专利名称：基于细胞自动机模型的污水净化过程可视化模拟方法
技术领域：
本发明属于智能科学与环境工程学科领域，具体涉及一种三维细胞自动机的动态
可视化模型。该模型实时地展示了污水处理的净化过程，通过直观观测微生物和有机污染
物的反应变化，可以及时监测出水水质BOD，便于实时指导控制的决策，便于污水处理厂的 设计和动态模拟。
背景技术：
随着国民经济的增长和公众环保意识的增强，污水处理技术迎来了前所未有的发 展机遇，然而由于污水处理厂的复杂性，以及反应过程的不可重复性和不可再现性等特点， 使得预测的模型不利于控制的决策，控制方法比较落后，因此，建立更可靠完善实用的可视 化污水处理系统的模型，已成为污水控制工程领域研究的重要课题。因此，本发明的研究成 果具有广阔的应用前景。 由于具有处理效果好、运行成本低等特点，污水的活性污泥法生物处理已成为污 水处理的一项基本与主要的方法。活性污泥污水处理过程是一个复杂的生化反应过程，它 是利用活性污泥的吸附和生化氧化作用来分解去除废水中的有机物质，从而使废水得到净 化。该过程具有高度非线性、时变、不确定性和时滞等特点，因此模型的建立异常困难。
目前活性污泥系统的模型主要有ASM系列模型、智能模型以及混合模型。ASM系列 模型中许多定量关系是由经验得到的，未知参数多，不确定参数在不同的环境呈现不确定 变化。智能模型与ASM系列模型相比并非优越，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。智能模型是一种"黑箱模型"，这种建模 方法限制了人们对污水生物处理机理的认识和研究。混合模型是将前两种模型相结合的模 型，它综合了两者的优势，但是增加了模型的复杂性，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，以上模型均未实现污水处理过程的可视化，限制了人们对 其生物机理的认识和研究，不能实时观测污水处理的净化过程，以及不能及时监测出水水 质，从而不便于污水处理厂控制的设计和动态模拟。
发明内容
由于二维模型在活性污泥动力学基础上定量的设计了演化规则，该规则下，粒子 的分布不能超过一定的密度，否则易产生局部反应。为了更加真实的反应了污水处理的动 态演化过程，本发明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化的特性 设计了一种三维的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。 该模型基于三维格子气细胞自动机，通过对微生物的增殖规律和活性污泥的动力 学模型分析，设计了微生物吸附与代谢的概率演化规则；不同阶段，微生物的演化概率不 同，解决了污水处理过程的复杂性问题；通过实时观测污水处理的净化过程，可以及时监测 出水水质BOD，便于实时指导控制的决策，便于污水处理厂的设计和动态模拟。
本发明的具体技术方案包括以下步骤
(1)设计细胞结构 采用如图1所示的三维格子气细胞自动机模型，细胞自动机的细胞结构由立方体 表示，立方体的中心结点表示为细胞的静止结点，立方体的六个面的中心结点表示为细胞 的扩散结点，立方体组成的三维网络表示粒子的反应空间；细胞的状态由结点的状态表示， 每个结点的状态表示粒子的存在或不存在，存在表示有反应粒子，不存在表示无粒子；
用Ci标记结点状态，其中i G {0，1，2，3，4，5，6}表示细胞的七个结点。当1=0 时，表示静止结点；当iG {1，2，3，4，5，6}，表示扩散结点。Ci取值为0或1， 1表示该结点 存在粒子，O表示该结点不存在粒子。Ni(t， r)表示在t时刻，细胞r内第i个结点的粒子 状态，S(t，r)表示为当前时刻细胞r的状态。则t时刻细胞r的状态表示为
<formula>formula see original document page 5</formula> (2)确定粒子状态 由于活性污泥法净化废水的过程实质是有机物污染物作为营养物质被活性污泥
微生物摄取、代谢与利用的过程，所以本发明确定扩散结点粒子状态为有机污染物、吸附有
机物、生成微生物、气体四种状态；静止结点粒子状态为微生物、气体两种状态； 有机污染物的状态为2，具有自由扩散功能；吸附有机物的状态为4，表示被细胞
内的微生物粒子吸附，是静止的；生成微生物的状态是l，表示吸附有机物被细胞内的微生
物粒子合成自身物质，由于该粒子没有经过驯化，所以不具有吸附和代谢功能，可自由扩
散；气体的状态是O，表示吸附有机物被细胞内的微生物粒子分解代谢成气体和水；微生物
的状态是3，表示该粒子是驯化好的微生物，具有代谢和吸附的功能。为了满足排他原理，对
于每个结点，最多有一个粒子。 当iG {1，2，3，4，5，6}，即i为扩散结点时，Ni(t，r) G {0， 1， 2， 4}，表示该结点当 前的粒子状态能够取气体、生成微生物、有机物、被吸附的有机物四种状态。当i = 0，即i 为静止结点时，N。(t，r) G {0，3}，表示静止结点的粒子状态只能取气体、微生物两种状态。
(3)建立模型 该模型以nXnXm的长方体作为容器，nXnXn的立方体作为容器中污水反应空 间(m>=n);将污水反应空间划分为LXLXL个结点作为初始模型的静止结点。由于每 个细胞只有一个静止结点，所以静止结点个数也是细胞的个数；(L+1) X (L+l) X (L+l)个 结点作为初始模型的扩散结点，L为整数；
(4)设定模型的初始化状态 由于初始时刻粒子还没有参与反应，该模型在初始时刻只有微生物和有机污染物 两种状态；微生物分布在静止结点，有机污染物分布在扩散结点上，考虑到状态是有一定程 度的随机性，初始时刻某状态在结点以概率a出现，或以概率l-a不出现，即服从概率上的 (0-1)分布，其中，O < a < 1 ;
(5)设计演化规则 细胞中每个相同状态的粒子具有相同的质量浓度，粒子的变化影响微生物和有机 物的浓度大小。细胞自动机中每个细胞下一时刻的状态只依赖该时刻它的细胞状态，因此 其演化规则具有局部特性，并对所有细胞是同一的，并同时应用于每一个细胞。
5
在细胞自动机的模型中，时间t被离散化，且对于每个离散状态 t = k A T (2) 其中，k二 {0，1，2，...}是离散时间序列，AT为离散时间间隔。 模型的演化规则主要包括三个过程扩散过程、反应过程、沉降过程。 ①扩散过程。 如果t时刻
6 S(rJ) = 2c,W,(,，。 + 0 (3) 即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。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t+AT时 刻该细胞的状态S(r， t+AT)为 S(r， t+AT) = c^N^c^Ni+CsNA+qNs+CsNe+CeNs (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。
②反应过程
如果t时刻
6 SOV) = J]c,7V,( ) + 3 (5) 即静止结点有被驯化好的微生物粒子，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。微生物代谢是建立在吸附基础 上的，即有机物只有被微生物吸附了 ，才有可能被分解代谢或合成代谢。
基于以上分析，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的增长没有进入稳定期时(即微生物增长期增长量> 0. 8mg/L)，有机污染物粒子将以概率P。被微生物摄取为吸附有机物，由于有机物被吸附与 静止结点的微生物和扩散结点的有机物有关，所以吸附概率与微生物和有机物的分布有 关，即 (6)
P = PUP22 (7) 式中，A S表示A T内有机物的浓度增加量，mg/L ;S是t时刻有机物的浓度，mg/ L ;P表示t时刻有机物的分布在微生物周围的概率；PU表示t时刻每个格位微生物的占有 概率；P22表示t时刻每个格位上有机物的占有概率。 分解代谢规则该过程为合成代谢提供能量。当此时微生物的增长没有进入稳 定期时，且合成代谢没有能量时，每个吸附有机物粒子将以概率Pi被微生物分解成气体、 水和能量。由于每分解一个有机物粒子的能量，可以供微生物合成两个微生物粒子(基于 Mcki皿ey模型)，因此吸附有机物被分解与合成的概率比值二 1 : 2。又由于分解代谢与合 成代谢是建立在有机物被吸附的基础上，且每一时步只能发生一种反应，所以微生物的代 谢概率等于有机物上一时刻的吸附概率。则分解概率Pi为上一时刻吸附概率的1/3，即
6《=尸。兮 (8) . 式中，P。'表示t-AT时刻有机污染物的吸附概率。 合成代谢规则该过程消耗能量，为微生物增长阶段。当此时微生物的增长没有进 入稳定期时，且细胞具有能量时，每个吸附有机物粒子将以概率P2被微生物合成生成微生 物，且合成概率P2为上一时刻吸附概率的2/3，即
尸2=《 (9)
式中，P。'表示t-AT时刻有机污染物的吸附概率。 内源呼吸规则当此时微生物的增长进入稳定期后(即微生物增长期增长量< = 0. 8mg/L)，进入内源呼吸阶段。在此阶段，每个生成微生物以概率P3被活性污泥微生物内 源呼吸氧化成气体、水和能量，产生的能量用来维持生命活动。由于内源呼吸掉的微生物是 生成微生物，所以内源呼吸概率与生成微生物的概率分布有关，即 尸1=~^ (10) 3 az尸 P, =PnP22, 式中，AX表示AT内微生物的浓度增加量，mg/L ; AX'表示t时刻生成微生物的 浓度，mg/L ;P'表示t时刻生成微生物分布在微生物周围的概率；Pn表示t时刻每个格位 微生物的占有概率；P22'表示t时刻每个格位上生成微生物的占有概率
③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(即微生物减少期减 少量<=0. 5mg/L)，停止曝气。微生物和被吸附的有机物由于受到重力的作用，进行沉降； 小部分没有被降解的有机物将仍然漂浮在水体中。沉降规则遵循微生物和被吸附的有机物 下沉，没有被吸附的有机物、气体和水上浮。
为保证反应正常进行，对污水处理系统有如下限制条件曝气池中污水的营养源
中的bod : n : p = ioo : 5 : i，符合微生物生长所需的营养物的比例；曝气池中含有足
够的氧，且溶解氧的浓度维持在3 4mg/L，并均匀分布在曝气池中，有利于微生物的生理 活动正常反应；进水中无有毒物质，并且系统运行温度控制在20 3(TC，ra值在6. 5 8. 5 之间，保证细菌代谢过程中酶的活性和营养物质的正常利用；沉降过程不发生生化反应，仅 有物理沉淀作用。 本发明具有以下有益效果 (1)本发明针对污水处理厂的复杂性，以及反应过程的不可重复性和不可再现性 等特点，基于现有的模型难以克服活性污泥系统的复杂性的问题，根据细胞自动机可以在 一个微观领域用一个简单的规则实现宏观的复杂物理现象的特点，采用了三维格子气细胞 自动机对其建模，结合了流体力学思想，具有真实性强、直观性好等特点；便于人们实时观 测到污水处理的净化过程。 (2)本发明根据微生物的增殖规律和活性污泥的动力学特性确定了动态的概率演 化规则，建立接近真实世界的虚拟代谢过程的模拟模型，更直观地刻画了活性污泥法污水 处理过程的动态演化行为，使得活性污泥系统微观的演化行为更为明晰和易于把握，通过直观观测反应变化，可以及时监测出水水质BOD，便于实时指导控制的决策，便于污水处理 厂的设计和动态模拟。
图1是三维格子气细胞自动化的细胞结构示意图；
图2a是有机物和微生物的初始分布示意图； 图2a h是活性污泥净化过程的示意图；2a h表示时间的增加；
图3是细胞自动机模型与经典模型的微生物的增殖曲线。
具体实施例方式以下结合具体实施方式
以对本发明进行详细的说明 现以某城市间歇培养的活性污泥污水处理作为实施例，某日排污水量为15700m3， 原污水中混合液的污泥质量浓度为2500mg/L，进水的BOD浓度为200mg/L，反应器的容积为 1500m3。 (1)初始模型及状态的设定 该模型以1.0X1.0X1.3的长方体作为容器，1.0XI. 0X1.0的立方体作为容器 中污水反应空间，表示1500m3。将污水反应空间划分为10X10X10个结点作为初始模型的 静止结点，即细胞个数；11X11X11个结点作为初始模型的扩散结点。经过对活性污泥净 化机理的分析和部分实验的验证，本发明选定AT= 1/3h，初始微生物以3/5概率分布在每 个细胞的静止结点，有机物以1/2概率分布在每个细胞的扩散结点。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F/M = 0. 837kgB0D/(kgMLVSS d)，吸 附概率P。 = 0. 868，分解概率Pi = 0，合成概率P2 = 0，内源呼吸概率P3 = 0。(2)确定演化规则 演化规则主要包括三个过程
①扩散过程 如果t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t+AT时 刻该细胞的状态S(r， t+AT)为 S(r， t+AT) = c^N^c^Ni+CsNA+qNs+CsNe+CeNs (12) 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。
②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> 0.8mg/L，有机污染物粒子将以概率P。 被微生物摄取为吸附有机物，吸附概率P。为
8
尸。=苦 (13)
P = PUP22 (14) 式中，AS(根据活性污泥的动力学特性求的)表示AT内有机物的浓度增加量， mg/L ;S是t时刻有机物的浓度，mg/L ;P表示t时刻有机物的分布在微生物周围的概率；Pn 表示t时刻每个格位微生物的占有概率；P22表示t时刻每个格位上有机物的占有概率。
分解代谢规则该过程为合成代谢提供能量。当此时微生物增长期增长量> 0. 8mg/L时，且合成代谢没有能量时，每个吸附有机物粒子将以概率Pi被微生物分解成气 体、水和能量。每分解一个有机物粒子的能量，可以供微生物合成两个微生物粒子(基于 Mckinney模型)。分解概率为
A=《《 (15)
式中，P。'表示t-AT时刻有机污染物的吸附概率。 合成代谢规则该过程消耗能量，为微生物增长阶段。当此时微生物增长期增长 量>0. 8mg/L，且细胞具有能量时，每个吸附有机物粒子将以概率&被微生物合成生成微生
物，且合成概率&为
尸2=尸0'嗜 (16)
式中，P。'表示t-AT时刻有机污染物的吸附概率。 内源呼吸规则当微生物增长期增长量<=0. 8mg/L，进入内源呼吸阶段。在此阶 段，每个生成微生物以概率P3被活性污泥微生物内源呼吸氧化成气体、水和能量，产生的能 量用来维持生命活动。内源呼吸概率为 (17) <formula>formula see original document page 9</formula> <formula>formula see original document page 9</formula>(18) 式中，AX(根据活性污泥的动力学特性求的)表示A T内微生物的浓度增加量， mg/L;AX'表示t时刻生成微生物的浓度，mg/L;P'表示t时刻生成微生物分布在微生物 周围的概率；PU表示t时刻每个格位微生物的占有概率；P22'表示t时刻每个格位上生成 微生物的占有概率
③沉降过程 当内源呼吸作用逐渐减弱(即微生物减少期减少量<=0. 5mg/L)，停止曝气。微 生物和被吸附的有机物由于受到重力的作用，进行沉降；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。沉降规则遵循微生物和被吸附的有机物下沉，没有被吸附的有 机物、气体和水上浮。 空间中的每个细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，最终有机污染物被活性污泥微生物吸附代谢、絮 凝沉降，实现污水净化。 图2中，白色粒子表示有机污染物，黑色粒子表示微生物。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。图2(a)表示初始时 刻有机物和微生物均匀分布在曝气池中。从图2(a) 2(e)中可以看出，有机物在不断减 少，微生物在不断的增加。这表明微生物不断从其周围环境中摄取废水中的有机污染物作 为营养加以摄取、吸收。被微生物摄入的有机物一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2(e) 2(f)中可以看出，微生物减少，这表明随着有机物浓度 的不断减少和微生物浓度的不断增加，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2(f) 2(h)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，在重力的作用下微生物 和被吸附有机物开始沉降。 图3中曲线②为细胞自动机模拟的微生物的增长曲线，曲线①为相同条件下 Eckenfelder模型的微生物的增长曲线。从曲线②中可以看出，在初始阶段，活性污泥的 量没有增加，表明此阶段主要以吸附为主，随后进入了微生物的减速增值阶段，随着有机物 浓度的减少，微生物的增值速率越来越小，对应于图2(b) 2(d);之后微生物进入了稳定 期与内源呼吸期，稳定期表明营养物质殆尽，微生物增值速率几乎为0，对应于图2(d) 2(e);内源呼吸期表明由于内源呼吸作用，活性污泥微生物量减少，对应于图2(e) 2 (f)。 从图中可以看出，细胞自动机的仿真曲线很好地模拟了活性污泥生长模式曲线的增殖期、 稳定期和衰亡期，与理论上Eckenfelder模型的模式曲线基本一致，验证了其有效性。
权利要求
基于细胞自动机模型的污水净化过程可视化模拟方法，其特征在于包括以下步骤(1)设计细胞结构采用三维格子气细胞自动机模型，细胞自动机的细胞结构由立方体表示，立方体的中心结点表示为细胞的静止结点，立方体的六个面的中心结点表示为细胞的扩散结点，立方体组成的三维网络表示粒子的反应空间；细胞的状态由结点的状态表示，每个结点的状态表示粒子的存在或不存在，存在表示有反应粒子，不存在表示无粒子；(2)确定粒子状态扩散结点粒子状态为有机污染物、吸附有机物、生成微生物、气体四种状态；静止结点粒子状态为微生物、气体两种状态；有机污染物具有自由扩散功能；吸附有机物是静止的；生成微生物不具有吸附和代谢功能，可自由扩散；微生物具有代谢和吸附的功能；(3)建立模型该模型以n×n×m的长方体作为容器，n×n×n的立方体作为容器中污水反应空间(m＞＝n)；将污水反应空间划分为L×L×L个结点作为初始模型的静止结点，由于每个细胞只有一个静止结点，所以静止结点个数也是细胞的个数；(L+1)×(L+1)×(L+1)个结点作为初始模型的扩散结点，L为整数；(4)设定模型的初始化状态上述模型在初始时刻只有微生物和有机污染物两种状态；微生物分布在静止结点，有机污染物分布在扩散结点上，考虑到状态是有一定程度的随机性，初始时刻某状态在结点以概率a出现，或以概率1-a不出现，即服从概率上的(0-1)分布，其中，0＜a＜1；(5)设计演化规则模型的演化规则主要包括三个过程扩散过程、反应过程、沉降过程。
2. 根据权利要求1所述的基于细胞自动机模型的污水净化过程可视化模拟方法，其特 征在于所述的扩散过程，即静止结点没有微生物粒子的演化过程，该过程主要分为两种情 况；当扩撒结点无吸附有机物粒子时，下一时刻粒子将在细胞内按动量守恒和粒子数守恒 做自由扩散运动；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。
3. 根据权利要求1所述的基于细胞自动机模型的污水净化过程可视化模拟方法，其 特征在于所述的反应过程，即静止结点有微生物粒子的演化过程，该过程分为以下四个规 则；吸附规则当微生物增长期增长量> 0. 8mg/L时，有机污染物粒子将以概率P。被微生 物吸附，吸附概率P。为P = PnP22 (2)式中，AS(根据活性污泥的动力学特性求的)表示AT内有机物的浓度增加量，mg/L ; S是t时刻有机物的浓度，mg/L ;P表示t时刻有机物的分布在微生物周围的概率；Pu表示t时刻每个格位微生物的占有概率；P22表示t时刻每个格位上有机物的占有概率；分解代谢规则当微生物增长期增长量> 0. 8mg/L，且合成代谢没有能量时，每个吸附有机物粒子以概率Pi被微生物分解成(A、水和能量，分解概率p工为(3)式中，P'。表示t-AT时刻有机污染物的吸附概率；合成代谢规则当微生物增长期增长量> 0. 8mg/L，且细胞具有能量时，每个吸附有机物粒子以概率P2被微生物合成生成微生物，合成概率P2为尸2=《 (4)式中，P'。表示t-AT时刻有机污染物的吸附概率；内源呼吸规则当微生物增长期增长量<=0. 8mg/L时，每个生成微生物以概率P3被 微生物分解成(A、水和能量，内源呼吸概率P3为<formula>formula see original document page 3</formula>式中，AX(根据活性污泥的动力学特性求的)表示AT内微生物的浓度增加量，mg/L ; AX'表示t时刻生成微生物的浓度，mg/L;P'表示t时刻生成微生物分布在微生物周围的 概率；Pn表示t时刻每个格位微生物的占有概率；P' 22表示t时刻每个格位上生成微生物 的占有概率。
4.根据权利要求1所述的基于细胞自动机模型的污水净化过程可视化模拟方法，其特 征在于所述的沉降过程，当微生物的减少量< =0. 5mg/L，微生物和吸附有机物沉降，没有 被吸附的有机物、气体和水上浮。
全文摘要
本发明公开了一种基于细胞自动机模型的污水净化过程可视化模拟方法，属于智能科学与环境工程学科领域。该方法采用三维格子气细胞自动机模型，以立方体表示细胞自动机的细胞结构，立方体的中心结点分别表示细胞的静止结点和扩散结点。通过设计不同结点的状态和包括扩散过程、反应过程、沉降过程的演化规则，来动态模拟污水处理的净化过程。通过本发明所提供的方法建立的模拟模型，可以更直观地刻画活性污泥法污水处理过程的动态演化行为，使得活性污泥系统微观的演化行为更为明晰和易于把握，通过直观观测反应变化，可以及时监测出水水质BOD，便于实时指导控制的决策，便于污水处理厂的设计和动态模拟。
文档编号C02F3/12GK101774700SQ20091024443
公开日2010年7月14日 申请日期2009年12月30日 优先权日2009年12月30日
发明者乔俊飞, 郭迎春, 魏垚 申请人:北京工业大学