系统表现出多样性、随机性、不确定性、强非线性、大时变性等复杂系统的特征，使得模型建立异常困难。

目前活性污泥系统的模型可分为传统数学模型、智能模型以及混合模型。传统的数学模型以国际水污染控制协会废水生物处理设计与运行数学模型课题组提出的ASM系列模型为代表，尽管这些模型可以描述生化过程的动态特性，但是这些模型的设计是相当困难，主要因为模型中含有严重的不确定性、时变、非线性等因素。模型中许多定量关系是由经验得到的，未知参数多，不确定参数在不同的环境呈现不确定变化。智能建模方法与经典数学建模方法相比并非优越，只是当对问题的机理不甚了解或不能用数学模型表明的系统，智能建模往往是最有利的工具。智能建模主要的建模方法有：模糊建模、模糊神经网络建模、递归神经网络建模、BP神经网络建模、RBF径向基神经网络建模，但是这种类似“黑匣子”的建模方法限制了人们对污水生物处理机理的认识和研究。将神经网络模型和数学模型相结合，就形成所谓的混合模型，它综合了两者的优势，但是增加了模型的复杂性，也并没有克服两种模型的缺陷，不利于活性污泥系统的控制和应用。

同时，上述的各种模型表明人们尚未能用复杂系统和生命系统的观点去认识和理解活性污泥系统，因此所建立的各种模型均未能表现活性污泥生长的复杂性和曝气池内微生物演化的复杂过程，无法反映出作为复杂的自然生命系统的活性污泥法系统的典型特征，不能实现污水处理过程的可视化，在动态模拟能力、微生物动力学行为方面也存在很多不足和缺陷，从而限制了人们对其生物机理的认识和研究，不利于活性污泥系统的控制和应用。

发明内容

本发明的目的是利用HPP格子气元胞自动机仿真实现活性污泥系统曝气池内有机物作为营养物质被活性污泥微生物摄取、代谢与利用的过程，解决现有的模型难以克服活性污泥系统的复杂性的问题。可以从生物角度有效地模拟污泥扩散、吸附和代谢的复杂过程。本发明主要是针对有机物的去除和微生物的增长，对其进行分析利用，调整微生物和有机物的浓度可以用于指导建立更加精确的活性污泥扩散、吸附和代谢的模型。

本发明采用了如下的技术方案及实现步骤：

1.本发明是基于HPP格子气元胞自动机模型的，包括以下步骤：

(1)首先要建立活性污泥系统中相应的初始模型，并初始化元胞状态。

由于传统活性污泥系统连续进水且水质稳定，即每次有机物浓度和回流污泥浓度不变，每个横截面的演化过程相同，所以本设计采用二维元胞自动机模拟横截面的演化过程。以N×N的坐标作为二维的空间，N代表坐标轴的最大值。将该坐标轴划分为M×M个结点作为初始模型。每个结点的状态表示粒子的存在或不存在。四个格子组成的方形格子代表一个元胞，元胞的状态由中心结点和相邻的东、南、西、北四个扩散结点的结点状态决定。

由于活性污泥法净化废水的过程实质是有机物污染物作为营养物质被活性污泥微生物摄取、代谢与利用的过程，所以本设计通过有机物粒子和微生物粒子两类粒子来描述污水净化过程。微生物粒子的状态表示为2，当它占据元胞的中心结点时，具有吸附有机物粒子的功能，表示已经驯化好的微生物，是静止的；当它占据元胞的扩散结点时，不具有吸附功能，表示新生成的微生物粒子。有机物粒子位于扩散结点上，当它被微生物吸附时，用状态3表示，该粒子静止；当它自由扩散时，用状态1表示。粒子不存在或为气体和水时，用状态0表示。对于每个结点，最多有一个粒子，为了满足排他原理。

初始化每个元胞的状态：微生物粒子为吸附粒子，且质量浓度比有机物粒子大很多，相对于有机物粒子，微生物的运动比较慢，所以设计中初始的微生物粒子作为静止粒子。根据微生物的浓度和M的大小，所有的初始微生物粒子以相同的质量浓度均匀的分布在元胞的中心节点。有机物粒子为扩散粒子，由于曝气的作用，进入曝气池的污水会均匀的分布在反应池中。根据有机物的浓度和M的大小，所有的有机物粒子以相同的质量浓度均匀的分布在元胞的四个扩散结点上，且每个扩散粒子的运动方向是随机的。元胞的中心结点的最初状态只有状态0和2；四个扩散结点最初状态只有0和1，状态3和2是在反应开始后才出现的。在合成代谢中，微生物每分解1kg有机物将合成Y_obs×1kg微生物物质(Y_obs为产率系数，一般为0.5～0.65)，所以合成的微生物的单粒子浓度为Y_obs×S，S为有机物的单粒子浓度，因此生成微生物的单粒子浓度与有机物单粒子浓度接近，又由于新生成的微生物粒子吸附能力差，且位于扩散结点上，所以属于扩散粒子。

(2)边界条件的设置：由于每个元胞的状态都是由它所包含的结点的状态决定的，所以边界点可作为元胞内四个扩散结点的某个结点，且当粒子运动到边界点时，它会与边界点碰撞，发生180°转动，即下一时步该粒子将反方向运动。

(3)演化规则的确定，具体演化过程如下：

对于每个元胞，本发明采用三大类情况对其进行分析。

第一类：元胞内的中心结点没有粒子，且四个扩散结点也没有已被吸附的粒子。则该元胞内的粒子将按照以下扩散规则进行运动。a1，b1，c1，d1分别表示元胞的东，南，西，北四个扩散结点的状态，用m和0表示(m表示存在有机物粒子或生成的微生物粒子，其值为1或2；0表示该结点不存在粒子)。S(r，t)为当前时刻元胞的状态，S(r，t)＝(a1 b1 c1 d1)，S(r，t+1)为下一时刻元胞的状态。

表1：

S(r，t)	0000	000m	00m0	00mm	0m00	0m0m	0mm0	0mmm
									S(r，t+1)	0000	0m00	m000	mm00	000m	m0m0	m00m	mm0m
S(r，t)	m000	m00m	m0m0	m0mm	mm00	mm0m	mmm0	mmmm
									S(r，t+1)	00m0	0mm0	0m0m	mmm0	00mm	0mmm	m0mm	mmmm

粒子的扩散运动按表格1的规则进行演化，由于各方向上的速度大小一样，所以扩散规则保持粒子数守恒与能量守恒。从表中，我们可以看出，在无碰撞时，下一时刻粒子按它们初始指定的方向移动一个格位。在有碰撞时，粒子之间的变化遵循动量守恒，且每一步移动一个元胞格位。

第二类：元胞的中心结点没有粒子，其它四个结点中有已被吸附的粒子。由于被吸附的粒子是静止不动的，根据排他原理，它们对于其它的运动粒子都是排斥的，但该元胞内的粒子数守恒，并按以下规则进行运动。

当只有一个扩散结点上有已被吸附的粒子时，如S(r，t)＝(a1 b1 3 d1)。3表示该结点存在已被吸附的粒子。则扩散规则如下表：

表2

S(r，t)	0m3m	0m30	003m	m030	m03m	mm30	mm3m	0030
									S(r，t+1)	0m3m	003m	0m30	003m0m30	0m3m	0m3m	mm3m	0030

从表2的规则中可以看出，当a1＝0，即c1结点相反方向的结点上没有粒子，有两种情况：如果b1与d1都为m，则下一时刻两粒子在中心点碰撞返回到原来位置，方向与原来相反；如果b1与d1有一个为0，则下一时刻其中一个粒子将运动一个元胞格位到达另一结点位置。当a1＝m，会出现三种情况：如果b1与d1都为m状态，下一时刻三粒子将在中心点碰撞，各自返回到原来的位置，方向与原来相反；如果b1与d1有一个为0，下一时刻a1结点粒子将与另一粒子碰撞，并且方向改变90度进入另一个为0状态的结点位置，为m状态的粒子将返回原来的位置。如果b1与d1都为0，则下一时刻a1以1/2概率随机的进入b1或d1的结点位置。这个规则适合该条件下的任何扩散结点。

当有两个扩散结点上有已被吸附的粒子时，如S(r，t)＝(3 b1 3 d1)(两粒子是相对的)或S(r，t)＝(a1 3 3 d1)(两粒子是相邻的)。规则如下：

表3

S(r，t)	033m	m33m	0330	m330	303m	3030	3m30	3m3m
									S(r，t+1)	m330	m33m	0330	033m	3m30	3030	303m	3m3m

这个规则适合于该条件下的任何结点。

当有三个扩散结点上有已被吸附的粒子时，如果该元胞内有扩散粒子，下一时刻该粒子将在原有位置不动，但是运动方向与原来相反。

以上两类情况主要描述的是粒子的扩散运动，扩散运动将一直持续到反应结束。第三类情况将要描述的是微生物与有机物的生化反应过程，是本设计的重点。

第三类：元胞内的中心结点有微生物粒子。此时元胞的四个扩散结点的粒子，可能经历吸附、分解代谢、合成代谢、内源呼吸四个过程。这些过程的动力特性是基于经典的Eckenfelder活性污泥法动力学模型。

吸附过程：只有经历此过程的粒子，才可能经历其他三个过程。当此时F/M(有机污染物量与活性污泥量的比值)大于0.1时，此过程才可能发生，该值是基于Eckenfelder模型。如果满足这个条件，且该元胞的其它四个扩散结点的状态存在1，即有扩散有机物粒子时，下一时刻该粒子被吸附，结点状态变为3。

分解代谢：该过程为合成代谢提供能量。当此时F/M大于0.1，且合成代谢没有能量时，随机的选择一个吸附粒子，将其分解成CO₂、水和能量，下一时刻该结点的状态变为0。

合成代谢：该过程消耗能量，是微生物增长阶段。当此时F/M大于0.1，并且有能量时，随机的选择一个吸附粒子，将其合成微生物，下一时刻该结点状态变为2。并且每分解一个有机物颗粒生成的能量，可以供微生物合成两个微生物颗粒。此过程微生物的增长量为：

当F/M＞2时，活性污泥微生物处于对数增长阶段：

ΔX＝K₁XΔT

式中ΔX为微生物的增加量，mg/L；

    X为T时刻微生物的浓度，mg/L；

    K₁为活性污泥微生物对数增长速率常数d^-1，其值约为2～7d^-1；

    ΔT为离散时间差。

当2＞F/M＞0.1时，活性污泥微生物处于减速增殖期阶段：

ΔS＝K₂XSΔT

ΔX＝Y_obsΔS

式中ΔS为底物浓度的减少量，mg/L；

    S为T时刻底物浓度，mg/L；

    K₂为活性污泥微生物减数增长速率常数d^-1，生活污水中K₂值约为0.0168～0.0281d^-1；

Y_obs为表观产率系数，即去除单位底物实际生成的微生物量，生活污水一般取0.5～0.65。

内源呼吸：当此时F/M小于0.1时，进入内源呼吸阶段。在此阶段，由于微生物内源呼吸作用，活性污泥微生物量减少，减少的量为：

ΔX＝K_dXΔT

ΔX为微生物的减少量，mg/L；

K_d为活性污泥微生物衰减常数d^-1，活性污泥中平均为0.06d^-1。

活性污泥处理系统运行的基本条件是：废水中需含有微生物所需的C、N、P等营养物质及微量元素；混合液中要含有足够的氧；活性污泥与废水应充分接触；废水中含有的有毒污染物质的量应足够低，对微生物不能构成抑制作用；活性污泥需连续回流，并及时排放剩余污泥，使混合液保持适量的活性污泥。微生物生长的环境因素：大部分微生物适宜的温度是20～40℃；大多数微生物在PH值为6.5～8之间生长较好；微生物的营养主要有碳源、氮源、磷等；污水中的有毒物质会破坏微生物的元胞膜和体内酶，使酶失去活性，影响污水处理效果。根据上述条件，在实际应用过程中，为保证微生物正常的代谢过程，具体要求：曝气池的进水只限于生活污水。因为生活污水的营养源中的C、N、P比例符合微生物生长所需的营养物的比例，可为微生物提供充分的养分；曝气池中溶解氧的浓度充足，进水中无有毒物质，并且系统运行温度控制在20～30℃，PH值在6.5～8之间，保证酶的活力和微生物的生长繁殖状态最好。

本发明模拟的是曝气池内有机物与微生物之间的吸附和代谢过程，以及BOD有机物的扩散过程。主要是针对有机物的去除和微生物的增长。该模型是以微生物和BOD有机物为研究对象，从宏观上模拟微生物在污水处理中的生长、繁殖、衰亡情况以及有机物的去除情况。对其分析可供进一步研究之用，比如可以通过调整微生物和有机物的浓度达到更好的去除，可以建立更加精确可靠的模型。

本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

与传统方法相比，本发明方法首次利用HPP格子气元胞自动机模拟实现有机物作为营养物质被活性污泥微生物摄取、代谢与利用的过程，解决现有的模型难以克服活性污泥系统的复杂性的问题；本发明使得活性污泥系统宏观的演化行为更为明晰和易于把握，便于人们对污水生物处理的认识和理解；对其进行分析利用，可以用于建立更加精确的动态的活性污泥扩散、吸附和代谢的模型。

附图说明

图1为元胞的结构示意图；黑色圆圈表示中心结点，白色圆圈表示扩散结点

图2a为微生物的初始状态示意图；

图2b～h为有机物的反应过程的示意图；2b～h表示时间的增加

图2a中1×1的二维空间表示污水处理的反应器，“◆”表示微生物。该图表示初始微生物均匀的分布在曝气池中，由于它的质量远大于有机物粒子浓度，并且是吸附粒子，所以图2a中的微生物是静止粒子；图2b中“*”表示有机污染物颗粒，该图表示初期有机污染物进入反应器，并均匀分布在反应器中，与微生物共存；图2c、d、e、f表示微生物的增殖期，同时也是有机物的降解期。从图中，我们可以看出，随着时间的增加，有机物粒子数不断减小，微生物粒子数不断增加，这表明：微生物不断利用有机物作为营养物质，将其一部分利用分解代谢分解掉，一部分利用合成代谢合成自身的物质，从而使污水得到净化；图2g、h是微生物的内源呼吸期。随着有机物浓度的不断减少和微生物浓度的不断增加，微生物的营养物质越来越少。活性污泥微生物由于得不到充足的营养物质，而开始大量地利用自身内贮存的物质或衰亡菌体进行内源呼吸以维持生命活动。在内源呼吸期，可以看到一些有机物颗粒，但这些颗粒并不是都没有被去除。由于此阶段，微生物的能量比较低，所以部分在吸附期吸附的有机物不能被代谢掉，但是被吸附的有机物会在二次沉淀池中随着微生物一起沉降，从而去除。所以这部分有机物属于被去除的有机物。

图3a为有机物的降解曲线示意图；

初始时刻，由于有机物未充分适应基质条件，有个迟缓期。随后，在较短的时间内，有机物被大量的吸附，去除速率比较快。之后，有机物一部分通过分解代谢分解为CO₂、水和能量，产生的能量为合成代谢做准备；一部分被合成微生物物质。随着F/M的比值越来越小，有机物的去除率越来越慢。当F/M比值达到稳态时，污泥进入内源呼吸期，有机物的量不再减少。从图中我们看到有机物的去除率达到了90％以上，与理论值基本相符。

图3b为活性污泥的生长曲线示意图；

图中，由于该实验F/M初始比值是0.8421，所以活性污泥没有经过对数增殖期，只是当时间不断增加时，由于F/M比值越来越小，活性污泥的增殖速率不断减小，活性污泥处于减速增殖期。当活性污泥的浓度达到2570mg/L左右时，污泥的增长速率减小到0，然后污泥进入内源呼吸期，污泥浓度开始缓慢减小。该曲线很好地模拟了活性污泥生长模式曲线的增殖期、静止期和衰亡期，与理论上的活性污泥生长模式曲线基本一致。

具体实施方式

以下结合具体实施方式以对本发明进行详细的说明：

现以某城市的生活污水处理作为实施例，某日排污水量为20000m³，原污水中混合液的污泥质量浓度为2500mg/L，进水的BOD浓度为200mg/L，反应器的容积为1900m³。

本实施例的实现包括三个步骤：

1.本发明是基于HPP格子气元胞自动机规则的，首先要建立活性污泥系统中相应的初始模型，并初始化元胞状态。

以1×1的坐标作为二维空间，将该坐标划分为101×101个结点作为初始模型。

元胞的状态：r元胞、t时步的状态表示为s(r，t)＝(xxxxx)，中心结点的状态由左边第一位决定，该结点只能被微生物粒子占据。微生物粒子存在为2状态，不存在为0状态；其他四个扩散结点表示有机物粒子或生成的微生物粒子，粒子是扩散有机物，为1状态；粒子是生成的微生物，为2状态；粒子是已被吸附的有机物，为3状态；粒子不存在或为气体和水时，为0状态。对于每个结点，最多有一个粒子，为了满足排他原理。

初始化每个元胞的状态：微生物粒子为吸附粒子，根据微生物的浓度和M的大小，初始微生物粒子数为494个，则每个的微生物粒子以5.0607mg/L的质量浓度均匀的分布在元胞的中心节点。有机物粒子为扩散粒子。根据有机物的浓度和M的大小，反应器中共有950个有机物粒子，每个有机物粒子以0.2105mg/L的质量浓度均匀的分布在元胞的四个扩散结点上。在合成代谢中合成的微生物的单粒子浓度为0.2105×Y_obsmg/L，Y_obs为微生物的产率系数，取0.65。

(2)边界点初始化设置：在初始状态，边界结点没有粒子。

(3)根据初始模型确定演化规则，具体演化过程如下：

对于每个元胞，本发明采用三大类情况对其进行分析。

第一类：元胞内的中心结点没有粒子，且四个扩散结点也没有已被吸附的粒子。则该元胞内的粒子将按照以下扩散规则进行运动。a1，b1，c1，d1分别表示元胞的东，南，西，北四个扩散结点的状态，其值为m或0(m表示存在有机物粒子或生成的微生物粒子，其值为1或2；0表示该结点不存在粒子)。S(r，t)为当前时刻元胞的状态，S(r，t)＝(a1 b1 c1 d1)，S(r，t+1)为下一时刻元胞的状态。

表1：

S(r，t)	0000	000m	00m0	00mm	0m00	0m0m	0mm0	0mmm
									S(r，t+1)	0000	0m00	m000	mm00	000m	m0m0	m00m	mm0m
S(r，t)	m000	m00m	m0m0	m0mm	mm00	mm0m	mmm0	mmmm
									S(r，t+1)	00m0	0mm0	0m0m	mmm0	00mm	0mmm	m0mm	mmmm

粒子的扩散运动按表格1的规则进行演化，由于各方向上的速度大小一样，所以扩散规则保持粒子数守恒与能量守恒。从表中，我们可以看出，在无碰撞时，下一时刻粒子按它们初始指定的方向移动一个格位。在有碰撞时，粒子之间的变化遵循动量守恒，且每一步移动一个格位。

第二类：元胞的中心结点没有粒子，其它四个扩散结点中有已被吸附的粒子。吸附的有机物粒子是静止不动的，根据排他原理，它们对于其它的运动粒子都是排斥的，但是该元胞内的粒子数是守恒的，并按以下规则进行运动。

当只有一个结点上有已被吸附的粒子时，如S(r，t)＝(a1 b1 3 d1)。3表示该结点存在已被吸附的粒子或是生成的微生物的粒子。我们用C表示3，则扩散规则如下表：

表2

S(r，t)	0m3m	0m30	003m	m030	m03m	mm30	mm3m	0030
									S(r，t+1)	0m3m	003m	0m30	003m0m30	0m3m	0m3m	mm3m	0030

从表2的规则中可以看出，当a1＝0，即c1结点相反方向的结点上没有粒子，有两种情况：如果b1与d1都为m状态，则下一时刻两粒子在中心点碰撞返回到原来位置，方向与原来相反；如果b1与d1有一个为0，则下一时刻其中一个粒子将运动一个元胞格位到达另一结点位置。当a1＝m，会出现三种情况：如果b1与d1都为1状态，下一时刻三粒子将在中心点碰撞，各自返回到原来的位置，方向与原来相反；如果b1与d1有一个为0，下一时刻a1结点粒子将与另一粒子碰撞，并且方向改变90度进入另一个为0状态的结点位置，为m状态的粒子将返回原来的位置。如果b1与d1都为0，则下一时刻a1以1/2概率随机的进入b1或d1的结点位置。这个规则适合该条件下的任何结点。

当有两个结点上有已被吸附的粒子时，如S(r，t)＝(3 b1 3 d1)(两粒子是相对的)或S(r，t)＝(a1 3 3 d1)(两粒子是相邻的)。规则如下：

表3

S(r，t)	033m	m33m	0330	m330	303m	3030	3m30	3m3m
									S(r，t+1)	m330	m33m	0330	033m	3m30	3030	303m	3m3m

这个规则适合于该条件下的任何结点。

当有三个结点上有已被吸附的粒子时，如果该元胞内有扩散粒子，下一时刻该粒子将在原有位置不动，但是运动方向与原来相反。

第三类：元胞内的中心结点有微生物粒子。此时元胞的其他四个扩散结点粒子，可能经历吸附、分解代谢、合成代谢、内源呼吸四个过程。这些过程的动力特性是基于经典的Eckenfelder活性污泥法动力学模型。

吸附过程：只有经历此过程的粒子，才可能经历其他三个过程。当此时F/M(有机物与微生物浓度比值)大于0.1时，此过程才可能发生，该值是基于Eckenfelder模型。如果满足这个条件，且该元胞的其它四个方向结点的状态存在1，即有扩散有机物粒子时，该粒子被吸附，结点状态变为3。

分解代谢：该过程为合成代谢提供能量。当此时F/M大于0.1，且合成代谢没有能量时(sum＝0)，随机的选择一个吸附粒子，将其分解成CO₂、水和能量，该结点的状态为变为0，且计数sum＝2。这表明每分解一个粒子的能量，可以合成两个微生物粒子。

合成代谢：该过程消耗能量，为微生物增长阶段。当此时F/M大于0.1，且sum＞0时，如果吸附的粒子数小于sum，则sum-1，将吸附粒子结点变成2状态；否则sum＝0，将sum个吸附粒子结点变成2状态。此过程微生物的增长量主要是用来描述微生物的增长速度，表示为：

当F/M＞2时，活性污泥微生物处于对数增长阶段：

ΔX＝K₁XΔT   X＝2500+0.2105×Y_obs×Sumh

式中 ΔX为微生物的每一时步的增加量，mg/L；

X为T时刻微生物的浓度，Sumh为T时刻有机物被合成微生物的粒子总数，0.2105为单粒子有机物浓度，单位mg/L，Y_obs为表观产率系数，即去除单位底物实际生成的微生物量，Y_obs值取0.65，T＝KΔT，K＝1，2，3…；

K₁为活性污泥微生物对数增长速率常数d^-1，取5d^-1；

ΔT为每一时步的时间，为20min。

当2＞F/M＞0.1时，活性污泥微生物处于减速增殖期阶段：

ΔS＝K₂XSΔT    S＝200-0.2105×Sumx

ΔX＝Y_obsΔS

式中ΔS为底物浓度每一时步的减少量，mg/L；

S为T时刻底物浓度，单位mg/L，Sumx为T时刻有机物粒子数的总减少量；

K₂为活性污泥微生物减数增长速率常数d^-1，K₂值取0.0168d^-1；

内源呼吸：当此时F/M小于0.1时，进入内源呼吸阶段。在此阶段，由于微生物内源呼吸作用，活性污泥微生物量减少，减少的量为：

ΔX＝K_dXΔT

ΔX为每一时步微生物的减少量，mg/L；

K_d为活性污泥微生物衰减常数d^-1，K_d为0.06d^-1。

Claims (6)

1、基于HPP格子气元胞自动机模型的污水处理净化过程的模拟方法，其特征包括以下步骤：

1.1；建立活性污泥系统中相应的初始模型，并初始化元胞状态；

以坐标轴的最大值N×N的坐标作为二维的空间，将该坐标轴划分为M×M个结点作为初始模型；所述的结点状态表示粒子的存在或不存在；

四个格子组成的方形格子代表一个元胞，元胞的状态由中心结点和相邻的东、南、西、北四个扩散结点的结点状态决定；

1.2；设置边界点：边界点为元胞内东南西北四个扩散结点的某个结点，且当粒子运动到边界点时，与边界点碰撞，发生180°转动，即下一时步该粒子将反方向运动；

1.3；根据初始模型确定演化规则；其中包括粒子的反应过程；

所述的反应过程包括；粒子吸附、粒子分解代谢、粒子合成代谢、内源呼吸。

2、根据权利要求1所述的基于HPP格子气元胞自动机模型的污水处理净化过程的模拟方法，其特征在于：所述的粒子吸附的条件是有机物与微生物浓度比值＞0.1。

3、根据权利要求1所述的基于HPP格子气元胞自动机模型的污水处理净化过程的模拟方法，其特征在于：所述的粒子分解代谢的条件是有机物与微生物浓度比值＞0.1，且合成代谢不具有能量。

4、根据权利要求1所述的基于HPP格子气元胞自动机模型的污水处理净化过程的模拟方法，其特征在于：所述的粒子合成代谢的条件是有机物与微生物浓度比值＞0.1，且合成代谢具有能量。

5、根据权利要求4所述的基于HPP格子气元胞自动机模型的污水处理净化过程的模拟方法，其特征在于：所述的粒子合成代谢，当F/M＞2时，活性污泥微生物处于对数增长阶段：

其中：F为有机污染物量，M为活性污泥量；

ΔX＝K₁XΔT

式中ΔX为微生物的增加量，mg/L；

X为t时刻微生物的浓度，mg/L；

K₁为活性污泥微生物对数增长速率常数d^-1，其值约为2～7d^-1；

ΔT为时间差。

当2＞F/M＞0.1时，活性污泥微生物处于减速增殖期阶段：

ΔS＝K₂XSΔT

ΔX＝Y_obsΔS

式中ΔS为底物浓度的减少量，mg/L；

S为t时刻底物浓度，mg/L；

K₂为活性污泥微生物减数增长速率常数d^-1，生活污水中K₂值约为0.0168～0.0281d^-1；

Y_obs为表观产率系数，即去除单位底物实际生成的微生物量，生活污水一般取0.5～0.65。

6、根据权利要求1所述的基于HPP格子气元胞自动机模型的污水处理净化过程的模拟方法，其特征在于：所述的内源呼吸，当此时F/M小于0.1时，进入内源呼吸阶段。在此阶段，由于微生物内源呼吸作用，活性污泥微生物量减少，减少的量为：

ΔX＝K_dXΔT

ΔX为微生物的减少量，mg/L；

K_d为活性污泥微生物衰减常数d^-1，活性污泥中平均为0.06d^-1。

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