一种基于区间观测器的活性污泥处理过程的状态区间估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于区间观测器的活性污泥处理过程的状态区间估计方法。考虑污水处理过程中存在的大量不确定性，本发明专利技术对由曝气池和沉降池组成的活性污泥系统的状态区间估计进行研究。首先对活性污泥反应的动力学过程进行数学建模。其次，基于T

【技术实现步骤摘要】
一种基于区间观测器的活性污泥处理过程的状态区间估计方法


[0001]本专利技术涉及污水处理过程故障诊断领域，具体是一种基于区间观测器的活性污泥处理过程的状态区间估计方法。

技术介绍

[0002]污水处理厂作为城市的人工肾脏，能有效处理生活污水与工业废水，对改善生态环境、提升城市品位具有重要意义。
[0003]目前污水处理主要采用活性污泥法，是一种污水的好氧生物处理法。该过程是一项复杂的动态生物化学反应工程，并且涉及众多机械设备、电气设备与自动化仪表等。由于实际污水处理过程工艺复杂，在线监测指标多且复杂，许多水质指标还需借助化验室检测，准确度低，时滞性大等，给智能特征建模方法的实际应用带来一定困难。如常用的水质监测指标，如生物需氧量BOD，化学需氧量COD，氨氮NH3
‑
N等难以实现在线精准测量，需要进行估计或预测。
[0004]但是已有的方法中多数借鉴ASM系列模型针对污水处理中活性污泥处理过程的状态估计进行研究。该方法通常将水质指标、污泥体积指数、泡沫浮渣指数、微生物含量指数等参数作为过程变量，基于卡尔曼滤波、观测器、粒子滤波及其扩展方法等传统控制理论技术对上述变量进行估计。但受入水流量、入水组分、污染物浓度和环境变化等因素的影响，污水处理过程表现出多变量、强耦合、非线性、大时滞、随机、不确定等特性。若不考虑这些不确定性，会严重降低模型的可靠性，导致实际水质水量与设计数值差异较大，原水水质无法有效控制到设计水质范围的情况，因此，充分考虑活性污泥处理过程的不确定性，对其进行分析，并在基础上实现活性污泥处理过程的状态区间估计，具有重要的研究意义与价值。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决污水处理过程中系统状态区间估计问题，针对该问题，本专利技术提出一种基于区间观测器的活性污泥反应过程状态区间估计方法。
[0006]本专利技术提出了一种基于区间观测器的活性污泥处理过程的区间状态估计方法，包括以下三个步骤：
[0007]步骤S1：为了更为贴切真实的污水处理厂的活性污泥处理过程，考虑到活性污泥反应的动力学过程以及其应用场景，选取微生物量X、回流微生物量X
r
、有机底物浓度C
S
和溶解氧浓度C
O
作为系统状态量，建立了非线性的活性污泥质量平衡模型。
[0008]步骤S2：活性污泥处理过程非线性系统，采用T
‑
S模糊化方法，对该模型进行T
‑
S模糊建模，得到活性污泥处理过程的T
‑
S模糊系统，该模型为伪线性模型，有助于降低模型的复杂度，便于状态区间估计。
[0009]步骤S3：考虑污水处理过程中存在的大量不确定性所造成的难以得到准确的实时状态指标，针对活性污泥处理过程的T
‑
S系统设计区间观测器，利用该区间观测器生成模型
状态变量X、X
r
、C
S
和C
O
的区间估计。本专利技术中，设计了一个具有H
∞
扰动衰减性能的T
‑
S模糊区间观测器，用以能够实时估计出状态区间，从而提高了预测时的精确性。
附图说明
[0010]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
[0011]图1为本专利技术的应用场景流程图；
[0012]图2为体现本专利技术的整体系统设计步骤的框架图；
具体实施方式
[0013]以下结合附图和具体实施例对本专利技术作详细描述。
[0014]本专利技术主要对由曝气池和沉降池组成的活性污泥系统的状态估计进行研究。曝气池被认为是一个充分搅拌的容器，其中悬浮的微生物与废水中的有机物质和水中溶解的氧气反应，产生更多的细胞、二氧化碳和水，除去污水中的碳。氧气通过压缩空气注入到曝气池中，悬浮的微生物在沉降池中被完全分离，一部分被回收到曝气池，其余的则被排出，以保持生物反应器中一定的微生物浓度。需要注意的是，本专利技术所应用的场景仅考虑了利用微生物去除污水中有机物，即去除碳、氢元素的过程，并未考虑污水处理中除氮除磷等过程。
[0015]在步骤S1中，根据活性污泥的动力学过程，基于莫诺德(monod)方程、劳伦斯
‑
麦卡蒂(Lawrence
‑
McCarty)第一方程及劳伦斯
‑
麦卡蒂(Lawrence
‑
McCarty)第二方程这3个微生物动力学方程，针对活性污泥处理过程的生物处理过程建立非线性动力学模型，用以反映活性污泥中微生物量在污水处理过程中所发生的质量平衡变化。
[0016]所采用的3个基本微生物动力学方程具体介绍如下：
[0017]莫诺德(monod)方程：
[0018][0019]其中，μ为微生物量比增长速率，C
S
为底物浓度，μ
max
为最大比增长率，K
a
为半饱和系数，即μ＝0.5μ
max
时的底物浓度。该方程可用以描述底物浓度与微生物比增殖速度之间的关系，也可以描述曝气池中活性污泥的增长速度。
[0020]劳伦斯
‑
麦卡蒂(Lawrence
‑
McCarty)第一方程：
[0021][0022]其中，X为微生物含量，C
S
为有机底物浓度，Y为微生物产率系数，反映了底物消耗速率和细胞增长速率之间的关系；K
d
为内部内源代谢系数，用以表示单位微生物量在单位时间内内源代谢消耗的微生物量。
[0023]劳伦斯
‑
麦卡蒂(Lawrence
‑
McCarty)第二方程：
[0024][0025]其中，r为底物比降解速率。劳伦斯
‑
麦卡蒂基本方程是根据莫诺德方程建立的动力学关系式，用以表示单位质量的微生物在活性污泥生物处理过程中的平均停留时间，以
此反映出活性污泥的平均泥龄。
[0026]在monod方程的基础上，考虑了酶促反应中底物浓度对微生物反应速率的影响的同时，还考虑到好氧微生物氧化反应中氧浓度对微生物反应速率的影响。所使用的微生物比增长速率方程如下所示:
[0027][0028]其中C
O
为溶解氧浓度，C
S
为底物浓度，μ
max
为最大比增长速率，K
a
为亲和系数，K
s
为饱和系数。
[0029]本专利技术针对活性污泥的微生物动力学原理进行建模时的假设溶解氧浓度C
O
是过程唯一可测量的状态，系统常系数和参数全部已知，但微生物量X、底物浓度C
S
和回收微生物量X
r
无法在线获得。
[0030]综合所述，对污水处理活性污泥生化反应过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于区间观测器的活性污泥处理过程的状态区间估计方法，其特征在于：所述基于区间观测器的活性污泥处理过程的状态区间估计方法包括以下步骤：S1:考虑到活性污泥反应的动力学过程以及其应用场景，先选取微生物量X、回流微生物量X
r
、有机底物浓度C
S
和溶解氧浓度C
O
作为系统状态量，建立了非线性的活性污泥质量平衡模型S2:对于活性污泥处理过程非线性系统，采用T
‑
S模糊化方法，对该模型进行T
‑
S模糊建模，得到活性污泥处理过程的T
‑
S模糊系统，该模型为伪线性模型，有助于降低模型的复杂度，便于状态区间估计；S3:考虑污水处理过程中存在的大量不确定性所造成的难以得到准确的实时状态指标，针对活性污泥处理过程的T
‑
S系统设计区间观测器，利用该区间观测器生成模型状态变量X、X
r
、C
S
和C
O
的上界和下界，为活性污泥处理过程的状态监测提供依据。2.如权利要求1所述的一种基于区间观测器的活性污泥处理过程的状态区间估计方法，其特征在于：所述步骤S1中，根据活性污泥的动力学过程，基于莫诺德(monod)方程、劳伦斯
‑
麦卡蒂(Lawrence
‑
McCarty)第一方程及劳伦斯
‑
麦卡蒂(Lawrence
‑
McCarty)第二方程这3个微生物动力学方程，针对活性污泥处理过程的生物处理过程建立非线性动力学模型，用以反映活性污泥中微生物量在污水处理过程中所发生的质量平衡变化。3.如权利要求1所述的一种基于区间观测器的活性污泥处理过程的状态区间估计方法，其特征在于：所述3个基本微生物动力学方程具体介绍如下：莫诺德(monod)方程：其中，μ为微生物量比增长速率，C
S
为底物浓度，μ
max
为最大比增长率，K
a
为半饱和系数，即μ＝0.5μ
max
时的底物浓度；该方程可用以描述底物浓度与微生物比增殖速度之间的关系，也可以描述曝气池中活性污泥的增长速度；劳伦斯
‑
麦卡蒂(Lawrence
‑
McCarty)第一方程：其中，X为微生物含量，C
S
为有机底物浓度，Y为微生物产率系数，反映了底物消耗速率和细胞增长速率之间的关系；K
d
为内部内源代谢系数，用以表示单位微生物量在单位时间内内源代谢消耗的微生物量；劳伦斯
‑
麦卡蒂(Lawrence
‑
McCarty)第二方程：其中，r为底...

【专利技术属性】
技术研发人员：周萌，武岩，王晶，王昶，薛同来，史运涛，董哲，翟维枫，
申请(专利权)人：北方工业大学，
类型：发明
国别省市：