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活性污泥系统仿真与控制软件（ASSSC）开发及其应用研究

作　者: 钱苏雯
导　师: 孙培德
学　校: 浙江工商大学
专　业: 环境工程
关键词: 活性污泥数学模型数值模拟工艺软件污水处理厂负反馈控制
分类号: X703
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着社会的发展,污水排放量越来越大,而对污水出水的水质要求则越来越严格。为了使污水处理达到最理想的经济效益和社会效益,势必对污水处理过程进行优化设计和控制。以活性污泥法为主体工艺的污水生化处理是当前处理工业有机污水和城市生活污水的主要途径,然而从控制理论的角度来看,生化处理过程是典型的非线性、时变、不确定性、时滞的复杂系统。因此,人们必须借助污水处理的数学模型和计算机模拟来研究和掌握污水处理过程中活性污泥的状态及规律,实现污水处理的工艺流程及其控制策略的优化设计和优化控制。相比于国际水平,我国在污水活性污泥处理数学模型方面的研究和应用还很滞后,尚未建立起可靠的模拟与控制的仿真平台。为了缩短与国外的差距,本文尝试使用面向对象的思想和方法,利用Microsoft Visual C++6.0和Matlab作为工具对活性污泥过程进行建模,在“模块化”思想指导下,对好氧池,厌氧池,缺氧池,二沉池等设施单独建模,通过设计程序算法,将不同反应器模块按照实际工艺流程顺序组合在一起,开发了一套具备仿真平台的活性污泥系统仿真与控制软件(Activated Sludge System Simulation and Controlling:ASSSC)。该软件包含污水处理厂构筑物的标准库和经典工艺的软件包,能自由组合出实际运行的污水处理工艺；且基于适应中国国情的全耦合活性污泥系统数学模型(Full Coupled Activated Sludge Model:FCASM3),能够实现运行工艺出水水质的模拟预测,提出优化的工艺设计方法,从而促进我国污水处理的优化设计和计算机辅助设计。本文应用ASSSC对实验室强化生物除磷(EBPR)系统进行建模,研究其在不同水温变化下的除磷效果相应机制,完成ASSSC在小试中的校验。在水温分别为20℃、25℃、30℃和35℃的EBPR系统中,升温导致除磷效率下降后,温度恢复的物理模拟与数值模拟试验结果表明：水温在25℃、30℃并行运行时,EBPR系统除磷效果恢复所需的时间随水温的升高而增加；当并行水温达到35℃时,即使采用20℃的温度恢复手段,短期内无法恢复到升温前的除磷效果；由此得出,要使EBPR系统出水的除磷效率达到80%以上,系统内的水温需保持在低于30℃的范围内,防止出现高于35℃的现象。这表明ASSSC能够得出工艺运行的最佳工况的,防止未知危害的出现。ASSSC对污水处理厂AAO工艺和新型氧化沟工艺的模型建立现场模拟,完成了软件在实际工艺中的校验。实际污水处理工艺的动态模拟结果表明,ASSSC能较好地实现对污水处理工艺有机物去除和生物除磷过程的模拟,简化了模型预测与参数调节的过程,加快了数学模型指导实际工艺优化运行的步伐。同时,本文利用校验完成的ASSSC,对SBR负反馈控制装置进行应用研究。在ASSSC中开发出溶解氧浓度(DO)、温度(T)和pH值的三参数负反馈控制接口,利用核心模型FCASM3对实验室SBR工艺负反馈控制设备进行为期一个月的三参数负反馈控制系统的仿真与控制研究。研究结果表明,ASSSC能根据活性污泥系统中DO、T、pH变化,合理自动调节曝气量、温度和pH值,在出水水质达标的条件下,可以提高工艺运行效率,达到节能高效目的。同时调用内部的活性污泥模型对运行工艺进行建模研究,实现SBR工艺强化生物除磷系统的三参数负反馈控制,为实现污水处理厂实时自动控制和优化运行奠定了基础。

全文目录

摘要  3-6
ABSTRACT  6-12
第1章引言  12-18
  1.1 研究背景  12-13
  1.2 研究目的与意义  13-14
  1.3 研究内容与技术路线  14-17
    1.3.1 研究目标  14
    1.3.2 研究内容  14-15
    1.3.3 技术路线  15-17
  1.4 难点与创新点  17-18
    1.4.1 难点  17
    1.4.2 创新点  17-18
第2章活性污泥系统模型与应用软件研究进展  18-36
  2.1 活性污泥数学模型研究进展  18-27
    2.1.1 传统活性污泥法生物动力学模型  18-22
    2.1.2 活性污泥结构化模型研究进展  22-27
  2.2 活性污泥系统应用软件研究进展  27-34
    2.2.1 活性污泥系统应用软件国内进展  27-28
    2.2.2 活性污泥系统应用软件国外进展  28-34
  2.3 活性污泥系统应用软件展望  34-36
第3章 ASSSC开发思路与方法研究  36-62
  3.1 全耦合活性污泥模型(FCASM3)介绍  36-52
    3.1.1 FCASM3建立思想与方法  36-52
    3.1.2 活性污泥系统模型建立程序化方法研究  52
  3.2 ASSSC设计思路与方法研究  52-60
    3.2.1 ASSSC的总体设计  52-54
    3.2.2 ASSSC的详细设计  54-56
    3.2.3 ASSSC与活性污泥系统模型间通信  56-60
  3.3 本章小结  60-62
第4章 ASSSC功能描述  62-75
  4.1 ASSSC系统构架和主要功能  62-66
    4.1.1 ASSSC系统构架  62-64
    4.1.2 ASSSC界面  64-66
  4.2 ASSSC活性污泥工艺建立  66-74
    4.2.1 ASSSC实现活性污泥系统经典工艺  66-72
    4.2.2 ASSSC实现活性污泥系统自由组合工艺  72-74
  4.3 本章小结  74-75
第5章 ASSSC应用研究  75-101
  5.1 水温变化对实验室EBPR系统除磷效果响应机制的数值模拟研究  75-90
    5.1.1 实验条件和方法  76-79
    5.1.2 实验室EBPR系统模型建立及校验研究  79-80
    5.1.3 基于ASSSC的EBPR系统工艺参数优化研究  80-90
  5.2 ASSSC实现AAO工艺污水处理厂出水水质模拟预测研究  90-94
    5.2.1 污水处理厂概况  90-91
    5.2.2 基于ASSSC的AAO工艺出水水质模拟预测研究  91-94
  5.3 ASSSC实现新型氧化沟工艺污水处理厂出水水质模拟预测研究  94-99
    5.3.1 新型氧化沟工艺概况  94-95
    5.3.2 基于ASSSC的新型氧化沟工艺出水水质模拟预测研究  95-99
  5.4 本章小结  99-101
第6章 ASSSC实现实验室EBPR系统三参数负反馈控制研究  101-118
  6.1 实验室EBPR系统的自动控制研究  102-109
    6.1.1 实验室EBPR系统自动控制装置设计方案  102-105
    6.1.2 EBPR系统监控软件的构架  105-108
    6.1.3 EBPR系统监控软件的实现功能要求  108-109
  6.2 ASSSC负反馈控制接口开发  109-117
    6.2.1 EBPR系统三参数负反馈控制的试验方法研究  109-111
    6.2.2 EBPR系统三参数负反馈控制试验的结果研究  111-117
  6.3 本章小结  117-118
第7章结论与展望  118-121
  7.1 结论  118-119
  7.2 展望  119-121
参考文献  121-129
附录 ASSSC经典工艺中SBR工艺VC++主程序  129-131
致谢  131-132

活性污泥系统仿真与控制软件（ASSSC）开发及其应用研究

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