CN101928064B - 造纸废水活性污泥法处理的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供造纸废水活性污泥法处理的仿真方法，包括测得废水组分比例，建立造纸废水活性污泥法处理过程的数学模型；建立生物反应SIMULINK仿真模型和沉淀过程SIMULINK仿真模型；确定活性污泥法废水处理仿真模型的过程参数和入水组分划分软测量模型；最后运行生物反应SIMULINK仿真模型和沉淀过程SIMULINK仿真模型，并输出仿真模型的仿真结果。本发明能对仿真模型的过程参数进行测定和修正，也可以对入水组分进行划分，并且为造纸活性污泥法废水处理系统设计、改造和控制方案的实施提供评价体系。

Description

造纸废水活性污泥法处理的仿真方法

技术领域

本发明涉及造纸废水处理技术领域，具体是指造纸废水活性污泥法处理的仿真方法。

背景技术

造纸企业是传统的废水排放大户，将废水处理到符合国家规定的排放标准，同时最大限度地减少废水处理的运行成本，是造纸企业关注的重要问题。在众多的废水处理方法中，活性污泥法由于具有处理效果好、运行成本低等特点而成为目前造纸厂进行废水处理的常用工艺。活性污泥法废水处理过程是一个强耦合的多输入多输出动态系统，具有高度非线性、时变、不确定性和时滞等特点，因此导致了活性污泥法废水处理过程研究的复杂和困难。随着活性污泥法处理仿真模型的成熟和计算机仿真技术的发展，通过计算机仿真模拟活性污泥法废水处理过程，研究活性污泥法废水处理工艺，废水处理过程控制算法和控制策略，对活性污泥法废水处理系统进行改造等等，已成为造纸活废水性污泥法处理的研究热点。

传统的造纸厂废水处理系统的设计和改造，通常是通过实验、工厂中试、或者是全面的实验后总结产生的，这样的过程不但需要大量时间，而且会浪费大量的资源。而通过造纸废水处理计算机仿真模型设计或改造废水处理系统，可以快速的对系统进行分析评价，同时计算机仿真模型也便于修改，可以在较短的时间和较低的成本下完成废水处理系统的设计或改造。不仅在废水处理工艺的改造和设计方面，在废水处理系统的运行过程中，计算机仿真模型也可以很好的辅助废水处理系统的控制，以达到最优的出水质量和降低废水处理费用。

活性污泥法废水处理仿真模型和计算机仿真技术的发展完善，为活性污泥法废水处理过程仿真模拟的实现奠定了基础。国际水质协会(International Water Association，IWA)提出的活性污泥系列模型(ASM1，ASM2，ASM2D，ASM3)是目前研究最为成熟的活性污泥模型，其中以活性污泥1号模型(ASM1)使用最为广泛。ASM1模型原本是用于对市政废水处理过程的模拟，但是通过近年来的研究发现，通过对ASM1模型进行修正或者加入特定的功能，也能够较好地模拟工业废水处理过程。

MATLAB是由美国MathWorks公司推出的用于数值计算和图形处理的计算机系统环境，除了具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。SIMULINK是MATLAB为模拟动态系统而提出的一个交互式程序，允许用户在屏幕上绘制框图来模拟一个系统，能够动态地控制该系统。近几年，在学术界和工业领域，SIMULINK以其强大的功能和简便的操作已经成为动态系统建模和仿真方面应用最广泛的软件包之一。它支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统，且系统可以是多进程的。

活性污泥法废水处理仿真模型中包含了众多的过程参数，如活性污泥1号模型中包含了13个化学计量参数和6个动力学参数，在进行模型仿真之前要确定这些参数，才能保证仿真的准确稳定。在众多参数中，一些参数因为假设值能收到良好的效果，因此不需要测定；而其它参数受环境因素和污泥自身特性影响较大，必须根据仿真对象对其进行测定。

在活性污泥仿真模型中使用的废水指标和实际生产中的并不一样，但是存在一定的转换关系，这也就要求需要将实际废水指标转化为活性污泥法废水处理仿真模型中使用的组分。因此，解决活性污泥模型的过程参数和废水组分划分问题，是造纸废水活性污泥法处理仿真模型建立中必不可缺的一部分。

发明内容

本发明的目的在于解决现有造纸活性污泥法废水处理过程仿真模型的过程参数和废水组分划分的问题，提供造纸废水活性污泥法处理过程仿真模型及其仿真方法，能对仿真模型的过程参数进行测定和修正，也可以对入水组分进行划分，并且为造纸废水活性污泥法处理系统的设计、改造和控制方案的实施提供评价体系。

本发明的目的通过下述技术方案实现：造纸废水活性污泥法处理的仿真方法，包括以下步骤：

(1)基于活性污泥1号模型，对造纸废水、活性污泥进行特性分析，测得废水组分比例，建立造纸废水活性污泥法处理过程的数学模型；

(2)基于造纸废水活性污泥法处理工艺过程，通过MATLAB/SIMULINK建立造纸废水活性污泥法处理过程的生物反应SIMULINK仿真模型和沉淀过程SIMULINK仿真模型；

(3)根据步骤(1)中的造纸废水、活性污泥特性分析的结果，确定活性污泥仿真模型的过程参数和入水组分划分软测量模型；

(4)运行造纸废水活性污泥法处理过程的生物反应SIMULINK仿真模型和沉淀过程SIMULINK仿真模型，并输出仿真模型的仿真结果。

步骤(3)所述活性污泥仿真模型的过程参数根据活性污泥特性呼吸计量实验分析以及Arrhenius公式修正得到；入水组分划分软测量模型指的是将造纸厂实际采样废水按照步骤(1)中测得的废水组分比例进行划分而获得仿真模型需要的组分浓度。

步骤(4)所述仿真的步骤包括：输入入水流量和组分浓度都不变化的稳态入水数据进行稳态仿真，直至各状态参数值稳定不变，完成稳态仿真；将稳态仿真的状态函数终值作为状态函数初始值，输入造纸厂采集的入水数据，进行动态仿真，运行若干时间直至仿真系统进入稳定状态。所述若干时间为7天，或者为废水处理系统的40个运行周期。

步骤(4)所述生物反应SIMULINK模型包含入水输入、氧传递系数输入和生物反应输出，以及用于完成反应过程的SBRBio模块；其中入水输入包含废水流量和废水的各组分浓度数据，氧传递系数输入用于表征生物反应器中曝气量的大小，生物反应输出包含废水各组分浓度数据。

步骤(4)所述沉淀过程SIMULINK模型包含生物反应结束时废水的各组分浓度输入和沉淀过程输出；其中沉淀过程输出包含出水体积、出水各组分浓度、剩余污泥体积、剩余污泥各组分浓度，以及排放污泥量。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

1、提供了造纸废水活性污泥法处理仿真模型的建立方式，以及活性污泥特性参数和废水组分划分方式；解决了在建立活性污泥模型时，过程参数和废水组分难以合理划分的问题。

2、造纸活性污泥法废水处理仿真模型可以用于辅助造纸废水活性污泥法处理系统的设计、改造和运行，也可以作为造纸废水活性污泥法处理控制方案设计评估的平台。

3、利用仿真结果，可以对工艺过程和控制系统进行评价，从而为造纸废水活性污泥法处理系统的设计、改造、运行、评估，以及造纸废水活性污泥法处理控制系统的设计、运行及评估提供一个平台。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2a是典型序列间歇式活性污泥法(SBR)废水处理工艺示意图；

图2b是造纸废水SBR活性污泥法处理工艺示意图；

图3是造纸废水SBR活性污泥法处理生物反应SIMULINK模型；

图4是造纸废水SBR活性污泥法处理沉淀过程SIMULINK模型；

图5是造纸废水SBR活性污泥法处理生物反应SBRBio模块结构图；

图6是造纸废水SBR活性污泥法处理沉淀过程SBR_settler模块结构图；

图7是造纸废水SBR活性污泥法处理仿真模型仿真出水COD值；

图8是PID控制器SIMULINK结构图；

图9是BP-PID控制器SIMULINK结构图；

图10是PID控制下溶解氧浓度和氧传递系数曲线图；

图11是BP-PID控制下溶解氧浓度和氧传递系数曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例以采用SBR活性污泥工艺的造纸废水处理系统为例，首先建立造纸废水SBR处理过程仿真模型，然后在所建立的仿真模型基础上，实施本发明造纸废水活性污泥法处理的仿真方法。

如图1所示，本发明造纸废水活性污泥法处理的仿真方法，具体实施时，包括以下步骤：

(1)基于活性污泥1号模型，对造纸废水、活性污泥进行特性分析，测得废水组分比例，建立造纸废水活性污泥法处理过程的数学模型。

其中，造纸废水活性污泥法处理过程包括SBR、A/O、A₂/O、A/B等废水活性污泥法处理过程；数学模型包含了异养菌的好氧生长和异养菌的缺氧生长等8个过程。

所述活性污泥1号模型由国际水质协会提出。造纸废水特性分析是结合呼吸计量法和物化方法，按照活性污泥1号模型的废水划分方式，将造纸废水组分划分为可溶性惰性有机物(S_I)、易生物降解物质(S_S)、颗粒性惰性有机物(X_I)、慢速可生物降解物质(X_S)、异养性活性生物量(X_B，H)、自养性活性生物量(X_B，A)、由生物降解所产生的颗粒性产物(X_P)、氧(S_O)、硝酸盐与亚硝酸盐氮(S_NO)、NH₄ ⁺+NH₃氮(S_NH)、溶解性可生物降解有机氮(S_ND)、颗粒性可生物降解有机氮(X_ND)、碱度(S_ALK)；并且根据《水和废水监测分析方法》(第四版，中国环境科学出版社)测量造纸废水中氨氮浓度，以及硝酸盐与亚硝酸盐氮浓度。活性污泥特性分析为利用呼吸计量法对造纸厂取来的新鲜污泥进行异养菌产率系数、异养菌衰减系数和异养菌最大生长速率系数测定。

(2)基于造纸废水活性污泥法处理工艺过程，通过MATLAB/SIMULINK建立造纸废水活性污泥法处理过程的生物反应SIMULINK仿真模型和沉淀过程SIMULINK仿真模型。

建立了SIMULINK模型以后，就可以根据步骤1中建立的数学模型，用C语言编写描述造纸废水活性污泥法处理过程生物反应部分的S-function；同时，基于Takács的双指数沉淀速度方程，利用C语言编写描述造纸废水活性污泥法处理沉淀过程的S-function。

(3)根据步骤(1)中的造纸废水、活性污泥特性分析的结果，确定活性污泥仿真模型的过程参数和入水组分划分软测量模型。

其中，活性污泥法废水处理仿真模型的过程参数是根据活性污泥特性呼吸计量实验分析以及Arrhenius公式修正而来的，入水组分划分软测量模型指的是将造纸厂实际采样废水按照步骤(1)中测得的组分比例进行划分，而获得仿真模型需要的组分浓度。其中Arrhenius公式为：

式中：k为反应速率常数，Ea为反应活化能，R为气体常数，T为绝对温度。

(4)运行活性污泥法造纸废水处理过程的生物反应SIMULINK仿真模型和沉淀过程SIMULINK仿真模型，并输出仿真模型的仿真结果。

其中，仿真步骤包括：输入入水流量和组分浓度都不变化的稳态入水数据进行稳态仿真，直至各状态参数值稳定不变，完成稳态仿真；将稳态仿真的状态函数终值作为状态函数初始值，输入从造纸厂采集的入水数据，进行动态仿真，运行7天直至仿真系统进入稳定状态。需要说明的是，动态仿真的运行时间只需满足使得仿真系统进入稳定状态即可，并不限于7天，例如，也还可以是废水处理系统的40个运行周期。运行仿真模型的直接输出为出水各组分浓度和流量。

(5)根据仿真模型的仿真结果，对造纸废水活性污泥法处理系统进行工艺过程性能评价和控制系统性能评价。

其中，工艺过程性能评价包括：出水质量EQ、越限报告和运行费用三类指标；所述控制系统性能评价包括：被控变量的绝对误差积分、平方差积分、最大偏差和变量误差的方差，以及操作变量的极差、最大偏差和变化值的方差。

所述越限报告包括越限次数和越限持续时间百分比，各指标计算方式如下：

TKN_e＝S_NH，e+S_ND，e+X_ND，e+i_XB(X_BH，e+X_BA，e)+i_XP(X_P，e+X_I，e)

NO_e＝S_NO，e

N_total，e＝TKN_e+NO_e

TSS_e＝0.75(X_S，e+X_BH，e+X_BA，e+X_P，e+X_I，e)

COD_e＝S_S，e+S_I，e+X_S，e+X_BH，e+X_BA，e+X_P，e+X_I，e

BOD_5e＝0.25(S_S，e+X_S，e+(1-f_p)(X_BH，e+X_BA，e))

式中，TKN_e：出水中总凯氏氮浓度，g/m³；N_total，e：出水中总氮浓度，g/m³；NO_e：出水中硝酸盐和亚硝酸盐浓度，g/m³；TSS：出水中总悬浮固体浓度，g/m³；COD_e：出水中化学需氧量，g/m³；BOD_5e：出水中的生物需氧量，g/m³。

出水质量可以根据下面的公式进行计算：

$\mathrm{EQ}=\frac{1}{T\·1000}{\∫}_{t_1}^{t_2}[{\mathrm{PU}}_{\mathrm{TSS}\left(t\right)}+{\mathrm{PU}}_{\mathrm{COD}\left(t\right)}+{\mathrm{PU}}_{\mathrm{BOD}\left(t\right)}+{\mathrm{PU}}_{\mathrm{TKN}\left(t\right)}+{\mathrm{PU}}_{\mathrm{NO}\left(t\right)}]Q_e\left(t\right)\mathrm{dt}$

式中：

PU_TSS(t)＝β_TSSTSS_e(t)               β_TSS＝2

PU_COD(t)＝β_CODCOD_e(t)               β_COD＝1

PU_BOD(t)＝β_BODBOD_e(t)               β_BOD＝2

PU_TKN(t)＝β_TKNTKN_e(t)               β_TKN＝20

PU_NO(t)＝β_NONO_e(t)                  β_NO＝20

t₁、t₂分别为计算的起始和终止时间。

运行费用包括污泥处理量P_sludge、泵浦能PE和曝气能AE三个指标：

(1)污泥处理量Psludge(kg/d)，是指在一定时间内二沉池底部产生的总污泥量与设备中积聚的污泥量之和。t时刻的污泥量：

TSS(t)＝TSS_a(t)+TSS_s(t)

TSS_a(t)是生物反应器中的污泥量：

${\mathrm{TSS}}_a\left(t\right)=0.75\·\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}(X_{S,i}+X_{\mathrm{BH},i}+X_{\mathrm{BA},i}+X_{P,i}+X_{I,i})$

TSS_e(t)是二沉池中的污泥量：

${\mathrm{TSS}}_s\left(t\right)=0.75\·\underset{j=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}(X_{S,i}+X_{\mathrm{BH},i}+X_{\mathrm{BA},i}+X_{P,i}+X_{I,i})\·z_i\·A$

污泥处理量P_sludge为：

$P_{\mathrm{sludge}}=\frac{1}{T}[\mathrm{TSS}\left(t_2\right)-\mathrm{TSS}\left(t_1\right)+0.75{\∫}_{t_1}^{t_2}(X_{S,u}+X_{\mathrm{BH},u}+X_{\mathrm{BA},u}+X_{I,u})Q_u\left(t\right)\mathrm{dt}]$

(2)泵浦能PE(kWhd-1)：

$\mathrm{PE}=\frac{0.04}{T}{\∫}_{t_1}^{t_2}[Q_a\left(t\right)+Q_r\left(t\right)+Q_w\left(t\right)]$

式中：Q_a(t)为t时刻的污泥内循环量(m³/d)；Q_r(t)为t时刻的污泥外循环量(m³/d)；Q_w(t)为t时刻的废污泥量(m³/d)。

(3)曝气能AE(kWh/d)的计算要考虑反应器的特征(如气泡的扩散方式和大小等)，这里是根据三个曝气反应器中的氧传递系数KLa计算而来，计算方法如下式：

$\mathrm{AE}=\frac{24}{T}{\∫}_{t_1}^{t_2}\underset{i=1}{\overset{i=5}{\mathrm{\Σ}}}[0.4032K_L{a}_i{\left(t\right)}^2+7.8408K_L{a}_i\left(t\right)]\mathrm{dt}$

式中：K_La_i(t)是t时刻第i个反应器的氧传递系数(h^-1)。

废水处理控制系统评定是将控制方案所产生的效果量化后进行比较，由两部分组成：被控变量(CV)的表现和操作变量(MV)的表现。

(1)被控变量的表现指标。被控变量(CV)的表现情况由以下指标来评定，其中j代表不同的控制器：

(a)绝对误差积分IAE：

$\mathrm{IAE}={\∫}_{t_1}^{t_2}\left|e_j\right|\mathrm{dt}$

上式中e_j代表不同被控变量的设定值与实际测量值之间的误差，计算如下式：

e_j＝Z_{j，setpo int}-Z_j，observed

(b)平方差积分ISE：

$\mathrm{ISE}={\∫}_{t_1}^{t_2}{e}_j^2\mathrm{dt}$

(c)最大偏差Dev^error：

Dev^max＝max{|e_j|}

(d)变量误差的方差Var(e)：

$\mathrm{Var}\left(e\right)=\stackrel{\‾}{e_j^2}-{\left(\stackrel{\‾}{e_j}\right)}^2$

式中：

$\stackrel{\‾}{e_j^2}=\frac{{\∫}_{t_1}^{t_2}{e}_j^2\mathrm{dt}}{T},$ $\stackrel{\‾}{e_j}=\frac{{\∫}_{t_1}^{t_2}{e}_j\mathrm{dt}}{T}$

(2)操作变量的表现指标。操作变量(MV)的表现情况由以下指标来评定：

(a)极差DevMV：

max(Dev^MV)＝u_j，max-u_j，min

式中u_j是MV的值，j表示不同的MV。

(b)最大偏差Dev^Δu：

$\max \left({\mathrm{Dev}}^{{\mathrm{\Δu}}_j}\right)=\max \left({\mathrm{\Δu}}_j\right)$

式中Δu_j表示一段时间间隔dt内，相邻两次操作的偏差，计算如下式：

Δu_j＝|u_j(t+dt)-u_j(t)|

(3)MV变化值的方差Var(Δu)：

$\mathrm{Var}\left({\mathrm{\Δu}}_j\right)=\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δu}}_j^2}-{\left(\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δu}}_j}\right)}^2$

式中：

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δu}}_j}=\frac{{\∫}_{t_1}^{t_2}{\mathrm{\Δu}}_j\mathrm{dt}}{T},$ $\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δu}}_j^2}=\frac{{\∫}_{t_1}^{t_2}{\mathrm{\Δu}}_j^2\mathrm{dt}}{T}$

图2a所示为常见的SBR活性污泥法废水处理系统的工艺示意图：整个过程主要包括入水、缺氧反应、好氧反应、沉淀和排水排泥五个子过程；其中缺氧反应和好氧反应过程中发生生物降解，主要的生物反应都在这两个过程中进行；沉淀是泥水分离的过程，一般假设在这个过程中不发生生物反应。所有反应在单个SBR反应器中进行。图2b所示为造纸废水SBR活性污泥法处理系统的工艺示意图：这个SBR废水处理过程不包含厌氧反应过程，入水的后半阶段有曝气从而发生好氧反应。

上述步骤(1)中，根据活性污泥1号模型以及实际废水处理过程，建立适用于上述造纸废水SBR活性污泥法处理系统的活性污泥法仿真模型，其反应过程和组分矩阵表如表1所示：

表1

上述步骤(4)中，根据图2中所示的造纸废水SBR活性污泥法处理过程，建立SBR活性污泥法废水处理SIMULINK仿真模型，如图3、4所示，对生物反应过程和沉淀过程分别建立模型，具体为：

图3所示的生物反应SIMULINK模型包含两个输入和一个输出，其中一个输入INFLUNENT为入水输入，包含废水流量和废水的各组分浓度数据(废水组分参见表1)，另一个输入KLa为氧传递系数，用来表征生物反应器中曝气量的大小；BIO_out为生物反应输出，包含废水各组分浓度数据，主要反应过程由SBRBio模块实现，SBRBio模块中包含由C语言编写生物反应过程的微分方程，从而实现对生物反应过程的描述。图4所示的沉淀过程SIMULINK模型，包含一个输入和一个输出，输入为BIOW，是生物反应结束时废水的各组分浓度；settler_out为沉淀过程输出，也是整个处理过程的最终输出，包含出水体积、出水各组分浓度、剩余污泥体积、剩余污泥各组分浓度，以及排放污泥量；而主要反应过程由SBR_settler模块实现，也是通过C语言编写生物反应过程的微分方程，从而实现对沉淀过程的描述。

根据图5所示的SBRBio模块结构示意图，SBRBio模块的输入有：生物反应过程参数、状态参数初值、反应器参数三种参数和生物反应微分方程。生物反应过程参数包含表1中所示的Y_H，b_H等化学计量参数和动力学参数；状态参数初值为微分方程的积分初值；反应器参数包含反应器的高度和底面积；根据表1的生物反应过程速率，入水曝气反应阶段SBR池中各组分的物料平衡方程(即生物反应微分方程)可以表示为：

$\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}=Q_{\mathrm{in}}$

$\frac{{\mathrm{dX}}_i}{\mathrm{dt}}=\underset{j=1}{\overset{j=3}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{i,j}*r_j*V+Q_{\mathrm{in}}{c}_0$

V：SBR池泥水混合物的体积(m³)；

Q_in：入水流量(m³/day)；

X_i：SBR池中各组分的质量(g)；

p_i，j：组分X_i的第j个工艺过程p_j；

r_j：工艺过程速率；

c₀：入水各组分浓度(g/m³)。

根据图6所示的SBR_settler模块结构示意图，SBR_settler模块的输入有：沉淀过程参数、状态参数初值、反应器参数和沉淀过程微分方程。沉淀过程通过Takács的双指数沉淀速度方程描述，因此，沉淀过程参数为Takács的双指数沉淀速度方程中的参数，其方程和参数为：

$v_s\left(X\right)=\max \{0,\min [v_0^{\′},v_0(e^{-r_h(X-X_{\min })}-e^{-r_p(X-\left(X_{\min }\right)})\left]\right\}$

X_min＝f_nsX_f

X_f：入口污泥浓度(mg/L)；

f_ns：入流中悬浮固体中的不可沉降比例；

r_p：低浓度慢速沉降悬浮组分的沉降参数(m³/g)；

r_h：沉降速率方程中干扰沉淀的沉降参数(m³/g)；

v₀：最大理论沉降速度(m/day)；

v₀’：最大实际沉降速度(m/day)；

v_s：沉降速度(m/day)。

将SBR池在垂直方向上分为均等的10个体元层，各体元层的物料平衡方程(即沉淀过程微分方程)可以表示为(m表示层数，m＝10为顶层)：

$\frac{{\mathrm{dX}}_m}{\mathrm{dt}}=\frac{-\min (v_{s,m}{X}_m,v_{s,m}{X}_{m-1})}{h_m}$ (m＝10)

$\frac{{\mathrm{dX}}_m}{\mathrm{dt}}=\frac{\min (v_{s,m}{X}_m,v_{s,m}{X}_{m+1})-\min (v_{s,m}{X}_m,v_{s,m}{X}_{m-1})}{h_m}$ (1＜m＜10)

$\frac{{\mathrm{dX}}_m}{\mathrm{dt}}=\frac{\min (v_{s,m}{X}_m,v_{s,m}{X}_{m+1})}{h_m}$ (m＝1)

图5中状态参数初值采用通过静态入水(即入水流量和组分浓度不变的入水)仿真200个SBR反应周期，得到的状态参数终值；图6中状态参数初值为生物反应的状态参数终值。

沉淀过程参数采用国际水质协会的推荐值，生物反应过程参数中，一些参数因为假设值能收到良好的效果，因此不需要测定，采用国际水质协会的推荐值，而其它参数受环境因素和污泥自身特性影响较大，则结合呼吸计量法和物化方法，进行活性污泥特性分析而获得。

图7为仿真40个SBR运行周期获得的仿真出水COD变化曲线图。

利用以上所建立的仿真模型及仿真结果，可进行SBR池的溶氧量控制器设计并进行评估：

图8、图9为通过MATLAB/SIMULINK工具设计的PID控制模块和BP-PID控制模块(神经网络自调节PID控制器)，将两个控制器分别嵌入仿真模型，进行仿真运行，得到溶解氧浓度和氧传递系数变化曲线，如图10、图11所示。

对于PID控制器的设计通过仿真模型，可以很容易的获得比例、积分、微分三个参数的最优值。通过仿真模型还可以对两种控制器作用下的出水质量，能耗等指标进行比较评价。

根据控制系统的评定方法，可以对上面两种溶氧量浓度控制器的控制效果进行评定，评定结果如表2所示：

表2

从表2中可以看出：在BP-PID控制器作用下的操作变量(即氧传递系数)，较PID控制下的稳定性更加良好，波动范围小，因此能够减小设备负荷，降低能耗；被控制变量(即SBR池溶解氧浓度)在BP-PID控制器的作用下较PID控制器的控制效果，更加快速、稳定、精确地达到设定值。通过控制器的评定结果，可以很容易的分析比较出控制方案对被控制变量和操作变量控制的优良程度。

因此，通过造纸废水活性污泥法处理过程仿真模型可以方便的对造纸废水活性污泥法处理过程进行控制方案的设计和评价，从而实现废水处理控制方案的设计。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.造纸废水活性污泥法处理的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)基于活性污泥1号模型，对造纸废水、活性污泥进行特性分析，测得废水组分比例，建立造纸废水活性污泥法处理过程的数学模型；

(2)基于造纸废水活性污泥法处理工艺过程，通过MATLAB/SIMULINK建立造纸废水活性污泥法处理过程的生物反应SIMULINK仿真模型和沉淀过程SIMULINK仿真模型；

(3)根据步骤(1)中的造纸废水、活性污泥特性分析的结果，确定活性污泥仿真模型的过程参数和入水组分划分软测量模型；根据活性污泥特性呼吸计量实验分析以及Arrhenius公式修正得到所述活性污泥仿真模型的过程参数，将造纸厂实际采样废水按照步骤(1)中测得的组分比例进行划分而获得仿真模型需要的组分浓度得到入水组分划分软测量模型；

(4)运行造纸废水活性污泥法处理过程的生物反应SIMULINK仿真模型和沉淀过程SIMULINK仿真模型，并输出仿真模型的仿真结果；

所述特性分析是将造纸废水组分划分为可溶性惰性有机物、易生物降解物质、颗粒性惰性有机物、慢速可生物降解物质、异养性活性生物量、自养性活性生物量、由生物降解所产生的颗粒性产物、氧、硝酸盐与亚硝酸盐氮、NH₄ ⁺+NH₃氮、溶解性可生物降解有机氮、颗粒性可生物降解有机氮以及碱度，根据中国环境科学出版社出版的第四版《水和废水监测分析方法》测量造纸废水中氨氮浓度，以及硝酸盐与亚硝酸盐氮浓度；活性污泥特性分析为利用呼吸计量法对造纸厂取来的新鲜污泥进行异养菌产率系数、异养菌衰减系数和异养菌最大生长速率系数测定。

2.根据权利要求1所述的造纸废水活性污泥法处理的仿真方法，其特征在于，步骤(4)所述仿真的步骤包括：输入入水流量和组分浓度都不变化的稳态入水数据进行稳态仿真，直至各状态参数值稳定不变，完成稳态仿真；将稳态仿真的状态函数终值作为状态函数初始值，输入造纸厂采集的入水数据，进行动态仿真，运行若干时间直至仿真系统进入稳定状态。

3.根据权利要求2所述的造纸废水活性污泥法处理的仿真方法，其特征在于，所述若干时间为7天，或者为废水处理系统的40个运行周期。

4.根据权利要求1所述的造纸废水活性污泥法处理的仿真方法，其特征在于，步骤(4)所述生物反应SIMULINK仿真模型包含入水输入、氧传递系数输入和生物反应输出，以及用于完成反应过程的SBRBio模块；其中入水输入包含废水流量和废水的各组分浓度数据，氧传递系数输入用于表征生物反应器中曝气量的大小，生物反应输出包含废水各组分浓度数据。

5.根据权利要求1所述的造纸废水活性污泥法处理的仿真方法，其特征在于，步骤(4)所述沉淀过程SIMULINK仿真模型包含生物反应结束时废水的各组分浓度输入和沉淀过程输出；其中沉淀过程输出包含出水体积、出水各组分浓度，剩余污泥体积、剩余污泥各组分浓度，以及排放污泥量。

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