环境工程仿真与控制电子教案.ppt

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环境工程仿真与控制环境工程仿真与控制电子教案电子教案姚重华姚重华研制研制高等教育出版社高等教育出版社高等教育高等教育电子音像出版社电子音像出版社前前言言“环境工程仿真与控制环境工程仿真与控制”是环境工程专业一门新的课程。

开设该课程的目是环境工程专业一门新的课程。

开设该课程的目的，是贯彻我国关于信息化带动工业化的方针，将信息技术引入环境工程专业的，是贯彻我国关于信息化带动工业化的方针，将信息技术引入环境工程专业教学。

教学。

该课程的教材该课程的教材环境工程仿真与控制环境工程仿真与控制为教育部为教育部“九五九五”规划教材，也是规划教材，也是面向面向2121世纪教材，于世纪教材，于20012001年由高等教育出版社出版发行；年由高等教育出版社出版发行；环境工程仿真与控环境工程仿真与控制制（第二版）为教育部（第二版）为教育部“十五十五”国家级规划教材，于国家级规划教材，于20052005年由高等教育出版年由高等教育出版社出版发行。

社出版发行。

“环境工程仿真与控制电子教案环境工程仿真与控制电子教案”覆盖覆盖环境工程仿真与控制环境工程仿真与控制（第二版）（第二版）的主要内容，即仿真、过程控制、动态分析及人工智能。

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使使用用说说明明本电子教案利用本电子教案利用MSPowerPointMSPowerPoint编制，计有编制，计有pptppt473473张，在内容章节编排张，在内容章节编排上基本与原教材同步。

为简化起见，将第五章的上基本与原教材同步。

为简化起见，将第五章的“复杂系统控制复杂系统控制”的内容并入的内容并入第二章第二章“过程控制过程控制”中。

中。

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本电子教案可供为环境工程专业本科生及研究生开设本电子教案可供为环境工程专业本科生及研究生开设“环境工程仿真与控环境工程仿真与控制制”课程的教师使用，也可供环境工程专业的本科生及研究生或从事环境工程课程的教师使用，也可供环境工程专业的本科生及研究生或从事环境工程仿真与控制的专业技术人员作为学习仿真与控制的专业技术人员作为学习“环境工程仿真与控制环境工程仿真与控制”教材的参考资料。

教材的参考资料。

第第1章章仿真仿真第第22章章过程控制过程控制第第3章章动态分析动态分析第第4章章人工智能人工智能目目录录第第11章章仿仿真真第第一一节节模型的建立模型的建立一、模型分类一、模型分类二、简单系统建模二、简单系统建模三、复杂系统建模三、复杂系统建模第第二二节节模型的分析模型的分析一、四阶龙格库塔法一、四阶龙格库塔法二、有限差分法二、有限差分法第第三三节节MatLab/SimuLink应用应用第第一一节节模型的建立模型的建立一、模型分类一、模型分类二、简单系统建模二、简单系统建模三、复杂系统建模三、复杂系统建模一、一、模型分类模型分类按原理分：

按原理分：

机理、统计、人工智能机理、统计、人工智能按数学形式分：

按数学形式分：

代数、微分、偏微分代数、微分、偏微分按模型参数分：

按模型参数分：

集总、分布集总、分布按变量间关系分：

按变量间关系分：

线性、非线性线性、非线性按时间特性分：

按时间特性分：

连续、离散连续、离散按时变特征分：

按时变特征分：

稳态、非稳态稳态、非稳态二、简单系统建模二、简单系统建模建模方法建模方法守恒定律（一进一出一反应守恒定律（一进一出一反应）包含：

质量、动量、包含：

质量、动量、COD、电荷、能量等电荷、能量等式中：

V反应器体积；dj/dt组分j在V内的浓度随时间t的变化率；qi、qo分别是流入或流出V的液体流量；ji、jo分别是组分j在进水和出水中的浓度；Rjn第n个反应中组分j生成或消失时浓度变化的速率。

简单系统建模简单系统建模举例举例例例1.1液槽水量模型液槽水量模型例例1.2带溢流堰液槽液位模型带溢流堰液槽液位模型例例1.3调节池水质模型调节池水质模型例例1.4曝气池溶解氧浓度模型曝气池溶解氧浓度模型例例1.5污泥耗氧速率模型污泥耗氧速率模型例例1.6污泥生长及氮的消耗模型污泥生长及氮的消耗模型例例1.7异养菌好氧生长与有机碳消耗模型异养菌好氧生长与有机碳消耗模型液槽水量模型液槽水量模型（无反应）（无反应）minmout式中：

min进水流量，kg/s；mout出水流量，kg/s；M储水量，kg。

进水流量阶跃上升进水流量阶跃上升出水流量同步阶跃上升出水流量同步阶跃上升储水量不变时（稳态）例例1.1带溢流堰液槽液位模型带溢流堰液槽液位模型（仅考虑水量）（仅考虑水量）从溢流堰流出的水量计算公式为（Francis堰）：

式中：

流体密度；n溢流堰数量；L溢流堰长度；1.5指数，与溢流堰形状有关；h溢流堰上方液面高度；A液槽面积；H溢流堰高度。

进水流量阶跃上升进水流量阶跃上升出水流量非同步上升出水流量非同步上升例例1.2调节池水质模型调节池水质模型（考虑浓度稀释）（考虑浓度稀释）qin,Ss,inqout,Ss,out式中：

Ss,in进水基质浓度；Ss,out出水基质浓度。

进水基质浓度阶跃下降进水基质浓度阶跃下降出水基质浓度非同步阶跃下跌出水基质浓度非同步阶跃下跌V，Ss例例1.3曝气池溶解氧浓度模型曝气池溶解氧浓度模型（传质改变浓度）（传质改变浓度）式中：

So,in、So,out进、出水溶解氧浓度；So,s曝气池饱和溶解氧浓度；KLa溶解氧传质系数；（KLa）CW纯水中溶解氧传质系数；（So,s）CW纯水中溶解氧饱和浓度；、比例常数；Ka与曝气装置有关；qa空气流量。

空气流量阶跃上升空气流量阶跃上升出水溶解氧浓度非同步阶跃上升出水溶解氧浓度非同步阶跃上升例例1.4污泥耗氧速率模型污泥耗氧速率模型（反应改变浓度）（反应改变浓度）将等量污泥分别置于一系列试瓶中，密封后经不同时间间隔依次测定各瓶中的溶解氧浓度，将反应时间对溶解氧浓度作图，可得如图所示曲线。

式中：

rmax污泥最大耗氧速率；KO溶解氧半饱和常数。

017h内溶解氧浓度线性下降，内溶解氧浓度线性下降，17h后非线性下降后非线性下降例例1.5污泥生长及氮的消耗模型污泥生长及氮的消耗模型（双耦合反应）（双耦合反应）式中：

Xb微生物浓度；V反应器体积；qin、qout进、出水水量；Xb,in、Xb,out进、出水微生物浓度；rb微生物反应速率；Sn氨氮浓度；Sn,in、Sn,out进、出水氨氮浓度；rn氨氮反应速率。

二个组分浓度二个组分浓度相互关联相互关联例例1.6异养菌好氧生长与有机碳消耗模型异养菌好氧生长与有机碳消耗模型（三耦合反应）（三耦合反应）式中：

Xh微生物浓度（COD）；V体积；qin、qout进、出水水量；Xh,in、Xh,out进、出水微生物浓度（COD）；rh微生物反应速率；Ss可溶基质浓度；Ss,in、Ss,out进、出水可溶基质浓度；rs可溶基质反应速率；So溶解氧浓度；So,in、So,out进、出水溶解氧浓度；ro溶解氧反应速率。

三个组分浓度三个组分浓度相互关联相互关联例例1.7三、复杂系统建模三、复杂系统建模例例1.8活性污泥过程数学模型活性污泥过程数学模型例例1.9厌氧消化过程数学模型厌氧消化过程数学模型例例1.10二沉池一维浓度分布模型二沉池一维浓度分布模型例例1.11沉淀池二维流场模型沉淀池二维流场模型多多相相多组分多组分多尺度多尺度多目标多目标活性污泥模型活性污泥模型ASMNo.1描述活性污泥过程描述活性污泥过程反应机理反应机理可与过程可与过程进、出部分进、出部分构成构成完整模型完整模型1987年由年由IAWPRC（IWQ）发布发布学习环境工程学习环境工程仿真技术仿真技术的的良好范例良好范例活性污泥过程分析软件活性污泥过程分析软件（如（如EFOR）的基础的基础1982ASM课题组成立课题组成立（IAWPRC）1987ASMNo.1（IAWPRC）1995ASMNo.2（IAWPRC，IAWQ）1999ASMNo.2D（IWQ）1999ASM3（IWQ）例例1.81.活性污泥过程示意图活性污泥过程示意图A.TS.T进水进水出水出水废弃污泥废弃污泥空气空气例例1.8CODCOD守恒守恒质量守恒质量守恒电荷守恒电荷守恒2.ASM1建模原理建模原理例例1.83.建模方法建模方法（11）合理假定合理假定（22）系统分割系统分割（33）建立基本方程建立基本方程（44）建立相关方程建立相关方程（5）建立组分总反应速率方程建立组分总反应速率方程（66）统一单位统一单位（77）确定参数确定参数（88）建立建立组分总速率方程组分总速率方程例例1.8（11）曝气池）曝气池pHpH及温度正常及温度正常（22）池内微生物种群和浓度正常）池内微生物种群和浓度正常（33）池内污染物浓度可变）池内污染物浓度可变,但成分及组成不变但成分及组成不变（44）微生物营养充分）微生物营养充分（55）二沉池无反应，仅作固液分离二沉池无反应，仅作固液分离4.合理假定合理假定例例1.8异养菌好氧生长异养菌好氧生长异养菌缺氧生长异养菌缺氧生长自养菌好氧生长自养菌好氧生长异养菌衰减异养菌衰减自养菌衰减自养菌衰减可溶有机氮的氨化可溶有机氮的氨化被吸着缓慢降解有机碳的被吸着缓慢降解有机碳的“水解水解”被吸着缓慢降解有机氮的被吸着缓慢降解有机氮的“水解水解”88个子过程个子过程5.系统分割系统分割例例1.8

（1）过程过程1313个组分个组分例例1.81.易降解有机碳，易降解有机碳，Ss2.缓慢降解有机碳，缓慢降解有机碳，Xs3.可溶性可降解有机氮，可溶性可降解有机氮，Snd4.颗粒状可降解有机氮，颗粒状可降解有机氮，Xnd5.溶解氧，溶解氧，So6.氨态氮，氨态氮，Snh7.硝态氮，硝态氮，Sno8.碱度，碱度，Salk9.异养菌，异养菌，Xbh10.自养菌，自养菌，Xba11.可溶惰性有机碳，可溶惰性有机碳，Si12.颗粒惰性有机碳，颗粒惰性有机碳，Xi13.微生物衰减产物，微生物衰减产物，Xp

（2）组分组分6.ASM1组分与子过程的关系组分与子过程的关系（化学计量系数）（化学计量系数）例例1.8式中：

h,max异养菌最大比生长速率；Ks相应于Ss的饱和常数；Ko,h相应于So在异养菌好氧生长中的饱和常数；脚标子过程的编号。

7.7.建立基本速率方程建立基本速率方程

（1）异养菌好氧生长）异养菌好氧生长例例1.8式中：

KnoSno在异养菌生长中的饱和常数；g校正系数。

例例1.8

（2）异养菌缺氧生长异养菌缺氧生长式中：

a,max自养菌最大比生长速率；KnhSnh在自养菌生长中的饱和常数；Ko,aSo在自养菌生长中的饱和常数。

例例1.8（3）自养菌好氧生长自养菌好氧生长式中：

bh异养菌衰减一级速率方程动力学常数。

式中：

式中：

ba自养菌衰减一级速率方程动力学常数。

自养菌衰减一级速率方程动力学常数。

例例1.8（4）异养菌衰减异养菌衰减（5）自养菌衰减自养菌衰减式中：

式中：

Ka有机氮氨化动力学常数。

有机氮氨化动力学常数。

例例1.8（6）有机氮氨化有机氮氨化（或（或氨氮增加）氨氮增加）式中：

Kh水解动力学常数；Kx水解反应常数；h缺氧水解校正因子。

（7）易降解有机碳易降解有机碳SSss增加增加（即缓慢降解有机碳（即缓慢降解有机碳XXSS水解的反过程水解的反过程）Xbh：

Xbh，（dSs/dt）7，（dXs/dt）7Xbh含胞外酶，对含胞