申请日2016.03.28
公开(公告)日2016.08.17
IPC分类号G06F17/50
摘要
本发明公开了一种污水生物脱氮过程中N2O动力学模型的建模方法，包括以下步骤：(1)全面分析N2O产生机理并利用半反应方程准确表达N2O产生机理;(2)全面分析影响N2O产生的工况条件，确定关键环境因子;(3)基于活性污泥3号模型(ASM3)并根据已确定的半反应方程与关键因子，构建基于ASM3的N2O动力学模型;(4)利用MATLAB最优化算法，对建模过程中的未知参数进行参数估计与参数识别，并确定未知参数的置信区间;(5)利用MATLAB数学软件对N2O动力学模型进行动态模拟，并对各类参数进行灵敏度分析，找出对模型影响较大的关键参数并进行修改;(6)利用MATLAB建立N2O动力学模型动态模拟软件;本发明具有对N2O产生机理的表达更加清楚，预测能力更加准确等优点。
摘要附图
权利要求书
1.一种污水生物脱氮过程氧化亚氮动力学模型的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)：全面分析N2O的产生机理与产生途径，利用半反应方程式准确表达N2O的产生机理与途径;
步骤(2)：全面分析影响N2O产生的各类工况条件，明确影响各类生化反应的关键环境因子;
步骤(3)：基于活性污泥3号模型(ASM3)并根据已确定的半反应方程式与关键因子，利用化学计量学与组分间能量转化关系，建立模型的矩阵表达形式进而建立基于ASM3的N2O动力学模型;
步骤(4)：利用MATLAB最优化算法，对建模过程中的未知参数进行参数估计与参数识别，并确定未知参数的置信区间;
步骤(5)：在参数确定之后，利用MATLAB数学软件编写程序对N2O动力学模型进行动态模拟，并对动力学和化学计量学参数进行灵敏度分析，找出对模型模拟效果影响最大的关键参数并进行修改;
步骤(6)：基于MATLAB图形用户界面设计，建立N2O动力学模型动态模拟软件。
2.根据权利要求1所述的一种污水生物脱氮过程氧化亚氮动力学模型的建模方法，其特征在于，步骤(1)中所述的N2O的产生途径有AOB反硝化、异养菌反硝化、NOH化学分析、微生物衰减过程。
3.根据权利要求1所述的一种污水生物脱氮过程氧化亚氮动力学模型的建模方法，其特征在于，步骤(2)中所述的工况条件与关键因子有溶解氧、pH值、温度、COD/N比、NO2-浓度。
4.根据权利要求1所述的一种污水生物脱氮过程氧化亚氮动力学模型的建模方法，其特征在于，步骤(4)中所述的MATLAB最优化算法为非线性最小二乘法，并可得到95%的置信区间。
5.根据权利要求1所述的一种污水生物脱氮过程氧化亚氮动力学模型的建模方法，其特征在于，步骤(5)中所述的动态模拟程序算法为四五阶Runge-Kutta算法和基于数值差分的可变阶算法(BDFs，Gear);所述的灵敏度分析为最常用的相对灵敏度函数Sji。
说明书
一种污水生物脱氮过程中氧化亚氮动力学模型的建模方法
技术领域
本发明属于污水生物处理与资源化技术领域，特别涉及一种污水生物脱氮过程氧化亚氮动力学模型的建模方法。
背景技术
氧化亚氮(N2O)作为一种强温室气体，可引起臭氧层的破坏并促进酸雨形成，在一定的气象条件下也很容易转化为二次颗粒污染物从而加重雾霾。因此N2O对大气环境具有复合污染效应。污水生物处理过程被认为是N2O产生的重要人为来源之一。因此，基于N2O产生机理构建N2O动力学模型具有重要的理论研究意义和工程应用价值。
目前国内仍未出现专门针对N2O动力学模型的研究。相比之下，国外针对N2O动力学模型的研究较为深入，但依然存在诸多亟待解决的问题，例如对N2O的产生途径描述不够全面、对影响N2O产生的关键因子分析不够深入等。与此同时，通过计算机模拟N2O产生量的研究也相对较少。
由于ASM3号模型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，同时也是目前更为合理的活性污泥模型基本架构。并且ASM3号模型充分肯定了“水解→储存→生长→内源呼吸作用”形式的代谢模式，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，基于ASM3建立的N2O动力学模型将具有机理表达更加清楚、描述半反应过程更加细致、模型预测能力更加准确等优点。基于上述分析，本发明提出了一种污水生物脱氮过程N2O动力学模型的建模方法以解决以上问题。
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了一种污水生物脱氮过程氧化亚氮动力学模型的建模方法，其特征在于包括以下步骤：(1)全面分析N2O的产生机理与产生途径，利用半反应方程式准确表达N2O的产生机理与途径;(2)全面分析影响N2O产生的各类工况条件，明确影响各类生化反应的关键因子;(3)基于活性污泥3号模型(ASM3)并根据已确定的半反应方程式与关键因子，利用化学计量学与能量转化关系，建立模型的矩阵表达形式进而建立基于ASM3的N2O动力学模型;(4)利用MATLAB最优化算法，对建模过程中的未知参数进行参数估计与参数识别，并确定未知参数的置信区间;(5)在参数确定之后，利用MATLAB数学软件编写程序对N2O动力学模型进行动态模拟，并对动力学和化学计量学参数进行灵敏度分析，找出对模型模拟效果影响最大的关键参数并进行修改;(6)基于MATLAB图形用户界面设计，建立N2O动力学模型动态模拟软件;
根据本发明提出的模型建立方法，可以建立更加全面、准确的N2O动力学模型。另外，根据本发明所提出的建模方法，还可具有如下附加技术特征：
进一步的，步骤(1)中所述的N2O的产生途径有AOB反硝化、异养菌反硝化、NOH化学分析、微生物衰减过程。
进一步的，步骤(2)中所述的工况条件与关键因子有溶解氧、pH值、温度、COD/N比、NO2-浓度。
进一步的，步骤(4)中所述的MATLAB最优化算法为非线性最小二乘法，并可得到95%的置信区间。
进一步的，步骤(5)中所述的动态模拟程序算法为四五阶Runge-Kutta算法和基于数值差分的可变阶算法(BDFs，Gear);所述的灵敏度分析为最常用的相对灵敏度函数Sji。
本发明是基于ASM3号模型并利用MATLAB软件提出的N2O动力学模型的建模方法。本发明既全面考虑了N2O产生途径，也注重微生物生长衰减和主要环境因素对N2O产生的影响;既利用MATLAB软件对模型进行参数拟合和矫正，也开发了N2O动态模拟软件。此外，本发明技术方案思路清晰简单，通过合理利用MATLAB软件可大大节约建模时间和成本。