活性污泥系統(tǒng)模擬軟件

1、第九章污水處理好氧系統(tǒng)模擬軟件第一節(jié)污水處理系統(tǒng)模擬軟件研究的必要性當前，活性污泥法在污水處理領(lǐng)域得到了廣泛應用，形成了多種多樣的的污水處理工藝，針對這樣一個多變量、強耦合、高度非線性、時變時滯系統(tǒng)，國內(nèi)外提出了多種數(shù)學模型，并以此加快工藝改進、優(yōu)化決策、提高污水處理設計水平。其中，模擬有機物、氮和磷去除的活性污泥系統(tǒng)模型(activatedsludgemodels，簡稱ASMs)系列模型是當今活性污泥系統(tǒng)模擬的主流模型。隨著有機物降解和微生物增值的數(shù)學模型的發(fā)展，采用計算機仿真技術(shù)模擬污水處理過程得到了廣泛的應用，出現(xiàn)了越來越多的污水處理系統(tǒng)專業(yè)模擬仿真軟件。國外污水處理專業(yè)仿真軟件的發(fā)展相

2、對成熟，包含的模型庫比較豐富，可模擬的工藝過程覆蓋面廣，常用的包括ASIM、SSSP、EFOR、GPS-x、SIMBA、STOAT、WEST、BioWin等。這些仿真模擬軟件可以通過連接單元模塊模擬污水處理工藝過程，在實際污水處理的系統(tǒng)評估、運行管理及工藝優(yōu)化中均發(fā)揮了作用。國內(nèi)相關(guān)仿真軟件的應用和開發(fā)都相對較少，一般采用通用型仿真軟件如Matlab/Simulink、Mathematica等研究相關(guān)模型，相比專業(yè)仿真軟件效率較低。針對新業(yè)薄片公司和煙草薄片行業(yè)工業(yè)生產(chǎn)廢水處理過程，國外污水處理專業(yè)模擬軟件和通用型仿真軟件都存在一些問題。對于國外污水處理專業(yè)軟件：1.沒有中文界面與語言支持：2

3、.價格昂貴，一般包括單獨使用費用和培訓費用，如果進行二次開發(fā)和研究，需要另外購買版權(quán)或研究人員版本；3.新業(yè)薄片公司工業(yè)廢水處理設施施工完成后，在較長時間內(nèi)基本處理工藝流程不會改變，這意味著商業(yè)軟件中全品類的處理模塊、工藝單元、模型結(jié)構(gòu)等只能選擇其中某幾項使用，其它功能或模塊都得不到應用，軟件無法獲得理想性價比。對于通用型仿真軟件來講：1.仿真模型移植性差，與仿真軟件本身綁定,難以封裝到污水處理的監(jiān)測、控制系統(tǒng)中；2.缺少可視化界面或人機交互功能，相較商業(yè)軟件良好的人機接口而言，通用型仿真軟件多采用命令行實現(xiàn)，參數(shù)修改比較繁瑣。此外，由于廢水種類、地域差異、暴雨徑流和處理地地質(zhì)條件等均會影響廢

4、水的水質(zhì)組分，不同的廢水及其特定的處理工藝，有其特有的化學計量系數(shù)和動力學參數(shù)，因此模型進水水質(zhì)組分及部分模型參數(shù)的確定直接關(guān)系到模擬預測的準確程度，國外軟件提供的模型參數(shù)并不完全適用于我國和薄片行業(yè)污水水質(zhì)。所以為新業(yè)薄片公司和煙草薄片行業(yè)開發(fā)一個適合于公司現(xiàn)狀和薄片行業(yè)的活性污泥系統(tǒng)模擬程序成為可能，該程序能夠?qū)崿F(xiàn)特定污水處理工藝過程的模擬，利用活性污泥系統(tǒng)模型等污水處理模型仿真，指導實際污水處理工程中的本地化實踐，包括薄片生產(chǎn)廢水處理過程中的工藝升級、參數(shù)優(yōu)化、結(jié)果預測等功能。此外還能夠預留控制和數(shù)據(jù)接收接口，為下一步實現(xiàn)污水處理設施在線監(jiān)測和控制提供接入和支持。第二節(jié)污水處理系統(tǒng)模擬軟

5、件的技術(shù)路線選擇根據(jù)活性污泥系統(tǒng)建立的污水處理數(shù)學模型，在此基礎(chǔ)上開發(fā)一款活性污泥系統(tǒng)模擬程序，利用本程序基于ASM3模型對A/O-MBBR工藝進行模擬分析，建立可視化界面，并與實測值進行對比，校正模型相關(guān)參數(shù)，從而指導實際運行，并提供給污水處理相關(guān)人員學習和研究優(yōu)化控制策略。活性污泥系統(tǒng)模擬程序先利用C#編程語言建立應用程序窗體，開發(fā)適合研究人員和應用人員操作的人機交互界面。程序基于MVC的軟件設計模式，將界面控件與邏輯代碼松耦合，便于后期加入其它的分析模型，增加程序的擴展性。程序基于VS2012開發(fā)平臺開發(fā)winform可視化窗體仿真軟件，具有良好的人機交互界面和外接PLC控制系統(tǒng)的擴展能

6、力，并可利用xml文檔進行數(shù)據(jù)和運行參數(shù)的保存和讀取,xml是一種通用數(shù)據(jù)交換格式。第三節(jié)軟件結(jié)構(gòu)9.3.1污水處理軟件結(jié)構(gòu)界面層出水組分數(shù)據(jù)入水水質(zhì)扌旨標讀取邏輯層活性污泥模型入水組分數(shù)據(jù)仿真引擎裝載I動力學參數(shù)化學計量系數(shù)讀取默認值算法層程序采用MVC架構(gòu)形成將業(yè)務邏輯與界面顯示設計分離的代碼組織形式，后期加入新的模型算法和額外的運算邏輯，無需改變界面顯示和交互控件布局。活性污泥系統(tǒng)模擬軟件分為3個層次：1. 界面層：界面層主要功能是接收邏輯層輸送的數(shù)據(jù)并將其顯示，和通過用戶交互界面接收相關(guān)參數(shù)設定并發(fā)送到邏輯層。其中參數(shù)類數(shù)據(jù)采用屬性方式存儲，便于用戶自定義調(diào)整。入水組分和出水組分數(shù)據(jù)使

7、用鏈表類型存儲，并通過DataGridView表格控件集中展示，對于重要的輸出指標采用自定義繪圖控件展示，該控件基于PictureBox控件的重繪函數(shù)OnPaint()重寫事件完成，工藝流程模塊由基礎(chǔ)控件組合完成，用于展示當前加載的污水處理工藝。2. 邏輯層：邏輯層執(zhí)行數(shù)據(jù)運算、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換、文件讀寫、日志輸出等操作。其中文件讀寫采用Stream類流式讀寫，以XML格式保存，XML格式可以標記數(shù)據(jù)、定義數(shù)據(jù)類型，具有平臺無關(guān)性的特性。由于穩(wěn)態(tài)仿真的初始值一般采用國際水協(xié)提供的典型值，動態(tài)仿真采用靈敏度分析后的值，所以動力學參數(shù)和化學計量系數(shù)輸入提供文件讀取和程序缺省值兩種方式。入水水質(zhì)指標數(shù)據(jù)

8、轉(zhuǎn)換成入水組分數(shù)據(jù)操作在邏輯層完成。3. 算法層：算法層是程序的核心算法實現(xiàn)，主要完成相關(guān)函數(shù)方程的求解算法和數(shù)學模型的函數(shù)實現(xiàn)，并封裝成類庫，供邏輯層調(diào)用。9.3.2活性污泥系統(tǒng)模擬程序的基本運行流程：活性污泥系統(tǒng)模擬程序的輸入?yún)?shù)包括反應器參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、入水組分、動力學參數(shù)、化學計量系數(shù)等參數(shù)。其中：反應器參數(shù)和環(huán)境參數(shù)根據(jù)實際情況測量即可；本程序采用的ASM3模型的入水組分有13種，在實際應用中，部分組分不能直接測量得出或測量復雜難以符合程序的輸入頻率要求，需要從常規(guī)的水質(zhì)檢查數(shù)據(jù)中計算得來，常規(guī)測量數(shù)據(jù)包括固體懸浮物濃度SS、化學需氧量COD、總氮TN濃度等，通過水質(zhì)轉(zhuǎn)換模型將常規(guī)分

9、析指標轉(zhuǎn)化為模型處理用組分；動力學參數(shù)和化學計量系數(shù)在不同地區(qū)不同特性污水中適用值不同，模型通過穩(wěn)態(tài)模擬后進行實際組分數(shù)據(jù)與計算組分數(shù)據(jù)的靈敏度分析來校正這兩個參數(shù)，穩(wěn)態(tài)模擬一般適用固定初始值進行計算，這里采用國際水協(xié)推薦的典型值。穩(wěn)態(tài)模擬是指忽略系統(tǒng)入水水質(zhì)水量每天的變化，只考慮系統(tǒng)運行相對穩(wěn)定時期內(nèi)的平均狀況。通過入水平均值和動力學參數(shù)、化學計量系數(shù)的典型值進行仿真。隨后將結(jié)果與實測值進行比較，通過校正減少擬合差距。因為模型本身就說簡化的動力學方程，所以校正方式是將模型看做數(shù)學函數(shù)，利用純數(shù)學方式，依靠靈敏度分析的結(jié)果，調(diào)整參數(shù)值，使仿真結(jié)果逼近實測值，調(diào)整后的動力學參數(shù)和化學計量系數(shù)即是

10、優(yōu)化后的最適合于本工藝模型的參數(shù)值。其中，靈敏度分析是逐個將模型中的動力學系數(shù)在初始值基礎(chǔ)上提高10%，而保持其他參數(shù)不便，比較參數(shù)改變后模擬的差值，根據(jù)公式計算參數(shù)對出水指標的影響程度。在實際運行中，系統(tǒng)的水質(zhì)水量每時每刻都處于不斷地變化之中，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)只是相對的穩(wěn)態(tài)。動態(tài)模擬就是在穩(wěn)態(tài)模擬的基礎(chǔ)上，描述實際運行中系統(tǒng)進水水質(zhì)水量的不斷變化所引起出水的波動，可對系統(tǒng)的抗負荷性進行預測。即將穩(wěn)態(tài)模擬的結(jié)果作為動態(tài)模擬的初值，每隔一段較短的時間記錄一次進水水質(zhì)水量，然后通過模型計算出兩次進水之間這段時間內(nèi)的出水狀況。動態(tài)模擬的化學計量學系數(shù)和動力學參數(shù)使用穩(wěn)態(tài)模擬調(diào)優(yōu)后的參數(shù)。通過動態(tài)模擬，可實

11、現(xiàn)對污水處理系統(tǒng)實時的調(diào)整和動態(tài)管理。穩(wěn)態(tài)模擬和動態(tài)模擬的結(jié)果都會在程序右側(cè)的指標變化中以圖表的形式展現(xiàn)。包括COD的入水值、出水模擬值、出水實測值，氨氮的入水值、出水模擬值、出水實測值，TN的入水值、出水模擬值、出水實測值。具體組分的變化情況以報表表格的形式展出。第四節(jié)軟件界面展示1、主界面展示程序主頁面包括工藝流程展示、基本操作和參數(shù)設置界面、操作日志記錄、主要指標圖表展示等幾個模塊。右側(cè)的圖表區(qū)可以展示COD、氨氮、TN等主要指標的變化情況。2、參數(shù)設置界面運行和評損墾數(shù)10hrL，上汕m4020n'2r.lii才戸活臨污涓體租2JM0n'3齊百保El口442ri2曲時邱

12、寸冃諏1UriS0SMB-RnSJ洌辦攔并怕寧也IN”弋件刊卄l.3h盤h日千汕研、y刊也單位肛-自ati5S1£水解產(chǎn)輛中的巧的比例CODjCOD,0目齊旨*K土編涯廈滬L.02單位雖貯存輛好氧產(chǎn)率CDDyCODj0S5z%“回匕毎區(qū)牴習55nrn3九冗沖工單位邑貶存輛缺氧產(chǎn)率gtojelgU.§0r?D5001兀枠建士璋貯314異養(yǎng)菌的好氧Q率CODXxCODxJ0.F.35%電討罰卽対1LL2.5異可茁曠法亙產(chǎn)玉日CWh或u見0.546g祀玄*1晉社g*nr1i|6打王1*科姿乩土=匡=率如朵J0.24了空電和殽皿-町27A內(nèi)派呼囁中£的產(chǎn)澆CDDCOD.j

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14、r-.?:rr.l:如鈿妙n.gn17b畑二芒三Tje埶妒乂珀HU2化學計量系數(shù)和動力學參數(shù)可以由程序自帶的國際水協(xié)推薦值和相關(guān)參考值設定，也可以手動設置，還可以從文件錄入。設備參數(shù)和運行環(huán)境參數(shù)通過手動輸入錄入。3、模擬結(jié)果展示時間指標入水出水宴;貝1疽(in號L)尖貝佶(m&-L)槿妝倚(mg/'g)誤莘(%)coil278.1es.ss51.SI-21.1*.-=-/=-S?.&Zb.IEZZ.55-13.BTTN3.2920.ESU.31-31.4COD53.CE46.13-12.9923gg12.52-47.B3TWzo.妃El.036.花CQD74F47q?

15、12氨氮14.116.93-50.BeTK25.4333.82W"一一皿一|-叮二委數(shù)意義聿數(shù)計一靈敏度COD氟氮TUCOD.*rTH1木解速率常數(shù)-0.L100.0313水解產(chǎn)物中的思的比例0.1600.011水解飽和當數(shù)13-flM.110.L14片五荒fTF五H率040.11-023TEl此存速率常數(shù)-0.ijg15卑位比叱存翎奸氧產(chǎn)TU05a.i-0.194.D216/'7.rXs的觀比生長旄澆03-onD.135f:?？谇蹞?.M.0417疋畑i小片鍛703D.oq6U=00211CE18忑占貳艮:和口疋曲U=U030.01TJSTQ心也3娥-0.0LD.02Li2S19占"g*頁山丟r；17込俺il0-4704D.Z58.h.q2004-00420U=i：i02o.oqg3TDjQi基于Km血的好氧呼吸遠率0P.口4D.(B0.&321硝化葩飽和系數(shù)U-u.U'jD.W10兀的最大比生KIkU:22j硝化鑿稱度飽和系樂U0.C6o.oqiiXBTGk'l長逋率03-0H.L323jK叫無-114D.0312兀釣好云廣識z仔二、U0.7'3O.(fe24如TD02si兀畀曲閆許艮住+U-LL020.02魚蠱調(diào)整腳1：%出水指標即顯示