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1、j S 2 2 时，活性污泥微生物处于对数增长阶段： 从= K 脚 ( 3 1 8 ) x = x o + S 批J 幺S “，挖 ( 3 1 9 ) 式中从微生物的每一时步的浓度变化量，m L ； X 一1 时刻微生物的浓度，m g L ； 墨活性污泥微生物对数增长速率常数d ，取5 d 一； r _ 每一时步的时间，取1 0 m i n 。 X o 初始微生物浓度，m L ； 舰朋J l z l 时刻有机物被合成微生物的粒子总数； S 。每个有机物粒子浓度，单位m L ； 瓦。表观产率系数，即去除单位底物实际生成的微生物量，。值取 0 6 5 ： 当2 F M O 1 时，活性污泥微生物处
2、于减速增殖期阶段： S = 一j 己船丁 ( 3 2 0 ) 萨S o S 。勋臌 ( 3 - 2 1 ) 似= 一k 丛 ( 3 - 2 2 ) 式中S 底物浓度每一时步的浓度变化量，m g L ； S 叫时刻底物浓度，单位m g L ； K 活性污泥微生物减数增长速率常数m g d ，坞值取0 0 1 6 8 m g d ； S o 初始有机物浓度，单位m g L ； 鼽，蹦1 时刻有机物粒子数的总减少量。 内源呼吸：当此时，小于O 1 时，进入内源呼吸阶段。在此阶段，随机选 择一个新生成的微生物粒子，该粒子在内源呼吸作用下，将被微生物分解为气体、 水和能量，下一时刻该结点粒子状态由2 变
3、为0 ，活性污泥微生物量减少，减少 第3 章污水净化过程的细胞自动机模型设计与实现 的量为： x = 一疋X r ( 3 - 2 3 ) 式中舣每一时步微生物的浓度变化量，m L ； 蟛活性污泥微生物衰减常数d ，蟛为o 0 6 d 。 c 沉降过程： 当内源呼吸作用逐渐减弱，微生物的减小量没有明显变化时，停止曝气。静 置一段时间后，活性污泥开始沉降。沉降规则是基于砂堆规则和重力沉降规则。 该规则下，小部分没有被降解的有机物、气体和水将仍然漂浮在水体中；被吸附 有机物和微生物沉降在底部。 ( 2 ) 实验仿真 本文基于M A T L 蛆实现该模型仿真。根据初始模型的分布，可知初始微生 物分布如
4、图3 7 ( a ) 所示，图中“”表示微生物，该图表示初始微生物均匀的分 布在曝气池中。初始曝气池分布如图3 7 ( b ) 所示，“木”表示有机物，该图表示曝 气池中初始有机物与微生物的分布。 ( a ) 初始微生物分布 J - J - | p J - - _ - - - - - 4 I 砖q l t 岵l I 辟q 婶I I 母掌l 。 | 毒- - I l o 一- ，- - - I I 毋1 t i I 甘馏州霹1 r I J o - - I ，- d - - h - - - _ - | I 畸v 口| 霹睁t - 罐l 母- 譬哇1 d _ I 膏- h I - d _ _ - -
5、 ， - - q I 竹1 I l ，蹿t 譬味l _ 寸聋t I d _ - I I l - J - I - _ t h - - - 如 肆辩4 I 螬擎l 簟肆4 譬| 鼍I - d - - 童- - _ ， ， 一- - 一- - - 寸 二噼毕掌I t 舒翟州t H t - o - - - - 一 _ - - - - 1 - t I 碴辩哇- t q 簟噜如警 I I - | 幸- 蚋辞尊- r - 目日垂篁日皇t 目目t 簟目臼皇t 0 2 O 40 6 0 8 ( b ) 初始曝气池分布 图3 7 污水净化过程的二维模型的初始分布 F i g3 - 7T h ei n i t i
6、a ld i s t r i b u t i o no fM o _ d i m e n s i o n a lm o d e lo fs e w a g ep u r i f i c a t i o n 根据活性污泥的净化机理，采用上述演化规则，进行模拟实验。可得到污水 净化过程的二维格子气细胞自动机模型的演化过程图，及仿真曲线。演化过程如 一3 9 一 Lrr目rLLrLkrLP目目哪0”01；矗飞越 0 0 D 0 北京丁业大学工学硕十学位论文 图3 8 所示，仿真曲线如图3 9 所示。 ( a ) 0 5 h O O O O O O O O ( c )2 h ( e ) 6 h Q )
7、 8 5 h O O O O O 8 O 6 O 4 O 2 O O ( b ) 1 h ( d ) 3 5 h ( f ) 8 h 一4 0 一 ( h ) 9 h 第3 章污水净化过程的细胞自动机模型设计与实现 O 卫 O 6 O 4 O 2 嚣垂幸：圹囊。+ 鑫 熟j 0 2 O 4 0 6 O 81 ( i ) 1 0 h 图3 8 污水净化过程的二维模型的演化过程 F i g 3 8T 1 1 ee V o l u t i o np r o c e s s0 ft w o d i m e n s i o n a lm o d e lo fs e w a g ep u r i f i
8、c a t j o n ( 3 ) 实验结果分析 1 ) 演化过程分析 图3 8 中，蓝色粒子表示有机污染物，红色粒子表示微生物。该演化过程主 要展示了有机污染物被活性污泥微生物摄取、代谢与利用的过程以及沉降过程。 从图3 8 ( a ) 中可以看出，初期0 5 内，主要是有机物与微生物的吸附反应。由于 活性污泥具有很强的吸附能力，在活性污泥系统中废水开始与活性污泥接触后的 较短时间内，废水中的有机物即被大量去除。从图3 8 ( a 卜( d ) 中可以看出，微生 物在不断地增加，有机物在不断减少。这表明微生物不断从其周围环境中摄取废 水中的有机物作为营养加以摄取、吸收。被微生物摄入的有机物一
9、部分被氧化分 解成稳定的无机物质，一部分被合成新细胞物质。从图3 8 ( d 卜( f ) 中可以看出， 微生物不断减少。这表明随着有机物浓度的不断减少，微生物的营养物质越来越 少。活性污泥微生物由于得不到充足的营养物质，而开始大量地利用自身内贮存 的物质或衰亡菌体进行内源呼吸以维持生命活动。从图3 8 ( 耻( i ) 中可以看出，微 生物和被吸附有机物开始沉降。这表明随着内源呼吸逐渐减弱，微生物的减小量 没有明显变化，停止曝气，静置一段时间后，在重力作用下微生物和被吸附有机 物开始沉降，小部分没有被降解的有机物将仍然漂浮在水体中。 2 ) 仿真曲线分析 图3 9 ( a ) 很好的模拟了有
10、机物的去除曲线。从图中可以看到有机物的去除率 达到了9 5 以上；图3 9 ( b ) 为活性污泥的生长曲线，该曲线很好地模拟了活性污 泥生长模式曲线的增殖期、静止期和衰亡期，两曲线都与理论上E c k e n f e l d e r 模 型的模式曲线基本一致，误差在0 1 O 6 之间，证明了该模型的有效性。 北京工、I k 大学T 学硕士学位论文 ( a ) 有机物的降解曲线图 ( b ) 微生物的增长曲线 一细胞自动机模型 E c k e n f e l d e r 模型 图3 9 污水净化过程的二维模型的仿真皓线 F i g 3 - 9S i m u l a t i o nc u eo
11、 ft w o d i m e n s i o n a lm o d e lo fs e w a g ep u r i f i c a t i o n 3 3 2 污水；争化过程的三维细胞自动机模型实现 本文在二维模型的基础上，结合活性污泥动力学特性和细胞自动机的特性 设计了一种三维动态变化的概率演化规则，提出了三维的格子气细胞自动机的 改进模型。该模型更真实地模拟了污水净化过程的动态反应过程。 ( 1 ) 实验设计 以下结合具体实施方式以对该模型进行详细的说明： 现以某城市间歇培养的活性污泥污水处理作为实施例，某同排污水量为 1 5 7 0 0 m 3 ，原污水中混合液的污泥质量浓度为2 5
12、 0 0 m g L ，进水的B O D 浓度为2 0 0 m L ，反应器的容积为1 5 0 0m 3 ，反应时间为9 h ( 其中，悬浮固体浓度代表活性 污泥浓度，B O D 浓度代表有机物浓度) 。 模型的实现包括两个步骤 1 ) 初始模型的设定 该模型以1 0 1 0 1 3 的长方体作为容器，1 0 1 0 1 0 的立方体作为容 器中污水反应空间，表示1 5 0 0m 3 。将污水反应空间划分为1 0 1 0 1 0 个结点作 为初始模型的静止节点，即细胞个数；l l 1 l 1 1 个结点作为初始模型的扩散 结点。基于污水处理过程，初始时刻只有有机物、微生物和水( 或者气体) 三
13、种 第3 章污水净化过程的细胞自动机模型设计与实现 粒子状态。经过对活性污泥净化机理的分析和部分实验的验证，本设计选定丁为 1 0 m i n ，初始微生物以3 5 概率分布在每个细胞的静止结点，则每个微生物粒子 的质量浓度约为4 1 7 m g L ( 通过静止结点的个数、粒子的占有概率以及初始浓 度计算的到) ；考虑到反应扩散能够正常进行，这里假定初始水状态在扩散结点 中占有l 2 的结点，则有机物以l 2 概率分布在每个细胞的扩散结点，且每个有 机物粒子的质量浓度约为0 3 0 1 m g L ( 通过扩散结点的个数、粒子的占有概率以 及初始浓度计算得到) ；其余细胞结点的粒子状态为水(
14、 或者气体) 。通过初始的 设定和对活性污泥动力学特性的分析，可以得到初始污泥负荷丹M 为0 8 3 7 k g B o D ( k g M L V S S d ) ，吸附概率昂为0 8 6 8 ，分解概率暑为0 ，合成概率昱为0 ， 内源呼吸概率只为0 。 2 ) 根据初始模型确定演化规则，具体演化过程如下： 对于每个细胞，演化规则主要包括三个部分： a 扩散过程 如果r 时刻，静止结点没有微生物粒子，则扩散结点的粒子做扩散运动，此 时，该运动保持粒子数守恒，且当扩散结点有吸附粒子时，该粒子静止。扩散运 动主要分为两种情况。 当扩撒结点无吸附有机物粒子时，粒子将在细胞内做自由扩散运动，则 f
15、 + ，时刻该细胞的状态S ( r ，f + 丁) 为 S ( r ，f + 丁) = q 2 + c 2 l + 巳4 + c 4 3 + 巳6 + 气5 ( 3 - 2 4 ) 当扩散结点有吸附有机物粒子时，该结点的吸附粒子静止。如果其它扩散结 点有粒子，粒子将在其它格位之间做自由扩散运动。 b 反应过程 如果t 时刻静止结点有微生物粒子，该微生物粒子具有吸附、分解和合成该 细胞内扩散结点有机物的功能，同时也具有内源呼吸的功能。反应过程的演化规 则主要分为以下四个规则。 吸附规则：当此时微生物增长期增长量 0 8 m L ( 表示微生物增长没有进入 稳定期) ，有机污染物粒子将以概率昂被微生物摄取为吸附有机物，吸附概率
