活性污泥吸附和稳定过程模拟的退火元胞自动机方法
专利汇可以提供活性污泥吸附和稳定过程模拟的退火元胞自动机方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且活性 污泥 吸附 和稳定过程模拟的 退火 元胞自动机方法属于智能科学与 环境工程 学科领域。本 发明 涉及利用退火元胞自动机规则模拟 活性污泥 系统 曝气池 内污泥吸附和稳定的生化反应过程。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模型，利用退火元胞自动机规则设计了演化规则，并进行了演化实现。较好地模拟了 微 生物 吸附分解有机物的情况，并很好地模拟了活性污泥生长模式曲线的对数期、静止期和衰亡期，与理论上的活性污泥生长模式曲线基本一致，最终结果与实际的污泥浓度相差很小。对于人们进一步认识和理解污 水 生物处理的过程具有指导作用；对其进行分析利用，可以建立更加精确的模型。，下面是活性污泥吸附和稳定过程模拟的退火元胞自动机方法专利的具体信息内容。
1.一种活性污泥吸附和稳定过程模拟的退火元胞自动机方法，其特征在 于，包括以下步骤：
(1)建立活性污泥系统中相应的初始模型，并初始化元胞状态；
以N×N的二维空间作为初始模型；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，除去边界，状态空间上 有(N-1)×(N-1)个格子均匀分布，每个格子代表一个元胞；
元胞的状态一共有三种可能：元胞是空或者水分子，为0状态；该格子 有机物被邻居吸附，为1状态；微生物或者残留的难于降解的有机物，为2 状态；
初始化每个元胞的状态：任一个格子的状态初始化，是有一定程度的随 机性的，某状态在格子以概率p出现，或以概率1-p不出现，即服从概率上的 (0-1)分布，其中，0＜p＜1；元胞最初的状态只有状态0和2，状态1是 在反应开始后才出现的；当某状态出现的概率p≥p1时为2状态，其余为0状 态；其中0.4＜p1＜0.6，
(2)确定邻居结构；
采用Moore型的邻居结构，它由一个中心元胞，即要演化的元胞、4个位 于其邻近的东西南北方位的元胞及4个位于其次邻近的东北、西北、东南、 西南方位的元胞组成，中心元胞在演化过程中与其本身和邻居的八个元胞的 状态有关，即中心元胞的下一时刻的状态由当前时刻自身的状态和八个邻居 元胞的状态来确定；
(3)根据初始模型和邻居结构来确定演化规则，具体演化过程如下：
计算每个中心元胞与其8个邻居的状态和，称为局部和，用Sumij(t)表示； 这个局部和可以为0～18之间的任一值；根据这个局部和，按照规则1确定 每个中心元胞的下一时刻的状态Sij(t+1)；其中，i，j表示中心元胞的横、纵 坐标，t表示时刻；
规则1：
Sumij(t)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Sij(t+1)0 0 0 0 0 1 0 1 1 1
Sumij(t)10 11 12 13 14 15 16 17 18
sij(t+1)1 1 2 1 2 2 2 2 2
按上述规则1进行演化，当所有的元胞循环迭代a次后，其中80≤a≤120， 待完成以后，结束此次循环，更新演化规则；更新后的演化规则如下：
规则2：
Sumij(t)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Sij(t+1)0 0 0 0 1 0 1 1 1 1
Sumij(t)10 11 12 13 14 15 16 17 18
Sij(t+1)1 2 1 2 2 2 2 2 2
按上述规则2继续进行演化，当所有的元胞循环迭代b次后，其中 80≤b≤120，结束此次循环，更新演化规则；更新后的演化规则如下：
规则3：
Sumij(t) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Sij(t+1)0 0 0 1 0 1 1 1 1 1
Sumij(t)10 11 12 13 14 15 16 17 18
Sij(t+1)2 1 2 2 2 2 2 2 2
按上述规则3继续进行演化，当所有的元胞状态为2状态，即曝气池内 剩余的为大量微生物和一部分难于降解的有机物，结束循环，完成整个活性 污泥吸附和稳定的过程。
技术领域
本发明涉及曝气池内活性污泥吸附和稳定的生化反应过程的模拟，尤其 是基于退火元胞自动机规则建立活性污泥系统曝气池内污泥吸附和稳定的生 化反应的二维模型并模拟实现，属于智能科学与环境工程学科领域。
背景技术
目前活性污泥系统的模型可分为传统数学模型、智能模型以及混合模型。 传统的数学模型以国际水污染控制协会废水生物处理设计与运行数学模型课 题组提出的ASM系列模型为代表，这些模型含有严重的不确定性、时变、非 线性等因素，并且其中许多定量关系是由经验得到，未知参数多，不确定参 数在不同的环境呈现不确定变化。智能建模方法与经典数学建模方法相比并 非优越，只是当对问题的机理不甚了解或不能用数学模型表明的系统，智能 建模往往是最有利的工具。主要的建模方法有：模糊建模、模糊神经网络建 模、时间延迟神经网络建模、递归神经网络建模、BP神经网络建模、RBF径 向基神经网络建模，但是这种类似“黑匣子”的建模方法限制了人们对污水生物 处理机理的认识和研究。将神经网络模型和数学模型相结合，就形成所谓的 混合模型，它综合了两者的优势，但是增加了模型的复杂性，也并没有克服 两种模型的缺陷，不利于活性污泥系统的控制和应用。
同时，以上模型均未能用复杂系统的观点去认识和理解本身具有复杂系 统本质的活性污泥系统，再加上被控对象的不确定性，系统信息的模糊性、 高度非线性，控制目标的多层次、计算的复杂性和庞大的数据处理等使得所 建立的各种模型均未能表现出活性污泥生长的复杂性和曝气池内微生物的演 化过程，限制了人们对活性污泥去污机理的认识和研究，不利于活性污泥系 统的控制和应用。
发明内容
本发明采用了如下的技术方案及实现步骤：
1.本发明是基于退火元胞自动机规则的，首先要建立活性污泥系统中相 应的初始模型，并初始化元胞状态。
以N×N的二维空间作为初始模型。其中，N为整数，代表一维上的格 子个数。由于传统活性污泥系统连续进水且水质稳定，即每次有机物浓度和 回流污泥浓度不变，每个竖截面的演化过程相同，所以采用二维元胞自动机 模拟竖截面的演化过程。考虑到污水处理的实际意义，根据元胞自动机边界 条件的确定方法，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)个格子均匀分布，每个格子 代表一个元胞。
元胞的状态一共有三种可能：元胞是空或者水分子，为0状态；该格子 有机物被邻居吸附，为1状态；微生物或者残留的难于降解的有机物，为2 状态。
初始化每个元胞的状态：任一个格子的状态初始化，是有一定程度的随 机性的，某状态在格子以概率p出现，或以概率1-p不出现，即服从概率上的 (0-1)分布，其中，0＜p＜1。元胞最初的状态只有状态0和2，状态1是 在反应开始后才出现的。当某状态出现的概率p≥p1时为2状态，其余为0状 态。其中，p1为经验值，0.4＜p1＜0.6，p1的具体取值根据N的大小来取定。
2.确定邻居结构。元胞随时间的演化是由邻居元胞的状态，即邻居结构 决定的。
本发明采用Moore型的邻居结构，它由一个中心元胞(要演化的元胞)、 4个位于其邻近的东西南北方位的元胞及4个位于其次邻近的东北、西北、东 南、西南方位的元胞组成，如图1。中心元胞在演化过程中与其本身和邻居的 八个元胞的状态有关，即中心元胞的下一时刻的状态由当前时刻自身的状态 和八个邻居元胞的状态来确定。
3.根据初始模型和邻居结构来确定演化规则，具体演化过程如下：
计算每个中心元胞与其8个邻居的状态和，称为局部和，用Sumij(t)表示。 这个局部和可以为0～18之间的任一值。根据这个局部和，按照表格中的规 则确定每个中心元胞的下一时刻的状态Sij(t+1)。其中，i，j表示中心元胞的横、 纵坐标，t表示时刻。
表1：
Sumij(t) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Sij(t+1) 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1
Sumij(t) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Sij(t+1) 1 1 2 1 2 2 2 2 2
按上述表格1的规则进行演化，当所有的元胞循环迭代a次后，其中，a是由 具体的演化程度而定的，80≤a≤120，即曝气初期，微生物由于物理、化学等 的作用相互吸附，并吸附周围的有机物，待演化完成，演化图形基本不再变 化以后，结束此次循环，更新演化规则。如下：
表2：
Sumij(t) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Sij(t+1) 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1
Sumij(t) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Sij(t+1) 1 2 1 2 2 2 2 2 2
按上述表格2的规则继续进行演化，当所有的元胞循环迭代b次后，其中，b 是由具体的演化程度而定的，80≤b≤120，即微生物吸附有机物后，处于对数 增长时期，分解有机物，并大量迅速繁殖，待分解速度减慢至每循环一次演 化图形变化很小时，结束此次循环，更新演化规则。
如下：
表3：
Sumij(t) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Sij(t+1) 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1
Sumij(t) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Sij(t+1) 2 1 2 2 2 2 2 2 2
按上述表格3的规则继续进行演化，当所有的元胞状态为2状态，即曝 气池内剩余的为大量微生物和一部分难于降解的有机物，结束循环，完成整 个活性污泥吸附和稳定的过程。
活性污泥处理系统运行的基本条件是：废水中需含有微生物所需的C、N、 P等营养物质及微量元素；混合液中要含有足够的氧；活性污泥与废水应充分 接触；废水中含有的有毒污染物质的量应足够低，对微生物不能构成抑制作 用；活性污泥需连续回流，并及时排放剩余污泥，使混合液保持适量的活性 污泥。微生物生长的环境因素：大部分微生物适宜的温度是20～40℃；大多数 微生物在PH值为6.5～8之间生长较好；微生物的营养主要有碳源、氮源、磷 等；污水中的有毒物质会破坏微生物的元胞膜和体内酶，使酶失去活性，影 响污水处理效果。根据上述条件，在实际应用过程中，为保证微生物正常的 代谢过程，具体要求：曝气池的进水只限于生活污水。因为生活污水的营养 源中的C、N、P比例符合微生物生长所需的营养物的比例，可为微生物提供 充分的养分；曝气池中溶解氧的浓度充足，进水中无有毒物质，并且系统运 行温度控制在20～30℃，PH值在6.5～8之间，保证酶的活力和微生物的生长 繁殖状态最好。
本发明模拟的是曝气池内活性污泥的吸附和稳定过程，主要是针对有机 物的去除。该模型是以微生物为研究对象，没有考虑微生物具体种类的不同 与特殊微生物个别的行为，而是抓住微生物的主要特征，模拟出其在污水处 理中的生长繁殖衰亡情况，从而得到有机物的去除过程。对其分析可供进一 步研究之用，比如可以通过调整微生物的数量达到更好的去除效果；也可以 通过增加微生物的种类来去除污水中的其它杂质；可以建立更加精确可靠的 模型。
与传统方法相比，本发明方法首次利用退火元胞自动机规则模拟实现活 性污泥吸附与稳定的生化反应过程，解决现有的模型难以克服活性污泥系统 的复杂性的问题；本发明使得活性污泥系统微观的演化行为更为明晰和易于 把握，便于人们对污水生物处理的认识和理解；对其进行分析利用，可以用 于建立更加精确的活性污泥吸附和稳定的模型。
附图说明
图1Moore型的邻居结构
图2a曝气池的初始状态
图2b～i有机物的吸附分解过程。图中，深灰色表示2状态，浅灰色表示 0状态；白色表示1状态。图2b表示曝气初期，微生物进入曝气池，并随机 分布；图2c、d表示微生物由于物理、化学等的作用相互吸附，并吸附周围 的有机物，为有机物被分解、微生物大量繁殖作准备；图2e、f表示微生物处 于对数增长时期，微生物分解有机物，并大量迅速繁殖，活性污泥大量增加； 图g～i表示静止时期，微生物吸附分解有机物的速度减慢，且活性污泥的增加 缓慢。
图2j稳定过程。所有可降解的有机物被分解完毕后，活性污泥处于稳定 阶段。此时曝气池内剩余的为大量微生物和一部分难于降解的有机物，如死 亡的微生物的难于降解的元胞壁和元胞质等物质，都将作为活性污泥的成分 在曝气后期被去除。
图3活性污泥的生长曲线。图中，活性污泥的浓度随时间不断增加，由 最初的3300mg/L，增加到4042mg/L，与实际出水时活性污泥的浓度3890mg/L 相比相差很小。该曲线很好地模拟了活性污泥生长模式曲线的对数期、静止 期和衰亡期，与理论上的活性污泥生长模式曲线基本一致，
具体实施方式
1.本发明是基于退火元胞自动机规则的，首先要建立活性污泥系统中相 应的初始模型，并初始化元胞状态。
以100×100的二维空间作为初始模型。由于传统活性污泥系统连续进水 且水质稳定，即每次有机物浓度和回流污泥浓度不变，每个竖截面的演化过 程相同，所以采用二维元胞自动机模拟竖截面的演化过程。考虑到污水处理 的实际意义，根据元胞自动机边界条件的确定方法，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9801个格 子均匀分布，每个格子代表一个元胞。
元胞的状态一共有三种可能：元胞是空或者水分子，为0状态；该格子 有机物被邻居吸附，为1状态；微生物或者残留的难于降解的有机物，为2 状态。
初始化每个元胞的状态：任一个格子的状态初始化，是有一定程度的随 机性的，某状态在格子以概率p出现，或以概率1-p不出现，即服从概率上的 (0-1)分布，其中，0＜p＜1。元胞最初的状态只有状态0和2，状态1是 在反应开始后才出现的。当某状态出现的概率p≥p1时为2状态，其余为0状 态。其中，p1＝0.5。
2.确定邻居结构。元胞随时间的演化是由邻居元胞的状态，即邻居结构 决定的。
本发明采用Moore型的邻居结构，它由一个中心元胞(要演化的元胞)、 4个位于其邻近的东西南北方位的元胞及4个位于其次邻近的东北、西北、东 南、西南方位的元胞组成，如图1。中心元胞在演化过程中与其本身和邻居的 八个元胞的状态有关，即中心元胞的下一时刻的状态由当前时刻自身的状态 和八个邻居元胞的状态来确定。
3.根据初始模型和邻居结构来确定演化规则，具体演化过程如下：
计算每个中心元胞与其8个邻居的状态和，称为局部和，用Sumij(t)表示。 这个局部和可以为0～18之间的任一值。根据这个局部和，按照表格中的规 则确定每个中心元胞的下一时刻的状态Sij(t+1)。其中，i，j表示中心元胞的横、 纵坐标，t表示时刻。
表1：
Sumij(t) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Sij(t+1) 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1
Sumij(t) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Sij(t+1) 1 1 2 1 2 2 2 2 2
按上述表格1的规则进行演化，当所有的元胞循环迭代100次后，即曝 气初期，微生物由于物理、化学等的作用相互吸附，并吸附周围的有机物， 待完成以后，结束此次循环，更新演化规则。如下：
表2：
Sumij(t) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Sij(t+1) 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1
Sumij(t) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Sij(t+1) 1 2 1 2 2 2 2 2 2
按上述表格2的规则继续进行演化，当所有的元胞循环迭代100次后， 即微生物吸附有机物后，处于对数增长时期，分解有机物，并大量迅速繁殖， 待分解速度减慢后，结束此次循环，更新演化规则。如下：
表3：
Sumij(t) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Sij(t+1) 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1
Sumij(t) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Sij(t+1) 2 1 2 2 2 2 2 2 2
按上述表格3的规则继续进行演化，当所有的元胞状态为2状态，即曝 气池内剩余的为大量微生物和一部分难于降解的有机物，结束循环，完成整 个活性污泥吸附和稳定的过程。
本发明方法首次利用退火元胞自动机规则模拟活性污泥吸附与稳定的生 化反应过程。较好地模拟了微生物吸附分解有机物的情况，并很好地模拟了 活性污泥生长模式曲线的对数期、静止期和衰亡期，与理论上的活性污泥生 长模式曲线基本一致，最终结果与实际的污泥浓度相差很小。这对于人们进 一步认识和理解污水生物处理的过程具有指导作用；对其进行分析利用，可 以建立更加精确的模型。
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