申请日2016.06.16
公开(公告)日2016.10.26
IPC分类号G06F17/11
摘要
本发明公开了一种用于硝化阶段稳态求解的活性污泥模型及求解方法，包括以下步骤：(1)对ASM3号模型进行合理简化并构建其化学计量学矩阵和过程速率方程;(2)耦合亚硝酸盐(NO2‑)氧化过程和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)生长衰减过程，并借鉴ASM3号模型，构建其化学计量学矩阵和过程速率方程;(3)根据模型构建出各组分的物料平衡方程，并利用MATLAB数学软件求出各组分的解析解，再将各类参数和工况条件代入，最终确定模型中各组分的浓度。本发明可以用于硝化阶段的稳态求解，也可用于动态模拟时的初值确定，因此本发明构建的活性污泥模型具有很强的实用性。
权利要求书
1.一种用于硝化阶段稳态求解的活性污泥模型及求解方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)：对ASM3号模型进行合理简化并构建其化学计量学矩阵和过程速率方程;
步骤(2)：耦合亚硝酸盐(NO2-)氧化过程和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)生长衰减过程，并借鉴ASM3号模型，构建其化学计量学矩阵和过程速率方程;
步骤(3)：利用MATLAB数学软件求出各组分的解析解并进行相应计算。
2.根据权利要求1所述的一种用于硝化阶段稳态求解的活性污泥模型及求解方法，其特征在于，步骤(1)中所述的对ASM3号模型进行合理简化包括COD好氧贮存、异养菌好氧生长、异养菌好氧内源呼吸、XSTO有氧呼吸四个过程和SS、SNH4、XSTO、XH 四个组份，包括4个化学计量学系数(iN,SS、iN,BM、YSTO,O2、YH,O2)和7个动力学参数(kSTO、KS、uH、KNH4、KSTO、bHO2、bSTOO2)。
3.根据权利要求1所述的一种用于硝化阶段稳态求解的活性污泥模型及求解方法，其特征在于，步骤(1)中所述的构建其过程速率方程为：
R1=kSTO*SS*XH/(KS+SS)
R2=uH*SNH4* XSTO/XH *XH/(KNH4+SNH4)/(KSTO+XSTO/XH)
R3=bHO2*XH
R4=bSTOO2*XSTO 。
4.根据权利要求1所述的一种用于硝化阶段稳态求解的活性污泥模型及求解方法，其特征在于，步骤(2)中所述的耦合亚硝酸盐(NO2-)氧化过程和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)生长衰减过程包括SNO2、SNO3、XA、XN四个组份和硝化(1)、硝化(2)、AOB有氧内源呼吸、NOB有氧内源呼吸四个反应过程，同时包含2个化学计量学系数(YA、YN)和6个动力学参数(uA、KANH4、uN、KNNO2、bAO2、bNO2)。
5.根据权利要求1所述的一种用于硝化阶段稳态求解的活性污泥模型及求解方法，其特征在于，步骤(2)中所述的过程速率方程为：
R5=uA*SNH4*XA/(KANH4+SNH4)
R6=uN*SNO2*XN/(KNNO2+SNO2)
R7=bAO2*XA
R8=bNO2*XN 。
6.根据权利要求1所述的一种用于硝化阶段稳态求解的活性污泥模型及求解方法，其特征在于，步骤(3)中所述的利用MATLAB数学软件是指通过对模型中各分组建立物料平衡方程，利用MATLAB中‘solve’函数求解一组非线性方程，进而得出各组分的解析解，再根据需要将相关动力学和化学计量学参数代入到方程中，并确定相关运行工况参数，从而得出各组分最终浓度。
说明书
一种用于硝化阶段稳态求解的活性污泥模型及求解方法
技术领域
本发明属于污水生物处理与资源化技术领域，特别涉及一种用于硝化阶段稳态求解的活性污泥模型及求解方法。
背景技术
在污水处理过程中，当入流和工艺条件不随时间变化时，污水处理设施内的各组分浓度保持不变或者在较小的范围内变化，此时处理系统既处于稳态。而研究污水稳态处理过程可以实现对污水厂前期设计及后期动态模拟的初值确定。与此同时，对于传统污水处理中氮素的去除过程，其首先进行的既是好氧硝化阶段，因此构建一种更符合现代研究理论的用于硝化阶段稳态求解及动态模拟初值确定的活性污泥模型将更有利于对此后氮素去除过程的模拟，同时也将对整个硝化反硝化过程的稳态模型构建提供思路和借鉴。
目前国内外构建了大量基于国际水协提出的活性污泥1号模型(ASM1)的稳态模型，但由于1号模型自身的建模理论相比于目前研究成果相对落后，并且由于现代污水处理工艺需要对氮素去除过程进行更细致的描述，这使得相对简单地1号模型并不能很好的满足其的模拟要求。与此同时，目前相对缺少对于硝化阶段稳态模型的计算方法，或者已有的活性污泥计算软件其求解成本过高，因此，构建一种即符合当代研究理论，又能对各类含氮化合物进行细致描述，同时可以方便求解的硝化阶段稳态活性污泥模型具有重要的理论研究意义和工程应用价值。
由于活性污泥3号模型(ASM3)是国际水协提出的最新版活性污泥模型，具有一定的前瞻性与教育价值，同时ASM3号模型充分肯定了水解和内源呼吸理论，更符合当前对活性污泥中异养菌和自养菌代谢过程的研究。因此，本发明旨在构建一种基于对ASM3模型合理简化，并耦合更细致的氮素去除过程的可用于硝化阶段稳态求解的活性污泥模型。同时也可利用MATLAB数学软件实现对稳态模型的求解。基于上述分析，本发明提出了一种用于硝化阶段稳态求解的活性污泥模型及求解方法。
发明内容
本发明旨在解决上述问题。
为此，本发明的目的在于提出一种用于硝化阶段稳态求解的活性污泥模型及求解方法，其特征在于包括以下步骤：(1)对ASM3号模型进行合理简化并构建其化学计量学矩阵和过程速率方程;(2)耦合亚硝酸盐(NO2-)氧化过程和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)生长衰减过程，并借鉴ASM3号模型，构建其化学计量学矩阵和过程速率方程;(3)根据模型构建出各组分的物料平衡方程，并利用MATLAB数学软件求出各组分的解析解，再将各类参数和工况条件代入，最终确定模型中各组分的浓度;
另外，根据本发明所提出的硝化阶段稳态求解的活性污泥模型及求解方法，还可具有如下附加技术特征：
进一步的，步骤(1)中所述的对ASM3号模型进行简化并构建其化学计量学矩阵和过程速率方程包括：只保留COD好氧贮存、异养菌好氧生长、异养菌好氧内源呼吸、XSTO有氧呼吸四个过程，同时只保留SS、SNH4、XSTO、XH这4个组份，并且认为在整个硝化过程中溶解氧含量是充足的。
进一步的，步骤(2)中所述的耦合亚硝酸盐(NO2-)氧化过程和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)生长衰减过程包括在硝化阶段，认为NH4+首先被氨氧化菌(AOB)氧化为NO2-，而NO2-再被NOB氧化成NO3-以完成整个硝化过程，同时利用内源呼吸理论体现AOB和NOB的衰减过程，并且认为在整个硝化过程中溶解氧含量是充足的;
进一步的，步骤(2)中所述的借鉴ASM3号模型构建其化学计量学矩阵和过程速率方程包括增加SNO2、SNO3、XA、XN四个组份，并相应增加硝化(1)、硝化(2)、AOB有氧内源呼吸、NOB有氧内源呼吸四个反应过程;
进一步的，步骤(3)中所述的求出各组分的解析解包括通过对模型中各组分建立物料平衡方程，利用MATLAB数学软件中的‘solve’函数求出各组分的解析解，并通过已知的动力学和化学计量学参数，加之运行工况条件，从而最终确定各组分的浓度。
本发明是基于对ASM3模型的合理简化，通过耦合亚硝酸盐(NO2-)氧化过程和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)生长衰减过程，构建的一种用于硝化阶段稳态求解的活性污泥模型，并利用MATLAB数学软件实现对稳态模型的求解。
