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

　　摘　要：在LabVIEW平臺上開發的活性污泥法污水處理虛擬設備，以反應動力學為基礎構造基本模塊，通過連線來組合或改變工藝流程。虛擬設備采用循環結構，迭代運行，能解決具有交互作用的多控制底物問題。虛擬設備的控制界面模擬傳統的控制儀表，仿真運行，其工藝、環境和設備參數可直接選擇，以“所見即所得”的可視技術獲得動態的結果，節約了試驗研究的時間和經費，提高了設計的可靠性，也能在已建成的水處理設施上進行控制和預報。
　　關鍵詞：污水處理；活性污泥法；虛擬設備
　　中圖分類號：X703.3
　　文獻標識碼：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理論、凈化功能、運行方式、工藝系統方面均取得了迅速進展［1］。由于在工藝設計時需要進行方案的選擇和優化，如果缺乏同類設計作參考，只要原水水質、控制目標、運行方式有任何變化，都必須作可行性試驗，除工藝流程和試驗裝置的建設外，還有著大量的物理、化學和生物指標的分析工作。活性污泥法處理工藝需要考慮的工藝參數和環境參數多，分析的樣本也多，每個子環節又相互影響，達到穩定的響應時間長，設計計算也很困難，需要進行大量的假設和反復試算。除了圍繞改變工藝參數和環境參數所進行的試驗以外，一旦需要改變工藝流程和設備參數，一切計算和試驗則又必須重新開始。
　　虛擬儀器的產生被認為是儀器、儀表工業劃時代的里程碑^［2］，它在工業生產、科研和教學中的廣泛應用節約了時間和資金，獲得了可觀的效率和效益^［3］。目前該領域的研究十分活躍，例如虛擬技術在汽車發動機檢測、電力拖動、煤礦自動化、儀器計量及自動控制系統方面的應用等。然而，在水處理領域，尚缺乏相應的研究。
　　本研究是在LabVIEW的編程平臺上開發活性污泥法的污水處理虛擬設備^［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，以微生物反應動力學準則構造曝氣反應池虛擬設備單元^［1］，按照氧傳輸準則構造充氧虛擬設備^［1］，配合二沉池、風機等虛擬設備模塊，通過簡單的模塊間連線，可任意組合或改變工藝流程。
　　用虛擬設備進行設計時，工藝參數、環境參數和設備參數可以直接任意選擇，不需進行計算即可獲得運行結果。另一方面，以反應動力學和實驗室試驗為基礎的虛擬設備，便于通過計算機仿真，簡化設計的放大環節。虛擬設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和水處理工藝設計，而且在已建成的水處理設施上能模擬傳統的控制操作臺和儀表盤，這種“所見即所得”的方式利于現場操作人員進行控制和預報。如果結合在線數據采集系統^［3］，可以大大提高水處理設施的運行水平和自動化程度。

1　虛擬設備的程序結構

　　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語言構造的虛擬設備程序框圖，圖3是該程序的結構框圖。

　　活性污泥法的運行和控制與多種因素有關［6］。在虛擬設備程序中，充氧模塊根據風量、風壓、水溫、曝氣器及污水中氧傳輸特性和需用量等因素，求解出溶解氧質量濃度。
　　底物的降解速率k是水溫T(℃)、污泥負荷Ns、溶解氧濃度DO和其他抑制反應毒物因子θ的函數^［6］，寫作k=f(T,Ns,DO,θ)。曝氣反應模塊按初始設定值和微生物反應動力學計算池中的運行狀態，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行狀態。在G語言程序圖的最外邊是一個由黑色方框表示的循環結構，前一循環的結果將代入后一循環初始值進行計算。由于計算機的運行速度快，從任意設定初始值出發能很快達到穩定的真值。程序的循環操作始終不斷，直至人工干預為止。程序在循環運行過程中，工藝、環境和設備參數在控制面板上可以隨意改變，同時獲得動態的輸出結果，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，主要是進行工藝流程的設計和組合，反映宏觀的工藝參數。具體的單元構筑物，則是事先完成的子程序模塊，例如二沉池模塊(如圖4所示)、曝氣反應池模塊(如圖5所示)。

　　　

2　曝氣反應池虛擬設備程序設計

　　曝氣反應池虛擬設備模塊的計算機程序如圖6所示。

　　根據氧傳輸動力學理論［1］，將標準狀態下的供氣量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(%)為曝氣器的氧轉移效率。
　　污水中好氧生化反應的需氧量是：

　　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——底物去除的質量濃度
　　　　V——曝氣池容積
　　　　Xv——曝氣池中活性污泥的質量濃度氧利用量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)
　　充氧虛擬設備模塊的計算機程序根據式(2)求解出曝氣池中溶解氧的質量濃度C。
　　式中　α——污水的氧轉移修正系數
　　　　　β——污水的溶解氧飽和度修正系數
　　　　　ρ——氣壓修正系數，
　　　　　ρ=實際氣壓(Pa)/1.013×10⁵(Pa)　　　(3)

　　Csb為飽和溶解氧在曝氣池中的平均質量濃度，按下式進行修正：

　　　　　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——氣泡達到池面時，其中的氧分壓，%

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

3　曝氣反應池虛擬設備的控制界面

　　曝氣反應池虛擬設備模塊的計算機程序分別對底物量和微生物量進行物料衡算，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和底物降解動力學。自1942年Monod導出動力學模型至今，這方面的研究始終十分活躍。處理的對象不同，動力學模型的結構和動力學常數值也不同。選擇相應的動力學模型結構和適當的動力學常數是實驗室的搖瓶、單元操作等基礎實驗要解決的問題［7］，可以在現有水處理設施連續運行觀察值的基礎上，根據統計特性獲得［8］。曝氣反應池虛擬設備模塊可以根據選定的動力學模型結構和動力學常數進行水處理設施運行的計算機仿真，該虛擬設備子模塊既可以單獨使用進行設計，也可以在主程序連通運行時顯示，并進行調整和觀察。圖7為曝氣反應池虛擬設備的控制界面。

　　雖然該虛擬設備的控制界面中只表現了一個控制底物，對于多個控制底物，也可以在同一程序中實現。即便在多個控制底物之間具有交互作用，通過虛擬設備最外層的循環結構，經幾次迭代后仍能很快達到穩定的真值，這是手工計算根本無法實現的。由于虛擬設備的控制界面的直觀性，并能在程序運行過程中任意調整參數和獲得動態的結果，因而與其他類型的計算機程序相比具有明顯的優點。只要有了微生物生長動力學和底物降解動力學的模型結構和動力學常數，就可以構造其他類型的生物反應器的虛擬設備模塊來代替總程序中的曝氣反應池模塊，例如應用三相氣提升循環流化床處理廢水［9］時。虛擬設備的控制界面模擬傳統的控制操作臺和儀表盤，在已建成的水處理設施上采用“所見即所得”的方式，利于現場操作人員進行控制和預報。由于LabVIEW具有數據采集和數字控制功能，不僅可以大大提高水處理設施的運行水平，也為今后實現水處理自動化運行提供一種有效的方式。

4　結論

　　①在LabVIEW的編程平臺上開發了活性污泥法污水處理虛擬設備。充氧模塊根據風量、風壓、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、污泥負荷、溶解氧濃度和其他抑制反應毒物因子的函數。曝氣反應模塊按初始設定值和微生物反應動力學計算池中運行狀況，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行狀態。虛擬設備采用循環結構，經迭代運算達到真值。
　　②曝氣池中微生物和底物量的變化遵循的是微生物生長動力學和底物降解動力學。處理的對象不同，動力學模型的結構和動力學常數值也不同。虛擬設備的循環結構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用虛擬設備可以簡化可行性論證和工藝設計過程，不需進行計算并獲得運行結果。這不僅可以節約大量的試驗研究時間和經費，還能進行更廣泛的選擇，從而獲得優化結果，提高了設計的可靠性。虛擬設備的控制界面模擬傳統的控制操作臺和儀表盤，具有直觀性，并能在程序運行過程中任意調整參數和獲得動態的結果。在已建成的水處理設施上采用“所見即所得”的方式，利于現場操作人員進行控制和預報。由于LabVIEW具有數據采集和數字控制功能，不僅可以大大提高水處理設施的運行水平，也為今后實現水處理自動化運行提供一種有效的方式。

參考文獻：

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　　［3］林正盛.虛擬儀器技術及其應用［J］.微型機與應用，1997，16(8)：2-5.
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　　［8］蔡建安.活性污泥法處理焦化污水監測值的統計特性［J］.環境科學學報，1990,10(2):233-241.
　　［9］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.

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