專利名稱：一種基于FCASMs機(jī)理模型和嵌入式系統(tǒng)智能化控制SBR工藝的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及污水處理仿真與控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于FCASMs機(jī)理模型和嵌入式系統(tǒng)智能化控制SBR工藝的方法。
背景技術(shù)：
隨著自動(dòng)化與控制技術(shù)的發(fā)展,二十世紀(jì)七八十年代SBR污水處理工藝在全世界的污水處理領(lǐng)域中開始快速新興起來。SBR法是序列間歇式活性污泥法的簡(jiǎn)稱，是一種按間歇曝氣方式來運(yùn)行的活性污泥污水處理技術(shù)，又稱序批式活性污泥法，主要包括進(jìn)水階段、厭氧階段、好氧階段、沉淀、潷水階段、閑置階段以及排泥階段。SBR污水處理技術(shù)采用時(shí)間分割的操作方式替代空間分割的操作方式，非穩(wěn)定生化反應(yīng)替代穩(wěn)態(tài)生化反應(yīng)，靜置理想沉淀替代傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)沉淀?，F(xiàn)階段對(duì)SBR工藝的控制還存在許多不足的地方，而國(guó)家對(duì)污水處理排放的要求越來越嚴(yán)格，這就要求我們必須對(duì)現(xiàn)有的SBR污水處理工藝的控制技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以滿足日益嚴(yán)格的污水處理排放要求。智能控制在非穩(wěn)定的污水動(dòng)態(tài)處理過程中的應(yīng)用日益廣泛與深入，活性污泥數(shù)學(xué)模型的日益成熟，歐洲一些國(guó)家利用活性污泥數(shù)學(xué)模型從事污水處理新工藝開發(fā)、輔助設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)污水處理廠運(yùn)行管理的精確控制，已相當(dāng)普遍。但是，IWA (國(guó)際水協(xié))與歐洲國(guó)家推出的多款模型(ASMs等)，基于的是本國(guó)的生活廢水占95%以上的水質(zhì)條件和生物組分，并不適用于我國(guó)以工業(yè)廢水占了 30%以上的污水水質(zhì)，所以研發(fā)一個(gè)適合我國(guó)污水處理現(xiàn)狀的模型十分必要。然而，我國(guó)國(guó)內(nèi)的大多數(shù)學(xué)者從事的是模糊控制、專家系統(tǒng)等純智能控制方面的研究，往往無法做到對(duì)活性污泥系統(tǒng)運(yùn)行過程的精確控制。由于污水處理的運(yùn)行費(fèi)用是龐大的、長(zhǎng)期的，如果通過有效的控制能將城市污水處理廠的運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省1%，也是個(gè)天文數(shù)字，可見，研發(fā)一種能夠精確表征活性污泥運(yùn)行狀態(tài)、適合我國(guó)污水處理現(xiàn)狀的智能控制方法，將其運(yùn)用到我國(guó)城市污水處理系統(tǒng)顯得十分必要。從控制理論的角度來看，生化處理過程是典型的非線性、時(shí)變、不確定性、時(shí)滯的復(fù)雜系統(tǒng)，人們需要借助數(shù)學(xué)模型、計(jì)算機(jī)模擬來準(zhǔn)確地掌握污水處理過程中活性污泥的狀態(tài)及規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)污水處理工藝流程的控制。從控制對(duì)象的角度來看，溶解氧值(DO)穩(wěn)定控制一直是個(gè)難題。而實(shí)時(shí)負(fù)反饋控制被認(rèn)為能夠較好地維持并使溶解氧值在一個(gè)較穩(wěn)定范圍內(nèi)波動(dòng)的一個(gè)手段，因此，開發(fā)一種可以實(shí)現(xiàn)對(duì)中國(guó)城鎮(zhèn)污水處理過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的方法來優(yōu)化污水處理工藝至關(guān)重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于FCASMs機(jī)理模型和嵌入式系統(tǒng)智能化控制SBR工藝的方法，將FCASMs機(jī)理模型和嵌入式系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了對(duì)SBR工藝的實(shí)時(shí)優(yōu)化控制。一種基于FCASMs機(jī)理模型和嵌入式系統(tǒng)智能化控制SBR工藝的方法，包括以下步驟:
(I)通過MATLAB軟件建立SBR工藝數(shù)值仿真模型，在LabVIEW環(huán)境下調(diào)用所述SBR工藝數(shù)值仿真模型進(jìn)行數(shù)值模擬仿真計(jì)算，得到SBR工藝的時(shí)序參數(shù)、工藝參數(shù)和環(huán)境條件的設(shè)定值；其中，所述SBR工藝數(shù)值仿真模型為全耦合活性污泥模型；(2)基于PXI平臺(tái)，在LabVIEW環(huán)境下實(shí)時(shí)采集SBR反應(yīng)器內(nèi)的環(huán)境條件，并依據(jù)各環(huán)境條件對(duì)應(yīng)的設(shè)定值對(duì)SBR工藝進(jìn)行實(shí)時(shí)負(fù)反饋控制。所述全耦合活性 污泥模型(FCASMs)，可參見孫培德，王如意發(fā)表的“全耦合活性污泥模型(FCASM3) 1:建模機(jī)理及數(shù)學(xué)表征”，《環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)》，2008，28 (12):2404_2419。步驟(1)中，所述時(shí)序參數(shù)即為通過SBR工藝數(shù)值仿真模型數(shù)值模擬仿真計(jì)算出的最佳工藝時(shí)序順序；所述工藝參數(shù)一般包括污泥齡(SRT)和排水比(R);所述環(huán)境條件包括各反應(yīng)階段所對(duì)應(yīng)的pH值、溫度(T)和溶解氧(DO)濃度等，尤其是好氧階段需要控制的最佳溶解氧濃度；其中，通過SBR工藝數(shù)值仿真模型，由進(jìn)水組份濃度、菌群種類和菌種數(shù)量可以計(jì)算出污泥齡和排水比，以窮舉法的形式迭代出好氧階段需要控制的最佳溶解氧濃度。本發(fā)明在數(shù)值模擬仿真計(jì)算時(shí)，在LabVIEW環(huán)境下調(diào)用MATLAB程序(即調(diào)用所述SBR工藝數(shù)值仿真模型)進(jìn)行仿真，并以仿真輸出的結(jié)果作為時(shí)序參數(shù)、工藝參數(shù)和環(huán)境條件的設(shè)定值。所述時(shí)序參數(shù)的數(shù)值模擬仿真計(jì)算包括:(1)根據(jù)處理需求設(shè)置不同的工藝時(shí)序；(2)根據(jù)不同的工藝時(shí)序，利用MATLAB軟件建立不同的候選工藝模型；(3)利用各個(gè)候選工藝模型進(jìn)行仿真計(jì)算，比較在相同的進(jìn)水水質(zhì)條下，各種工藝時(shí)序下的出水情況；(4)根據(jù)出水情況的優(yōu)劣，在候選工藝模型中選擇最優(yōu)模型，即得到相應(yīng)的時(shí)序參數(shù)。所述出水情況的優(yōu)劣以《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002) —級(jí)A標(biāo)為基準(zhǔn)。所述工藝參數(shù)的設(shè)定值的獲得方法為，將污泥齡5山10(1，15(1，20(1，25(1和排水比1/3，1/3.5，1/4，1/4.5，1/5進(jìn)行一一組合，分別代入SBR工藝數(shù)值仿真模型進(jìn)行仿真計(jì)算，比較出水水質(zhì)，當(dāng)滿足化學(xué)需氧量濃度彡50mg.L_\氨氮濃度彡5mg.Γ1和磷酸鹽濃度(0.5mg -L-1的條件下，以總氮去除率最高的組別作為工藝參數(shù)的設(shè)定值，若不上述滿足條件，則以污泥齡15d和排水比1/3作為工藝參數(shù)的設(shè)定值。步驟(2)中，所述基于PXI平臺(tái)為嵌入式控制系統(tǒng)，可由美國(guó)國(guó)家儀器(NI)生產(chǎn)的PXIe8105、PXI1065Q、PXI6238、PXI6515、PXI4351組成，基于PXI平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)吞吐量大，提供兼具高帶寬和低延時(shí)的高速通信，可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)及實(shí)時(shí)控制，成本低，系統(tǒng)可靠性高，其中PXIe8105為PXI嵌入式控制器。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和處理，可以基于PXI平臺(tái)，以LabVIEW環(huán)境構(gòu)建可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)負(fù)反饋控制的SBR工藝控制軟件，借以實(shí)時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)。LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語言相比區(qū)別在于，其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。所述SBR工藝控制軟件包括以下功能:(I)實(shí)現(xiàn)SBR系統(tǒng)的智能化自動(dòng)化運(yùn)行；(2)實(shí)現(xiàn)對(duì)SBR系統(tǒng)中水溫的負(fù)反饋控制；(3)實(shí)現(xiàn)對(duì)SBR系統(tǒng)運(yùn)行過程中pH值的負(fù)反饋控制；(4)實(shí)現(xiàn)對(duì)好氧階段溶解氧的實(shí)時(shí)負(fù)反饋控制；(5)工藝時(shí)序順序的任意組合；(6)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理以及顯
/Jn ο步驟(2)中，依據(jù)各環(huán)境條件對(duì)應(yīng)的設(shè)定值對(duì)SBR工藝進(jìn)行實(shí)時(shí)負(fù)反饋控制時(shí)，所述環(huán)境條件包括SBR反應(yīng)器內(nèi)的水溫、pH值和好氧階段的溶解氧濃度。對(duì)SBR反應(yīng)器內(nèi)的水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)負(fù)反饋控制時(shí)，利用溫度傳感器實(shí)時(shí)采集SBR反應(yīng)器內(nèi)的溫度，PXI嵌入式控制器根據(jù)溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)與溫度的設(shè)定值比對(duì)，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定值時(shí)，對(duì)SBR反應(yīng)器進(jìn)行加熱直至達(dá)到溫度的設(shè)定值。對(duì)SBR反應(yīng)器內(nèi)的pH值進(jìn)行實(shí)時(shí)負(fù)反饋控制時(shí)，利用pH檢測(cè)儀實(shí)時(shí)采集SBR反應(yīng)器內(nèi)的PH值，PXI嵌入式控制器根據(jù)pH檢測(cè)儀采集的數(shù)據(jù)與pH值的設(shè)定值比對(duì)，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定值時(shí)，向SBR反應(yīng)器內(nèi)加入堿直至到達(dá)pH值的設(shè)定值，當(dāng)高于設(shè)定值時(shí)，向SBR反應(yīng)器內(nèi)加入酸直至到達(dá)PH值的設(shè)定值。對(duì)好氧階段的溶解氧濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)負(fù)反饋控制時(shí)，在步驟(I)中仿真計(jì)算得到溶解氧濃度的第一設(shè)定值，當(dāng)好氧階段反應(yīng)進(jìn)行預(yù)定時(shí)間(如I小時(shí))之后，調(diào)用所述SBR工藝數(shù)值仿真模型重新計(jì)算得到溶解氧濃度的第二設(shè)定值，此后在好氧階段期間每隔預(yù)定周期(如半小時(shí))重新計(jì)算一次溶解氧濃度的設(shè)定值，并以各個(gè)重新計(jì)算的設(shè)定值作為對(duì)應(yīng)時(shí)段的溶解氧控制目標(biāo)。好氧階段溶解氧濃度的設(shè)定值的獲得方法為，在SBR工藝數(shù)值仿真模型中，將其中的溶解氧濃度設(shè)為一個(gè)變量，計(jì)算出當(dāng)溶解氧濃度從I 5mg/L(—般以0.5mg/L為一個(gè)梯度)之間變化時(shí)仿真計(jì)算的出水值，通過比較不同溶解氧濃度所對(duì)應(yīng)的出水值，選取最優(yōu)的溶解氧濃度作為設(shè)定值，并將其作為好氧階段最佳溶解氧控制目標(biāo)值。其中選取最優(yōu)的溶解氧濃度以《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002) 一級(jí) A 標(biāo)為準(zhǔn)則。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明通過將數(shù)值仿真模型和嵌入式系統(tǒng)結(jié)合起來，以數(shù)值仿真模型實(shí)現(xiàn)SBR污水處理環(huán)境條件和工藝條件的優(yōu)化，以嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)負(fù)反饋控制，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)SBR污水處理工藝的實(shí)時(shí)優(yōu)化控制，使污水處理效果得以改善，經(jīng)過優(yōu)化后的處理工藝，處理后的污水出水指標(biāo)均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002) —級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，具有潛在的經(jīng)濟(jì)效益。


圖1為一種基于FCASMs機(jī)理模型和嵌入式系統(tǒng)智能化控制SBR工藝的污水處理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1、SBR反應(yīng)室；2、控制柜；3、電磁閥；4、出水箱5、排泥閥；6、溫度傳感器；7、水浴加熱室；8、溶解氧探頭；9、pH探頭；10、微孔曝氣器；11、進(jìn)水管；12、水浴循環(huán)泵；13、水浴進(jìn)水管；14、水浴箱；15、污水泵；16、污水池；17、水浴出水管；18、磁力攪拌器；19、液位計(jì)；20、空氣流量計(jì)；21、空氣泵；22、加堿蠕動(dòng)泵；23、加酸蠕動(dòng)泵；24、顯示器；25、機(jī)械式鍵盤；26、PXI控制平臺(tái)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡釋。圖1顯示了一種基于FCASMs機(jī)理模型和嵌入式系統(tǒng)智能化控制SBR工藝的裝置的結(jié)構(gòu)，主要包括SBR反應(yīng)器、檢測(cè)單元、控制單元、執(zhí)行單元、顯示單元和輸入單元。其中SBR反應(yīng)器可以選用常規(guī)的SBR反應(yīng)器，一般為圓柱體的雙層夾套式結(jié)構(gòu)，內(nèi)層空腔作為反應(yīng)室1，外層空腔作為水浴加熱室7，內(nèi)層的高徑比在3 4:1，底部設(shè)置磁力攪拌器18，內(nèi)部設(shè)有液位計(jì)19。顯示單元一般為顯示器24，用于顯示SBR反應(yīng)器的運(yùn)行狀態(tài)，包括水浴加熱溫度，污水的溶解含氧量、PH值以及運(yùn)行階段等等信息。輸入單元用于輸入各種控制參數(shù)，如污水處理各階段的運(yùn)行時(shí)間，各階段污水溶解氧含量、PH值的控制范圍，進(jìn)水、排水時(shí)間等等，它可以是如圖1所示的機(jī)械式鍵盤25，也可以是與顯示器24集成的觸摸屏。控制單元主要是接收檢測(cè)單元發(fā)出的檢測(cè)信號(hào)，處理后發(fā)出執(zhí)行命令給執(zhí)行單元，控制單元基于FCASM3機(jī)理模型和嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)基于PXI平臺(tái)，由美國(guó)國(guó)家儀器(NI)生產(chǎn)的 PXIe8105 (PXI 嵌入式控制器)、PXI1065Q、PXI6238、PXI6515 和 PXI4351 組成，PXI嵌入式控制器可采集檢測(cè)單元的檢測(cè)數(shù)據(jù)。檢測(cè)單元主要用于檢測(cè)水浴加熱溫度、污水的pH值和溶解氧含量、液面高度。在本實(shí)施例具體分別為溫度傳感器6、pH檢測(cè)儀、溶解氧檢測(cè)儀和液位計(jì)19。溫度傳感器6設(shè)置在水浴加熱室的內(nèi)部，將檢測(cè)的溫度信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸給控制單元，并在顯示單元上顯示。PH檢測(cè)儀和溶解氧檢測(cè)儀僅僅是檢測(cè)探頭設(shè)置在反應(yīng)室內(nèi)，PH探頭9和溶解氧探頭8設(shè)置在反應(yīng)室頂部。PH檢測(cè)儀和溶解氧檢測(cè)儀的機(jī)體部分設(shè)置在室外，并與控制單元連接，它們將污水的PH值和溶解氧含量實(shí)時(shí)傳輸給控制單元。液位計(jì)19置于反應(yīng)器的底部，實(shí)時(shí)將液位信息傳輸給控制單元。執(zhí)行單元根據(jù)接收的執(zhí)行命令，對(duì)水浴加熱溫度和污水的pH值、含氧量進(jìn)行調(diào)節(jié)。在本實(shí)施例中，它主要包括曝氣裝置、水浴循環(huán)裝置和加酸、加堿裝置。曝氣裝置由設(shè)于反應(yīng)室內(nèi)的微孔曝氣器10、連接微孔曝氣器10的進(jìn)氣管以及受控制單元控制的空氣泵21組成。進(jìn)氣管上設(shè)有空氣流量計(jì)20，當(dāng)污水內(nèi)的溶解氧含量低于設(shè)定值時(shí)，則控制單元輸出執(zhí)行命令，啟動(dòng)空氣泵，及時(shí)曝氣。水浴循環(huán)裝置由與水浴加熱室7連通的水浴進(jìn)水管13、水浴出水管17，水浴循環(huán)泵12以及水浴箱14組成。水浴進(jìn)水管13的出水端與水浴加熱室7的底部連通，進(jìn)水端與水浴循環(huán)泵12連接，水浴出水管17的進(jìn)水端與水浴加熱室7的頂部連通，出水端與水浴箱連接。溫度傳感器6將檢測(cè)的溫度信號(hào)傳輸給控制單元，當(dāng)控制單元檢測(cè)水浴溫度低于或高于設(shè)置的范圍，則發(fā)出命令給水浴箱14，通過加熱或冷卻調(diào)節(jié)內(nèi)部的水溫，然后打入水浴加熱室7。加酸、加堿裝置由與反應(yīng)室連通的加酸管、加堿管，加酸管上的加酸蠕動(dòng)泵23，力口堿管上的加堿蠕動(dòng)泵22組成。當(dāng)污水的pH值超出設(shè)定值，控制單元發(fā)出執(zhí)行命令給加酸蠕動(dòng)泵23或加堿蠕動(dòng)泵22，適時(shí)調(diào)節(jié)污水的pH值。該污水處理裝置還包括排水裝置和進(jìn)水裝置，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排水和進(jìn)水。排水裝置由與反應(yīng)室I連通的排水管、排水管上受控制單元控制的電磁閥3以及出水箱4組成，排水管兩端分別連通反應(yīng)室I和出水箱4。進(jìn)水裝置由與反應(yīng)室I連通的進(jìn)水管11、污水池16以及受控制單元控制的污水泵15組成。基于數(shù)值仿真模型和嵌入式系統(tǒng)智能化控制SBR工藝的污水處理裝置的運(yùn)行過程如下:首先通過MATLAB軟件建立SBR污水處理工藝的全耦合活性污泥模型，可參見孫培德，王如意發(fā)表的“全耦合活性污泥模型(FCASM3) 1:建模機(jī)理及數(shù)學(xué)表征”，《環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)》，2008，28 (12):2404-2419。1、全耦合污泥模型(FCASM3 )模型假設(shè)在活性污泥系統(tǒng)生物場(chǎng)耦合模型建立前，提出生物場(chǎng)耦合模型建立的機(jī)理假設(shè)。基于提出的假設(shè)，選擇模型表達(dá)式對(duì)微生物過程進(jìn)行描述。機(jī)理假設(shè)如下:(I)活性污泥系統(tǒng)中可能同時(shí)存在8類菌群，分別為:好氧異養(yǎng)菌Xffl、亞硝酸還原菌Xdns和硝酸還原菌Xdnb ;亞硝酸菌Xns和硝酸菌Xnb ;非反硝化聚磷菌ΧΡω、反硝化聚磷菌Xdpb和聚糖菌Χ_。這些微生物菌群在獲得相應(yīng)的生長(zhǎng)條件以后可以進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的爭(zhēng)奪以供自身生長(zhǎng)代謝。(2)水解過程是由好氧異養(yǎng)菌Xra、亞硝酸還原菌Xdns、硝酸還原菌XDNB、非反硝化聚憐囷ΧρΑ。、反硝化聚憐囷\ρβ和聚糖囷Χω。共冋作用的結(jié)果。(3)好氧異養(yǎng)菌只能以02作為電子受體并基于由RBCOD貯存產(chǎn)生的貯存物質(zhì)進(jìn)行生長(zhǎng)代謝過程，好氧異養(yǎng)菌的生長(zhǎng)代謝過程受到了氮源、磷酸鹽濃度、堿度等的影響。好氧和缺氧條件下均會(huì)發(fā)生內(nèi)源呼吸過程。(4)亞硝酸還原菌和硝酸還原菌是兼性異養(yǎng)菌，在缺氧狀態(tài)下能分別以亞硝酸鹽和硝酸鹽作為電子受體將由RBCOD貯存產(chǎn)生的貯存物質(zhì)進(jìn)行生長(zhǎng)代謝，同時(shí)分別將亞硝酸鹽和硝酸鹽還原成氮?dú)夂蛠喯跛猁}；當(dāng)有02存在時(shí)，亞硝酸還原菌和硝酸還原菌會(huì)以02作為電子受體進(jìn)行好氧代謝，其過程類似于好氧異養(yǎng)菌在好氧條件下的代謝過程；好氧和缺氧條件下均會(huì)發(fā)生內(nèi)源呼吸作用。(5)亞硝酸菌和硝酸菌只能以02作為電子受體。亞硝酸菌、硝酸菌分別以氨氮和亞硝酸鹽作為底物供給自身生長(zhǎng)，并分別轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和氮?dú)猓辉谌毖鯒l件下硝酸菌和硝酸菌能分別利用亞硝酸鹽和硝酸鹽作為電子受體進(jìn)行缺氧內(nèi)源呼吸，并分別產(chǎn)生氮?dú)夂蛠喯跛猁}。它們的生長(zhǎng)過程對(duì)于氧濃度值比較敏感。(6)非反硝化聚磷菌在厭氧和缺氧條件下能利用聚磷酸鹽分解釋放的ATP將RBCOD轉(zhuǎn)化為貯存產(chǎn)物PHA并向系統(tǒng)釋放磷酸鹽，同時(shí)發(fā)生糖原的分解。好氧態(tài)下利用已貯存的內(nèi)源物質(zhì)供給自身需要，同時(shí)合成糖源并吸收外界的磷酸鹽合成聚磷酸鹽。在厭氧條件下非反硝化聚磷菌會(huì)發(fā)生聚磷酸鹽和糖原的先后分解，以達(dá)到維持的目的。(7)反硝化聚磷菌能在厭氧條件下能利用聚磷酸鹽分解釋放的ATP將RBCOD轉(zhuǎn)化為貯存產(chǎn)物PHA并向系統(tǒng)釋放磷酸鹽，同時(shí)發(fā)生糖原的分解。缺氧和好氧態(tài)下能分別以硝酸鹽和溶解氧為電子受體利用已貯存的內(nèi)源物質(zhì)供給自身需要，同時(shí)合成糖源并吸收外界的磷酸鹽合成聚磷酸鹽。在厭氧條件下非反硝化聚磷菌會(huì)發(fā)生聚磷酸鹽和糖原的先后分解，以達(dá)到維持的目的。(8)假設(shè)存在聚糖菌，在厭氧條件下能利用糖原分解釋放的ATP將RBCOD轉(zhuǎn)化為貯存產(chǎn)物ΡΗΑ，缺氧和好氧條件下能分別利用硝酸鹽和氧作為電子受體氧化ΡΗΑ，合成糖原。并假設(shè)聚糖菌在厭氧條件會(huì)發(fā)生胞內(nèi)糖原的分解以達(dá)到維持的目的。
由于生物場(chǎng)耦合模型的建立沿用了 ASMs的建模思想，存在幾點(diǎn)與ASMs類似的基本假設(shè):(I)系統(tǒng)內(nèi)的pH值恒定且接近中性；(2)沒有考慮有機(jī)物組分性質(zhì)的變化；(3)沒有考慮無機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的限制；(4)系統(tǒng)內(nèi)各類菌種不隨時(shí)間發(fā)生菌種的變化；(5)有機(jī)物質(zhì)、有機(jī)氮和有機(jī)磷的水解是相耦合的，而且是同時(shí)發(fā)生的。2、全耦合活性污泥模型組分介紹，以下簡(jiǎn)稱FCASM3。FCASM3中將活性污泥分為31種組分，所有組分的符號(hào)分為兩類:溶解性的“S ”和顆粒性的“X ”。在活性污泥系統(tǒng)中，假定顆粒性組分可在沉淀池中通過沉淀/濃縮來測(cè)定濃度，而溶解性組分只在水中進(jìn)行遷移。所有顆粒性組分必須是中性的(不帶電荷)，而溶解性組分可帶電荷。表I列出了模型組分的定義，其具體含義如下:(I) S02:溶解氧S02受氣體交換的影響。模型中只反映了溶液中氧的去除，而沒有包括氧的充入。為了模擬溶解氧濃度的變化，在列出氧的物料平衡等式時(shí)，合適的氧傳輸過程速率方程應(yīng)包含輸送項(xiàng)。( 2 ) Ss:易生物降解物質(zhì)

易生物降解物質(zhì)能被各類異養(yǎng)菌吸收轉(zhuǎn)化為胞內(nèi)貯存物質(zhì)。(3) S1:溶解惰性有機(jī)物溶解惰性有機(jī)物只在水解過程中產(chǎn)生，而不參與其它任何生物反應(yīng)。(4) SNH4:氨氮為使電荷平衡，假設(shè)全部Snh4以NH4+形式存在。Sn03:硝酸鹽氮SN02:亞硝酸鹽氮(7) Sn2:氮?dú)?，同S02 —樣，受氣體交換的影響。(8) Spo4:磷酸鹽主要為正磷酸鹽?？紤]電荷平衡，假定SP04包括50%的Η2Ρ04_和50%的ΗΡ042—，并且與PH值無關(guān)。表1FCASM3組分簡(jiǎn)單定義
權(quán)利要求
1.種基于FCASMs機(jī)理模型和嵌入式系統(tǒng)智能化控制SBR工藝的方法，包括以下步驟: (1)通過MATLAB軟件建立SBR工藝數(shù)值仿真模型，在LabVIEW環(huán)境下調(diào)用所述SBR工藝數(shù)值仿真模型進(jìn)行數(shù)值模擬仿真計(jì)算，得到SBR工藝的時(shí)序參數(shù)、工藝參數(shù)和環(huán)境條件的設(shè)定值；其中，所述SBR工藝數(shù)值仿真模型為全耦合活性污泥模型； (2)基于PXI平臺(tái)，在LabVIEW環(huán)境下實(shí)時(shí)采集SBR反應(yīng)器內(nèi)的環(huán)境條件，并依據(jù)各環(huán)境條件對(duì)應(yīng)的設(shè)定值對(duì)SBR工藝進(jìn)行實(shí)時(shí)負(fù)反饋控制。
2.權(quán)利要求1所述的基于FCASMs機(jī)理模型和嵌入式系統(tǒng)智能化控制SBR工藝的方法，其特征在于，所述時(shí)序參數(shù)的數(shù)值模擬仿真計(jì)算包括: (1)根據(jù)處理需求設(shè)置不同的工藝時(shí)序； (2)根據(jù)不同的工藝時(shí)序，利用MATLAB軟件建立不同的候選工藝模型； (3)利用各個(gè)候選工藝模型進(jìn)行仿真計(jì)算，比較在相同的進(jìn)水水質(zhì)條下，各種工藝時(shí)序下的出水情況； (4)根據(jù)出水情況的優(yōu)劣，在候選工藝模型中選擇最優(yōu)模型，即得到相應(yīng)的時(shí)序參數(shù)。
3.權(quán)利要求1所述的基于FCASMs機(jī)理模型和嵌入式系統(tǒng)智能化控制SBR工藝的方法，其特征在于，所述工藝參數(shù)包括污泥齡和排水比。
4.權(quán)利要求3所述的基于FCASMs機(jī)理模型和嵌入式系統(tǒng)智能化控制SBR工藝的方法，其特征在于，所述工藝參數(shù)的設(shè)定值的獲得方法為，將污泥齡5d，IOd, 15d，20d, 25d和排水比1/3，1/3.5，1/4，1/4.5，1/5進(jìn)行一一組合，分別代入SBR工藝數(shù)值仿真模型進(jìn)行仿真計(jì)算，比較出水水質(zhì) ，當(dāng)滿足化學(xué)需氧量濃度彡50mg.L—1，氨氮濃度彡5mg.Γ1和磷酸鹽濃度< 0.5mg -L-1的條件下，以總氮去除率最高的組別作為工藝參數(shù)的設(shè)定值，若不上述滿足條件，則以污泥齡15d和排水比1/3作為工藝參數(shù)的設(shè)定值。
5.權(quán)利要求1所述的基于FCASMs機(jī)理模型和嵌入式系統(tǒng)智能化控制SBR工藝的方法，其特征在于，步驟(2)中，所述基于PXI平臺(tái)為嵌入式控制系統(tǒng)，由PXIe8105、PXI1065Q、PXI6238、PXI6515 和 PXI4351 組成。
6.權(quán)利要求1所述的基于FCASMs機(jī)理模型和嵌入式系統(tǒng)智能化控制SBR工藝的方法，其特征在于，步驟(2)中，依據(jù)各環(huán)境條件對(duì)應(yīng)的設(shè)定值對(duì)SBR工藝進(jìn)行實(shí)時(shí)負(fù)反饋控制時(shí)，所述環(huán)境條件包括SBR反應(yīng)器內(nèi)的水溫、pH值和好氧階段的溶解氧濃度。
7.權(quán)利要求6所述的基于FCASMs機(jī)理模型和嵌入式系統(tǒng)智能化控制SBR工藝的方法，其特征在于，對(duì)SBR反應(yīng)器內(nèi)的水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)負(fù)反饋控制時(shí)，利用溫度傳感器實(shí)時(shí)采集SBR反應(yīng)器內(nèi)的溫度，PXI嵌入式控制器根據(jù)溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)與溫度的設(shè)定值比對(duì)，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定值時(shí)，對(duì)SBR反應(yīng)器進(jìn)行加熱直至達(dá)到溫度的設(shè)定值。
8.權(quán)利要求6所述的基于FCASMs機(jī)理模型和嵌入式系統(tǒng)智能化控制SBR工藝的方法，其特征在于，對(duì)SBR反應(yīng)器內(nèi)的pH值進(jìn)行實(shí)時(shí)負(fù)反饋控制時(shí)，利用pH檢測(cè)儀實(shí)時(shí)采集SBR反應(yīng)器內(nèi)的pH值，PXI嵌入式控制器根據(jù)pH檢測(cè)儀采集的數(shù)據(jù)與pH值的設(shè)定值比對(duì)，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定值時(shí)，向SBR反應(yīng)器內(nèi)加入堿直至到達(dá)pH值的設(shè)定值，當(dāng)高于設(shè)定值時(shí)，向SBR反應(yīng)器內(nèi)加入酸直至到達(dá)pH值的設(shè)定值。
9.權(quán)利要求6所述的基于FCASMs機(jī)理模型和嵌入式系統(tǒng)控制SBR工藝的方法，其特征在于，對(duì)好氧階段的溶解氧濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)負(fù)反饋控制時(shí)，在步驟(I)中仿真計(jì)算得到溶解氧濃度的第一設(shè)定值，當(dāng)好氧階段反應(yīng)進(jìn)行預(yù)定時(shí)間之后，調(diào)用所述SBR工藝數(shù)值仿真模型重新計(jì)算得到溶解氧濃度的第二設(shè)定值，此后在好氧階段期間每隔預(yù)定周期重新計(jì)算一次溶解氧濃度的設(shè)定值，并以各個(gè)重新計(jì)算的設(shè)定值作為對(duì)應(yīng)時(shí)段的溶解氧控制目標(biāo)。
10.權(quán)利要求9所述的基于FCASMs機(jī)理模型和嵌入式系統(tǒng)控制SBR工藝的方法，其特征在于，好氧階段溶解氧濃度的設(shè)定值的獲得方法為，在SBR工藝數(shù)值仿真模型中，將其中的溶解氧濃度設(shè)為一個(gè)變量，計(jì)算出當(dāng)溶解氧濃度從I 5mg/L之間變化時(shí)仿真計(jì)算的出水值，通過比較不同溶解氧濃度所對(duì)應(yīng)的出水值，選取最優(yōu)的溶解氧濃度作為設(shè)定值，并將其作為好氧階段 最佳溶解氧控制目標(biāo)值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于FCASMs機(jī)理模型和嵌入式系統(tǒng)智能化控制SBR工藝的方法，包括以下步驟通過MATLAB軟件建立SBR工藝數(shù)值仿真模型，在LabVIEW環(huán)境下調(diào)用所述SBR工藝數(shù)值仿真模型進(jìn)行數(shù)值模擬仿真計(jì)算，得到SBR工藝的時(shí)序參數(shù)、工藝參數(shù)和環(huán)境條件的設(shè)定值；基于PXI平臺(tái)，在LabVIEW環(huán)境下實(shí)時(shí)采集SBR反應(yīng)器內(nèi)的環(huán)境條件，并依據(jù)各環(huán)境條件對(duì)應(yīng)的設(shè)定值對(duì)SBR工藝進(jìn)行實(shí)時(shí)負(fù)反饋控制。本發(fā)明通過結(jié)合數(shù)值仿真模型和基于PXI平臺(tái)的嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)SBR污水處理工藝的實(shí)時(shí)優(yōu)化控制，使污水處理效果得以改善，具有潛在的經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)G05B13/04GK103092079SQ201310012900
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月14日
發(fā)明者孫培德, 楊敏, 陳一波, 湯秀娣 申請(qǐng)人:浙江工商大學(xué)