【摘要】 基于PCA模型的活性污泥吸附和沉降过程的仿真方法属于智能科学与环境工程学科领域。本发明涉及利用概率元胞自动机(PCA)仿真实现活性污泥系统曝气池内污泥吸附和沉降的生化反应过程。该方法立足于人工生命系统，建立了活性污泥系统中相应的PCA模型，利用概率元胞自动机规则设计了演化规则，并进行了演化实现。解决了现有的模型难以克服活性污泥系统的复杂性的问题，突破了传统的数学模型方法，直观刻画了活性污泥系统动态演化的特征。本发明主要是针对有机物的去除，对其进行分析利用，调整微生物的种类和数量可用于指导建立更精确的活性污泥吸附和沉降的模型。。： 【专利类型】发明授权 【申请人】北京工业大学 【申请人类型】学校 【申请人地址】100124 北京市朝阳区平乐园100号 【申请人地区】中国 【申请人城市】北京市 【申请人区县】朝阳区 【申请号】CN200810106143.5 【申请日】2008-05-09 【申请年份】2008 【公开公告号】CN101289251B 【公开公告日】2010-06-02 【公开公告年份】2010 【授权公告号】CN101289251B 【授权公告日】2010-06-02 【授权公告年份】2010.0 【IPC分类号】C02F3/12; C02F1/28; C02F1/52 【发明人】乔俊飞; 李荣 【主权项内容】基于概率元胞自动机模型的活性污泥吸附和沉降过程的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：1)首先要建立活性污泥系统中相应的概率元胞自动机初始模型，并初始化元胞状态；以N×N×N的立方体作为初始模型；其中，N为整数，代表一维上的格子个数；取其边界条件固定为零状态，属于虚拟格子，不发生演化；这样除去边界，状态空间上有(N-1)×(N-1)×(N-1)个格子均匀分布，每个格子代表一个元胞；元胞的状态一共有五种可能：元胞是空或者水分子，为0状态；该格子被邻居吸附小分子有机物的微生物占据，为1状态；有细菌生成，为2状态；该格子被邻居吸附大分子有机物的微生物占据，为3状态；有原生动物生成，为4状态；初始化每个元胞的状态：元胞最初的状态只有状态0，2和4；当某状态出现的概率p≥p1时为4状态；当p2＜p＜p1时为2状态；其余为0状态；其中，p1，p2为经验值，0.9＜p1＜1，0.6＜p2＜0.9；2)确定概率元胞自动机的邻居结构，采用六邻居的邻居结构，它由一个中心元胞及位于其前后、左右、上下的6个元胞组成；3)根据元胞的初始模型和邻居结构来确定演化规则，具体演化过程如下：(1)曝气初期，曝气池内的吸附和分解代谢过程；微生物吸附有机物的过程，为元胞生长做准备：元胞状态由0演化到1表明该元胞邻居有微生物吸附上可降解小分子有机物，并占据该格子；具体实现：该元胞邻居微生物数目为1，2或3，且k时刻的污泥负荷率pk＞p01，其中，p01为状态0到1的转换概率，0＜p01＜0.5；或者邻居微生物数目为4或5时，该元胞邻居有较多的微生物，会吸附小分子有机物并占据该格子；元胞状态由0演化到3表明该元胞邻居有微生物吸附上可降解大分子有机物，并占据该格子；大分子有机物的吸附要难于小分子有机物，具体实现：邻居微生物数目为3，4或5，且k时刻的污泥负荷率pk＞p03，其中，p03为状态0到3的转换概率，0＜p03＜0.5；或者其邻居全部是微生物时才能实现；小分子有机物分解和合成代谢的过程：元胞状态由1演化到0表明该格子的小分子有机物被邻居的细菌分解代谢；具体实现：该元胞邻居中细菌的数目为1，2或3，且空元胞数为0，1或2，k时刻的污泥负荷率pk≥p10，其中，p10为状态1到0的转换概率，0＜p10＜0.5；或者pk＜p10时需要邻居中细菌的数目为4，5或6，此时微生物能量较低，要求邻居有微生物正在分解有机物释放能量或进行内源呼吸；元胞状态由1演化到2表明细菌分解该格子的小分子有机物，生成新的个体并占据该格子，实现与状态1到0相同，且转换概率p12＝p10，其中，p12为状态1到2的转换概率；细菌的演化过程：元胞状态由2演化到0表明该元胞因为孤立或拥挤而死亡；具体实现：拥挤死亡，邻居中微生物数目为6；孤立死亡，邻居中微生物数目为0或1；元胞状态由2演化到3表明发生溶胞现象，即元胞壁破裂，元胞质释放到混合液中，成为元胞的生长基质；具体实现：溶胞现象是随机发生的，在演化规则中用随机函数rand(1，1，1)＞c来实现，其中，c为一常数，0.9＜c＜1；元胞状态由2到4表明邻居中的原生动物捕获该细菌，并发生分裂繁殖，繁殖出新的原生动物占据该格子；具体实现：邻居中的原生动物为2，3，4或5，细菌数为0；大分子有机物的去除过程：元胞状态由3演化到1表明大分子有机物在水解酶的作用下水解生成小分子有机物；具体实现：邻居中的微生物数目为1，2或3，且k时刻的污泥负荷率pk＜p31，其中，p31为状态3到1的转换概率，0＜p31＜0.3；元胞状态由3演化到4表明邻居中的原生动物吞食该大分子有机物，并发生裂殖，繁殖出新的个体占据该格子；具体实现：邻居中原生动物为1或2，且微生物总数为1，2或3，且p＜p34；其中，p34为状态3到4的转换概率，0＜p34＜0.2；原生动物的演化过程：元胞状态由4演化到0表明原生动物由于孤立或拥挤而死亡；具体实现：邻居中原生动物的数目为5或6时拥挤死亡；原生动物的数目为0或1时孤立死亡；(2)曝气中后期的吸附和沉降过程；曝气中后期活性污泥的絮凝吸附：元胞状态由0演化到1表明该元胞邻居有微生物吸附上难降解小分子有机物，并占据该格子；具体实现：该元胞邻居微生物数目为1，2或3，且k时刻的污泥负荷率pk＞p01，其中，p01为状态0到1的转换概率，0＜p01＜0.5；或者邻居微生物数目为4或5时，该元胞邻居有较多的微生物，会吸附小分子有机物并占据该格子；元胞状态由0演化到3表明该元胞邻居有微生物吸附上难降解大分子有机物，并占据该格子；大分子有机物的吸附要难于小分子有机物，具体实现：邻居微生物数目为3，4或5，且k时刻的污泥负荷率pk＞p03，其中，p03为状态0到3的转换概率，0＜p03＜0.5；或者其邻居全部是微生物时才能实现；沉降过程：若吸附形成的絮团中心元胞为4状态，则4状态元胞与其邻居一同沉降；具体实现：4状态元胞与其邻居沿垂直方向一同下落，若4状态垂直方向的下一个格子为0状态，该格子转化为4状态，0状态的邻居状态转化为4状态原来的邻居状态；若不为0状态，保持原位置不变，待垂直下方格子出现0状态继续沉降；若吸附形成的絮团中心元胞为2状态，则2状态元胞与其邻居一同沉降；具体实现：2状态元胞与其邻居沿垂直方向一同下落，若2状态垂直方向的下一个格子为0状态，该格子转化为2状态，0状态的邻居状态转化为2状态原来的邻居状态；若不为0状态，保持原位置不变，待垂直下方格子出现0状态继续沉降；若存在单独的大分子有机物，即3状态的邻居中不存在2或4状态，则以3状态为中心元胞进行沉降，若垂直方向的下一个格子为0状态，该格子转化为3状态，0状态的邻居状态转化为3状态原来的邻居状态；若不为0状态，保持原位置不变，待垂直下方有0状态格子出现继续沉降；若存在单独的小分子有机物，即1状态的邻居中不存在2，3或4状态，则以1状态为中心元胞进行沉降，若垂直方向的下一个格子为0状态，该格子相应地转化为1状态；若不为0状态，保持原位置不变，待垂直下方有0状态格子出现继续沉降；当任一状态元胞沉降到池底就清空，即将其转化为0状态；反复循环，污泥沉降，上层水只存在0状态排出。 【当前权利人】北京工业大学 【当前专利权人地址】北京市朝阳区平乐园100号 【专利权人类型】公立 【统一社会信用代码】12110000400687411U 【家族被引证次数】7
