申请日2009.04.24
公开(公告)日2009.09.23
IPC分类号G06N3/00; C02F3/12
摘要
本发明公开了一种基于HPP格子气元胞自动机模型的污水处理净化过程的模拟方法，包括以下步骤：建立活性污泥系统中相应的初始模型，并初始化元胞状态;设置边界点;根据初始模型确定演化规则;其中包括粒子的反应过程;反应过程包括：粒子吸附、粒子分解代谢、粒子合成代谢、内源呼吸。本方法立足于人工生命系统，基于HPP格子气元胞自动机模型设计了活性污泥细胞自动机演化规则，并进行了演化实现。模拟了微生物吸附分解有机物的情况，并很好地模拟了活性污泥生长模式曲线的对数期、减速增长期和内源呼吸期，也很好的模拟了BOD有机物的降解曲线。对于进一步认识和理解污水生物处理的过程具有指导作用。
权利要求书
1、基于HPP格子气元胞自动机模型的污水处理净化过程的模拟方法，其特 征包括以下步骤：
1.1;建立活性污泥系统中相应的初始模型，并初始化元胞状态;
以坐标轴的最大值N×N的坐标作为二维的空间，将该坐标轴划分为M×M 个结点作为初始模型;所述的结点状态表示粒子的存在或不存在;
四个格子组成的方形格子代表一个元胞，元胞的状态由中心结点和相邻的 东、南、西、北四个扩散结点的结点状态决定;
1.2;设置边界点：边界点为元胞内东南西北四个扩散结点的某个结点，且 当粒子运动到边界点时，与边界点碰撞，发生180°转动，即下一时步该粒子将 反方向运动;
1.3;根据初始模型确定演化规则;其中包括粒子的反应过程;
所述的反应过程包括;粒子吸附、粒子分解代谢、粒子合成代谢、内源呼吸。
2、根据权利要求1所述的基于HPP格子气元胞自动机模型的污水处理净化 过程的模拟方法，其特征在于：所述的粒子吸附的条件是有机物与微生物浓度比 值>0.1。
3、根据权利要求1所述的基于HPP格子气元胞自动机模型的污水处理净化 过程的模拟方法，其特征在于：所述的粒子分解代谢的条件是有机物与微生物浓 度比值>0.1，且合成代谢不具有能量。
4、根据权利要求1所述的基于HPP格子气元胞自动机模型的污水处理净化 过程的模拟方法，其特征在于：所述的粒子合成代谢的条件是有机物与微生物浓 度比值>0.1，且合成代谢具有能量。
5、根据权利要求4所述的基于HPP格子气元胞自动机模型的污水处理净化 过程的模拟方法，其特征在于：所述的粒子合成代谢，当F/M>2时，活性污泥 微生物处于对数增长阶段：
其中：F为有机污染物量，M为活性污泥量;
ΔX=K1XΔT
式中ΔX为微生物的增加量，mg/L;
X为t时刻微生物的浓度，mg/L;
K1为活性污泥微生物对数增长速率常数d-1，其值约为2～7d-1;
ΔT为时间差。
当2>F/M>0.1时，活性污泥微生物处于减速增殖期阶段：
ΔS=K2XSΔT
ΔX=YobsΔS
式中ΔS为底物浓度的减少量，mg/L;
S为t时刻底物浓度，mg/L;
K2为活性污泥微生物减数增长速率常数d-1，生活污水 中K2值约为 0.0168～0.0281d-1;
Yobs为表观产率系数，即去除单位底物实际生成的微生物量，生活污水一 般取0.5～0.65。
6、根据权利要求1所述的基于HPP格子气元胞自动机模型的污水处理净化 过程的模拟方法，其特征在于：所述的内源呼吸，当此时F/M小于0.1时，进入 内源呼吸阶段。在此阶段，由于微生物内源呼吸作用，活性污泥微生物量减少， 减少的量为：
ΔX=KdXΔT
ΔX为微生物的减少量，mg/L;
Kd为活性污泥微生物衰减常数d-1，活性污泥中平均为0.06d-1。
说明书
基于HPP元胞自动机模型的活性污泥净化过程的模拟方法
技术领域
本发明涉及一种活性污泥净化过程的模拟方法，特别涉及一种基于HPP格 子气元胞自动机模型的活性污泥净化过程的模拟方法，该方法对于污水处理过程 分析和控制器的设计具有重要的价值，属于智能科学与环境工程学科领域。
背景技术
活性污泥法净化废水的过程实质是有机物作为营养物质被活性污泥微生物 摄取、代谢与利用的过程，即“活性污泥反应”的过程。这一过程的结果是废水 得到净化，微生物获得能量合成新的细胞，使活性污泥得到增长。在这一过程中， 发生了复杂的生化反应，整个活性污泥系统表现出多样性、随机性、不确定性、 强非线性、大时变性等复杂系统的特征，使得模型建立异常困难。
目前活性污泥系统的模型可分为传统数学模型、智能模型以及混合模型。传 统的数学模型以国际水污染控制协会废水生物处理设计与运行数学模型课题组 提出的ASM系列模型为代表，尽管这些模型可以描述生化过程的动态特性，但 是这些模型的设计是相当困难，主要因为模型中含有严重的不确定性、时变、非 线性等因素。模型中许多定量关系是由经验得到的，未知参数多，不确定参数在 不同的环境呈现不确定变化。智能建模方法与经典数学建模方法相比并非优越， 只是当对问题的机理不甚了解或不能用数学模型表明的系统，智能建模往往是最 有利的工具。智能建模主要的建模方法有：模糊建模、模糊神经网络建模、递归 神经网络建模、BP神经网络建模、RBF径向基神经网络建模，但是这种类似“黑 匣子”的建模方法限制了人们对污水生物处理机理的认识和研究。将神经网络模 型和数学模型相结合，就形成所谓的混合模型，它综合了两者的优势，但是增加 了模型的复杂性，也并没有克服两种模型的缺陷，不利于活性污泥系统的控制和 应用。
同时，上述的各种模型表明人们尚未能用复杂系统和生命系统的观点去认识 和理解活性污泥系统，因此所建立的各种模型均未能表现活性污泥生长的复杂性 和曝气池内微生物演化的复杂过程，无法反映出作为复杂的自然生命系统的活 性污泥法系统的典型特征，不能实现污水处理过程的可视化，在动态模拟能力、 微生物动力学行为方面也存在很多不足和缺陷，从而限制了人们对其生物机理 的认识和研究，不利于活性污泥系统的控制和应用。
发明内容
本发明的目的是利用HPP格子气元胞自动机仿真实现活性污泥系统曝气池 内有机物作为营养物质被活性污泥微生物摄取、代谢与利用的过程，解决现有的 模型难以克服活性污泥系统的复杂性的问题。可以从生物角度有效地模拟污泥扩 散、吸附和代谢的复杂过程。本发明主要是针对有机物的去除和微生物的增长， 对其进行分析利用，调整微生物和有机物的浓度可以用于指导建立更加精确的活 性污泥扩散、吸附和代谢的模型。