城市生活污水處理的生物建模與控制策略研究

韓雪

摘 要：隨著城市化進程向縱深方向推進，城市人口流動增加，我國城市獲得快速發展的同時，也受到了相當程度的破壞，其中最為嚴重的便是城市污染問題。現如今我國很多城市面臨著空氣污染、土壤污染、水污染等諸多污染問題，亟待解決。本文基于城市生活污水處理的視角，對城市生活污水處理的生物建模與控制策略進行了深入研究，旨在引起更多各行各業人士對城市生活污水處理問題的持續關注和思考，為城市生活污水的處理提供一些新思路和建設性的解決策略，推動城市的綠色健康發展。關鍵詞：城市；生活污水處理；生物建模；控制策略前言進入二十一世紀以來，黨和國家根據我國的發展新形勢明確提出實施可持續發展戰略和科學發展觀，依據這一指導思想，城市生活污水處理問題被搬上了當前的主要處理問題平臺，成為眾多專家、學者的研究方向。本文采用目前主流的城市生活污水處理工藝——SBR工藝進行研究，首先對城市生活污水處理進行數學模型與SBR法工藝仿真分析，接著指出了四點污水處理過程的控制論特性，然后對城市生活污水處理的控制策略和控制算法進行了深入探究，最后對過程仿真及其結果進行了分析。本文希望能夠通過SBR工藝對城市的生活污水進行科學處理，建設綠色城市。1 數學模型與SBR法工藝仿真1.1 數學模型由于SBR法采用周期性運行方式，因此只能在一定假設條件下建立數學模型。綜合對微生物濃度、有機污染物去除濃度和溶解氧濃度變化分別建立的數學模型，我們可以得到采用SBR法處理污水過程的數學模型。對該數學模型進行分析得出，在一定的假設條件下，各變量之間的關系至少是強關聯耦合和強非線性的。1.2 SBR法工藝仿真由于城市生活污水中自有其生態系統，我們要對其進行研究和處理，首先要從污水自身內部出發。城市生活污水的主要成分是異養微生物，而異養微生物需要攝取污水中的溶解氧DO和有機污染物作為養料繁殖生長，因此，SBR法根據異養微生物的這一特性對其進行處理，減少污水中的有機污染物，從而達到凈化水質的目的。SBR工藝仿真即通過這一原理對城市生活污水中的污染物濃度及微生物濃度進行分析，不斷調整DO濃度參數得到污染物濃度變化曲線及微生物濃度變化曲線。通過對這兩條曲線的研究，我們得出一定濃度的DO值可以有效降解污水中的有機質，控制微生物的凈生長。而這一DO濃度最佳值為2.0mg/L。2 污水處理過程的控制論特性通過對污水處理進行數學模型分析，我們指導DO濃度的數值控制對污水處理有關鍵影響，但是，污水處理過稱自有其控制論特性，具體包括：生化過程的不確定性、生化反應過程的高度非線性、半結構化與非結構化以及過程復雜性。面對這些控制論特性，我們有必要對其進行科學的控制策略探討，達到有效處理污水的目的。3 控制策略與控制算法3.1 控制策略根據污水處理過程的控制論特性，我們對模糊控制方法、神經網絡控制和仿人智能控制三種策略進行實用性分析，發現前兩種控制策略在實際應用中難度過大，可操作性不強，且效果不明顯，只有仿人智能控制（HSIC）策略可以達到各方面的控制品質要求，能兼顧魯棒性與精確性、快速性與平滑性等技術性能要求。3.2 控制算法按照自動控制原理，基于HSIC控制的原型算法如下 4 過程仿真極其結果分析4.1 過程仿真本文基于Matlab對二階時滯模型進行實驗仿真，設模型為 選取模型參數為：K=1，T=2s，T1=1.2s，T2=2.0s。得出圖1所示三幅曲線：二階時滯模型的過程響應中曲線1和曲線2分別采用PID和HSIC控制的過程響應；將原模型中去掉一個一階環節，得出的一階時滯模型過程響應中的曲線1和曲線2分別為PID和HSIC控制的過程響應；假設其過程模型為W（S）=e-10s/（s+1）（2s+1），在t=15s時加入脈沖寬度為0.2s、脈沖幅度為0.5的強脈沖干擾信號，得出的強干擾下的過程響應中的曲線2和曲線1分別為PID和HSIC控制的過程響應。 二階時滯模型的過程響應 一階時滯模型的過程響應 4.2 仿真結果分析分別對圖1中三種情況下的過程響應進行曲線1和曲線2的對比分析，我們可以得出從等效果角度模擬生活污水處理不確定性復雜過程的控制效果，驗證了HSIC控制策略的強魯棒控制性能，因此對生活污水處理過程采用HSIC控制策略是可取的。5 結束語綜上所述，本文對城市生活污水處理的生物建模與控制策略進行了深入探究，通過對城市里的生活污水進行一系列的數學模型分析后進行SBR仿真研究，我們發現控制好DO濃度對控制城市生活污水中的主要污染有機質和微生物有積極地作用。另外，通過城市生活污水處理進行控制策略與控制算法分析，我們進行了過程仿真并在之后進行了仿真結果分析，指出HSIC控制策略能夠充分發揮城市生活污水處理效果，值得推廣應用。總而言之，本文認為盡管現如今我們進行城市生活污水處理還比較困難，影響因素較多，但是，建設和諧、環保、文明的城市的前途仍是光明的，需要我們共同努力，打開社會主義現代化建設新篇章。參考文獻[1]董姍燕，李詠梅，池春榕，劉祖文.基于活性污泥數學模型（ASM_s）的污水處理系統不確定性分析研究進展[J].化工進展，2017，36（12）：4651-4657.[2]尹龍曉.市政生活污水處理系統的過程控制分析[J].山西建筑，2017，43（29）：134-135.[3]鄧新莉，劉珊.城市生活污水處理的生物建模與控制策略研究[J].重慶理工大學學報（自然科學），2016，30（07）：86-92.