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污水生物脱氮过程数学模拟与应用

作　者: 朱奥
导　师: 彭永臻
学　校: 北京工业大学
专　业: 环境科学与工程
关键词: 生物脱氮工艺活性污泥法数学模型模型校正方法模型模拟仿真
分类号: X703
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

污水处理行业经过近十年投资密集的规模扩展，依然面临严峻的水污染现状和高能耗低效率的紧迫压力。当前，急需开发经济、高效、稳定的水污染控制技术，实现还污为清、节能减排的远景目标。基于对活性污泥法过程机理认知构建相应的仿真模拟（流体和反应动态）平台，并以此为一大内核，同时开展自动化、智能化和信息化方面的工作，配合专业的咨询、培训，形成有深度、有广度、产学研同步的梯度发展路线，是行业技术得以提升的关键方向之一。本研究针对目前污水生物脱氮的基本理论和工艺技术发展已经远远快于相应数学模型发展的现状，立足对生物脱氮机理的最新认知，以一定的应用目标为导向，突出要点，合理取舍，借鉴既有的模型模拟基本思路，根据活性污泥系统的特性，尝试建立和健全模型建立、模型校正和模型应用的一体化综合方法，为合理利用数学模型进行有关研究和工程优化建构一定的理论基础和技术实现手段。具体而言，主要开展以下研究工作：（1）模型建立方法研究通过详细探讨生物脱氮的过程机理，根据不同的应用目标，建立了两步硝化-反硝化生物脱氮机理反应流程和多步硝化-反硝化生物脱氮机理反应流程；基于机理反应流程，通过详尽探讨生物脱氮过程反应的每一个子过程相关化学计量学关系式和反应动力学方程式，比较简洁有效地建构了相应活性污泥法数学模型。（2）模拟理论方法研究结合参数的全局敏感性分析、全局相关性分析和混合优化算法，建立了一套全新的迭代模型校正方法——―Numerical OptimalApproach Procedure‖（NOAP）。该方法是对传统的基于专家经验的模型校正方法和基于系统分析的模型校正方法的有机整合，可以发现并跟踪用于模型校正的最佳参数子集的变动（包括成员参数和数值）。（3）模拟实现方法研究详细探索了基于MATLAB/SIMULINK平台，采用m文件和C-MEX S函数实现模型表达，ode45和ode15s实现模型求解，并基于遗传算法实现模型参数估计的程序实现方法。以某实际生活污水生物处理CSTR工艺系统数据作为被模拟系统，详细探索了采用NOAP方法实现模型模拟的过程细节。（4）模型模拟应用（过程分析和优化）采用NOAP方法，应用所建的两步硝化-反硝化模型和多步硝化反硝化模型对实际生活污水生物处理工艺系统进行模拟分析，探索了好氧硝化总氮损失（含氧化亚氮释放）和缺氧反硝化过程氧化亚氮累积的规律；提出了提高同步硝化反硝化率，同时能降低氧化亚氮累积释放量的工艺优化方法。（5）模型模拟应用（过程控制和软测量）借助简化的两步硝化模型，采用模型预测控制技术模拟实现了对SBR模拟案例的溶解氧设定值控制。讨论了溶解氧维持恒定控制模式时，过程曝气量过程变化用于判断反应进程的方法。同时，探索了采用SBR过程溶解氧数据，基于简化的两步硝化模型，实现对过程组分（充易生物降解COD、OUR、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮）的动态软测量方法。（6）模型模拟应用（仿真软件开发）以MATLAB2010a为平台，利用其GUI图形化开发环境，开发了《典型SBR脱氮过程动态仿真器》。该仿真器可以独立模拟两步硝化和两步反硝化过程，可实现模型校正，并辅助实现溶解氧智能控制设计和硝化过程软测量。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-26
  1.1 课题背景及来源  12-14
    1.1.1 课题背景  12-14
    1.1.2 课题来源  14
  1.2 活性污泥法生物脱氮工艺的简要研究进展  14-17
    1.2.1 异养菌+氨氧化细菌+亚硝酸盐氧化细菌类型工艺  15-17
    1.2.2 厌氧氨氧化生物脱氮工艺  17
  1.3 面向生物脱氮的 ASM 模型研究进展  17-20
  1.4 ASMs 模型校正方法综述  20-24
    1.4.1 基于专家经验的模型校正方法  21
    1.4.2 基于系统分析的模型校正方法  21-24
  1.5 研究的目的、内容及技术路线  24-26
第2章面向生物脱氮的活性污泥法扩展模型  26-50
  2.1 机理反应流程  26-30
    2.1.1 两步硝化-反硝化机理反应流程  26-28
    2.1.2 多步硝化-反硝化机理反应流程  28-30
  2.2 扩展模型矩阵的建立  30-48
    2.2.1 两步硝化-反硝化模型矩阵  31-40
      2.2.1.1 异养菌的细胞内储存过程  32-34
      2.2.1.2 异养菌的增殖生长过程  34-35
      2.2.1.3 异养菌的X_STO内源呼吸过程  35-36
      2.2.1.4 异养菌的X_H内源呼吸过程  36-37
      2.2.1.5 氨氧化细菌的代谢反应过程  37-39
      2.2.1.6 亚硝酸盐氧化细菌的代谢反应过程  39-40
      2.2.1.7 曝气充氧过程  40
    2.2.2 多步硝化-反硝化模型矩阵  40-48
      2.2.2.1 异养菌的细胞内储存过程扩展  41-43
      2.2.2.2 异养菌的增殖生长过程扩展  43-44
      2.2.2.3 异养菌X_STO的内源呼吸过程扩展  44-45
      2.2.2.4 异养菌X_H的内源呼吸过程扩展  45-46
      2.2.2.5 氨氧化细菌的代谢反应过程扩展  46-48
  2.3 本章小结  48-50
第3章 ASMs 系列数学模型模拟方法  50-62
  3.1 参数辨识性分析方法  50-55
    3.1.1 参数敏感性分析方法  51-53
      3.1.1.1 局部方法  51-52
      3.1.1.2 全局方法  52-53
    3.1.2 参数相关性分析方法  53-55
      3.1.2.1 结构分析法  54
      3.1.2.2 数值分析法  54-55
  3.2 参数估计方法  55-56
  3.3 NOAP 方法的建立  56-58
  3.4 参数估计结果评估方法  58-61
    3.4.1 基于 FIM 的统计表达  60
    3.4.2 基于 Hessian 的统计表达  60-61
    3.4.3 参数置信区间估计  61
  3.5 本章小结  61-62
第4章数学模拟的程序实现  62-98
  4.1 模型准备  62-66
    4.1.1 简易模型  62-64
    4.1.2 复杂模型  64-66
  4.2 初值 ODEs 方程组的数值求解  66-76
    4.2.1 核心算法实现  66-75
      4.2.1.1 基于 MATLAB 编程  66-69
      4.2.1.2 基于 SIMULINK 编程  69-75
    4.2.2 结果可视化实现  75-76
  4.3 基于遗传算法的初值微分方程组模型参数估计实现  76-82
  4.4 基于 NOAP 方法的系统模拟实现及其拓展  82-96
    4.4.1 NOAP 方法的系统模拟实现  83-88
      4.4.1.1 工艺模拟方方案的确定  83-84
      4.4.1.2 最佳参数子集确定示例  84-86
      4.4.1.3 模型的校正和验证示例  86-88
    4.4.2 参数估计的结果评估  88-96
      4.4.2.1 模型系统及问题设定  88-89
      4.4.2.2 优化实验设计及基本参数获取  89-92
      4.4.2.3 模型校正  92-93
      4.4.2.4 参数估计结果评估  93-96
  4.5 本章小结  96-98
第5章模型模拟的应用示例  98-132
  5.1 生物脱氮过程分析和优化  98-118
    5.1.1 同步硝化反硝化过程模拟  100-108
      5.1.1.1 最佳参数子集确定  100-101
      5.1.1.2 模型校正与验证  101-104
      5.1.1.3 过程机理的定量描述  104-108
    5.1.2 氧化亚氮产生和控制分析  108-117
      5.1.2.1 反硝化过程相关模型参数确定  109-112
      5.1.2.2 硝化过程相关模型参数确定  112-113
      5.1.2.3 过程机理的定量描述  113-117
    5.1.3 结果讨论  117-118
  5.2 过程控制和软测量辅助  118-125
    5.2.1 DO 控制  118-122
    5.2.2 硝化过程软测量  122-125
  5.3 仿真软件开发  125-129
  5.4 本章小结  129-132
结论  132-136
参考文献  136-148
附录  148-162
攻读硕士学位期间所发表的学术论文  162-164
致谢  164

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