專利名稱：基于pca模型的活性污泥吸附和沉降過程的仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及曝氣池內(nèi)活性污泥吸附和沉降的生化反應(yīng)過程的仿真實(shí)現(xiàn)， 尤其是基于概率元胞自動(dòng)機(jī)(probability cellular automata,簡稱PCA)建立活
性污泥系統(tǒng)曝氣池內(nèi)污泥吸附和沉降的生化反應(yīng)模型并仿真實(shí)現(xiàn)，屬于智能 科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)科領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
活性污泥法污水處理采用人工曝氣的手段，使活性污泥均勻分散并懸浮 于曝氣池中，和污水充分接觸，在溶解氧的條件下，污泥中大量的細(xì)菌、真 菌、藻類、原生動(dòng)物和后生動(dòng)物以污水中的有機(jī)物為食料進(jìn)行代謝和繁殖， 從而達(dá)到去除有機(jī)物的目的。在這一過程中，發(fā)生了復(fù)雜的生化反應(yīng)，整個(gè) 活性污泥系統(tǒng)表現(xiàn)出多樣性、隨機(jī)性、不確定性、強(qiáng)非線性、大時(shí)變性等復(fù) 雜系統(tǒng)的特征，使得模型建立異常困難。
目前活性污泥系統(tǒng)的模型可分為傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、智能模型以及混合模型。 傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以國際水污染控制協(xié)會(huì)廢水生物處理設(shè)計(jì)與運(yùn)行數(shù)學(xué)模型課 題組提出的ASM系列模型為代表，這些模型含有嚴(yán)重的不確定性、時(shí)變、非 線性等因素，并且其中許多定量關(guān)系是由經(jīng)驗(yàn)得到，未知參數(shù)多，不確定參 數(shù)在不同的環(huán)境呈現(xiàn)不確定變化。智能建模方法與經(jīng)典數(shù)學(xué)建模方法相比并 非優(yōu)越，只是當(dāng)對問題的機(jī)理不甚了解或不能用數(shù)學(xué)模型表明的系統(tǒng)，智能
建模往往是最有利的工具。主要的建模方法有模糊建模、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建
模、時(shí)間延遲神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模、遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模、RBF徑 向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模，但是這種類似"黑匣子"的建模方法限制了人們對污水生物 處理機(jī)理的認(rèn)識(shí)和研究。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，就形成所謂的 混合模型，它綜合了兩者的優(yōu)勢，但是增加了模型的復(fù)雜性，也并沒有克服 兩種模型的缺陷，不利于活性污泥系統(tǒng)的控制和應(yīng)用。
同時(shí)，以上模型均未能用復(fù)雜系統(tǒng)的觀點(diǎn)去認(rèn)識(shí)和理解本身具有復(fù)雜系 統(tǒng)本質(zhì)的活性污泥系統(tǒng)，再加上被控對象的不確定性，系統(tǒng)信息的模糊性、 高度非線性，控制目標(biāo)的多層次、計(jì)算的復(fù)雜性和龐大的數(shù)據(jù)處理等使得所 建立的各種模型均未能表現(xiàn)出活性污泥生長的復(fù)雜性和曝氣池內(nèi)微生物的演化過程，限制了人們對活性污泥去污機(jī)理的認(rèn)識(shí)和研究，不利于活性污泥系 統(tǒng)的控制和應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是利用概率元胞自動(dòng)機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)活性污泥系統(tǒng)曝氣池內(nèi)污 泥吸附和沉降的生化反應(yīng)過程，解決現(xiàn)有的模型難以克服活性污泥系統(tǒng)的復(fù) 雜性的問題。可以從生物角度有效地模擬污泥吸附和沉降的復(fù)雜過程。本發(fā) 明主要是針對有機(jī)物的去除，對其進(jìn)行分析利用，調(diào)整微生物的種類和數(shù)量 可以用于指導(dǎo)建立更加精確的活性污泥吸附和沉降的模型。
本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案及實(shí)現(xiàn)步驟
1. 本發(fā)明是基于PCA模型的，首先要建立活性污泥系統(tǒng)中相應(yīng)的PCA
初始模型，并初始化元胞狀態(tài)。
以NxNxN的立方體作為初始模型。其中，N為整數(shù)，代表一維上的格子 個(gè)數(shù)?？紤]到污水處理的實(shí)際意義，根據(jù)元胞自動(dòng)機(jī)邊界條件的確定方法， 取其邊界條件固定為零狀態(tài)，屬于虛擬格子，不發(fā)生演化。這樣除去邊界， 狀態(tài)空間上有(N-l) x (N-l) x (N-l)個(gè)格子均勻分布，每個(gè)格子代表一個(gè) 元胞。
在各類微生物中，細(xì)菌與污水處理的關(guān)系最密切，其次是原生動(dòng)物，所 以元胞的狀態(tài)一共有五種可能元胞是空或者水分子，為0狀態(tài)；該格子被 鄰居吸附小分子有機(jī)物的微生物占據(jù)，為l狀態(tài)；有細(xì)菌生成，為2狀態(tài)； 該格子被鄰居吸附大分子有機(jī)物的微生物占據(jù)，為3狀態(tài)；有原生動(dòng)物生成， 為4狀態(tài)。
初始化每個(gè)元胞的狀態(tài)任一個(gè)格子的狀態(tài)初始化，是有一定程度的隨 機(jī)性的，某狀態(tài)在格子以概率p出現(xiàn)，或以概率l-p不出現(xiàn)，即服從概率上的 (0~1)分布，其中，0<jp<1。元胞最初的狀態(tài)只有狀態(tài)0， 2和4，狀態(tài)l， 3是在反應(yīng)開始后才出現(xiàn)的。當(dāng)某狀態(tài)出現(xiàn)的概率;^a時(shí)為4狀態(tài)；當(dāng) a〈;^/7，時(shí)為2狀態(tài)；其余為O狀態(tài)。其中，a, ^為經(jīng)驗(yàn)值，0.9<jPl<l， 0.6<a<0.9， ^， a的具體取值根據(jù)N的大小來取定。
2. 確定PCA的鄰居結(jié)構(gòu)。元胞隨時(shí)間的演化是由鄰居元胞的狀態(tài)，即鄰
居結(jié)構(gòu)決定的。本發(fā)明采用六鄰居的鄰居結(jié)構(gòu)，即最近鄰居，它由一個(gè)中心元胞及位于 其前后、左右、上下的6個(gè)元胞組成。中心元胞在演化過程中只與最鄰近的 六個(gè)元胞的狀態(tài)有關(guān)，即中心元胞的狀態(tài)根據(jù)最近的六個(gè)鄰居元胞的狀態(tài)確 定下一時(shí)刻的元胞狀態(tài)。
3.根據(jù)元胞的初始模型和鄰居結(jié)構(gòu)來確定演化規(guī)則，具體演化過程如下
1)曝氣初期，曝氣池內(nèi)的吸附和分解代謝過程。
微生物吸附有機(jī)物的過程，為元胞生長做準(zhǔn)備
元胞狀態(tài)由0演化到1表明該元胞鄰居有微生物吸附上可降解小分子有 機(jī)物，并占據(jù)該格子。具體實(shí)現(xiàn)該元胞鄰居微生物數(shù)目為1， 2或3，且k 時(shí)刻的污泥負(fù)荷率^>/^，其中，a,為狀態(tài)O到1的轉(zhuǎn)換概率，0<凡,<0.5; 或者鄰居微生物數(shù)目為4或5時(shí)，該元胞鄰居有較多的微生物，會(huì)吸附小分 子有機(jī)物并占據(jù)該格子。
元胞狀態(tài)由0演化到3表明該元胞鄰居有微生物吸附上可降解大分子有
機(jī)物，并占據(jù)該格子。大分子有機(jī)物的吸附要難于小分子有機(jī)物，具體實(shí)現(xiàn):
鄰居微生物數(shù)目為3， 4或5，且1^時(shí)刻的污泥負(fù)荷率^>; 。3,其中，；^為狀 態(tài)0到3的轉(zhuǎn)換概率，o<A)3<o.5;或者其鄰居全部是微生物時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。
小分子有機(jī)物分解和合成代謝的過程
元胞狀態(tài)由1演化到o表明該格子的小分子有機(jī)物被鄰居的細(xì)菌分解代 謝。具體實(shí)現(xiàn)該元胞鄰居中細(xì)菌的數(shù)目為1， 2或3，且空元胞數(shù)為O， l或 2， k時(shí)刻的污泥負(fù)荷率a ^ A。，其中，Pl。為狀態(tài)1到0的轉(zhuǎn)換概率，o < a。 < 0.5; 或者a〈a。時(shí)需要鄰居中細(xì)菌的數(shù)目為4， 5或6，此時(shí)微生物能量較低，要
求鄰居有微生物正在分解有機(jī)物釋放能量或進(jìn)行內(nèi)源呼吸。
元胞狀態(tài)由1演化到2表明細(xì)菌分解該格子的小分子有機(jī)物，生成新的 個(gè)體并占據(jù)該格子，實(shí)現(xiàn)與狀態(tài)1到0相同，且轉(zhuǎn)換概率& = a。，其中，化
為狀態(tài)1到2的轉(zhuǎn)換概率。
細(xì)菌的演化過程
元胞狀態(tài)由2演化到0表明該元胞因?yàn)楣铝⒒驌頂D而死亡。具體實(shí)現(xiàn) 擁擠死亡，鄰居中微生物數(shù)目為6;孤立死亡，鄰居中微生物數(shù)目為0或1。元胞狀態(tài)由2演化到3表明發(fā)生溶胞現(xiàn)象，即元胞壁破裂，元胞質(zhì)釋放
到混合液中，成為元胞的生長基質(zhì)。具體實(shí)現(xiàn)溶胞現(xiàn)象是隨機(jī)發(fā)生的，在 演化規(guī)則中用隨機(jī)函數(shù)ra""(U,l)"來實(shí)現(xiàn)，其中，c為一常數(shù)，0.9<c<l。
元胞狀態(tài)由2演化到4表明鄰居中的原生動(dòng)物捕獲該細(xì)菌，并發(fā)生分裂 繁殖，繁殖出新的原生動(dòng)物占據(jù)該格子。具體實(shí)現(xiàn)鄰居中的原生動(dòng)物為2， 3, 4或5，細(xì)菌數(shù)為0。
大分子有機(jī)物的去除過程
元胞狀態(tài)由3演化到1表明大分子有機(jī)物在水解酶的作用下水解生成小
分子有機(jī)物。具體實(shí)現(xiàn)鄰居中的微生物數(shù)目為l， 2或3，且k時(shí)刻的污泥 負(fù)荷率&</^，其中，A,為狀態(tài)3到l的轉(zhuǎn)換概率，0<化<0.3。
元胞狀態(tài)由3演化到4表明鄰居中的原生動(dòng)物吞食該大分子有機(jī)物，并 發(fā)生裂殖，繁殖出新的個(gè)體占據(jù)該格子。具體實(shí)現(xiàn)鄰居中原生動(dòng)物為1或2， 且微生物總數(shù)為l， 2或3，且"^。其中，；^為狀態(tài)3到4的轉(zhuǎn)換概率， 0</ 34 <0.2 。
原生動(dòng)物的演化過程
元胞狀態(tài)由4演化到0表明原生動(dòng)物由于孤立或擁擠而死亡。具體實(shí)現(xiàn): 鄰居中原生動(dòng)物的數(shù)目為5或6時(shí)擁擠死亡；原生動(dòng)物的數(shù)目為0或1時(shí)孤 立死亡。
2)曝氣中后期的吸附和沉降過程。
曝氣中后期活性污泥的絮凝吸附與曝氣初期的吸附過程相同，只是曝氣 中后期的有機(jī)物為難于降解的有機(jī)物，而初期的有機(jī)物是可降解的。
元胞狀態(tài)由0演化到1表明該元胞鄰居有微生物吸附上難降解小分子有 機(jī)物，并占據(jù)該格子。具體實(shí)現(xiàn)該元胞鄰居微生物數(shù)目為1， 2或3，且k 時(shí)刻的污泥負(fù)荷率A〉A(chǔ),，其中，P。,為狀態(tài)0到1的轉(zhuǎn)換概率，0</7。,<0.5; 或者鄰居微生物數(shù)目為4或5時(shí)，該元胞鄰居有較多的微生物，會(huì)吸附小分 子有機(jī)物并占據(jù)該格子。元胞狀態(tài)由0演化到3表明該元胞鄰居有微生物吸附上難降解大分子有
機(jī)物，并占據(jù)該格子。大分子有機(jī)物的吸附要難于小分子有機(jī)物，具體實(shí)現(xiàn): 鄰居微生物數(shù)目為3， 4或5，且k時(shí)刻的污泥負(fù)荷率A〉;^，其中，^為狀
態(tài)0到3的轉(zhuǎn)換概率，0<p。3<0.5;或者其鄰居全部是微生物時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。 沉降過程
若吸附形成的絮團(tuán)中心元胞為4狀態(tài)，則4狀態(tài)元胞與其鄰居一同沉降。 具體實(shí)現(xiàn)4狀態(tài)元胞與其鄰居沿垂直方向一同下落，若4狀態(tài)垂直方向的下 一個(gè)格子為O狀態(tài)，該格子轉(zhuǎn)化為4狀態(tài)，0狀態(tài)的鄰居狀態(tài)轉(zhuǎn)化為4狀態(tài)原 來的鄰居狀態(tài)；若不為O狀態(tài)，保持原位置不變，待垂直下方格子出現(xiàn)O狀 態(tài)繼續(xù)沉降。
若吸附形成的絮團(tuán)中心元胞為2狀態(tài)，則2狀態(tài)元胞與其鄰居一同沉降。 具體實(shí)現(xiàn)2狀態(tài)元胞與其鄰居沿垂直方向一同下落，若2狀態(tài)垂直方向的下 一個(gè)格子為O狀態(tài)，該格子轉(zhuǎn)化為2狀態(tài)，0狀態(tài)的鄰居狀態(tài)轉(zhuǎn)化為2狀態(tài)原 來的鄰居狀態(tài)；若不為O狀態(tài)，保持原位置不變，待垂直下方格子出現(xiàn)O狀 態(tài)繼續(xù)沉降。
若存在單獨(dú)的大分子有機(jī)物，即3狀態(tài)的鄰居中不存在2或4狀態(tài)，則 以3狀態(tài)為中心元胞進(jìn)行沉降，若垂直方向的下一個(gè)格子為O狀態(tài)，該格子 轉(zhuǎn)化為3狀態(tài)，0狀態(tài)的鄰居狀態(tài)轉(zhuǎn)化為3狀態(tài)原來的鄰居狀態(tài)；若不為O狀 態(tài)，保持原位置不變，待垂直下方有O狀態(tài)格子出現(xiàn)繼續(xù)沉降。
若存在單獨(dú)的小分子有機(jī)物，即l狀態(tài)的鄰居中不存在2， 3或4狀態(tài)， 則以l狀態(tài)為中心元胞進(jìn)行沉降，若垂直方向的下一個(gè)格子為O狀態(tài)，該格 子相應(yīng)地轉(zhuǎn)化為l狀態(tài)；若不為O狀態(tài)，保持原位置不變，待垂直下方有O 狀態(tài)格子出現(xiàn)繼續(xù)沉降。
當(dāng)任一狀態(tài)元胞沉降到池底就清空，即將其轉(zhuǎn)化為O狀態(tài)。反復(fù)循環(huán)， 污泥沉降，上層水只存在O狀態(tài)即可排出。
具體的沉降速度顆粒的沉降過程分為兩個(gè)階段，初期為加速階段，而 后為勻速階段。 一般，顆粒很小，加速階段很短；可以忽略不計(jì)，整個(gè)沉降 過程可視為勻速沉降。根據(jù)斯托克斯公式，勻速沉降的速度隨顆粒半徑和密 度的增大而增大。各狀態(tài)的沉降速度比根據(jù)具體情況而定。其中，A ， A3， c為反復(fù)實(shí)驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)值；A。， Al， /734來自于生物 信息學(xué)的相關(guān)概率參數(shù)?？臻g中的每個(gè)元胞按照上述規(guī)則隨時(shí)間進(jìn)行演化， 多次循環(huán)迭代，每個(gè)時(shí)間間隔演化的結(jié)果作為下一時(shí)刻演化的初始態(tài)，最終 完成吸附、分解代謝、絮凝沉降，實(shí)現(xiàn)污水凈化。流程圖如圖1。
活性污泥處理系統(tǒng)運(yùn)行的基本條件是廢水中需含有微生物所需的C、N、 p等營養(yǎng)物質(zhì)及微量元素；混合液中要含有足夠的氧；活性污泥與廢水應(yīng)充分 接觸；廢水中含有的有毒污染物質(zhì)的量應(yīng)足夠低，對微生物不能構(gòu)成抑制作 用；活性污泥需連續(xù)回流，并及時(shí)排放剩余污泥，使混合液保持適量的活性 污泥。細(xì)菌生長的環(huán)境因素大部分細(xì)菌適宜的溫度是20 40'C;污水生化處 理中以好氧菌為主；大多數(shù)細(xì)菌在PH值為6.5 8之間生長較好；微生物的營 養(yǎng)主要有碳源、氮源、磷等；污水中的有毒物質(zhì)會(huì)破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜和菌體 內(nèi)酶，使酶失去活性，影響污水處理效果。根據(jù)上述條件，在實(shí)際應(yīng)用過程 中，為保證微生物正常的代謝過程，具體要求曝氣池的進(jìn)水只限于生活污 水。因?yàn)樯钗鬯臓I養(yǎng)源中的C、 N、 P比例符合微生物生長所需的營養(yǎng)物 的比例，可為微生物提供充分的養(yǎng)分；曝氣池中溶解氧的濃度充足，進(jìn)水中 無有毒物質(zhì)，并且系統(tǒng)運(yùn)行溫度控制在20 3(TC， PH值在6.5 8之間，保證 酶的活力和微生物的生長繁殖狀態(tài)最好。
本發(fā)明所做的仿真是曝氣池內(nèi)活性污泥的吸附和沉降過程，主要是針對 有機(jī)物的去除。該模型是以細(xì)菌和原生動(dòng)物為研究對象，沒有考慮微生物具 體種類的不同與特殊微生物個(gè)別的行為，而是抓住細(xì)菌和原生動(dòng)物的主要特 征，仿真出其在污水處理中的生長繁殖衰亡情況，從而得到有機(jī)物的去除過 程。對其分析可供進(jìn)一步研究之用。比如可以通過調(diào)整微生物的數(shù)量達(dá)到更 好的去除效果；也可以通過增加微生物的種類來去除污水中的其它雜質(zhì)，如 氮磷等；可以建立更加精確可靠的模型。
與傳統(tǒng)方法相比，本發(fā)明方法首次利用概率元胞自動(dòng)機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)活性污 泥吸附與沉降的生化反應(yīng)過程，解決現(xiàn)有的模型難以克服活性污泥系統(tǒng)的復(fù) 雜性的問題；隨機(jī)函數(shù)的使用可以克服實(shí)際污水處理過程中的隨機(jī)干擾；本 發(fā)明使得活性污泥系統(tǒng)微觀的演化行為更為明晰和易于把握，便于人們對污 水生物處理的認(rèn)識(shí)和理解；對其進(jìn)行分析利用，可以用于建立更加精確的活
性污泥吸附和沉降的模型。


圖1系統(tǒng)的流程圖
圖2曝氣池PCA的基本模型
圖3PCA的六鄰居結(jié)構(gòu)圖
圖4a曝氣池的初始狀態(tài)
圖4b、 c有機(jī)物的吸附分解過程
圖4d~g絮凝沉降過程
具體實(shí)施例方式
下面以20x20x20的PCA模型作為實(shí)施例。本實(shí)施例的實(shí)現(xiàn)包括三個(gè)步
驟
1. 建立活性污泥系統(tǒng)中相應(yīng)的PCA初始模型，并初始化元胞狀態(tài)。
以20x20x20的立方體作為PCA的初始模型?？紤]到污水處理的實(shí)際意 義，取其邊界條件固定為零狀態(tài)，屬于虛擬格子，不發(fā)生演化。這樣除去邊 界，狀態(tài)空間上有6859個(gè)格子均勻分布，每個(gè)格子代表一個(gè)元胞，如圖2。 元胞的狀態(tài)一共有五種可能元胞是空或者水分子，為O狀態(tài)；該格子被鄰 居吸附小分子有機(jī)物的微生物占據(jù)，為l狀態(tài)；有細(xì)菌生成，為2狀態(tài)；該 格子被鄰居吸附大分子有機(jī)物的微生物占據(jù)，為3狀態(tài)；有原生動(dòng)物生成， 為4狀態(tài)。
初始化每個(gè)元胞的狀態(tài)任一個(gè)格子的狀態(tài)初始化，是有一定程度的隨
機(jī)性的，某狀態(tài)在格子以概率p出現(xiàn)，或以概率l-p不出現(xiàn)，即服從概率上的
(0—1)分布，其中，0<P<1。元胞最初的狀態(tài)只有狀態(tài)O， 2禾卩4，狀態(tài)l， 3是在反應(yīng)開始后才出現(xiàn)的。當(dāng)某狀態(tài)出現(xiàn)的概率PA時(shí)為4狀態(tài)，此時(shí) A=0.995;當(dāng)p^;^A時(shí)為2狀態(tài)，此時(shí)/72=0.7;其余為0狀態(tài)。
2. 確定PCA的鄰居結(jié)構(gòu)。元胞隨時(shí)間的演化是由鄰居元胞的狀態(tài)，即鄰 居結(jié)構(gòu)決定的。
本發(fā)明采用六鄰居的鄰居結(jié)構(gòu)，即最近鄰居，如圖3，它由一個(gè)中心元胞 及位于其前后、左右、上下的6個(gè)元胞組成。中心元胞在演化過程中只與最 鄰近的六個(gè)元胞的狀態(tài)有關(guān)，即中心元胞的狀態(tài)根據(jù)鄰居最近的六個(gè)元胞的 狀態(tài)確定下一時(shí)刻的元胞狀態(tài)。
3. 根據(jù)元胞的初始模型和鄰居結(jié)構(gòu)來確定演化規(guī)則，具體演化過程如下:1)曝氣初期，曝氣池內(nèi)的吸附和分解代謝過程。 微生物吸附有機(jī)物的過程，為元胞生長做準(zhǔn)備
元胞狀態(tài)由O演化到1表明該元胞鄰居有微生物吸附上可降解小分子有 機(jī)物，并占據(jù)該格子。具體實(shí)現(xiàn)該元胞鄰居微生物數(shù)目為1， 2或3，且k 時(shí)刻的污泥負(fù)荷率/74>^， Ai為狀態(tài)O到1的轉(zhuǎn)換概率，取0.2;或者鄰居微
生物數(shù)目為4或5時(shí)，該元胞鄰居有較多的微生物，會(huì)吸附小分子有機(jī)物并
占據(jù)該格子。
元胞狀態(tài)由0演化到3表明該元胞鄰居有微生物吸附上可降解大分子有
機(jī)物，并占據(jù)該格子。大分子有機(jī)物的吸附要難于小分子有機(jī)物，具體實(shí)現(xiàn): 鄰居微生物數(shù)目為3， 4或5,且k時(shí)刻的污泥負(fù)荷率A〉;^， A;為狀態(tài)O到
3的轉(zhuǎn)換概率，取0.2;或者其鄰居全部是微生物時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。
小分子有機(jī)物分解和合成代謝的過程
元胞狀態(tài)由1演化到o表明該格子的小分子有機(jī)物被鄰居的細(xì)菌分解代 謝。具體實(shí)現(xiàn)該元胞鄰居中細(xì)菌的數(shù)目為1， 2或3，且空元胞數(shù)為0， l或
2， k時(shí)刻的污泥負(fù)荷率A 2 ^。 ， A。為狀態(tài)1到0的轉(zhuǎn)換概率，取0.1;或者a < a。
時(shí)需要鄰居中細(xì)菌的數(shù)目為4， 5或6，此時(shí)微生物能量較低，要求鄰居有微
生物正在分解有機(jī)物釋放能量或進(jìn)行內(nèi)源呼吸。
元胞狀態(tài)由1演化到2表明細(xì)菌分解該格子的小分子有機(jī)物，生成新的 個(gè)體并占據(jù)該格子，實(shí)現(xiàn)與狀態(tài)1到0相同，且轉(zhuǎn)換概率化-A。，其中，&
為狀態(tài)1到2的轉(zhuǎn)換概率。
細(xì)菌的演化過程
元胞狀態(tài)由2演化到0表明該元胞因?yàn)楣铝⒒驌頂D而死亡。具體實(shí)現(xiàn) 擁擠死亡，鄰居中微生物數(shù)目為6;孤立死亡鄰居中微生物數(shù)目為0或1。
元胞狀態(tài)由2演化到3表明發(fā)生溶胞現(xiàn)象，即元胞壁破裂，元胞質(zhì)釋放
到混合液中，成為元胞的生長基質(zhì)。具體實(shí)現(xiàn)溶胞現(xiàn)象是隨機(jī)發(fā)生的，在 演化規(guī)則中用隨機(jī)函數(shù)m^(l,l,l)w來實(shí)現(xiàn)，其中，c為一常數(shù)，取0.9999。
元胞狀態(tài)由2演化到4表明鄰居中的原生動(dòng)物捕獲該細(xì)菌，并發(fā)生分裂
繁殖，繁殖出新的原生動(dòng)物占據(jù)該格子。具體實(shí)現(xiàn)鄰居中的原生動(dòng)物為2，
3， 4或5，細(xì)菌數(shù)為0。
大分子有機(jī)物的去除過程元胞狀態(tài)由3演化到1表明大分子有機(jī)物在水解酶的作用下水解生成小
分子有機(jī)物。具體實(shí)現(xiàn)鄰居中的微生物數(shù)目為l， 2或3，且k時(shí)刻的污泥
負(fù)荷率&<&，其中，化為狀態(tài)3到1的轉(zhuǎn)換概率，取O.l。
元胞狀態(tài)由3演化到4表明鄰居中的原生動(dòng)物吞食該大分子有機(jī)物，并
發(fā)生裂殖，繁殖出新的個(gè)體占據(jù)該格子。具體實(shí)現(xiàn)鄰居中原生動(dòng)物為1或2, 且微生物總數(shù)為l， 2或3，且/^;^。其中，^為狀態(tài)3到4的轉(zhuǎn)換概率，
取0.06。
原生動(dòng)物的演化過程
元胞狀態(tài)由4演化到O表明原生動(dòng)物由于孤立或擁擠而死亡。具體實(shí)現(xiàn): 鄰居中原生動(dòng)物的數(shù)目為5或6時(shí)擁擠死亡；原生動(dòng)物的數(shù)目為0或1時(shí)孤
立死亡。
2)曝氣中后期的吸附和沉降過程。
曝氣中后期活性污泥的絮凝吸附與曝氣初期的吸附過程相同，只是曝氣 中后期的有機(jī)物為難于降解的有機(jī)物，而初期的有機(jī)物是可降解的。
元胞狀態(tài)由O演化到1表明該元胞鄰居有微生物吸附上難降解小分子有 機(jī)物，并占據(jù)該格子。具體實(shí)現(xiàn)該元胞鄰居微生物數(shù)目為1， 2或3，且k 時(shí)刻的污泥負(fù)荷率^>/^，其中，An為狀態(tài)O到l的轉(zhuǎn)換概率，取0.2;或者
鄰居微生物數(shù)目為4或5時(shí)，該元胞鄰居有較多的微生物，會(huì)吸附小分子有
機(jī)物并占據(jù)該格子。
元胞狀態(tài)由0演化到3表明該元胞鄰居有微生物吸附上難降解大分子有
機(jī)物，并占據(jù)該格子。大分子有機(jī)物的吸附要難于小分子有機(jī)物，具體實(shí)現(xiàn): 鄰居微生物數(shù)目為3， 4或5，且k時(shí)刻的污泥負(fù)荷率;^^，其中，^為狀
態(tài)0到3的轉(zhuǎn)換概率，取0.2;或者其鄰居全部是微生物時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。
沉降過程
若吸附形成的絮團(tuán)中心元胞為4狀態(tài)，則4狀態(tài)元胞與其鄰居一同沉降。
具體實(shí)現(xiàn)4狀態(tài)元胞與其鄰居沿垂直方向一同下落，若4狀態(tài)垂直方向的下
一個(gè)格子為0狀態(tài)，該格子轉(zhuǎn)化為4狀態(tài)，0狀態(tài)的鄰居狀態(tài)轉(zhuǎn)化為4狀態(tài)原 來的鄰居狀態(tài)；若不為O狀態(tài)，保持原位置不變，待垂直下方格子出現(xiàn)O狀 態(tài)繼續(xù)沉降。若吸附形成的絮團(tuán)中心元胞為2狀態(tài)，則2狀態(tài)元胞與其鄰居一同沉降。
具體實(shí)現(xiàn)2狀態(tài)元胞與其鄰居沿垂直方向一同下落，若2狀態(tài)垂直方向的下
一個(gè)格子為0狀態(tài)，該格子轉(zhuǎn)化為2狀態(tài)，0狀態(tài)的鄰居狀態(tài)轉(zhuǎn)化為2狀態(tài)原 來的鄰居狀態(tài)；若不為0狀態(tài)，保持原位置不變，待垂直下方格子出現(xiàn)O狀 態(tài)繼續(xù)沉降。
若存在單獨(dú)的大分子有機(jī)物，即3狀態(tài)的鄰居中不存在2或4狀態(tài)，則 以3狀態(tài)為中心元胞進(jìn)行沉降，若垂直方向的下一個(gè)格子為O狀態(tài)，該格子 轉(zhuǎn)化為3狀態(tài)，0狀態(tài)的鄰居狀態(tài)轉(zhuǎn)化為3狀態(tài)原來的鄰居狀態(tài)；若不為0狀 態(tài)，保持原位置不變，待垂直下方有O狀態(tài)格子出現(xiàn)繼續(xù)沉降。
若存在單獨(dú)的小分子有機(jī)物，即l狀態(tài)的鄰居中不存在2， 3或4狀態(tài)， 則以l狀態(tài)為中心元胞進(jìn)行沉降，若垂直方向的下一個(gè)格子為O狀態(tài)，該格 子相應(yīng)地轉(zhuǎn)化為l狀態(tài)；若不為0狀態(tài)，保持原位置不變，待垂直下方有0 狀態(tài)格子出現(xiàn)繼續(xù)沉降。
當(dāng)任一狀態(tài)元胞沉降到池底就清空，即將其轉(zhuǎn)化為O狀態(tài)。反復(fù)循環(huán)， 污泥沉降，上層水只存在O狀態(tài)即可排出。
具體的沉降速度根據(jù)斯托克斯公式，勻速沉降的速度隨顆粒半徑和密 度的增大而增大。在此取1到4狀態(tài)的沉降速度比為2:3:4:5。
空間中的每個(gè)元胞按照上述規(guī)則隨時(shí)間進(jìn)行演化，多次循環(huán)迭代，每個(gè) 時(shí)間間隔演化的結(jié)果作為下一時(shí)刻演化的初始態(tài)，最終將有機(jī)物分解代謝， 絮凝沉降，實(shí)現(xiàn)污水凈化。演化過程圖如圖4a f所示。圖4a中，在初始狀態(tài) 中，底物均勻，微生物隨機(jī)均勻分布到曝氣池中。圖中的"*"表示細(xì)菌(狀 態(tài)2) ， "*"表示微生物(狀態(tài)4);圖4b中，曝氣初期，微生物吸附有機(jī)物， 微生物利用吸附的有機(jī)物進(jìn)行生長繁殖，微生物數(shù)量大量增加，圖中的小點(diǎn) 表示小分子有機(jī)物(狀態(tài)l) ， "+"表示大分子有機(jī)物；圖4c中，有機(jī)物明顯 減少，微生物不再增加；圖4d中，隨著營養(yǎng)的消耗，微生物發(fā)生死亡，元胞 與元胞之間因缺乏客服相互間吸引力的能量而結(jié)合在一起，形成絮凝團(tuán)；圖 4e中，絮凝團(tuán)形成后，開始沉降；圖4f中，繼續(xù)沉降，并將池底的污泥定時(shí) 清除，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。最后曝氣池的上層水澄清即可排出。
權(quán)利要求
1、基于PCA模型的活性污泥吸附和沉降過程的仿真方法，其特征在于，包括以下步驟1)首先要建立活性污泥系統(tǒng)中相應(yīng)的PCA初始模型，并初始化元胞狀態(tài)；以N×N×N的立方體作為初始模型；其中，N為整數(shù)，代表一維上的格子個(gè)數(shù)；取其邊界條件固定為零狀態(tài)，屬于虛擬格子，不發(fā)生演化；這樣除去邊界，狀態(tài)空間上有(N-1)×(N-1)×(N-1)個(gè)格子均勻分布，每個(gè)格子代表一個(gè)元胞；元胞的狀態(tài)一共有五種可能元胞是空或者水分子，為0狀態(tài)；該格子被鄰居吸附小分子有機(jī)物的微生物占據(jù)，為1狀態(tài)；有細(xì)菌生成，為2狀態(tài)；該格子被鄰居吸附大分子有機(jī)物的微生物占據(jù)，為3狀態(tài)；有原生動(dòng)物生成，為4狀態(tài)；初始化每個(gè)元胞的狀態(tài)元胞最初的狀態(tài)只有狀態(tài)0，2和4；當(dāng)某狀態(tài)出現(xiàn)的概率p≥p1時(shí)為4狀態(tài)；當(dāng)p2＜p＜p1時(shí)為2狀態(tài)；其余為0狀態(tài)；其中，p1，p2為經(jīng)驗(yàn)值，0.9＜p1＜1，0.6＜p2＜0.9；2)確定PCA的鄰居結(jié)構(gòu)，采用六鄰居的鄰居結(jié)構(gòu)，它由一個(gè)中心元胞及位于其前后、左右、上下的6個(gè)元胞組成；3)根據(jù)元胞的初始模型和鄰居結(jié)構(gòu)來確定演化規(guī)則，具體演化過程如下(1)曝氣初期，曝氣池內(nèi)的吸附和分解代謝過程；微生物吸附有機(jī)物的過程，為元胞生長做準(zhǔn)備元胞狀態(tài)由0演化到1表明該元胞鄰居有微生物吸附上可降解小分子有機(jī)物，并占據(jù)該格子；具體實(shí)現(xiàn)該元胞鄰居微生物數(shù)目為1，2或3，且k時(shí)刻的污泥負(fù)荷率pk＞p01，其中，p01為狀態(tài)0到1的轉(zhuǎn)換概率，0＜p01＜0.5；或者鄰居微生物數(shù)目為4或5時(shí)，該元胞鄰居有較多的微生物，會(huì)吸附小分子有機(jī)物并占據(jù)該格子；元胞狀態(tài)由0演化到3表明該元胞鄰居有微生物吸附上可降解大分子有機(jī)物，并占據(jù)該格子；大分子有機(jī)物的吸附要難于小分子有機(jī)物，具體實(shí)現(xiàn)鄰居微生物數(shù)目為3，4或5，且k時(shí)刻的污泥負(fù)荷率pk＞p03，其中，p03為狀態(tài)0到3的轉(zhuǎn)換概率，0＜p03＜0.5；或者其鄰居全部是微生物時(shí)才能實(shí)現(xiàn)；小分子有機(jī)物分解和合成代謝的過程元胞狀態(tài)由1演化到0表明該格子的小分子有機(jī)物被鄰居的細(xì)菌分解代謝；具體實(shí)現(xiàn)該元胞鄰居中細(xì)菌的數(shù)目為1，2或3，且空元胞數(shù)為0，1或2，k時(shí)刻的污泥負(fù)荷率pk≥p10，其中，p10為狀態(tài)1到0的轉(zhuǎn)換概率，0＜p10＜0.5；或者pk＜p10時(shí)需要鄰居中細(xì)菌的數(shù)目為4，5或6，此時(shí)微生物能量較低，要求鄰居有微生物正在分解有機(jī)物釋放能量或進(jìn)行內(nèi)源呼吸；元胞狀態(tài)由1演化到2表明細(xì)菌分解該格子的小分子有機(jī)物，生成新的個(gè)體并占據(jù)該格子，實(shí)現(xiàn)與狀態(tài)1到0相同，且轉(zhuǎn)換概率p12＝p10，其中，p12為狀態(tài)1到2的轉(zhuǎn)換概率；細(xì)菌的演化過程元胞狀態(tài)由2演化到0表明該元胞因?yàn)楣铝⒒驌頂D而死亡；具體實(shí)現(xiàn)擁擠死亡，鄰居中微生物數(shù)目為6；孤立死亡，鄰居中微生物數(shù)目為0或1；元胞狀態(tài)由2演化到3表明發(fā)生溶胞現(xiàn)象，即元胞壁破裂，元胞質(zhì)釋放到混合液中，成為元胞的生長基質(zhì)；具體實(shí)現(xiàn)溶胞現(xiàn)象是隨機(jī)發(fā)生的，在演化規(guī)則中用隨機(jī)函數(shù)rand(1，1，1)＞c來實(shí)現(xiàn)，其中，c為一常數(shù)，0.9＜c＜1；元胞狀態(tài)由2到4表明鄰居中的原生動(dòng)物捕獲該細(xì)菌，并發(fā)生分裂繁殖，繁殖出新的原生動(dòng)物占據(jù)該格子；具體實(shí)現(xiàn)鄰居中的原生動(dòng)物為2，3，4或5，細(xì)菌數(shù)為0；大分子有機(jī)物的去除過程元胞狀態(tài)由3演化到1表明大分子有機(jī)物在水解酶的作用下水解生成小分子有機(jī)物；具體實(shí)現(xiàn)鄰居中的微生物數(shù)目為1，2或3，且k時(shí)刻的污泥負(fù)荷率pk＜p31，其中，p31為狀態(tài)3到1的轉(zhuǎn)換概率，0＜p31＜0.3；元胞狀態(tài)由3演化到4表明鄰居中的原生動(dòng)物吞食該大分子有機(jī)物，并發(fā)生裂殖，繁殖出新的個(gè)體占據(jù)該格子；具體實(shí)現(xiàn)鄰居中原生動(dòng)物為1或2，且微生物總數(shù)為1，2或3，且p＜p34；其中，p34為狀態(tài)3到4的轉(zhuǎn)換概率，0＜p34＜0.2；原生動(dòng)物的演化過程元胞狀態(tài)由4演化到0表明原生動(dòng)物由于孤立或擁擠而死亡；具體實(shí)現(xiàn)鄰居中原生動(dòng)物的數(shù)目為5或6時(shí)擁擠死亡；原生動(dòng)物的數(shù)目為0或1時(shí)孤立死亡；(2)曝氣中后期的吸附和沉降過程；曝氣中后期活性污泥的絮凝吸附元胞狀態(tài)由0演化到1表明該元胞鄰居有微生物吸附上難降解小分子有機(jī)物，并占據(jù)該格子；具體實(shí)現(xiàn)該元胞鄰居微生物數(shù)目為1，2或3，且k時(shí)刻的污泥負(fù)荷率pk＞p01，其中，p01為狀態(tài)0到1的轉(zhuǎn)換概率，0＜p01＜0.5；或者鄰居微生物數(shù)目為4或5時(shí)，該元胞鄰居有較多的微生物，會(huì)吸附小分子有機(jī)物并占據(jù)該格子；元胞狀態(tài)由0演化到3表明該元胞鄰居有微生物吸附上難降解大分子有機(jī)物，并占據(jù)該格子；大分子有機(jī)物的吸附要難于小分子有機(jī)物，具體實(shí)現(xiàn)鄰居微生物數(shù)目為3，4或5，且k時(shí)刻的污泥負(fù)荷率pk＞p03，其中，p03為狀態(tài)0到3的轉(zhuǎn)換概率，0＜p03＜0.5；或者其鄰居全部是微生物時(shí)才能實(shí)現(xiàn)；沉降過程若吸附形成的絮團(tuán)中心元胞為4狀態(tài)，則4狀態(tài)元胞與其鄰居一同沉降；具體實(shí)現(xiàn)4狀態(tài)元胞與其鄰居沿垂直方向一同下落，若4狀態(tài)垂直方向的下一個(gè)格子為0狀態(tài)，該格子轉(zhuǎn)化為4狀態(tài)，0狀態(tài)的鄰居狀態(tài)轉(zhuǎn)化為4狀態(tài)原來的鄰居狀態(tài)；若不為0狀態(tài)，保持原位置不變，待垂直下方格子出現(xiàn)0狀態(tài)繼續(xù)沉降；若吸附形成的絮團(tuán)中心元胞為2狀態(tài)，則2狀態(tài)元胞與其鄰居一同沉降；具體實(shí)現(xiàn)2狀態(tài)元胞與其鄰居沿垂直方向一同下落，若2狀態(tài)垂直方向的下一個(gè)格子為0狀態(tài)，該格子轉(zhuǎn)化為2狀態(tài)，0狀態(tài)的鄰居狀態(tài)轉(zhuǎn)化為2狀態(tài)原來的鄰居狀態(tài)；若不為0狀態(tài)，保持原位置不變，待垂直下方格子出現(xiàn)0狀態(tài)繼續(xù)沉降；若存在單獨(dú)的大分子有機(jī)物，即3狀態(tài)的鄰居中不存在2或4狀態(tài)，則以3狀態(tài)為中心元胞進(jìn)行沉降，若垂直方向的下一個(gè)格子為0狀態(tài)，該格子轉(zhuǎn)化為3狀態(tài)，0狀態(tài)的鄰居狀態(tài)轉(zhuǎn)化為3狀態(tài)原來的鄰居狀態(tài)；若不為0狀態(tài)，保持原位置不變，待垂直下方有0狀態(tài)格子出現(xiàn)繼續(xù)沉降；若存在單獨(dú)的小分子有機(jī)物，即1狀態(tài)的鄰居中不存在2，3或4狀態(tài)，則以1狀態(tài)為中心元胞進(jìn)行沉降，若垂直方向的下一個(gè)格子為0狀態(tài)，該格子相應(yīng)地轉(zhuǎn)化為1狀態(tài)；若不為0狀態(tài)，保持原位置不變，待垂直下方有0狀態(tài)格子出現(xiàn)繼續(xù)沉降；當(dāng)任一狀態(tài)元胞沉降到池底就清空，即將其轉(zhuǎn)化為0狀態(tài)；反復(fù)循環(huán)，污泥沉降，上層水只存在0狀態(tài)即可排出。
全文摘要
基于PCA模型的活性污泥吸附和沉降過程的仿真方法屬于智能科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)科領(lǐng)域。本發(fā)明涉及利用概率元胞自動(dòng)機(jī)(PCA)仿真實(shí)現(xiàn)活性污泥系統(tǒng)曝氣池內(nèi)污泥吸附和沉降的生化反應(yīng)過程。該方法立足于人工生命系統(tǒng)，建立了活性污泥系統(tǒng)中相應(yīng)的PCA模型，利用概率元胞自動(dòng)機(jī)規(guī)則設(shè)計(jì)了演化規(guī)則，并進(jìn)行了演化實(shí)現(xiàn)。解決了現(xiàn)有的模型難以克服活性污泥系統(tǒng)的復(fù)雜性的問題，突破了傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型方法，直觀刻畫了活性污泥系統(tǒng)動(dòng)態(tài)演化的特征。本發(fā)明主要是針對有機(jī)物的去除，對其進(jìn)行分析利用，調(diào)整微生物的種類和數(shù)量可用于指導(dǎo)建立更精確的活性污泥吸附和沉降的模型。
文檔編號(hào)C02F1/52GK101289251SQ20081010614
公開日2008年10月22日 申請日期2008年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月9日
發(fā)明者喬俊飛, 榮 李 申請人:北京工業(yè)大學(xué)