申请日2010.08.05
公开(公告)日2010.12.29
IPC分类号C02F103/28; C02F3/12
摘要
本发明提供造纸废水活性污泥法处理的仿真方法，包括测得废水组分比例，建立造纸废水活性污泥法处理过程的数学模型;建立生物反应SIMULINK仿真模型和沉淀过程SIMULINK仿真模型;确定活性污泥法废水处理仿真模型的过程参数和入水组分划分软测量模型;最后运行生物反应SIMULINK仿真模型和沉淀过程SIMULINK仿真模型，并输出仿真模型的仿真结果。本发明能对仿真模型的过程参数进行测定和修正，也可以对入水组分进行划分，并且为造纸活性污泥法废水处理系统设计、改造和控制方案的实施提供评价体系。
摘要附图
权利要求书
1.造纸废水活性污泥法处理的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)基于活性污泥1号模型，对造纸废水、活性污泥进行特性分析，测得废水组分比例，建立造纸废水活性污泥法处理过程的数学模型;
(2)基于造纸废水活性污泥法处理工艺过程，通过MATLAB/SIMULINK建立造纸废水活性污泥法处理过程的生物反应SIMULINK仿真模型和沉淀过程SIMULINK仿真模型;
(3)根据步骤(1)中的造纸废水、活性污泥特性分析的结果，确定活性污泥仿真模型的过程参数和入水组分划分软测量模型;
(4)运行造纸废水活性污泥法处理过程的生物反应SIMULINK仿真模型和沉淀过程SIMULINK仿真模型，并输出仿真模型的仿真结果。
2.根据权利要求1所述的造纸废水活性污泥法处理的仿真方法，其特征在于，步骤(3)所述活性污泥法仿真模型的过程参数根据活性污泥特性呼吸计量实验分析以及Arrhenius公式修正得到;入水组分划分软测量模型指的是将造纸厂实际采样废水按照步骤(1)中测得的废水组分比例进行划分而获得仿真模型需要的组分浓度。
3.根据权利要求1所述的造纸废水活性污泥法处理的仿真方法，其特征在于，步骤(4)所述仿真的步骤包括：输入入水流量和组分浓度都不变化的稳态入水数据进行稳态仿真，直至各状态参数值稳定不变，完成稳态仿真;将稳态仿真的状态函数终值作为状态函数初始值，输入造纸厂采集的入水数据，进行动态仿真，运行若干时间直至仿真系统进入稳定状态。
4.根据权利要求3所述的造纸废水活性污泥法处理的仿真方法，其特征在于，所述若干时间为7天，或者为废水处理系统的40个运行周期。
5.根据权利要求1所述的造纸废水活性污泥法处理的仿真方法，其特征在于，步骤(4)所述生物反应SIMULINK模型包含入水输入、氧传递系数输入和生物反应输出，以及用于完成反应过程的SBRBio模块;其中入水输入包含废水流量和废水的各组分浓度数据，氧传递系数输入用于表征生物反应器中曝气量的大小，生物反应输出包含废水各组分浓度数据。
6.根据权利要求1所述的造纸废水活性污泥法处理的仿真方法，其特征在于，步骤(4)所述沉淀过程SIMULINK模型包含生物反应结束时废水的各组分浓度输入和沉淀过程输出;其中沉淀过程输出包含出水体积、出水各组分浓度，剩余污泥体积、剩余污泥各组分浓度，以及排放污泥量。
说明书
造纸废水活性污泥法处理的仿真方法
技术领域
本发明涉及造纸废水处理技术领域，具体是指造纸废水活性污泥法处理的仿真方法。
背景技术
造纸企业是传统的废水排放大户，将废水处理到符合国家规定的排放标准，同时最大限度地减少废水处理的运行成本，是造纸企业关注的重要问题。在众多的废水处理方法中，活性污泥法由于具有处理效果好、运行成本低等特点而成为目前造纸厂进行废水处理的常用工艺。活性污泥法废水处理过程是一个强耦合的多输入多输出动态系统，具有高度非线性、时变、不确定性和时滞等特点，因此导致了活性污泥法废水处理过程研究的复杂和困难。随着活性污泥法处理仿真模型的成熟和计算机仿真技术的发展，通过计算机仿真模拟活性污泥法废水处理过程，研究活性污泥法废水处理工艺，废水处理过程控制算法和控制策略，对活性污泥法废水处理系统进行改造等等，已成为造纸活废水性污泥法处理的研究热点。
传统的造纸厂废水处理系统的设计和改造，通常是通过实验、工厂中试、或者是全面的实验后总结产生的，这样的过程不但需要大量时间，而且会浪费大量的资源。而通过造纸废水处理计算机仿真模型设计或改造废水处理系统，可以快速的对系统进行分析评价，同时计算机仿真模型也便于修改，可以在较短的时间和较低的成本下完成废水处理系统的设计或改造。不仅在废水处理工艺的改造和设计方面，在废水处理系统的运行过程中，计算机仿真模型也可以很好的辅助废水处理系统的控制，以达到最优的出水质量和降低废水处理费用。
活性污泥法废水处理仿真模型和计算机仿真技术的发展完善，为活性污泥法废水处理过程仿真模拟的实现奠定了基础。国际水质协会(International Water Association，IWA)提出的活性污泥系列模型(ASM1，ASM2，ASM2D，ASM3)是目前研究最为成熟的活性污泥模型，其中以活性污泥1号模型(ASM1)使用最为广泛。ASM1模型原本是用于对市政废水处理过程的模拟，但是通过近年来的研究发现，通过对ASM1模型进行修正或者加入特定的功能，也能够较好地模拟工业废水处理过程。
MATLAB是由美国MathWorks公司推出的用于数值计算和图形处理的计算机系统环境，除了具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。SIMULINK是MATLAB为模拟动态系统而提出的一个交互式程序，允许用户在屏幕上绘制框图来模拟一个系统，能够动态地控制该系统。近几年，在学术界和工业领域，SIMULINK以其强大的功能和简便的操作已经成为动态系统建模和仿真方面应用最广泛的软件包之一。它支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统，且系统可以是多进程的。
活性污泥法废水处理仿真模型中包含了众多的过程参数，如活性污泥1号模型中包含了13个化学计量参数和6个动力学参数，在进行模型仿真之前要确定这些参数，才能保证仿真的准确稳定。在众多参数中，一些参数因为假设值能收到良好的效果，因此不需要测定;而其它参数受环境因素和污泥自身特性影响较大，必须根据仿真对象对其进行测定。
在活性污泥仿真模型中使用的废水指标和实际生产中的并不一样，但是存在一定的转换关系，这也就要求需要将实际废水指标转化为活性污泥法废水处理仿真模型中使用的组分。因此，解决活性污泥模型的过程参数和废水组分划分问题，是造纸废水活性污泥法处理仿真模型建立中必不可缺的一部分。
发明内容
本发明的目的在于解决现有造纸活性污泥法废水处理过程仿真模型的过程参数和废水组分划分的问题，提供造纸废水活性污泥法处理过程仿真模型及其仿真方法，能对仿真模型的过程参数进行测定和修正，也可以对入水组分进行划分，并且为造纸废水活性污泥法处理系统的设计、改造和控制方案的实施提供评价体系。
本发明的目的通过下述技术方案实现：造纸废水活性污泥法处理的仿真方法，包括以下步骤：
(1)基于活性污泥1号模型，对造纸废水、活性污泥进行特性分析，测得废水组分比例，建立造纸废水活性污泥法处理过程的数学模型;
(2)基于造纸废水活性污泥法处理工艺过程，通过MATLAB/SIMULINK建立造纸废水活性污泥法处理过程的生物反应SIMULINK仿真模型和沉淀过程SIMULINK仿真模型;
(3)根据步骤(1)中的造纸废水、活性污泥特性分析的结果，确定活性污泥仿真模型的过程参数和入水组分划分软测量模型;
(4)运行造纸废水活性污泥法处理过程的生物反应SIMULINK仿真模型和沉淀过程SIMULINK仿真模型，并输出仿真模型的仿真结果。
步骤(3)所述活性污泥仿真模型的过程参数根据活性污泥特性呼吸计量实验分析以及Arrhenius公式修正得到;入水组分划分软测量模型指的是将造纸厂实际采样废水按照步骤(1)中测得的废水组分比例进行划分而获得仿真模型需要的组分浓度。
步骤(4)所述仿真的步骤包括：输入入水流量和组分浓度都不变化的稳态入水数据进行稳态仿真，直至各状态参数值稳定不变，完成稳态仿真;将稳态仿真的状态函数终值作为状态函数初始值，输入造纸厂采集的入水数据，进行动态仿真，运行若干时间直至仿真系统进入稳定状态。所述若干时间为7天，或者为废水处理系统的40个运行周期。
步骤(4)所述生物反应SIMULINK模型包含入水输入、氧传递系数输入和生物反应输出，以及用于完成反应过程的SBRBio模块;其中入水输入包含废水流量和废水的各组分浓度数据，氧传递系数输入用于表征生物反应器中曝气量的大小，生物反应输出包含废水各组分浓度数据。
步骤(4)所述沉淀过程SIMULINK模型包含生物反应结束时废水的各组分浓度输入和沉淀过程输出;其中沉淀过程输出包含出水体积、出水各组分浓度、剩余污泥体积、剩余污泥各组分浓度，以及排放污泥量。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：
1、提供了造纸废水活性污泥法处理仿真模型的建立方式，以及活性污泥特性参数和废水组分划分方式;解决了在建立活性污泥模型时，过程参数和废水组分难以合理划分的问题。
2、造纸活性污泥法废水处理仿真模型可以用于辅助造纸废水活性污泥法处理系统的设计、改造和运行，也可以作为造纸废水活性污泥法处理控制方案设计评估的平台。
3、利用仿真结果，可以对工艺过程和控制系统进行评价，从而为造纸废水活性污泥法处理系统的设计、改造、运行、评估，以及造纸废水活性污泥法处理控制系统的设计、运行及评估提供一个平台。