CN1730412A - 活性污泥过程模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及城市污水活性污泥处理技术，其以计算机和相应的操作系统为平台，使用一套能够根据各种工艺参数预测活性污泥工艺处理效能、分析活性污泥工艺工作状况的模拟软件，根据该软件的提示输入或选择相关数据，获得相应的预测结果，其特征在于：所采用的模拟软件由选型模块、基本数据模块、计算条件模块、计算模块、结果输出模块和辅助功能模块六部分构成；在一定操作模式下，通过选择工艺类型，输入工艺的计算条件以及活性污泥数学模型所需要的水质特性参数、化学计量学系数和动力学参数后，可以在较短时间内得到该工艺的处理效能，节省了大量人力、财力和时间。而且，可以选择不同工艺、设置不同的工艺计算条件，通过分析计算结果来进行工艺的选型工作。

Description

活性污泥过程模拟方法

技术领域

本发明涉及城市污水活性污泥处理技术，具体地说就是一种分析活性污泥处理工艺效能、研究工艺过程中水质变化、容积变化和排泥量等参数的计算模拟方法。

背景技术

我国的经济经历了高速发展，经济水平有了很大提高，但也带来了环境污染的严峻局面。我国的污水治理工程技术相对落后，如何实现污水处理工程设计、运行由粗放型向精确型过渡，达到节省投资、降低运行费用、提高出水水质的目的是个急需解决的现实难题。目前，活性污泥法是我国大多数城市污水处理厂采用的主要处理手段，但在工艺设计和运行方面却主要采用经验或半经验的方法。而实际污水的水质水量是剧烈波动的，这使得基于经验模型的工程设计存在着诸多的缺陷。为了做到污水处理工程的精确设计和控制，提高城市污水的处理效率，国际水质协会组织成立了活性污泥数学模型国际专家组，研究用数学模型来描述活性污泥系统内各种复杂的反应过程，并将其用于城市污水厂的工艺设计和运行控制。从1982年开始到1999年，专家组根据当时的研究成果逐步开发出了ASM1、ASM2(含ASM2D)和ASM3等系列活性污泥数学模型。这些模型在欧美等国家的城市污水厂的设计和运行中得到广泛应用，其效果显著。实践证明，利用数学模型可将城市污水厂的设计、运行和管理提高到一个非常理性和定量化的高度。

现有的活性污泥工艺按反应池流态分为完全混合式和推流式，按池体数分单池体和多池体，按操作的连贯性分间歇式和连续式，按操作顺序分单向和交替。关于推流式反应池，可以将其看作是数个等体积的小型完全混合反应池；而间歇式和连续式则可以由池体之间、池体与环境间的联系具体区分。在操作过程中，间歇式除了池体间有联系外，池体和环境之间并没有联系(如无液体外排)，连续式除了池体间有联系外(主体流和回流)，还有池体与环境的联系(处理水和剩余污泥外排等)；交替式一般是由对称的功能池体构成，所以在半个周期内，交替式的工艺可以看成是单向连续流工艺，但它比单向连续流工艺需要更多描述工艺稳定性的参数。现有的主要工艺的计算条件因此可以归结为(1)周期段数及池体数，(2)池体基本特征，(3)周期内反应条件，(4)反应过程设置，(5)池体关联设置，(6)池体初始条件等六个条件。根据计算判断的需要，现有主要工艺可分为单向多池连续(AA/0、A/O、氧化沟和UCT等)、间歇时间连续(传统SBR等)、单向多池多时段(CAST)和交替多池多时段(传统UNITANK)四个工艺类型。

在欧美国家，基于活性污泥数学模型的模拟系统已经有很多种，而且得到了广泛的使用。在我国尚没有得到广泛使用的类似模拟软件系统，鉴于生物脱氮除磷工艺在城市污水处理中应用的越来越必要和广泛，本发明主要以具有描述生物脱氮除磷过程的ASM2D为模型基础，结合六个计算条件，对活性污泥过程进行模拟计算。

发明内容

本发明的目的提供一种能够根据各种工艺参数预测活性污泥工艺处理效能、分析活性污泥工艺工作状况的模拟方法，其以计算机和相应的操作系统为平台，采用预先设计的模拟软件，根据软件的提示输入或选择相关数据，获得相应的预测结果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

活性污泥过程模拟方法，其以计算机和相应的操作系统为平台，使用一套能够根据各种工艺参数预测活性污泥工艺处理效能、分析活性污泥工艺工作状况的模拟软件，根据该软件的提示输入或选择相关数据，获得相应的预测结果，其特征在于：所采用的模拟软件由选型模块、基本数据模块、计算条件模块、计算模块、结果输出模块和辅助功能模块六部分构成；其中，

所述的选型模块提供用户一个选择操作模式和工艺类型的窗口并将选择结果储存于系统设备中，供计算模块调用，在选择工艺类型之前要先对需要模拟的对象进行分类；

所述的基本数据模块是提供用户输入活性污泥数学模型所需要的水质特性参数、化学计量学系数和动力学参数等基础数据的窗口并将结果储存于系统设备中，供计算模块调用；

所述的计算条件模块提供用户选择系统的周期段数及池体数、池体基本特征、周期内反应条件、反应过程设置、池体关联设置和池体初始条件等计算需要的基本条件，并将所选择的结果储存于系统单元中，供计算模块调用。

所述的计算模块包括工艺设计参数输入和计算过程；其中工艺设计参数输入提供用户输入数据的窗口，计算过程则由系统调用选型模块、基本数据模块和计算条件模块选择或输入的数据和公式进行处理运算，处理结果保存系统单元中。

所述的结果输出模块包括计算结果的曲线图显示和数据显示两部分，将计算模块单元获得的结果以曲线图或数据表的形式在电脑屏幕显示或打印出来。

所述的辅助功能主要由设置方程解析条件、设置曲线线型和颜色、保存图片、数据库操作以及查询相关信息构成。

本发明的更进一步的技术方案如下：

所述选型模块中的操作模式包括出水计算、过程研究和运行启动；

所述选型模块中的工艺类型的分类如下：

1.单向多池连续：按照时间和水体流向特征，该工艺应该为连续进水和出水，并且主流水体按照池体顺序依次进行，池体之间可以有水体(含固液混合体)的回流。最后一个池体为固液分离池体(沉淀澄清池)，并且其它池体不具有固液分离功能。常见工艺有A/O，AA/O，传统活性污泥法和氧化沟等；

2.间歇时间连续：按照时间和水体流向特征，该工艺应该为间歇进水和出水，池体为单个，具有反应沉淀多功能，反应按时间顺序进行。最后一个时间段为沉淀分离段，其它时段不进行固液分离，除反应(含进水)和沉淀过程外的其它过程一般不进行计算(排水、待机等)。常见工艺有传统SBR等；

3.单向多池多时段：按照时间和水体流向特征，该工艺应该为间歇进水和出水，池体为多个，水体依次通过池体，反应按时间顺序进行。第一个池体为原水进水点，池体间可以有水体(含固液混合体)的回流；最后一个时间段为沉淀分离段，其它时段不进行固液分离，除反应(含进水)和沉淀过程外的其它过程一般不进行计算(排水、待机等)。常见工艺有CAST等，对于CASS等间歇出水，连续进水的工艺不予支持和计算；

4.交替多池多时段：按照时间和水体流向特征，该工艺应该为连续进水和出水，池体为多个，水体依次通过池体，反应在单周期内按时间和空间顺序进行。池体功能具有对称型，相邻周期的水流顺序正好相反，单周期内最后一个池体为沉淀分离池，其它池体不进行固液分离。常见工艺有传统UNITANK等。

所述数据模块的水质特性参数、历史记录(如果有或者必要)、化学计量系数和动力学参数的具体内容如下：

1.水质特性参数有四种方式：

(1)系统设定水质水量：水质水量和温度由系统设定，主要用于没有合适数据，但需要对工艺进行计算的情况，系统按规律变化水质水量方式设定。水质基准值是IWA推荐的典型值，如果输入的水质组数是24、30和12，系统将按照一般城市污水的时变化、日变化和月变化规律设定变化系数，其它情况则是随机设置。水量和温度的基准值是1046m³/h和20℃，变化系数的设置和水质变化系数设置一致；

(2)规律变化水质水量：水质特性参数具有相同或类似的变化趋势，可以通过变化系数与基准值来描述。首先输入数据组数，然后确定水质水量和温度的基准值，最后输入各自变化系数；

(3)无规律性水质水量：水质特性参数不具有相同的变化规律或者任何参数都没有变化规律，需要对每个参数进行输入；

(4)水质水量引用文件：水质水量等参数保存在“文件名.mdb”格式的文件中时，可以直接引用。选定数据文件所在的盘区和文件夹，双击所需的文件即可，如果文件不可用，将有出错提示。数据库操作和数据输入可以借助工具和帮助。

2.历史记录主要是指与进水水质特性参数组数一致的出水水质(常规水质)情况的输入，其具体操作是：

(1)人工输入：直接输入数据，同时注意参数单位；

(2)引用文件：如果历史记录输入到文件中，可以直接引用。操作和“水质水量引用文件”模式类似；

(3)引用旧数据：如果上次计算已经输入了历史记录的相关数据，可以通过这个方式进行。但数据组数必须和上次输入的数据组数一样，否则不能引用。

3.化学计量系数主要是和模型基础(ASM2D)相关的计量学参数，可以引用系统推荐值或自定义输入。

4.动力学参数主要是和模型基础(ASM2D)所描述过程相关的增殖率、饱和系数、修正因子和衰减系数等，可以引用系统推荐值或自定义输入。

而由化学计量系数计算而来的计量矩阵由系统内部计算完成，计算结果可以通过查询获得。

所述的计算条件模块包括周期段数及池体数、池体基本特征、周期内反应条件、反应过程设置、池体关联设置和池体初始条件等计算需要的基本条件。

1.周期段数和池体数：周期段数和池体数的设置可能和实际情况有所不同，这主要是满足系统模拟的需要，但这不是本质上的不同，很多进行了合理的假设。下面分别说明周期段数和池体数的设定。

(1)周期段数的确定：有的工艺存在真正的周期(比如间歇式和交替式)，有的工艺却并不存在(比如单向多池连续式工艺)。对于前者，如果是单池的情况(传统SBR)，周期段数和实际周期段数一致；如果是多池的情况，应该以每个池体的时段切换点来分割整个周期时长。对于后者，可以设定为一个周期段，而其周期长对计算没有影响；

(2)池体数的确定：本系统对池体的模拟是基于完全混合反应池。如果真实池体为完全混合式的，池体数即为真实的池体数(或分割后的小池体数)；如果真实池体为推流式的，需要将推流式池体分割成条件一致的3～5个或5个以上的小池体进行模拟计算。

输入完各周期的时间长(分钟计)和各池体的具体名称后就完成了这部分输入。

2.池体基本特征：主要包括下面三个方面：

(1)有效容积：主要是池体内用于生化反应的容积大小，不包括超高等部分所拥有的体积。对于分割成的小型反应池则是按照其所占比例分配的原始池体的有效容积；

(2)最大充氧能力：指安装在池体内充氧设施(曝气头、射流器和曝气机等)的最大充氧能力。如果没有充氧设备，其值为零。需要说明的是，这里的最大充氧能力不是充氧设备能达到的最大充氧潜力，而是经过调整后充氧设施的充氧能力，这里“最大”是相对于受环境影响(溶解氧和混合液状况)而缩小的充氧能力而言的；

(3)池体类型：主要有反应池、沉淀池和多功能池(兼作反应池和沉淀池)；

3.周期内反应条件：是指每个池体在周期内每个时间段的条件设置，主要有下面几个方面：

(1)过程：主要有常规的“反应”、“沉淀”、“排水”和“待机”等过程，其中“反应”过程是需要计算的，而“沉淀”过程表明结束计算，其它过程只作为参考；

(2)状态：和过程相对应的，主要是池体一般氧条件操作，有“搅拌”、“曝气”和“无操作”，前两个对应这“反应”过程，后面一个对应着其它过程；

(3)加药量：以氯化铁质量浓度计的化学药剂量，如果是其它金属盐，质量浓度需要换算，换算标准是以正磷酸根离子与金属盐形成沉淀的质量平衡进行。同时这里的加药量指的是加药后，药剂在混合液中的质量浓度，它的取值表明了加药点和加药量大小。

(4)进水比例：进水比例是以原水水量为基础的比值。通过输入进水比例，可以间接输入进水点和进水量，比如输入值为0，就表明没有进水，如果大于0，则表明有进水，同时标明了进水相对(原水水量)水量。在输入进水比例之前，需要用户自己作水量平衡，如果水量不平衡，将会带来计算的错误；

(5)沉淀去除率：即固体物质通过沉淀所去除的效率。沉淀去除率是依赖于沉淀分离单元的工作性能的，不同的分离单元或不同的分离时段，沉淀去除率有所不同，但如果工艺是较稳定运行的，可以认为沉淀去除率为定量。本系统暂时只涉及沉淀单元或沉淀时段恒定去除率问题。反应过程的任何池体或时段，都不存在沉淀去除率；

(6)底泥浓度：主要针对沉淀池体或沉淀时段内沉淀单元的底泥浓度，以MLVSS计。尽管底泥浓度可能差异很大，但在合适的底泥浓度描述方程出现之前，本系统只处理恒定底泥浓度的问题。事实上，对于稳定运行的沉淀单元，一般认为底泥浓度变化并不明显。处于反应过程的池体不存在底泥浓度的问题(尽管实际上池底可能形成集泥)；

(7)附加水源：如果有其它水质稳定的水源加入(比如投加营养液)，可以选择“有”，否则选择“无”。如果选择“有”，输入水质水量，水质参数和模型要求一致，水量则有“参定流量(×原水水量)”和“自定流量(m³/h)”两类。至于其它变化规律的水量，本系统暂不支持；

(8)污泥排放量：包括和原水水量对应的“污泥排放量1”和定流量的“污泥排放量2”，这主要是针对沉淀单元的。如果没有预先设定的流量，就填“0”，系统计算的污泥排放量基础是污泥龄；

(9)系统外排放：包括和原水水量对应的“系统外排放1”和定流量的“系统外排放2”，它是指所排对象的流向不包括在工艺单元内，比如沉淀单元的出水；也包括沉淀单元以外的其它单元对外的排放量；

4.反应过程设置：这部分需在周期内反应条件设置完成后进行。反应过程指不同的池体在不同的反应时段所经历的生化过程，系统已经按照模型要求列出所有的生化过程，所以只需要设置“有”或“无”即可。一般而言，在不能确定反应过程是否存在时，“反应”过程的池体包含所有的生化过程，而“沉淀”过程不包括任何反应。

5.池体关联设置：完成流量衡算后，将工艺过程内有关联的池体连接起来，连接的方式只有“流出到”和“无连接”两种，这里必须完成每个时段的连接设置。池体间的流量只有“参定流量(×原水水量)”和“自定流量(m³/h)”，其它变化规律的流量本系统不予支持。一般池体的流体进出情况只有三种：流体流入，流体流出和没有流体进出，这三种情况可以利用参数值1，-1和0来表示。一般两池体间不会有同一种流体相向流动，或者说对于有联系的两个池体来说，同一种流体的流向只有“流出到”或者“流入从”两个模式，如果对其中一个来说是流出的话，对另外一个则为流入，它们的参数值正好相反，即两个池体联系只需要一个参数值就可以表述两个池体的连接关系。现有i池和j池，流体流向是从i到j，对于j池来说它们的连接关系可以表述为：

Link(i，j)＝1

对于i池来说，它们的连接关系可以表述为：

Link(j，i)＝-1

而对于没有连接的i池和j池，它们的连接关系是：

Link(i，j)＝Link(j，i)＝0

这样对于任意两个池体i池和j池，都可以用一个函数Link(i，j)即可清楚表达两者的连接关系。这种表达方式可以将池体的连接(比如回流)统一表达出来，不仅有利于有效编写程序，还可以使池体间流体流动表述简单灵活；

6.池体初始条件：初始条件是进行模拟计算的基础，输入合适的初始水质条件对于准确模拟是有帮助的。但是，在一般情况下，很难给定准确的初始条件。所以，初始条件中除菌体浓度外的其它水质参数可以参考相近工艺的池体中的水质浓度。而菌体浓度按照各菌体占MLVSS比例进行分配，一般异养菌、聚磷菌和自养菌占MLVSS的比例分别大约为60％、25％和15％。

所述计算模块的流程为：输入与工艺类型匹配的设计参数后开始计算。计算程序是在模型基础上，结合质量平衡方程式和工艺特征进行运算的。不同的操作模式和不同的工艺类型有不同的计算程序，计算程序主要由描述生化反应的程序块、描述过程物质变化的程序块、描述反应池物质衡算的程序块、求解过程方程的程序块以及相关的限定条件和计算中止条件等构成。

描述生化反应的程序块是根据ASM2D模型编写，即每个生化过程为一个函数，其中水质特性参数以“ByRef”、相应的动力学参数以“ByVal”的方式引用。第j个反应过程的综合表达式如下：

SPRVj＝F(y1，y2，y3 ，...，ym)

其中SPRV是函数名称，j代表过程序号(1～21)；F为函数符号，y代表水质特性参数，m(＝19)代表水质参数个数。

描述过程物质变化的程序块是指反应池内每个水质参数在每个生化过程的变化通过化学计量系数联系，从而得到该水质参数在该池体的变化情况，这个过程由ASM2D模型提供。对于第i个水质特性参数的质量变化速率综合表达式如下：

$r_i=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{v}_{\mathrm{ij}}\·P_{\mathrm{set}}\·{\mathrm{SPRV}}_j$

其中r代表速率，N(＝21)代表总过程数，v代表化学计量矩阵，P_set表示过程是否存在的参数。

反应池物质衡算程序块描述的是池体内因为进水、回流、外排放等情况下水质参数平衡式(物质质量守恒方程式)，对于第i个水质特性参数的综合方程式如下：

$\frac{{\mathrm{dC}}_i}{\mathrm{dt}}=\frac{Q_{\mathrm{in}}\·C_{\mathrm{in}}-Q_{\mathrm{out}}\·C_{\mathrm{out}}}{V}+r_i$

其中C_i是第i个水质特性参数的质量浓度，Q_in和Q_out分别是进出流量，C_in和C_out分别是进出的质量浓度，r_i是质量变化速率，V是反应进行的池体有效容积。这是一个微分方程式，描述所有池体内的水质参数变化情况的微分方程式一起构成了微分方程组。

求解这些方程组有很多方法，本系统主要采用数值算法，具体就是定步长的Runge-Kutta四阶常微分方程解法。不同工艺或不同类型池体的具体方程式不同，比如连续流时不考虑池体有效容积变化，而间歇流则需要考虑池体有效容积的变化；反应池或处于反应阶段的池体内主要是混合液，而沉淀池或处于沉淀阶段的池体内需要考虑上清液和底部污泥。需要说明的是本系统暂时不包括沉淀池的生化反应过程，其主要作用是过水和混合。下面就不同工艺的计算模式加以说明：

1.连续流：包括单向多池连续和交替多池多时段工艺。这类工艺的反应池被看作是完全混合式的，进入池体的流量及相应的物质浓度各不相同，而流出池体的物质浓度被认为是和池体内是一样的。因此，对于进入池体的流体需要考虑流量及相应物质的浓度，而流出池体的流体只考虑流量问题，下面详细说明池体K的质量守恒式的各个部分。

(1)流入部分：包括进水、附加水源、池体间流动的水质水量。

进水水质水量：F_i，in＝R_in·Q_in·C_i，in，其中R_in表示进水比例，C_i，in表示进水中水质参数i的质量浓度，Q_in表示进水水量。

附加水质水量：F_i，add＝Y_add·(R_add·Q_in+Q_as)·C_i，add，其中Y_add表示有无附加水源的选择参数，R_add表示参定流量的比率，Q_as表示自定义流量，C_i，add表示附加水源中水质参数i的质量浓度。

来自池体的水质水量：如果混合液来自反应池体或者来自沉淀池但水质参数是溶解性组分，则有：

$F_{i,\mathrm{rec}}=\underset{j=1(j\≠k)}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}-\mathrm{Link}(j,k)\·(R_{\mathrm{rec}}\·Q_{\mathrm{in}}+Q_{\mathrm{rs}})\·C_{i,\mathrm{rec}},$

其中表示池体数，

Link(j，k)表示连接参数，R_rec表示参定流量的比率，Q_rs表示自定义流量，表示水源反应池j中水质参数i的质量浓度。而如果混合液来自沉淀池且水质参数是颗粒性组分，则有：

$F_{i,\mathrm{rec}}=\underset{j=1(j\≠k)}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}-\mathrm{Link}(j,k)\·(R_{\mathrm{rec}}\·Q_{\mathrm{in}}+Q_{\mathrm{rs}})\·\mathrm{RVSS}\·R_{i,\mathrm{RVSS}},$ 其中

RVSS表示底泥浓度(MLVSS)，R_i，RVSS表示水质参数i在底泥浓度中所占的比例。

(2)流出部分：包括混合液流出到池体，底泥流出池体外和混合液流出系统。如果池体是反应池，则底泥流出被看作是混合液的流出。下面详细说明流出池体的流量。流出到池体流量： $Q_{\mathrm{to}}=\underset{j=1(j\≠k)}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Link}(j,k)\·(R_{\mathrm{rec}}\·Q_{\mathrm{in}}+Q_{\mathrm{rs}}),$ 参数意义同前。

底泥流出池体外流量：Q_sout＝R_out·Q_in+Q_rs，其中R_sout表示参定流量比率，其它参数意义同前。

混合液流出池体外流量：Q_mout＝R_mout·Q_in+Q_rs，其中R_mout表示参定流量比率，其它参数意义同前。如果流出池体是反应池或者沉淀池但出流水质参数为溶解性组分，则出流的水质水量表达式是：

F_i，out＝(Q_to-Q_sout-Q_mout)·C_i，k，其中C_i，k水质参数i表示的出流质量浓度。如果出流组分是沉淀池的颗粒性组分，则有表达式：

F_i，out＝(Q_to-Q_sout)·RVSS·R_i，RVSS-Q_mout·(1-SolidR)·C_i，k，其中SolidR表示固体物质沉淀去除率，其它参数意义同前。所以，池体K的最终质量守恒方程式为：

$\frac{{\mathrm{dC}}_i}{\mathrm{dt}}=\frac{F_{i,\mathrm{in}}+F_{i,\mathrm{add}}+F_{i,\mathrm{rec}}+F_{i,\mathrm{out}}}{V}+r_i,$ 但是单向多池连续和交替多池多时段工艺的操作是不同的，前者完全可以使用这个方程式，但是后者存在池体交替运行的问题。对于后者池体交替的问题，本系统借助数据库来保存池体交替时刻的各参数值，同时作为交替后相应池体的初始值，从而解决了模拟失真的问题。

2.间歇流：包括间歇时间连续和单向多池多时段工艺。这类工艺是间歇进水和间歇出水，前者只涉及池体有效容积的变化，后者则需要考虑池体有效容积变化和池体间的关联问题。池体间的关联操作在连续流中已做了阐述，这里只说明解决池体有效容积变化的问题。如果考虑V的真实变化，则在进水期间的质量守恒方程式如下：

$V\frac{\∂C_i}{\∂V\∂t}=Q_{\mathrm{in}}\·C_{\mathrm{in}}+V{r}_i,$ V是随时间和进水量变化的，解这个方程是个非常复杂的过程，也可能很难得到有效的解析解或数值解，为此，需要做一定的假设：有效容积V的增减量ΔV与增减前V相比非常小，在某时刻V可以认为是常数值，此时的守恒方程式可以写为：

$V\frac{{\mathrm{dC}}_i}{\mathrm{dt}}=Q_{\mathrm{in}}\·C_{\mathrm{in}}+{\mathrm{Vr}}_i,$ 具体应用时需要借助数据库。现假定进水阶段的反应在t→t+Δt时刻发生，同时有效容积增加ΔV，那么在t+Δt时刻水质参数i的质量浓度表达式为：

$C_{i,t+\mathrm{\Δt}}=C_{i,t}\frac{V}{V+\mathrm{\ΔV}},$ 这样就反映了进水的稀释作用，同时可以进行生化反应过程的计算。需要说明的是，ΔV必须适当的小，一般不超过V的5％，也就是说这类工艺在进水阶段的计算最少步数为20。对于单池时间连续工艺在进水阶段的质量守恒式可以写为：

$\frac{d{C}_i}{\mathrm{dt}}=\frac{F_{i,\mathrm{in}}+F_{i,\mathrm{add}}+r_i}{V},$ 对于单向多池多时段工艺的首端池体在进水阶段的质

量守恒方程式为：

$\frac{{\mathrm{dC}}_i}{\mathrm{dt}}=\frac{F_{i,\mathrm{in}}+F_{i,\mathrm{add}}+F_{i,\mathrm{rec}}}{V}+r_i,$ 其它池体的守恒方程式为：

$\frac{{\mathrm{dC}}_i}{\mathrm{dt}}=\frac{F_{i,\mathrm{rec}}}{V}+r_i$

限定条件是指计算程序可以继续进行的条件，比如水质参数不可能为负值，间歇性池体内的充水量不可能超过池体有效处理量等。如果不满足这些条件，说明某些参数设置不合适，需要重新进行设置，计算被迫中断；计算中止条件是指完成整个计算过程的条件，比如计算周期的最后一个时段。不同的工艺的限定条件和中止条件不一样，相关的约定系统有说明。

计算开始时，首先建立保存计算数据的临时数据库，判定计算所需要的周期数(或时间长)，重新定义记录工艺数据的数值，调用相应的计算程序，如果计算条件设置合理，计算完成，转入结果输出模块。

所述结果输出模块的流程为：计算完成后，结果通过曲线图或者数据表的方式显示，也可以通过“保存图片”方式将曲线图下载，通过“保存数据到Excel模式”保存用户需要的数据。

所述辅助功能的模块流程为：包括查询和工具功能，其操作是根据需要进行的。

本发明的活性污泥过程模拟软件系统具有如下优点：

1、预测工艺处理效能。选择出水计算模式，可以计算出一定水质和计算条件下出水水质状况，包括进出水、去除率等，通过这一计算对于选择工艺类型和设计工艺参数具有很强的指导意义；

2、预测工艺处理水质变化状况。了解水质在处理过程中的变化情况，对于分析工艺处理能力和处理条件是必须的，这些工作往往通过经验分析或者试验进行。经验分析带有一定的盲目性；而试验却需要投入大量的人力、物力和时间，特别是需要检测分析的参数比较多，控制条件比较严格的时候使得试验过程更加困难；同时水质分析本身也是各种耗费都比较大的工作。选择过程研究模式，可以很清晰的看出各种水质参数在不同池体和不同运行时段的变化情况，对于分析控制条件、营养水平和操作条件等都具有形象直接的参考价值。不论是设计员、试验员和操作员，都可以在较短的时间内分析各种条件下的水质状况，并从中筛选能优化工艺运行的条件；

3、统一相关概念。和实际的处理工艺不同，关于工艺运行的主要条件都以计算条件的方式加以统一，使得各种工艺的共同点具有清晰化的概念；

4、操作方便、省时省力。设计员、试验员和操作员都可以在计算机的辅助下，完成工艺条件设置输入、工艺过程计算和计算结果的输出。能快速有效的分析工艺工况。同时，计算和结果输出可以分离，便于对数据进行更深入的分析研究；

5、便于维护开发。本发明由Visual Basic开发完成，各个模块都相对独立设计，便于程序的调试、升级、维护和移植。

附图说明

图1、本发明的设计原理简图；

图2、本发明模拟操作流程框图；

图3、本发明的计算条件模块流程图；

图4、设计参数及计算模块流程图；

图5、计算结果的图形显示图；

图6、计算结果的数据显示图表。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

本例选用广州猎德污水处理厂二期UNITANK工艺。每个处理单元由三个有效容积相同的反应(沉淀)池构成，其单池有效容积为4547m³，平均处理水量为1365m³/h，水力停留时间(含沉淀时间)10小时左右，现在该工艺运行稳定，各项水质指标具有较好的代表性。选择该工艺一方面是为了验证本系统计算效果的可靠性，另一方面通过这个模拟计算来说明本系统的使用流程。附图1为本发明的设计原理简图，附图2为本发明模拟操作流程框图，具体操作如下：

一.选型：计算目的是研究水质参数在处理过程的变化情况，所以选择“过程研究”模式，UNITANK属于“交替多池多时段”，故选定该工艺类型。

二.  基本数据输入：输入水质特性参数、化学计量系数和动力学参数。

1.水质特性参数：水质特性参数需要按照模型要求进行测定，或根据特定的划分原则对常规水质进行划分。同时，可以认为在半个运行周期内的水质是不变的，属于稳定水质，这样它就属于“规律变化水质水量”，其变化系数全都为“1”，或者水质参数组数及变化系数均为“1”。根据分析，进水水质特性参数是：SI＝24；SF＝12.4；SA＝8.3；XS＝65.4；SI＝39.9；SNH4＝21.6；SPO4＝1.52；SALK＝5(重碳酸盐碱度)；XTSS＝121；SNO3，SO2＝0；XH，XPHA，XAUT，XPAO，XPP＝0；XMeOH，XMeP＝0。输入时按屏幕提示进行。

2.化学计量系数：考虑采用系统IWA的推荐值，输入时选择“系统推荐值”。化学计量系数一般不会随水质或地区等外部条件的变化而变化，所以可以采用推荐值。如果有可靠的测定数据也可以采用。

3.动力学参数：考虑采用系统IWA的推荐值，输入时选择“20℃推荐值”。尽管需要对动力学参数需要修正，但如果测试条件尚不成熟的情况下，可以考虑推荐值。

三.计算条件输入：附图3是输入的流程示意图，因为有些设置计算机无法自动进行，所以需要在输入前规划准确。

1.周期段数及池体数：主要时段数为4个，每个周期时段长分别为60、120、30和30分钟，共计240分钟；池体数为3个，按习惯分别称为A池、B池和C池，其中A池是作为反应池的边池，B池为中间反应池，C池是作为沉淀池的边池。

2.池体基本特征：三池的有效容积均为4547m3，最大充氧能力设定为80[mg/(1.h)]，A、C池为多功能池，B池为反应池。

3.周期内反应条件：可以按照屏幕提示输入，因为涉及项目很多就不在赘述。没有外来附加水源，没有外加药剂，外排量就是原水水量。

4.反应过程：在周期内反应条件输入后才可以设置反应过程。一般处于“搅拌”或“曝气”状态的池体会包括所有21个模型设计的生化过程，在所列过程后选择“有”，除非可以确定某些过程不存在或者可以忽略才可以选择“无”；处于“无操作”状态的池体内不进行这些过程。

5.池体关联设置：池体间的连接，不包括外排情况。完成水量衡算后，按照每个周期时段的实际情况设置即可。

6.池体初始条件：按照实际情况做大致输入即可，因为计算之前有段稳定计算，以获得比较合适的初始值，而稳定计算的设置可以在“微分方程求解设置”中进行。

四.设计参数及计算：计算条件输入完成后，即可进行这个模块操作。附图4是本模块的流程示意图。

UNITANK这类工艺需要的主要设计参数是污泥负荷、污泥龄、污泥沉降比、排泥量、启端污泥浓度、启端污泥浓度变化范围、取样时间间隔和计算周期长。输入设计参数后，开始进行计算。

计算结果，特别是周期变换时的结果都保存在临时数据库内，所以需要根据池体数设置临时数据库。而计算过程中的水质参数都储存在数组中，数组维数和各维的上下限则由实际需要储存数据的多少确定，其中最主要的几个参考参数是池体数、总周期时段长、水质特性参数个数和需要计算的周期数(由计算周期长与取样时间间隔比值的最大整数确定)。因为这些参数因周期和池体等条件设置不同而不同，在计算进行前需要进行重新定义。准备工作完成后开始调用相应的计算程序，进行计算。这里的限定条件是任何水质参数不可能为负值，中止条件是运行周期的最后一个时段的最后一分钟。

五.结果输出：附图5和附图6分别是图形显示和数据显示的情况，具体操作可按屏幕提示进行。

六.辅助功能：按实际需要进行，不再赘述。

七.总体效果：模拟计算结果与实际运行数据对比，两者吻合程度较好。

Claims (10)

1.活性污泥过程模拟方法，其以计算机和相应的操作系统为平台，使用一套能够根据各种工艺参数预测活性污泥工艺处理效能、分析活性污泥工艺工作状况的模拟软件，根据该软件的提示输入或选择相关数据，获得相应的预测结果，其特征在于：所采用的模拟软件由选型模块、基本数据模块、计算条件模块、计算模块、结果输出模块和辅助功能模块六部分构成；其中，

所述的选型模块提供用户一个选择操作模式和工艺类型的窗口并将选择结果储存于系统设备中，供计算模块调用，在选择工艺类型之前要先对需要模拟的对象进行分类；

所述的基本数据模块是提供用户输入活性污泥数学模型所需要的水质特性参数、化学计量学系数和动力学参数等基础数据的窗口并将结果储存于系统设备中，供计算模块调用；

所述的计算条件模块提供用户选择系统的周期段数及池体数、池体基本特征、周期内反应条件、反应过程设置、池体关联设置和池体初始条件等计算需要的基本条件，并将所选择的结果储存于系统单元中，供计算模块调用；

所述的计算模块包括工艺设计参数输入和计算过程；其中工艺设计参数输入提供用户输入数据的窗口，计算过程则由系统调用选型模块、基本数据模块和计算条件模块选择或输入的数据和公式进行处理运算，处理结果保存在储存单元中；

所述的结果输出模块包括计算结果的曲线图显示和数据显示两部分，将计算模块单元获得的结果以曲线图或数据表的形式在电脑屏幕显示或打印出来；

所述的辅助功能主要由设置方程解析条件、设置曲线线型和颜色、保存图片、数据库操作以及查询相关信息构成。

2.如权利要求1所述的活性污泥过程模拟方法，其特征在于：所述选型模块中的操作模式包括出水计算、过程研究和运行启动；所述选型模块中的工艺类型的分类如下：

A.单向多池连续：按照时间和水体流向特征，该工艺应该为连续进水和出水，并且主流水体按照池体顺序依次进行，池体之间可以有水体(含固液混合体)的回流。最后一个池体为固液分离池体(沉淀澄清池)，并且其它池体不具有固液分离功能。常见工艺有A/O，AA/O，传统活性污泥法和氧化沟等；

B.间歇时间连续：按照时间和水体流向特征，该工艺应该为间歇进水和出水，池体为单个，具有反应沉淀多功能，反应按时间顺序进行。最后一个时间段为沉淀分离段，其它时段不进行固液分离，除反应(含进水)和沉淀过程外的其它过程一般不进行计算(排水、待机等)。常见工艺有传统SBR等；

C.单向多池多时段：按照时间和水体流向特征，该工艺应该为间歇进水和出水，池体为多个，水体依次通过池体，反应按时间顺序进行。第一个池体为原水进水点，池体间可以有水体(含固液混合体)的回流；最后一个时间段为沉淀分离段，其它时段不进行固液分离，除反应(含进水)和沉淀过程外的其它过程一般不进行计算(排水、待机等)。常见工艺有CAST等，对于CASS等间歇出水，连续进水的工艺不予支持和计算；

D.交替多池多时段：按照时间和水体流向特征，该工艺应该为连续进水和出水，池体为多个，水体依次通过池体，反应在单周期内按时间和空间顺序进行。池体功能具有对称型，相邻周期的水流顺序正好相反，单周期内最后一个池体为沉淀分离池，其它池体不进行固液分离。常见工艺有传统UNITANK等。

3.如权利要求1所述的活性污泥过程模拟方法，其特征在于：所述基本数据模块的水质特性参数有如下四种方式：

(1)系统设定水质水量：水质水量和温度由系统设定，主要用于没有合适数据，但需要对工艺进行计算的情况，系统按规律变化水质水量方式设定。水质基准值是IWA推荐的典型值，如果输入的水质组数是24、30和12，系统将按照一般城市污水的时变化、日变化和月变化规律设定变化系数，其它情况则是随机设置。水量和温度的基准值是1046m³/h和20℃，变化系数的设置和水质变化系数设置一致；

(2)规律变化水质水量：水质特性参数具有相同或类似的变化趋势，可以通过变化系数与基准值来描述。首先输入数据组数，然后确定水质水量和温度的基准值，最后输入各自变化系数；

(3)无规律性水质水量：水质特性参数不具有相同的变化规律或者任何参数都没有变化规律，需要对每个参数进行输入；

(4)水质水量引用文件：水质水量等参数保存在“文件名.mdb”格式的文件中时，可以直接引用。选定数据文件所在的盘区和文件夹，双击所需的文件即可，如果文件不可用，将有出错提示。数据库操作和数据输入可以借助工具和帮助。

4.如权利要求1所述的活性污泥过程模拟方法，其特征在于：所述基本数据模块的化学计量系数主要是和模型基础(ASM2D)相关的计量学参数，可以引用系统推荐值或自定义输入。

5.如权利要求1所述的活性污泥过程模拟方法，其特征在于：所述基本数据模块的动力学参数主要是和模型基础(ASM2D)所描述过程相关的增殖率、饱和系数、修正因子和衰减系数等，可以引用系统推荐值或自定义输入。

6.如权利要求1所述的活性污泥过程模拟方法，其特征在于：所述的计算条件模块包括周期段数及池体数、池体基本特征、周期内反应条件、反应过程设置、池体关联设置和池体初始条件等计算需要的基本条件。

7.如权利要求1所述的活性污泥过程模拟方法，其特征在于：所述计算模块的计算过程主要由描述生化反应的程序块、描述过程物质变化的程序块、描述反应池物质衡算的程序块、求解过程方程的程序块以及相关的限定条件和计算中止条件等构成，计算开始时，首先建立保存计算数据的临时数据库，判定计算所需要的周期数(或时间长)，重新定义记录工艺数据的数值，调用相应的计算程序，如果计算条件设置合理，计算完成，转入结果输出模块。

8.如权利要求7所述的活性污泥过程模拟方法，其特征在于：所述的描述生化反应的程序块是根据ASM2D模型编写，即每个生化过程为一个函数，其中水质特性参数以“ByRef”、相应的动力学参数以“ByVal”的方式引用。第j个反应过程的综合表达式如下：

SPRVj＝F(y1，y2，y3，...，ym)

其中SPRV是函数名称，j代表过程序号(1～21)；F为函数符号，y代表水质特性参数，m(＝19)代表水质参数个数。

9.如权利要求7所述的活性污泥过程模拟方法，其特征在于：描述过程物质变化的程序块是指反应池内每个水质参数在每个生化过程的变化通过化学计量系数联系，从而得到该水质参数在该池体的变化情况，这个过程由ASM2D模型提供。对于第i个水质特性参数的质量变化速率综合表达式如下：

$r_i=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{v}_{\mathrm{ij}}\·P_{\mathrm{set}}\·{\mathrm{SPRV}}_j$

其中r代表速率，N(＝21)代表总过程数，v代表化学计量矩阵，P_set示过程是否存在的参数。

10.如权利要求7所述的活性污泥过程模拟方法，其特征在于：

描述反应池物质衡算的程序块描述的是池体内因为进水、回流、外排放等情况下水质参数平衡式(物质质量守恒方程式)，对于第i个水质特性参数的综合方程式如下：

$\frac{{\mathrm{dC}}_i}{\mathrm{dt}}=\frac{Q_{\mathrm{in}}\·C_{\mathrm{in}}-Q_{\mathrm{out}}\·C_{\mathrm{out}}}{V}+r_i$

其中C_i是第i个水质特性参数的质量浓度，Q_in和Q_out分别是进出流量，C_in和C_out分别是进出的质量浓度，r_i是质量变化速率，V是反应进行的池体有效容积。这是一个微分方程式，描述所有池体内的水质参数变化情况的微分方程式一起构成了微分方程组。

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