蔡建安¹，James A.Smith²
(1.安徽工業(yè)大學(xué)環(huán)境工程系，安徽馬鞍山243002；2.Dept.of Civil Engineering,University of Virginia Charlottesville,VA 22904-4742,USA)

　　摘　要：在LabVIEW平臺上開發(fā)的活性污泥法污水處理虛擬設(shè)備，以反應(yīng)動力學(xué)為基礎(chǔ)構(gòu)造基本模塊，通過連線來組合或改變工藝流程。虛擬設(shè)備采用循環(huán)結(jié)構(gòu)，迭代運(yùn)行，能解決具有交互作用的多控制底物問題。虛擬設(shè)備的控制界面模擬傳統(tǒng)的控制儀表，仿真運(yùn)行，其工藝、環(huán)境和設(shè)備參數(shù)可直接選擇，以“所見即所得”的可視技術(shù)獲得動態(tài)的結(jié)果，節(jié)約了試驗(yàn)研究的時間和經(jīng)費(fèi)，提高了設(shè)計(jì)的可靠性，也能在已建成的水處理設(shè)施上進(jìn)行控制和預(yù)報。
　　關(guān)鍵詞：污水處理；活性污泥法；虛擬設(shè)備
　　中圖分類號：X703.3
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
　　文章編號：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

　　活性污泥法在我國乃至全世界仍然是污水處理的主體工藝之一，近幾十年來在其反應(yīng)理論、凈化功能、運(yùn)行方式、工藝系統(tǒng)方面均取得了迅速進(jìn)展［1］。由于在工藝設(shè)計(jì)時需要進(jìn)行方案的選擇和優(yōu)化，如果缺乏同類設(shè)計(jì)作參考，只要原水水質(zhì)、控制目標(biāo)、運(yùn)行方式有任何變化，都必須作可行性試驗(yàn)，除工藝流程和試驗(yàn)裝置的建設(shè)外，還有著大量的物理、化學(xué)和生物指標(biāo)的分析工作?；钚晕勰喾ㄌ幚砉に囆枰紤]的工藝參數(shù)和環(huán)境參數(shù)多，分析的樣本也多，每個子環(huán)節(jié)又相互影響，達(dá)到穩(wěn)定的響應(yīng)時間長，設(shè)計(jì)計(jì)算也很困難，需要進(jìn)行大量的假設(shè)和反復(fù)試算。除了圍繞改變工藝參數(shù)和環(huán)境參數(shù)所進(jìn)行的試驗(yàn)以外，一旦需要改變工藝流程和設(shè)備參數(shù)，一切計(jì)算和試驗(yàn)則又必須重新開始。
　　虛擬儀器的產(chǎn)生被認(rèn)為是儀器、儀表工業(yè)劃時代的里程碑^［2］，它在工業(yè)生產(chǎn)、科研和教學(xué)中的廣泛應(yīng)用節(jié)約了時間和資金，獲得了可觀的效率和效益^［3］。目前該領(lǐng)域的研究十分活躍，例如虛擬技術(shù)在汽車發(fā)動機(jī)檢測、電力拖動、煤礦自動化、儀器計(jì)量及自動控制系統(tǒng)方面的應(yīng)用等。然而，在水處理領(lǐng)域，尚缺乏相應(yīng)的研究。
　　本研究是在LabVIEW的編程平臺上開發(fā)活性污泥法的污水處理虛擬設(shè)備^［4］。LabVIEW是一種新型的圖形編程平臺，稱為G(圖形) 語言的可視化交互技術(shù)，以微生物反應(yīng)動力學(xué)準(zhǔn)則構(gòu)造曝氣反應(yīng)池虛擬設(shè)備單元^［1］，按照氧傳輸準(zhǔn)則構(gòu)造充氧虛擬設(shè)備^［1］，配合二沉池、風(fēng)機(jī)等虛擬設(shè)備模塊，通過簡單的模塊間連線，可任意組合或改變工藝流程。
　　用虛擬設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)時，工藝參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和設(shè)備參數(shù)可以直接任意選擇，不需進(jìn)行計(jì)算即可獲得運(yùn)行結(jié)果。另一方面，以反應(yīng)動力學(xué)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)為基礎(chǔ)的虛擬設(shè)備，便于通過計(jì)算機(jī)仿真，簡化設(shè)計(jì)的放大環(huán)節(jié)。虛擬設(shè)備由程序框圖和儀表面板兩部分組成^［5］，不僅能從事可行性試驗(yàn)和水處理工藝設(shè)計(jì)，而且在已建成的水處理設(shè)施上能模擬傳統(tǒng)的控制操作臺和儀表盤，這種“所見即所得”的方式利于現(xiàn)場操作人員進(jìn)行控制和預(yù)報。如果結(jié)合在線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)^［3］，可以大大提高水處理設(shè)施的運(yùn)行水平和自動化程度。

1　虛擬設(shè)備的程序結(jié)構(gòu)

　　圖1為一般活性污泥法處理污水的工藝流程簡圖，圖2是G語言構(gòu)造的虛擬設(shè)備程序框圖，圖3是該程序的結(jié)構(gòu)框圖。

　　活性污泥法的運(yùn)行和控制與多種因素有關(guān)［6］。在虛擬設(shè)備程序中，充氧模塊根據(jù)風(fēng)量、風(fēng)壓、水溫、曝氣器及污水中氧傳輸特性和需用量等因素，求解出溶解氧質(zhì)量濃度。
　　底物的降解速率k是水溫T(℃)、污泥負(fù)荷Ns、溶解氧濃度DO和其他抑制反應(yīng)毒物因子θ的函數(shù)^［6］，寫作k=f(T,Ns,DO,θ)。曝氣反應(yīng)模塊按初始設(shè)定值和微生物反應(yīng)動力學(xué)計(jì)算池中的運(yùn)行狀態(tài)，求出污泥量及底物的變化。二沉池模塊按污泥沉淀特性和水量配置解出回流污泥濃度，與回流比一起影響池中運(yùn)行狀態(tài)。在G語言程序圖的最外邊是一個由黑色方框表示的循環(huán)結(jié)構(gòu)，前一循環(huán)的結(jié)果將代入后一循環(huán)初始值進(jìn)行計(jì)算。由于計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度快，從任意設(shè)定初始值出發(fā)能很快達(dá)到穩(wěn)定的真值。程序的循環(huán)操作始終不斷，直至人工干預(yù)為止。程序在循環(huán)運(yùn)行過程中，工藝、環(huán)境和設(shè)備參數(shù)在控制面板上可以隨意改變，同時獲得動態(tài)的輸出結(jié)果，并在虛擬顯示儀或記錄儀上顯示和記錄下來，或直接存為文件。在主程序中，主要是進(jìn)行工藝流程的設(shè)計(jì)和組合，反映宏觀的工藝參數(shù)。具體的單元構(gòu)筑物，則是事先完成的子程序模塊，例如二沉池模塊(如圖4所示)、曝氣反應(yīng)池模塊(如圖5所示)。

　　　

2　曝氣反應(yīng)池虛擬設(shè)備程序設(shè)計(jì)

　　曝氣反應(yīng)池虛擬設(shè)備模塊的計(jì)算機(jī)程序如圖6所示。

　　根據(jù)氧傳輸動力學(xué)理論［1］，將標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的供氣量Gs(m³/h)，折算為單位時間的供氧量S=0.3 Gs，并求出氧利用量R0=SEA，EA(%)為曝氣器的氧轉(zhuǎn)移效率。
　　污水中好氧生化反應(yīng)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——處理水量
　　　　Sr——底物去除的質(zhì)量濃度
　　　　V——曝氣池容積
　　　　Xv——曝氣池中活性污泥的質(zhì)量濃度氧利用量R0與需氧量R之間為：

　　R0=RC_s(20)／α［β·ρ·C_sb(T)-C］1.024^(T-20)　　(2)
　　充氧虛擬設(shè)備模塊的計(jì)算機(jī)程序根據(jù)式(2)求解出曝氣池中溶解氧的質(zhì)量濃度C。
　　式中　α——污水的氧轉(zhuǎn)移修正系數(shù)
　　　　　β——污水的溶解氧飽和度修正系數(shù)
　　　　　ρ——?dú)鈮盒拚禂?shù)，
　　　　　ρ=實(shí)際氣壓(Pa)/1.013×10⁵(Pa)　　　(3)

　　Csb為飽和溶解氧在曝氣池中的平均質(zhì)量濃度，按下式進(jìn)行修正：

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

　　式中Pb——曝氣頭出口絕對氣壓，Pb=P+9.8 H(H為曝氣頭安裝水深，m)
　　　　Ot——?dú)馀葸_(dá)到池面時，其中的氧分壓，%

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

3　曝氣反應(yīng)池虛擬設(shè)備的控制界面

　　曝氣反應(yīng)池虛擬設(shè)備模塊的計(jì)算機(jī)程序分別對底物量和微生物量進(jìn)行物料衡算，即

　　

　　曝氣池中微生物和底物量的變化遵循微生物生長動力學(xué)和底物降解動力學(xué)。自1942年Monod導(dǎo)出動力學(xué)模型至今，這方面的研究始終十分活躍。處理的對象不同，動力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)常數(shù)值也不同。選擇相應(yīng)的動力學(xué)模型結(jié)構(gòu)和適當(dāng)?shù)膭恿W(xué)常數(shù)是實(shí)驗(yàn)室的搖瓶、單元操作等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)要解決的問題［7］，可以在現(xiàn)有水處理設(shè)施連續(xù)運(yùn)行觀察值的基礎(chǔ)上，根據(jù)統(tǒng)計(jì)特性獲得［8］。曝氣反應(yīng)池虛擬設(shè)備模塊可以根據(jù)選定的動力學(xué)模型結(jié)構(gòu)和動力學(xué)常數(shù)進(jìn)行水處理設(shè)施運(yùn)行的計(jì)算機(jī)仿真，該虛擬設(shè)備子模塊既可以單獨(dú)使用進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可以在主程序連通運(yùn)行時顯示，并進(jìn)行調(diào)整和觀察。圖7為曝氣反應(yīng)池虛擬設(shè)備的控制界面。

　　雖然該虛擬設(shè)備的控制界面中只表現(xiàn)了一個控制底物，對于多個控制底物，也可以在同一程序中實(shí)現(xiàn)。即便在多個控制底物之間具有交互作用，通過虛擬設(shè)備最外層的循環(huán)結(jié)構(gòu)，經(jīng)幾次迭代后仍能很快達(dá)到穩(wěn)定的真值，這是手工計(jì)算根本無法實(shí)現(xiàn)的。由于虛擬設(shè)備的控制界面的直觀性，并能在程序運(yùn)行過程中任意調(diào)整參數(shù)和獲得動態(tài)的結(jié)果，因而與其他類型的計(jì)算機(jī)程序相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。只要有了微生物生長動力學(xué)和底物降解動力學(xué)的模型結(jié)構(gòu)和動力學(xué)常數(shù)，就可以構(gòu)造其他類型的生物反應(yīng)器的虛擬設(shè)備模塊來代替總程序中的曝氣反應(yīng)池模塊，例如應(yīng)用三相氣提升循環(huán)流化床處理廢水［9］時。虛擬設(shè)備的控制界面模擬傳統(tǒng)的控制操作臺和儀表盤，在已建成的水處理設(shè)施上采用“所見即所得”的方式，利于現(xiàn)場操作人員進(jìn)行控制和預(yù)報。由于LabVIEW具有數(shù)據(jù)采集和數(shù)字控制功能，不僅可以大大提高水處理設(shè)施的運(yùn)行水平，也為今后實(shí)現(xiàn)水處理自動化運(yùn)行提供一種有效的方式。

4　結(jié)論

　　①在LabVIEW的編程平臺上開發(fā)了活性污泥法污水處理虛擬設(shè)備。充氧模塊根據(jù)風(fēng)量、風(fēng)壓、水溫、曝氣器及污水中氧傳輸特性和需用量等因素，求解出溶解氧濃度。底物的降解速率k是水溫、污泥負(fù)荷、溶解氧濃度和其他抑制反應(yīng)毒物因子的函數(shù)。曝氣反應(yīng)模塊按初始設(shè)定值和微生物反應(yīng)動力學(xué)計(jì)算池中運(yùn)行狀況，求出污泥量及底物的變化。二沉池模塊按污泥沉淀特性和水量配置，解出回流污泥濃度，與回流比一起影響池中運(yùn)行狀態(tài)。虛擬設(shè)備采用循環(huán)結(jié)構(gòu)，經(jīng)迭代運(yùn)算達(dá)到真值。
　?、谄貧獬刂形⑸锖偷孜锪康淖兓裱氖俏⑸锷L動力學(xué)和底物降解動力學(xué)。處理的對象不同，動力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)常數(shù)值也不同。虛擬設(shè)備的循環(huán)結(jié)構(gòu)和迭代操作也能解決多個具有交互作用控制底物的問題。
　　③用虛擬設(shè)備可以簡化可行性論證和工藝設(shè)計(jì)過程，不需進(jìn)行計(jì)算并獲得運(yùn)行結(jié)果。這不僅可以節(jié)約大量的試驗(yàn)研究時間和經(jīng)費(fèi)，還能進(jìn)行更廣泛的選擇，從而獲得優(yōu)化結(jié)果，提高了設(shè)計(jì)的可靠性。虛擬設(shè)備的控制界面模擬傳統(tǒng)的控制操作臺和儀表盤，具有直觀性，并能在程序運(yùn)行過程中任意調(diào)整參數(shù)和獲得動態(tài)的結(jié)果。在已建成的水處理設(shè)施上采用“所見即所得”的方式，利于現(xiàn)場操作人員進(jìn)行控制和預(yù)報。由于LabVIEW具有數(shù)據(jù)采集和數(shù)字控制功能，不僅可以大大提高水處理設(shè)施的運(yùn)行水平，也為今后實(shí)現(xiàn)水處理自動化運(yùn)行提供一種有效的方式。

參考文獻(xiàn)：

　?。?］張自杰，林榮忱，金儒霖，等.排水工程(第4版)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.
　　［2］孫欣.虛擬儀器——儀器儀表工業(yè)劃時代的里程碑［J］.煤礦自動化，1996，(3)：27-29.
　　［3］林正盛.虛擬儀器技術(shù)及其應(yīng)用［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，1997，16(8)：2-5.
　?。?］周群，雷勇，周青，等.虛擬儀器驅(qū)動程序庫［J］.中文信息，1997,3：13-15.
　?。?］周荷琴，王恒良，劉兵，等.基于LabVIEW平臺的CAI軟件設(shè)計(jì)方法［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，1997,17(6)：30-33.
　　［6］彭永臻，王寶貞.活性污泥法的多變量最優(yōu)控制I.基礎(chǔ)理論與DO濃度對運(yùn)行費(fèi)用的影響［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，1998，18(1)：11-19.
　　［7］蔡建安.微生物在焦化污水特定環(huán)境中生長動力學(xué)研究［J］.華東冶金學(xué)院學(xué)報，1992,9(4):35-41.
　?。?］蔡建安.活性污泥法處理焦化污水監(jiān)測值的統(tǒng)計(jì)特性［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，1990,10(2):233-241.
　?。?］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.

---

　　作者簡介：蔡建安(1946-)，男，安徽工業(yè)大學(xué)環(huán)境工程系教授，主要從事水處理應(yīng)用軟件開發(fā)。
　　電　話：(0555)2400496
　　傳　真：(0555)2471263
　　E-mail:jacai@ahpu.edu.cn
　　收稿日期：2001-07-02