活性污泥法污水处理虚拟设备

蔡建安¹，James A.Smith²
(1.安徽工业大学环境工程系，安徽马鞍山243002；2.Dept.of Civil Engineering,University of Virginia Charlottesville,VA 22904-4742,USA)

　　摘　要：在LabVIEW平台上开发的活性污泥法污水处理虚拟设备，以反应动力学为基础构造基本模块，通过连线来组合或改变工艺流程。虚拟设备采用循环结构，迭代运行，能解决具有交互作用的多控制底物问题。虚拟设备的控制界面模拟传统的控制仪表，仿真运行，其工艺、环境和设备参数可直接选择，以“所见即所得”的可视技术获得动态的结果，节约了试验研究的时间和经费，提高了设计的可靠性，也能在已建成的水处理设施上进行控制和预报。
　　关键词：污水处理；活性污泥法；虚拟设备
　　中图分类号：X703.3
　　文献标识码：A
　　文章编号：1000-4602(2001)09-0017-06

　Virtual Instrument for Wastewater Treatment with Activated Sludge Process
CAI Jian-an1，James A. Smith²
　(1.Dept.of environmental Engineering,Anhui Polytechnical University,Maanshan 243002,China; 2.Dept.of Civil Engineering,University of Virginia Charlottesville,VA 22904-4742,USA)

　　Abstract：The virtual instruments for wastewater with activated sludge process (VIWA) are established on the platform of LabVIEW.The fundamental blocks are set up based on the kinetics of reaction process.The treatment process is combined and/or modified by connected lines between blocks.VIWA has a loop structure with iterative programming,and the problems of the interacted poly-controlled substances can be solved.With computer simulation,the interface of VIWA is just like that of real traditional instruments.The parameters for process, environment and equipment can be selected directly on the interface of VIWA and the dynamic result can be obtained by means of visual techniques of “what you see is what you get”.Therefore,the expenses and time in the experimental investigation can be reduced and the reliability of design improved.VIWA can also be used for the control and prediction of the constructed wastewater treatment facilities.
　　Keywords:activated sludge process;wastewater treatment;virtual instrument

　　活性污泥法在我国乃至全世界仍然是污水处理的主体工艺之一，近几十年来在其反应理论、净化功能、运行方式、工艺系统方面均取得了迅速进展［1］。由于在工艺设计时需要进行方案的选择和优化，如果缺乏同类设计作参考，只要原水水质、控制目标、运行方式有任何变化，都必须作可行性试验，除工艺流程和试验装置的建设外，还有着大量的物理、化学和生物指标的分析工作。活性污泥法处理工艺需要考虑的工艺参数和环境参数多，分析的样本也多，每个子环节又相互影响，达到稳定的响应时间长，设计计算也很困难，需要进行大量的假设和反复试算。除了围绕改变工艺参数和环境参数所进行的试验以外，一旦需要改变工艺流程和设备参数，一切计算和试验则又必须重新开始。
　　虚拟仪器的产生被认为是仪器、仪表工业划时代的里程碑^［2］，它在工业生产、科研和教学中的广泛应用节约了时间和资金，获得了可观的效率和效益^［3］。目前该领域的研究十分活跃，例如虚拟技术在汽车发动机检测、电力拖动、煤矿自动化、仪器计量及自动控制系统方面的应用等。然而，在水处理领域，尚缺乏相应的研究。
　　本研究是在LabVIEW的编程平台上开发活性污泥法的污水处理虚拟设备^［4］。LabVIEW是一种新型的图形编程平台，称为G(图形) 语言的可视化交互技术，以微生物反应动力学准则构造曝气反应池虚拟设备单元^［1］，按照氧传输准则构造充氧虚拟设备^［1］，配合二沉池、风机等虚拟设备模块，通过简单的模块间连线，可任意组合或改变工艺流程。
　　用虚拟设备进行设计时，工艺参数、环境参数和设备参数可以直接任意选择，不需进行计算即可获得运行结果。另一方面，以反应动力学和实验室试验为基础的虚拟设备，便于通过计算机仿真，简化设计的放大环节。虚拟设备由程序框图和仪表面板两部分组成^［5］，不仅能从事可行性试验和水处理工艺设计，而且在已建成的水处理设施上能模拟传统的控制操作台和仪表盘，这种“所见即所得”的方式利于现场操作人员进行控制和预报。如果结合在线数据采集系统^［3］，可以大大提高水处理设施的运行水平和自动化程度。

1　虚拟设备的程序结构

　　图1为一般活性污泥法处理污水的工艺流程简图，图2是G语言构造的虚拟设备程序框图，图3是该程序的结构框图。

　　活性污泥法的运行和控制与多种因素有关［6］。在虚拟设备程序中，充氧模块根据风量、风压、水温、曝气器及污水中氧传输特性和需用量等因素，求解出溶解氧质量浓度。
　　底物的降解速率k是水温T(℃)、污泥负荷Ns、溶解氧浓度DO和其他抑制反应毒物因子θ的函数^［6］，写作k=f(T,Ns,DO,θ)。曝气反应模块按初始设定值和微生物反应动力学计算池中的运行状态，求出污泥量及底物的变化。二沉池模块按污泥沉淀特性和水量配置解出回流污泥浓度，与回流比一起影响池中运行状态。在G语言程序图的最外边是一个由黑色方框表示的循环结构，前一循环的结果将代入后一循环初始值进行计算。由于计算机的运行速度快，从任意设定初始值出发能很快达到稳定的真值。程序的循环操作始终不断，直至人工干预为止。程序在循环运行过程中，工艺、环境和设备参数在控制面板上可以随意改变，同时获得动态的输出结果，并在虚拟显示仪或记录仪上显示和记录下来，或直接存为文件。在主程序中，主要是进行工艺流程的设计和组合，反映宏观的工艺参数。具体的单元构筑物，则是事先完成的子程序模块，例如二沉池模块(如图4所示)、曝气反应池模块(如图5所示)。

　　　

2　曝气反应池虚拟设备程序设计

　　曝气反应池虚拟设备模块的计算机程序如图6所示。

　　根据氧传输动力学理论［1］，将标准状态下的供气量Gs(m³/h)，折算为单位时间的供氧量S=0.3 Gs，并求出氧利用量R0=SEA，EA(%)为曝气器的氧转移效率。
　　污水中好氧生化反应的需氧量是：

　　R=a′QSr+b′VXv　　　(1)
　　式中a′——底物降解需氧量，kg/kgBOD
　　　　b′——微生物呼吸需氧量，kg/(kgMLVSS·h)
　　　　Q——处理水量
　　　　Sr——底物去除的质量浓度
　　　　V——曝气池容积
　　　　Xv——曝气池中活性污泥的质量浓度氧利用量R0与需氧量R之间为：

　　R0=RC_s(20)／α［β·ρ·C_sb(T)-C］1.024^(T-20)　　(2)
　　充氧虚拟设备模块的计算机程序根据式(2)求解出曝气池中溶解氧的质量浓度C。
　　式中　α——污水的氧转移修正系数
　　　　　β——污水的溶解氧饱和度修正系数
　　　　　ρ——气压修正系数，
　　　　　ρ=实际气压(Pa)/1.013×10⁵(Pa)　　　(3)

　　Csb为饱和溶解氧在曝气池中的平均质量浓度，按下式进行修正：

　　　　　C_sb=［Cs(P_b／2.066×10⁵+（O_t／42)］　(4)

　　式中Pb——曝气头出口绝对气压，Pb=P+9.8 H(H为曝气头安装水深，m)
　　　　Ot——气泡达到池面时，其中的氧分压，%

　　　　　Ot=［21(1-E_A)／79+21(1-E_A)］100%　　(5)

3　曝气反应池虚拟设备的控制界面

　　曝气反应池虚拟设备模块的计算机程序分别对底物量和微生物量进行物料衡算，即

　　

　　曝气池中微生物和底物量的变化遵循微生物生长动力学和底物降解动力学。自1942年Monod导出动力学模型至今，这方面的研究始终十分活跃。处理的对象不同，动力学模型的结构和动力学常数值也不同。选择相应的动力学模型结构和适当的动力学常数是实验室的摇瓶、单元操作等基础实验要解决的问题［7］，可以在现有水处理设施连续运行观察值的基础上，根据统计特性获得［8］。曝气反应池虚拟设备模块可以根据选定的动力学模型结构和动力学常数进行水处理设施运行的计算机仿真，该虚拟设备子模块既可以单独使用进行设计，也可以在主程序连通运行时显示，并进行调整和观察。图7为曝气反应池虚拟设备的控制界面。

　　虽然该虚拟设备的控制界面中只表现了一个控制底物，对于多个控制底物，也可以在同一程序中实现。即便在多个控制底物之间具有交互作用，通过虚拟设备最外层的循环结构，经几次迭代后仍能很快达到稳定的真值，这是手工计算根本无法实现的。由于虚拟设备的控制界面的直观性，并能在程序运行过程中任意调整参数和获得动态的结果，因而与其他类型的计算机程序相比具有明显的优点。只要有了微生物生长动力学和底物降解动力学的模型结构和动力学常数，就可以构造其他类型的生物反应器的虚拟设备模块来代替总程序中的曝气反应池模块，例如应用三相气提升循环流化床处理废水［9］时。虚拟设备的控制界面模拟传统的控制操作台和仪表盘，在已建成的水处理设施上采用“所见即所得”的方式，利于现场操作人员进行控制和预报。由于LabVIEW具有数据采集和数字控制功能，不仅可以大大提高水处理设施的运行水平，也为今后实现水处理自动化运行提供一种有效的方式。

4　结论

　　①在LabVIEW的编程平台上开发了活性污泥法污水处理虚拟设备。充氧模块根据风量、风压、水温、曝气器及污水中氧传输特性和需用量等因素，求解出溶解氧浓度。底物的降解速率k是水温、污泥负荷、溶解氧浓度和其他抑制反应毒物因子的函数。曝气反应模块按初始设定值和微生物反应动力学计算池中运行状况，求出污泥量及底物的变化。二沉池模块按污泥沉淀特性和水量配置，解出回流污泥浓度，与回流比一起影响池中运行状态。虚拟设备采用循环结构，经迭代运算达到真值。
　　②曝气池中微生物和底物量的变化遵循的是微生物生长动力学和底物降解动力学。处理的对象不同，动力学模型的结构和动力学常数值也不同。虚拟设备的循环结构和迭代操作也能解决多个具有交互作用控制底物的问题。
　　③用虚拟设备可以简化可行性论证和工艺设计过程，不需进行计算并获得运行结果。这不仅可以节约大量的试验研究时间和经费，还能进行更广泛的选择，从而获得优化结果，提高了设计的可靠性。虚拟设备的控制界面模拟传统的控制操作台和仪表盘，具有直观性，并能在程序运行过程中任意调整参数和获得动态的结果。在已建成的水处理设施上采用“所见即所得”的方式，利于现场操作人员进行控制和预报。由于LabVIEW具有数据采集和数字控制功能，不仅可以大大提高水处理设施的运行水平，也为今后实现水处理自动化运行提供一种有效的方式。

参考文献：

　　［1］张自杰，林荣忱，金儒霖，等.排水工程(第4版)［M］.北京：中国建筑工业出版社，1999.
　　［2］孙欣.虚拟仪器——仪器仪表工业划时代的里程碑［J］.煤矿自动化，1996，(3)：27-29.
　　［3］林正盛.虚拟仪器技术及其应用［J］.微型机与应用，1997，16(8)：2-5.
　　［4］周群，雷勇，周青，等.虚拟仪器驱动程序库［J］.中文信息，1997,3：13-15.
　　［5］周荷琴，王恒良，刘兵，等.基于LabVIEW平台的CAI软件设计方法［J］.计算机应用，1997,17(6)：30-33.
　　［6］彭永臻，王宝贞.活性污泥法的多变量最优控制I.基础理论与DO浓度对运行费用的影响［J］.环境科学学报，1998，18(1)：11-19.
　　［7］蔡建安.微生物在焦化污水特定环境中生长动力学研究［J］.华东冶金学院学报，1992,9(4):35-41.
　　［8］蔡建安.活性污泥法处理焦化污水监测值的统计特性［J］.环境科学学报，1990,10(2):233-241.
　　［9］Cai Jianan，Nieuwsted TH J.Modelling the three-phase flow in a pilot-scale airlift internal-loop reactor for wastewater treatment［J］.Envir Technology，1992,13(2):101-113.

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　　作者简介：蔡建安(1946-)，男，安徽工业大学环境工程系教授，主要从事水处理应用软件开发。
　　电　话：(0555)2400496
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　　E-mail:jacai@ahpu.edu.cn
　　收稿日期：2001-07-02