活性污泥法污水处理进度估计方法

中国污水处理工程网时间：2018-1-13 13:07:30

　　申请日2016.11.04

　　公开(公告)日2017.04.19

　　IPC分类号G01N33/18; C02F3/12

　　摘要

　　本发明公开了一种基于不变观测器的活性污泥法污水处理进度估计方法，通过构建活性污泥法的模型，结合微生物的净增长量、底物和氧气的生成速率，构建活性污泥生长过程的数学模型;选择H(y/s)=ln(y/s)做为其不变函数，输出为y=S，将性污泥生长过程的数学模型构造成收敛的不变观测器;利用不变观测器对微生物浓度、底物浓度和溶解氧浓度的进行在线测量，实现对观测量的跟踪，本发明利用软测量方法，相比较以往的传感器和仪表测量更加的经济，能够实现对活性污泥法污水处理过程中的微生物浓度、底物浓度和溶解氧浓度的有效跟踪，而且反应速度快，测量准确。

　　权利要求书

　　1.一种基于不变观测器的活性污泥法污水处理进度估计方法，其特征是：包括以下步骤：

　　(1)构建活性污泥法的模型，结合微生物的净增长量、底物和氧气的生成速率，构建活性污泥生长过程的数学模型;

　　(2)选择不变函数和输出值，将性污泥生长过程的数学模型构造成收敛的不变观测器;

　　(3)利用不变观测器对微生物浓度、底物浓度和溶解氧浓度的进行在线测量，实现对观测量的跟踪。

　　2.如权利要求1所述的一种基于不变观测器的活性污泥法污水处理进度估计方法，其特征是：所述步骤(1)中，构建的活性污泥法的模型包括曝气池和二沉池，其中，所述曝气池的输入为进水流量和进水底物浓度，曝气池的输出为二沉池模型的输入，二沉池的输出为进水流量与回流线路中的污泥排放量之差、生物固体浓度和出水的底物浓度，二沉池将回流污泥量、回流污泥的浓度和出水的底物浓度反馈给曝气池。

　　3.如权利要求1所述的一种基于不变观测器的活性污泥法污水处理进度估计方法，其特征是：所述步骤(1)中，微生物的净增长量、底物和氧气的生成速率的数学表达式为：

　　 $\{\begin{matrix} \frac{d X}{d t} = μ \frac{S}{K_{S} + S} X - b X \\ \frac{d S}{d t} = - \frac{1}{Y} μ \frac{S}{K_{S} + S} X \\ \frac{{dS}_{O}}{d t} = - \frac{1 - Y}{Y} μ \frac{S}{K_{S} + S} X - b X \end{matrix} - - - (1)$

　　其中，b为微生物的衰减系数，μ为生物固体的好养生长的比增长速率，KS为饱和常数，Y为底物产生的微生物量，S为曝气池底物的浓度，X为曝气池微生物的浓度，So为溶解氧的浓度，V为曝气池容积。

　　4.如权利要求1所述的一种基于不变观测器的活性污泥法污水处理进度估计方法，其特征是：所述步骤(1)中，SRT为活性污泥的滞留时间，表示为

　　 $S R T = \frac{V X}{Q_{w} X_{r} + (Q - Q_{w}) X_{ϵ}} - - - (3)$

　　在二沉池中，由物料平衡得

　　(Q+Qr)X=(Qr+Qw)Xr+(Q-Qw)Xε

　　又Xε≈0，

　　 $S R T = \frac{V X}{(Q + Q_{r}) X - Q_{r} X_{r}} - - - (4)$

　　其中，Q为进水流量，Sin为进水底物浓度，Sε为出水的底物浓度，Xε为生物固体浓度，Xr为回流污泥的浓度，Qw为回流线路中的污泥排放量，Qr为回流污泥量。

　　5.如权利要求1所述的一种基于不变观测器的活性污泥法污水处理进度估计方法，其特征是：所述步骤(1)中，结合活性污泥的滞留时间、微生物的净增长量、底物和氧气的生成速率，根据物料平衡原理，得到活性污泥生长过程的数学模型：

　　 $\{\begin{matrix} \overset{\cdot}{X} = - \frac{X}{S R T} + \hat{μ} \frac{S}{K_{S} + S} \frac{S_{O}}{K_{O} + S_{O}} X - b X \\ \overset{\cdot}{S} = \frac{Q}{V} S_{i n} - \frac{Q}{V} S - \frac{1}{Y} \hat{μ} \frac{S}{K_{S} + S} \frac{S_{O}}{K_{O} + S_{O}} X \\ {\overset{\cdot}{S}}_{O} = K_{L} a (S_{O s a t} - S_{O}) - \frac{Q}{V} S_{O} - b X - \frac{1 - Y}{Y} \hat{μ} \frac{S}{K_{S} + S} \frac{S_{O}}{K_{O} + S_{O}} X \end{matrix}$

　　b为微生物的衰减系数，为生物固体的好养生长的最大比增长速率，KS为异养菌生长与底物利用饱和常数，KO为自养菌的氧饱和常数，Y为底物产生的微生物量，S为曝气池底物的浓度，X为曝气池微生物的浓度，So为溶解氧的浓度，V为曝气池容积，Q为进水流量，Sin为进水底物浓度，SRT为活性污泥的滞留时间，KLa为总的气体传递系数，SOsat为溶解氧浓度的饱和值。

　　6.如权利要求1所述的一种基于不变观测器的活性污泥法污水处理进度估计方法，其特征是：所述步骤(2)中，选择H(y/s)=ln(y/s)做为其不变函数，在此基础上，对于活性污泥生长过程的数学模型，选择输出为y=S，其中，y为输出，S为底物浓度，构造如下的不变观测器：

　　 $\{\begin{matrix} \overset{\cdot}{\hat{X}} = - \frac{\hat{X}}{S R T} + (\hat{μ} \frac{\hat{S}}{K_{S} + \hat{S}} \frac{{\hat{S}}_{O}}{K_{O} + {\hat{S}}_{O}} - b) \hat{X} + b_{0} \hat{X} (\ln S - \ln \hat{S}), \\ \overset{\cdot}{\hat{S}} = \frac{Q}{V} (S_{i n} - \hat{S}) - \frac{1}{Y} \hat{μ} \frac{\hat{S}}{K_{S} + \hat{S}} \frac{{\hat{S}}_{O}}{K_{O} + {\hat{S}}_{O}} \hat{X} + a_{0} \hat{S} (\ln S - \ln \hat{S}), \\ {\overset{\cdot}{\hat{S}}}_{O} = K_{L} a (S_{O s a t} - {\hat{S}}_{O}) - \frac{Q}{V} {\hat{S}}_{O} + c_{0} {\hat{S}}_{O} (\ln S - \ln \hat{S}) \frac{1 - Y}{Y} \hat{μ} \frac{\hat{S}}{K_{S} + \hat{S}} \frac{{\hat{S}}_{O}}{K_{O} + {\hat{S}}_{O}} \hat{X} - b \hat{X} \end{matrix}$

　　分别为微生物浓度、底物浓度和溶解氧浓度，b为微生物的衰减系数，为生物固体的好养生长的最大比增长速率，KS为异养菌生长与底物利用饱和常数，KO为自养菌的氧饱和常数，Y为底物产生的微生物量，V为曝气池容积，Q为进水流量，Sin为进水底物浓度，SRT为活性污泥的滞留时间，KLa为总的气体传递系数，SOsat为溶解氧浓度的饱和值，a0,b0,c0为可调系数。

　　7.如权利要求6所述的一种基于不变观测器的活性污泥法污水处理进度估计方法，其特征是：所述步骤(3)中，若采集的参数不达标，通过调节a0,b0,c0的大小来观察观测器能否有效跟踪系统。

　　说明书

　　一种基于不变观测器的活性污泥法污水处理进度估计方法

　　技术领域

　　本发明涉及一种基于不变观测器的活性污泥法污水处理进度估计方法。

　　背景技术

　　近年来，由于环境污染加剧，水资源短缺严重，污水处理的问题受到了广泛的关注。污水处理的目的是使污水能够安全排放或是再次使用，常用的污水处理方法有活性污泥法、生物膜法、内电解法等，活性污泥法具有高效率、低能耗、污染小、适应能力强等特点，城市污水处理中绝大多数均采用活性污泥法。

　　应用活性污泥法处理污水的过程中，需要实时、准确的测量生化过程中的一些重要参数，选取合适的传感器尤为重要，但是传感器价格昂贵，而且测量污水处理中的水衡质量指标化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)和生物需氧量(Biochemical OxygenDemand,BOD)需要一定的时间，使用传感器会产生一定的延时。在此基础上，很多学者提出了在测量仪表上加以改进，1999年，有学者提出采用波长选择吸收测量光学技术解决BOD5的在线连续测量问题，2014年，有学者提出BOD神经网络软测量的仪表，可是仍然需要较高的成本。

　　活性污泥法是指利用人工培养的微生物群体来吸附、分解、氧化污泥中可生物降解的有机物，通过生物化学反应，将这些有机物从污水中分离出来，使污水得到净化。污水处理一般分为一级处理、二级处理、三级处理，其处理流程如图1所示,一级处理一般采用物理方法，例如混凝沉淀，三级处理常使用化学方法，以消除氟、磷等污染物质，活性污泥法是一种被广泛应用的二级污水处理方法，其特点是低能耗、低成本、高效率。活性污泥法主要包括曝气池和二沉池，活性污泥是悬浮的微生物群体以及他们所吸附的有机物质和无机物质的总和，经过一级处理后的污水进入曝气池，由曝气池中的活性污泥将污水中的BOD5分解成CO2和H2O，然后进入二沉池进行固液分离，达标的处理水排放到江河或是进行二次利用，剩余的污泥一部分回流到曝气池，另一部分进入消化池，进行进一步处理。

　　活性污泥法的数学模型主要是曝气池模型和二沉池模型，20世纪80年代开始，IAWQ相继推出了ASM1模型、ASM2模型、ASM2d模型、ASM3模型。ASM1模型中包含8个反应过程、5个化学计量参数、14个动力学参数，采用“死亡--再溶解”机理，做到对代谢残余物的有效再利用;在ASM1模型的基础上推出了ASM2模型，ASM2模型不考虑个体细胞的组成，只考虑微生物的平均组成，包含19个反应过程、22个化学计量参数、42个动力学参数;ASM2d模型是ASM2模型的推广，增加了2个反硝化过程，这2个反硝化过程主要是模拟聚磷菌利用细胞内有机产物;ASM3模型中的过程和参数与ASM1模型的相同，其活动过程是水解后的有机物储藏在微生物体内，强调了细胞内部的活动过程。ASM模型能够相对准确的描述污水处理的过程，但是其参数多、识别困难，而且使用有一定的限制条件。

　　发明内容

　　本发明为了解决上述问题，提出了一种基于不变观测器的活性污泥法污水处理进度估计方法，本发明为活性污泥法污水处理过程设计了一个不变观测器，通过理论证明和模拟仿真证明了该观测器具有强收敛性和快速性，通过选取合适的a0、b0和c0使系统具有良好的性能。

　　为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

　　一种基于不变观测器的活性污泥法污水处理进度估计方法，包括以下步骤：

　　(1)构建活性污泥法的模型，结合微生物的净增长量、底物和氧气的生成速率，构建活性污泥生长过程的数学模型;

　　(2)选择不变函数和输出值，将性污泥生长过程的数学模型构造成收敛的不变观测器;

　　(3)利用不变观测器对微生物浓度、底物浓度和溶解氧浓度的进行在线测量，实现对观测量的跟踪。

　　所述步骤(1)中，构建的活性污泥法的模型包括曝气池和二沉池，其中，所述曝气池的输入为进水流量和进水底物浓度，曝气池的输出为二沉池模型的输入，二沉池的输出为进水流量与回流线路中的污泥排放量之差、生物固体浓度和出水的底物浓度，二沉池将回流污泥量、回流污泥的浓度和出水的底物浓度反馈给曝气池。

　　所述步骤(1)中，微生物的净增长量、底物和氧气的生成速率的数学表达式为：

　　所述步骤(1)中，SRT为活性污泥的滞留时间，表示为

　　在二沉池中，由物料平衡得

　　(Q+Qr)X=(Qr+Qw)Xr+(Q-Qw)Xε

　　又Xε≈0，

　　所述步骤(1)中，结合活性污泥的滞留时间、微生物的净增长量、底物和氧气的生成速率，根据物料平衡原理，得到活性污泥生长过程的数学模型：

　　所述步骤(2)中，选择H(y/s)=ln(y/s)做为其不变函数，在此基础上，对于活性污泥生长过程的数学模型，选择输出为y=S，构造如下的不变观测器，其中，y为输出，S为底物浓度。

　　所述步骤(3)中，若采集的参数不达标，通过调节a0,b0,c0的大小来观察观测器能否有效跟踪系统。

　　本发明的有益效果为：

　　(1)本发明可以快速、精确的估计出微生物浓度、底物浓度和溶解氧浓度;

　　(2)本发明利用软测量方法，相比较以往的传感器和仪表测量更加的经济，能够实现对活性污泥法污水处理过程中的微生物浓度、底物浓度和溶解氧浓度的有效跟踪，而且反应速度快，测量准确，当参数改变时，可以通过调节a0,b0,c0的大小使系统实行跟踪。