专利名称：基于pca模型的活性污泥吸附和沉降过程的仿真方法
技术领域：
本发明涉及曝气池内活性污泥吸附和沉降的生化反应过程的仿真实现， 尤其是基于概率元胞自动机(probability cellular automata,简称PCA)建立活
性污泥系统曝气池内污泥吸附和沉降的生化反应模型并仿真实现，属于智能 科学与环境工程学科领域。
背景技术：
活性污泥法污水处理采用人工曝气的手段，使活性污泥均匀分散并悬浮 于曝气池中，和污水充分接触，在溶解氧的条件下，污泥中大量的细菌、真 菌、藻类、原生动物和后生动物以污水中的有机物为食料进行代谢和繁殖， 从而达到去除有机物的目的。在这一过程中，发生了复杂的生化反应，整个 活性污泥系统表现出多样性、随机性、不确定性、强非线性、大时变性等复 杂系统的特征，使得模型建立异常困难。
目前活性污泥系统的模型可分为传统数学模型、智能模型以及混合模型。 传统的数学模型以国际水污染控制协会废水生物处理设计与运行数学模型课 题组提出的ASM系列模型为代表，这些模型含有严重的不确定性、时变、非 线性等因素，并且其中许多定量关系是由经验得到，未知参数多，不确定参 数在不同的环境呈现不确定变化。智能建模方法与经典数学建模方法相比并 非优越，只是当对问题的机理不甚了解或不能用数学模型表明的系统，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、模糊神经网络建
模、时间延迟神经网络建模、递归神经网络建模、BP神经网络建模、RBF径 向基神经网络建模，但是这种类似"黑匣子"的建模方法限制了人们对污水生物 处理机理的认识和研究。将神经网络模型和数学模型相结合，就形成所谓的 混合模型，它综合了两者的优势，但是增加了模型的复杂性，也并没有克服 两种模型的缺陷，不利于活性污泥系统的控制和应用。
同时，以上模型均未能用复杂系统的观点去认识和理解本身具有复杂系 统本质的活性污泥系统，再加上被控对象的不确定性，系统信息的模糊性、 高度非线性，控制目标的多层次、计算的复杂性和庞大的数据处理等使得所 建立的各种模型均未能表现出活性污泥生长的复杂性和曝气池内微生物的演化过程，限制了人们对活性污泥去污机理的认识和研究，不利于活性污泥系 统的控制和应用。
发明内容
本发明的目的是利用概率元胞自动机仿真实现活性污泥系统曝气池内污 泥吸附和沉降的生化反应过程，解决现有的模型难以克服活性污泥系统的复 杂性的问题。可以从生物角度有效地模拟污泥吸附和沉降的复杂过程。本发 明主要是针对有机物的去除，对其进行分析利用，调整微生物的种类和数量 可以用于指导建立更加精确的活性污泥吸附和沉降的模型。
本发明采用了如下的技术方案及实现步骤
1. 本发明是基于PCA模型的，首先要建立活性污泥系统中相应的PCA
初始模型，并初始化元胞状态。
以NxNxN的立方体作为初始模型。其中，N为整数，代表一维上的格子 个数。考虑到污水处理的实际意义，根据元胞自动机边界条件的确定方法， 取其边界条件固定为零状态，属于虚拟格子，不发生演化。这样除去边界， 状态空间上有(N-l) x (N-l) x (N-l)个格子均匀分布，每个格子代表一个 元胞。
在各类微生物中，细菌与污水处理的关系最密切，其次是原生动物，所 以元胞的状态一共有五种可能元胞是空或者水分子，为0状态；该格子被 邻居吸附小分子有机物的微生物占据，为l状态；有细菌生成，为2状态； 该格子被邻居吸附大分子有机物的微生物占据，为3状态；有原生动物生成， 为4状态。
初始化每个元胞的状态任一个格子的状态初始化，是有一定程度的随 机性的，某状态在格子以概率p出现，或以概率l-p不出现，即服从概率上的 (0~1)分布，其中，0<jp<1。元胞最初的状态只有状态0， 2和4，状态l， 3是在反应开始后才出现的。当某状态出现的概率;^a时为4状态；当 a〈;^/7，时为2状态；其余为O状态。其中，a, ^为经验值，0.9<jPl<l， 0.6<a<0.9， ^， a的具体取值根据N的大小来取定。
2. 确定PCA的邻居结构。元胞随时间的演化是由邻居元胞的状态，即邻
居结构决定的。本发明采用六邻居的邻居结构，即最近邻居，它由一个中心元胞及位于 其前后、左右、上下的6个元胞组成。中心元胞在演化过程中只与最邻近的 六个元胞的状态有关，即中心元胞的状态根据最近的六个邻居元胞的状态确 定下一时刻的元胞状态。
3.根据元胞的初始模型和邻居结构来确定演化规则，具体演化过程如下
1)曝气初期，曝气池内的吸附和分解代谢过程。
微生物吸附有机物的过程，为元胞生长做准备
元胞状态由0演化到1表明该元胞邻居有微生物吸附上可降解小分子有 机物，并占据该格子。具体实现该元胞邻居微生物数目为1， 2或3，且k 时刻的污泥负荷率^>/^，其中，a,为状态O到1的转换概率，0<凡,<0.5; 或者邻居微生物数目为4或5时，该元胞邻居有较多的微生物，会吸附小分 子有机物并占据该格子。
元胞状态由0演化到3表明该元胞邻居有微生物吸附上可降解大分子有
机物，并占据该格子。大分子有机物的吸附要难于小分子有机物，具体实现:
邻居微生物数目为3， 4或5，且1^时刻的污泥负荷率^>; 。3,其中，；^为状 态0到3的转换概率，o<A)3<o.5;或者其邻居全部是微生物时才能实现。
小分子有机物分解和合成代谢的过程
元胞状态由1演化到o表明该格子的小分子有机物被邻居的细菌分解代 谢。具体实现该元胞邻居中细菌的数目为1， 2或3，且空元胞数为O， l或 2， k时刻的污泥负荷率a ^ A。，其中，Pl。为状态1到0的转换概率，o < a。 < 0.5; 或者a〈a。时需要邻居中细菌的数目为4， 5或6，此时微生物能量较低，要
求邻居有微生物正在分解有机物释放能量或进行内源呼吸。
元胞状态由1演化到2表明细菌分解该格子的小分子有机物，生成新的 个体并占据该格子，实现与状态1到0相同，且转换概率& = a。，其中，化
为状态1到2的转换概率。
细菌的演化过程
元胞状态由2演化到0表明该元胞因为孤立或拥挤而死亡。具体实现 拥挤死亡，邻居中微生物数目为6;孤立死亡，邻居中微生物数目为0或1。元胞状态由2演化到3表明发生溶胞现象，即元胞壁破裂，元胞质释放
到混合液中，成为元胞的生长基质。具体实现溶胞现象是随机发生的，在 演化规则中用随机函数ra""(U,l)"来实现，其中，c为一常数，0.9<c<l。
元胞状态由2演化到4表明邻居中的原生动物捕获该细菌，并发生分裂 繁殖，繁殖出新的原生动物占据该格子。具体实现邻居中的原生动物为2， 3, 4或5，细菌数为0。
大分子有机物的去除过程
元胞状态由3演化到1表明大分子有机物在水解酶的作用下水解生成小
分子有机物。具体实现邻居中的微生物数目为l， 2或3，且k时刻的污泥 负荷率&</^，其中，A,为状态3到l的转换概率，0<化<0.3。
元胞状态由3演化到4表明邻居中的原生动物吞食该大分子有机物，并 发生裂殖，繁殖出新的个体占据该格子。具体实现邻居中原生动物为1或2， 且微生物总数为l， 2或3，且"^。其中，；^为状态3到4的转换概率， 0</ 34 <0.2 。
原生动物的演化过程
元胞状态由4演化到0表明原生动物由于孤立或拥挤而死亡。具体实现: 邻居中原生动物的数目为5或6时拥挤死亡；原生动物的数目为0或1时孤 立死亡。
2)曝气中后期的吸附和沉降过程。
曝气中后期活性污泥的絮凝吸附与曝气初期的吸附过程相同，只是曝气 中后期的有机物为难于降解的有机物，而初期的有机物是可降解的。
元胞状态由0演化到1表明该元胞邻居有微生物吸附上难降解小分子有 机物，并占据该格子。具体实现该元胞邻居微生物数目为1， 2或3，且k 时刻的污泥负荷率A〉A,，其中，P。,为状态0到1的转换概率，0</7。,<0.5; 或者邻居微生物数目为4或5时，该元胞邻居有较多的微生物，会吸附小分 子有机物并占据该格子。元胞状态由0演化到3表明该元胞邻居有微生物吸附上难降解大分子有
机物，并占据该格子。大分子有机物的吸附要难于小分子有机物，具体实现: 邻居微生物数目为3， 4或5，且k时刻的污泥负荷率A〉;^，其中，^为状
态0到3的转换概率，0<p。3<0.5;或者其邻居全部是微生物时才能实现。 沉降过程
若吸附形成的絮团中心元胞为4状态，则4状态元胞与其邻居一同沉降。 具体实现4状态元胞与其邻居沿垂直方向一同下落，若4状态垂直方向的下 一个格子为O状态，该格子转化为4状态，0状态的邻居状态转化为4状态原 来的邻居状态；若不为O状态，保持原位置不变，待垂直下方格子出现O状 态继续沉降。
若吸附形成的絮团中心元胞为2状态，则2状态元胞与其邻居一同沉降。 具体实现2状态元胞与其邻居沿垂直方向一同下落，若2状态垂直方向的下 一个格子为O状态，该格子转化为2状态，0状态的邻居状态转化为2状态原 来的邻居状态；若不为O状态，保持原位置不变，待垂直下方格子出现O状 态继续沉降。
若存在单独的大分子有机物，即3状态的邻居中不存在2或4状态，则 以3状态为中心元胞进行沉降，若垂直方向的下一个格子为O状态，该格子 转化为3状态，0状态的邻居状态转化为3状态原来的邻居状态；若不为O状 态，保持原位置不变，待垂直下方有O状态格子出现继续沉降。
若存在单独的小分子有机物，即l状态的邻居中不存在2， 3或4状态， 则以l状态为中心元胞进行沉降，若垂直方向的下一个格子为O状态，该格 子相应地转化为l状态；若不为O状态，保持原位置不变，待垂直下方有O 状态格子出现继续沉降。
当任一状态元胞沉降到池底就清空，即将其转化为O状态。反复循环， 污泥沉降，上层水只存在O状态即可排出。
具体的沉降速度颗粒的沉降过程分为两个阶段，初期为加速阶段，而 后为匀速阶段。 一般，颗粒很小，加速阶段很短；可以忽略不计，整个沉降 过程可视为匀速沉降。根据斯托克斯公式，匀速沉降的速度随颗粒半径和密 度的增大而增大。各状态的沉降速度比根据具体情况而定。其中，A ， A3， c为反复实验得到的经验值；A。， Al， /734来自于生物 信息学的相关概率参数。空间中的每个元胞按照上述规则随时间进行演化， 多次循环迭代，每个时间间隔演化的结果作为下一时刻演化的初始态，最终 完成吸附、分解代谢、絮凝沉降，实现污水净化。流程图如图1。
活性污泥处理系统运行的基本条件是废水中需含有微生物所需的C、N、 p等营养物质及微量元素；混合液中要含有足够的氧；活性污泥与废水应充分 接触；废水中含有的有毒污染物质的量应足够低，对微生物不能构成抑制作 用；活性污泥需连续回流，并及时排放剩余污泥，使混合液保持适量的活性 污泥。细菌生长的环境因素大部分细菌适宜的温度是20 40'C;污水生化处 理中以好氧菌为主；大多数细菌在PH值为6.5 8之间生长较好；微生物的营 养主要有碳源、氮源、磷等；污水中的有毒物质会破坏细菌的细胞膜和菌体 内酶，使酶失去活性，影响污水处理效果。根据上述条件，在实际应用过程 中，为保证微生物正常的代谢过程，具体要求曝气池的进水只限于生活污 水。因为生活污水的营养源中的C、 N、 P比例符合微生物生长所需的营养物 的比例，可为微生物提供充分的养分；曝气池中溶解氧的浓度充足，进水中 无有毒物质，并且系统运行温度控制在20 3(TC， PH值在6.5 8之间，保证 酶的活力和微生物的生长繁殖状态最好。
本发明所做的仿真是曝气池内活性污泥的吸附和沉降过程，主要是针对 有机物的去除。该模型是以细菌和原生动物为研究对象，没有考虑微生物具 体种类的不同与特殊微生物个别的行为，而是抓住细菌和原生动物的主要特 征，仿真出其在污水处理中的生长繁殖衰亡情况，从而得到有机物的去除过 程。对其分析可供进一步研究之用。比如可以通过调整微生物的数量达到更 好的去除效果；也可以通过增加微生物的种类来去除污水中的其它杂质，如 氮磷等；可以建立更加精确可靠的模型。
与传统方法相比，本发明方法首次利用概率元胞自动机仿真实现活性污 泥吸附与沉降的生化反应过程，解决现有的模型难以克服活性污泥系统的复 杂性的问题；随机函数的使用可以克服实际污水处理过程中的随机干扰；本 发明使得活性污泥系统微观的演化行为更为明晰和易于把握，便于人们对污 水生物处理的认识和理解；对其进行分析利用，可以用于建立更加精确的活
性污泥吸附和沉降的模型。
图1系统的流程图
图2曝气池PCA的基本模型
图3PCA的六邻居结构图
图4a曝气池的初始状态
图4b、 c有机物的吸附分解过程
图4d~g絮凝沉降过程
具体实施例方式
下面以20x20x20的PCA模型作为实施例。本实施例的实现包括三个步
骤
1. 建立活性污泥系统中相应的PCA初始模型，并初始化元胞状态。
以20x20x20的立方体作为PCA的初始模型。考虑到污水处理的实际意 义，取其边界条件固定为零状态，属于虚拟格子，不发生演化。这样除去边 界，状态空间上有6859个格子均匀分布，每个格子代表一个元胞，如图2。 元胞的状态一共有五种可能元胞是空或者水分子，为O状态；该格子被邻 居吸附小分子有机物的微生物占据，为l状态；有细菌生成，为2状态；该 格子被邻居吸附大分子有机物的微生物占据，为3状态；有原生动物生成， 为4状态。
初始化每个元胞的状态任一个格子的状态初始化，是有一定程度的随
机性的，某状态在格子以概率p出现，或以概率l-p不出现，即服从概率上的
(0—1)分布，其中，0<P<1。元胞最初的状态只有状态O， 2禾卩4，状态l， 3是在反应开始后才出现的。当某状态出现的概率PA时为4状态，此时 A=0.995;当p^;^A时为2状态，此时/72=0.7;其余为0状态。
2. 确定PCA的邻居结构。元胞随时间的演化是由邻居元胞的状态，即邻 居结构决定的。
本发明采用六邻居的邻居结构，即最近邻居，如图3，它由一个中心元胞 及位于其前后、左右、上下的6个元胞组成。中心元胞在演化过程中只与最 邻近的六个元胞的状态有关，即中心元胞的状态根据邻居最近的六个元胞的 状态确定下一时刻的元胞状态。
3. 根据元胞的初始模型和邻居结构来确定演化规则，具体演化过程如下:1)曝气初期，曝气池内的吸附和分解代谢过程。 微生物吸附有机物的过程，为元胞生长做准备
元胞状态由O演化到1表明该元胞邻居有微生物吸附上可降解小分子有 机物，并占据该格子。具体实现该元胞邻居微生物数目为1， 2或3，且k 时刻的污泥负荷率/74>^， Ai为状态O到1的转换概率，取0.2;或者邻居微
生物数目为4或5时，该元胞邻居有较多的微生物，会吸附小分子有机物并
占据该格子。
元胞状态由0演化到3表明该元胞邻居有微生物吸附上可降解大分子有
机物，并占据该格子。大分子有机物的吸附要难于小分子有机物，具体实现: 邻居微生物数目为3， 4或5,且k时刻的污泥负荷率A〉;^， A;为状态O到
3的转换概率，取0.2;或者其邻居全部是微生物时才能实现。
小分子有机物分解和合成代谢的过程
元胞状态由1演化到o表明该格子的小分子有机物被邻居的细菌分解代 谢。具体实现该元胞邻居中细菌的数目为1， 2或3，且空元胞数为0， l或
2， k时刻的污泥负荷率A 2 ^。 ， A。为状态1到0的转换概率，取0.1;或者a < a。
时需要邻居中细菌的数目为4， 5或6，此时微生物能量较低，要求邻居有微
生物正在分解有机物释放能量或进行内源呼吸。
元胞状态由1演化到2表明细菌分解该格子的小分子有机物，生成新的 个体并占据该格子，实现与状态1到0相同，且转换概率化-A。，其中，&
为状态1到2的转换概率。
细菌的演化过程
元胞状态由2演化到0表明该元胞因为孤立或拥挤而死亡。具体实现 拥挤死亡，邻居中微生物数目为6;孤立死亡邻居中微生物数目为0或1。
元胞状态由2演化到3表明发生溶胞现象，即元胞壁破裂，元胞质释放
到混合液中，成为元胞的生长基质。具体实现溶胞现象是随机发生的，在 演化规则中用随机函数m^(l,l,l)w来实现，其中，c为一常数，取0.9999。
元胞状态由2演化到4表明邻居中的原生动物捕获该细菌，并发生分裂
繁殖，繁殖出新的原生动物占据该格子。具体实现邻居中的原生动物为2，
3， 4或5，细菌数为0。
大分子有机物的去除过程元胞状态由3演化到1表明大分子有机物在水解酶的作用下水解生成小
分子有机物。具体实现邻居中的微生物数目为l， 2或3，且k时刻的污泥
负荷率&<&，其中，化为状态3到1的转换概率，取O.l。
元胞状态由3演化到4表明邻居中的原生动物吞食该大分子有机物，并
发生裂殖，繁殖出新的个体占据该格子。具体实现邻居中原生动物为1或2, 且微生物总数为l， 2或3，且/^;^。其中，^为状态3到4的转换概率，
取0.06。
原生动物的演化过程
元胞状态由4演化到O表明原生动物由于孤立或拥挤而死亡。具体实现: 邻居中原生动物的数目为5或6时拥挤死亡；原生动物的数目为0或1时孤
立死亡。
2)曝气中后期的吸附和沉降过程。
曝气中后期活性污泥的絮凝吸附与曝气初期的吸附过程相同，只是曝气 中后期的有机物为难于降解的有机物，而初期的有机物是可降解的。
元胞状态由O演化到1表明该元胞邻居有微生物吸附上难降解小分子有 机物，并占据该格子。具体实现该元胞邻居微生物数目为1， 2或3，且k 时刻的污泥负荷率^>/^，其中，An为状态O到l的转换概率，取0.2;或者
邻居微生物数目为4或5时，该元胞邻居有较多的微生物，会吸附小分子有
机物并占据该格子。
元胞状态由0演化到3表明该元胞邻居有微生物吸附上难降解大分子有
机物，并占据该格子。大分子有机物的吸附要难于小分子有机物，具体实现: 邻居微生物数目为3， 4或5，且k时刻的污泥负荷率;^^，其中，^为状
态0到3的转换概率，取0.2;或者其邻居全部是微生物时才能实现。
沉降过程
若吸附形成的絮团中心元胞为4状态，则4状态元胞与其邻居一同沉降。
具体实现4状态元胞与其邻居沿垂直方向一同下落，若4状态垂直方向的下
一个格子为0状态，该格子转化为4状态，0状态的邻居状态转化为4状态原 来的邻居状态；若不为O状态，保持原位置不变，待垂直下方格子出现O状 态继续沉降。若吸附形成的絮团中心元胞为2状态，则2状态元胞与其邻居一同沉降。
具体实现2状态元胞与其邻居沿垂直方向一同下落，若2状态垂直方向的下
一个格子为0状态，该格子转化为2状态，0状态的邻居状态转化为2状态原 来的邻居状态；若不为0状态，保持原位置不变，待垂直下方格子出现O状 态继续沉降。
若存在单独的大分子有机物，即3状态的邻居中不存在2或4状态，则 以3状态为中心元胞进行沉降，若垂直方向的下一个格子为O状态，该格子 转化为3状态，0状态的邻居状态转化为3状态原来的邻居状态；若不为0状 态，保持原位置不变，待垂直下方有O状态格子出现继续沉降。
若存在单独的小分子有机物，即l状态的邻居中不存在2， 3或4状态， 则以l状态为中心元胞进行沉降，若垂直方向的下一个格子为O状态，该格 子相应地转化为l状态；若不为0状态，保持原位置不变，待垂直下方有0 状态格子出现继续沉降。
当任一状态元胞沉降到池底就清空，即将其转化为O状态。反复循环， 污泥沉降，上层水只存在O状态即可排出。
具体的沉降速度根据斯托克斯公式，匀速沉降的速度随颗粒半径和密 度的增大而增大。在此取1到4状态的沉降速度比为2:3:4:5。
空间中的每个元胞按照上述规则随时间进行演化，多次循环迭代，每个 时间间隔演化的结果作为下一时刻演化的初始态，最终将有机物分解代谢， 絮凝沉降，实现污水净化。演化过程图如图4a f所示。图4a中，在初始状态 中，底物均匀，微生物随机均匀分布到曝气池中。图中的"*"表示细菌(状 态2) ， "*"表示微生物(状态4);图4b中，曝气初期，微生物吸附有机物， 微生物利用吸附的有机物进行生长繁殖，微生物数量大量增加，图中的小点 表示小分子有机物(状态l) ， "+"表示大分子有机物；图4c中，有机物明显 减少，微生物不再增加；图4d中，随着营养的消耗，微生物发生死亡，元胞 与元胞之间因缺乏客服相互间吸引力的能量而结合在一起，形成絮凝团；图 4e中，絮凝团形成后，开始沉降；图4f中，继续沉降，并将池底的污泥定时 清除，保证系统正常运行。最后曝气池的上层水澄清即可排出。
权利要求
1、基于PCA模型的活性污泥吸附和沉降过程的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤1)首先要建立活性污泥系统中相应的PCA初始模型，并初始化元胞状态；以N×N×N的立方体作为初始模型；其中，N为整数，代表一维上的格子个数；取其边界条件固定为零状态，属于虚拟格子，不发生演化；这样除去边界，状态空间上有(N-1)×(N-1)×(N-1)个格子均匀分布，每个格子代表一个元胞；元胞的状态一共有五种可能元胞是空或者水分子，为0状态；该格子被邻居吸附小分子有机物的微生物占据，为1状态；有细菌生成，为2状态；该格子被邻居吸附大分子有机物的微生物占据，为3状态；有原生动物生成，为4状态；初始化每个元胞的状态元胞最初的状态只有状态0，2和4；当某状态出现的概率p≥p1时为4状态；当p2＜p＜p1时为2状态；其余为0状态；其中，p1，p2为经验值，0.9＜p1＜1，0.6＜p2＜0.9；2)确定PCA的邻居结构，采用六邻居的邻居结构，它由一个中心元胞及位于其前后、左右、上下的6个元胞组成；3)根据元胞的初始模型和邻居结构来确定演化规则，具体演化过程如下(1)曝气初期，曝气池内的吸附和分解代谢过程；微生物吸附有机物的过程，为元胞生长做准备元胞状态由0演化到1表明该元胞邻居有微生物吸附上可降解小分子有机物，并占据该格子；具体实现该元胞邻居微生物数目为1，2或3，且k时刻的污泥负荷率pk＞p01，其中，p01为状态0到1的转换概率，0＜p01＜0.5；或者邻居微生物数目为4或5时，该元胞邻居有较多的微生物，会吸附小分子有机物并占据该格子；元胞状态由0演化到3表明该元胞邻居有微生物吸附上可降解大分子有机物，并占据该格子；大分子有机物的吸附要难于小分子有机物，具体实现邻居微生物数目为3，4或5，且k时刻的污泥负荷率pk＞p03，其中，p03为状态0到3的转换概率，0＜p03＜0.5；或者其邻居全部是微生物时才能实现；小分子有机物分解和合成代谢的过程元胞状态由1演化到0表明该格子的小分子有机物被邻居的细菌分解代谢；具体实现该元胞邻居中细菌的数目为1，2或3，且空元胞数为0，1或2，k时刻的污泥负荷率pk≥p10，其中，p10为状态1到0的转换概率，0＜p10＜0.5；或者pk＜p10时需要邻居中细菌的数目为4，5或6，此时微生物能量较低，要求邻居有微生物正在分解有机物释放能量或进行内源呼吸；元胞状态由1演化到2表明细菌分解该格子的小分子有机物，生成新的个体并占据该格子，实现与状态1到0相同，且转换概率p12＝p10，其中，p12为状态1到2的转换概率；细菌的演化过程元胞状态由2演化到0表明该元胞因为孤立或拥挤而死亡；具体实现拥挤死亡，邻居中微生物数目为6；孤立死亡，邻居中微生物数目为0或1；元胞状态由2演化到3表明发生溶胞现象，即元胞壁破裂，元胞质释放到混合液中，成为元胞的生长基质；具体实现溶胞现象是随机发生的，在演化规则中用随机函数rand(1，1，1)＞c来实现，其中，c为一常数，0.9＜c＜1；元胞状态由2到4表明邻居中的原生动物捕获该细菌，并发生分裂繁殖，繁殖出新的原生动物占据该格子；具体实现邻居中的原生动物为2，3，4或5，细菌数为0；大分子有机物的去除过程元胞状态由3演化到1表明大分子有机物在水解酶的作用下水解生成小分子有机物；具体实现邻居中的微生物数目为1，2或3，且k时刻的污泥负荷率pk＜p31，其中，p31为状态3到1的转换概率，0＜p31＜0.3；元胞状态由3演化到4表明邻居中的原生动物吞食该大分子有机物，并发生裂殖，繁殖出新的个体占据该格子；具体实现邻居中原生动物为1或2，且微生物总数为1，2或3，且p＜p34；其中，p34为状态3到4的转换概率，0＜p34＜0.2；原生动物的演化过程元胞状态由4演化到0表明原生动物由于孤立或拥挤而死亡；具体实现邻居中原生动物的数目为5或6时拥挤死亡；原生动物的数目为0或1时孤立死亡；(2)曝气中后期的吸附和沉降过程；曝气中后期活性污泥的絮凝吸附元胞状态由0演化到1表明该元胞邻居有微生物吸附上难降解小分子有机物，并占据该格子；具体实现该元胞邻居微生物数目为1，2或3，且k时刻的污泥负荷率pk＞p01，其中，p01为状态0到1的转换概率，0＜p01＜0.5；或者邻居微生物数目为4或5时，该元胞邻居有较多的微生物，会吸附小分子有机物并占据该格子；元胞状态由0演化到3表明该元胞邻居有微生物吸附上难降解大分子有机物，并占据该格子；大分子有机物的吸附要难于小分子有机物，具体实现邻居微生物数目为3，4或5，且k时刻的污泥负荷率pk＞p03，其中，p03为状态0到3的转换概率，0＜p03＜0.5；或者其邻居全部是微生物时才能实现；沉降过程若吸附形成的絮团中心元胞为4状态，则4状态元胞与其邻居一同沉降；具体实现4状态元胞与其邻居沿垂直方向一同下落，若4状态垂直方向的下一个格子为0状态，该格子转化为4状态，0状态的邻居状态转化为4状态原来的邻居状态；若不为0状态，保持原位置不变，待垂直下方格子出现0状态继续沉降；若吸附形成的絮团中心元胞为2状态，则2状态元胞与其邻居一同沉降；具体实现2状态元胞与其邻居沿垂直方向一同下落，若2状态垂直方向的下一个格子为0状态，该格子转化为2状态，0状态的邻居状态转化为2状态原来的邻居状态；若不为0状态，保持原位置不变，待垂直下方格子出现0状态继续沉降；若存在单独的大分子有机物，即3状态的邻居中不存在2或4状态，则以3状态为中心元胞进行沉降，若垂直方向的下一个格子为0状态，该格子转化为3状态，0状态的邻居状态转化为3状态原来的邻居状态；若不为0状态，保持原位置不变，待垂直下方有0状态格子出现继续沉降；若存在单独的小分子有机物，即1状态的邻居中不存在2，3或4状态，则以1状态为中心元胞进行沉降，若垂直方向的下一个格子为0状态，该格子相应地转化为1状态；若不为0状态，保持原位置不变，待垂直下方有0状态格子出现继续沉降；当任一状态元胞沉降到池底就清空，即将其转化为0状态；反复循环，污泥沉降，上层水只存在0状态即可排出。
全文摘要
基于PCA模型的活性污泥吸附和沉降过程的仿真方法属于智能科学与环境工程学科领域。本发明涉及利用概率元胞自动机(PCA)仿真实现活性污泥系统曝气池内污泥吸附和沉降的生化反应过程。该方法立足于人工生命系统，建立了活性污泥系统中相应的PCA模型，利用概率元胞自动机规则设计了演化规则，并进行了演化实现。解决了现有的模型难以克服活性污泥系统的复杂性的问题，突破了传统的数学模型方法，直观刻画了活性污泥系统动态演化的特征。本发明主要是针对有机物的去除，对其进行分析利用，调整微生物的种类和数量可用于指导建立更精确的活性污泥吸附和沉降的模型。
文档编号C02F1/52GK101289251SQ20081010614
公开日2008年10月22日 申请日期2008年5月9日 优先权日2008年5月9日
发明者乔俊飞, 荣 李 申请人:北京工业大学