曝气生物滤池工艺设计和仿真运行的计算机虚拟设备

将计算机仿真技术与水处理反应动力学和水力计算的理论相结合，构造出水处理工艺等各种类型的虚拟设备(仪器)，是水环境工程应用技术的一个新领域。在污水处理工程的设计和生产现场调度上，用虚拟设备仿真技术来预测水力工况和水处理进程，解决相关的工程问题，能有效地提高工作的质量和效率。为此，安徽工业大学环境工程研究所与马鞍山环保科技发展有限公司联合开发出了BAF工艺设计和仿真运行的计算机虚拟设备。

一、水环境工程的虚拟设备

虚拟设备(仪器)是指代替仪器设备实物功能的一种计算机模拟应用技术。虚拟仪器的产生被认为是仪器仪表工业划时代的里程碑。目前该领域的研究十分活跃，虚拟技术在汽车发动机检测系统、电力拖动系统、煤矿自动化、仪器计量及自动控制系统方面均获得大量的应用。
LabVIEW是一种新型的图形编程平台，是称为G(图形)语言的可视化交互技术。G语言编程平台是由框图程序和仪表面板两部分组成。程序员根据生产过程中的操作和显示需要设计仪表面板，在框图程序中用数据连线的方式进行函数运算，实施编程。编程开发工作完成后，经过编译，产生出能够独立运行的执行文件，这种具有图形仿真功能的应用程序被称为水环境工程虚拟设备。
水环境工程虚拟设备的应用主要有以下几方面：①水环境工程中的仿真实脸；②仿真实验与a真实实验结合。简化可行性论证。③方案比较和可视化设计；④现场控制、预案制定。
工程设计前，在了解真实实验设备和操作过程的装础上，应用水处理虚拟设备进行仿真实验，缩短了实验时间，减少了重复劳动，提裔了效率。在可视的虚拟设备界面中。通过控制任务的水量、水质，控剖环境参数和选择构筑物尺寸进行设计，不需进行计算。相关工艺参数和处理结果可以在仪表面板上直接读出，这就是可视化设计的新方法。这不仅节约大量的实验研究时间和经费，也能进行更广泛的选择，从而获得优化结果。提高设计的可靠性。在已建成的水处理设施上，虚拟控制台和仪表盘“所见即所得”的方式利于现场操作人员用来进行控制和预报；如果水处理虚拟设备与在线数据采集系统相结合，可以进一步提高水处理设施的运行水平和自动化程度。
使用LabVIEW开发平台编制的程序称为虚拟设备(仪器)程序，简称为VI。VI包括程序前面板(仪表面板)和框图序两部分。程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的面板。在程序面板上，输入量被称为控制(Controls)，输出量被称为显示(Indicators)。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图标、图形等，这使得前面板直观易懂。

计算生物滤池空塔流速的虚拟仪器面板和框图程序如图7-9所示。滤塔直径以cm计，写入数据框内进行设置。直径除以100后，用公式πD2/4求得滤塔面积，水量控制使用旋钮，流速经单位变换后除以滤塔面积求出，并在仪器面板上用直观方式仪表显示。通过拔动水量旋钮，用仪表读数的方式获得需要的流速，这种方法在进行设计工作时显得十分方便。
虚拟仪器的控制面板是使用控制模板(Controls Palette)来建立的，只有当打开前面板窗口时才能调用控制模板。通过选择控制模板中的图标可以给前面板添加输入控制和输出显示。每个图标代表一个子模板。如果控制模板不显示。可以用Windows菜单的“Show Controls Palette”功能打开它，也可以在前面板的空白处，点击鼠标右键，以弹出控制模板。控制模板和常用子模板说明如图7-10所示。

虚拟仪器的功能模板(Functions Palette)是创建框图程序的工具，只有打开了框图程序窗口，才能出现功能模板。该模板上的侮一个顶层图标都表示一个子模板。若功能模板不出现，则可以用Windows菜单下的“Show Functions Palette”功能打开它，也可以在框图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出功能模板。功能模板和常用子模板说明如图7-11所示。

在创建如图7-9的VI程序时，使用输入控制和输出显示来构成前面板。控制是用户输入数据到程序的接口，而显示是输出程序产生的数据接口。控制和显示有许多种类，可以从控制模板的各个子模板中选取。
框图程序是由节点、端点、图框和连线四种元联构成的。
(1)节点；类似于文本语言程序的语句、函数或者子程序。LabVIEW在功能模板中提供了多种功能函数节点，可选择使用到框图程序中。例如图7-9中的加法、乘法、除法运算图标。
(2)端点；是只有一路输入/输出，且方向固定的节点。LabVIEW有三类端点：前面板对象端点，全局与局部变量端点和常量端点。控制对象对应的端点在框图中是用粗框框住的，如图7-9中的水量和塔直径端点，它们只能在VI程序框图中作为数据流源点。显示对象对应的端点在框图中是用细框框住的，如例子中流速和面积端点，它们只能在VI程序框图中作为数据流终点。常量端点永远只能在VI程序框图中作为数据流源点。
(3)连线；是端口间的数据通道。它们类似于普通程序中的变量。数据是单向流动的，从源端口向一个或多个目的端口流动。不同的线型代表不同的数据类型。在彩显上，每种数据类型还以不同的颜色予以强调。当把连线工具放在端点上时，该端点区域将会闪烁。表示连线将会接通该端点。当把连线工具从一个端口接到另一个端口时。不需要按住鼠标键。当需要连线转弯时，点击一次鼠标键。即可以正交垂直方向地弯曲连线，按空格键可以改变转角的方向。
(4)图框是LabVIEW实现程序结构控制命令的图形表示。如循环控制、条件分支控制和顺序控制等，编程人员可以使用它们控制VI程序的执行方式。
因此，每一个虚拟仪器都有着它们的程序面板和对应的框图程序。框图程序用LabVIEW图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。框图程序由端口、节点、图框和连线构成。其中端口被用来同程序面板的控制和显示传递效据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的教据流动方向。编程工作完成后，可在LabVIEW环境下直接运行，也可以用LabVIEW提供的工具包进行编译，产生出能够在Windows环境下独立运行的执行文件。水环境工程虚拟设备就是这样的仿真应用程序。

二、曝气生物滤池的虚拟设备

在LabVIEW平台上，编程完成了能够在Windows环境下独立运行的曝气生物滤池工艺的仿真实验和可视化设计的软件PQLC2.0。使用安装盘，点击Setup.exe自动完成曝气生物滤池新工艺应用软件的安装。运行PQLC2.0应用软件后出现的曝气生物滤池新工艺进入页面如图7-12所示。

曝气生物滤池新工艺应用软件的进入页面设置了8个控制按钮。
按钮①：停止运行。
按钮②③④⑤⑥：用于调用相应参考画面，按下按钮时会出现操作流程和虚拟仪器面板。通过按下和释放按钮，便于认识操作进程和在运行程序过程中查阅。
按钮⑦：运行可视化设计软件模块。
按钮⑧：运行一体化设备使用和流程设计软件模块。
1.曝气生物滤池单体构筑物的可视化设计
同步除碳脱氮曝气生物滤池单元的智能化工艺设计流程框图如图7-13所示。虚拟仪器面板如图7-14所示。根据第一节对虚拟仪器的描述，可在面板中区别出控制量和显示量。

对照图7-14中标号，主要控制量有：①选择原水类型，每种不同的原水类型对应着不同的生物反应动力学参数。②选择运行工况或冲洗工况；③指定运行水温；④选择池形(方形或园形)；⑤设计池体尺寸(方形池长、宽或园形的直径)，选择工作滤床的高度；⑥任务-进水流量；⑦任务-原水水质，指定进水BOD和NH3-N的浓度(mg/L);⑧开启风机按钮，提供了3台不同风量和风压的风机(多台可并联运行)；⑨控制阀门的开启程度，以获得需要的供气量，作为实际风机选型参考；⑩设计参考值，按下后出现没计位参考范围。
报据以上控制量，获得需要的设计参量和处理效果可在虚拟仪器上读数。①滤池面积、滤料体积、滤池的总高。②出水水质BOD、NH3-N、SS浓度；③计算底物去除率，进水浓度减去出水浓度后除以进水浓度。④以去除底物计算的容积负荷[kgBOD/(m3滤料·d)，kgNH3-N(m3滤料·d)]；⑤反应时间，即污水流过滤料层的真实停留时间，取圆形陶粒滤料空隙率ε=0.5；⑥水力负荷，即单位时间和面积处理的水从[m3/(m2·h)]，与水流的空塔流速(m/h)相同；⑦空塔气流(m/h)，即单位时间内空塔截面积上通过的气量m3/(m2·h)；⑧碱度消耗，根据7.14Q△c(NH3-N)/1000计算量，未考虑安全系数和厌氧返还；⑨其他各项意义自明。
2.一体化设备使用和流程设计

一体化曝气生物滤池的设备和流程设计框图如图7-15所示。虚拟仪器面板如图7-16所示。在一体化设备使用和流程设计虚拟仪器软件中，辨别出控制量，这些控控制量为：①选择原水类型，每种不同的原水类型对应着不同的生物反应动力学参数；②选择一体化曝气生物滤池的设备型号；③指定任务-进水流量；④指定任务-原水水质，进水BOD和NH3-N的浓度(mg/L)。⑤设计一体化曝气生物滤池的设备流程组合，选择串联级数；⑥设计一体化曝气生物滤池的设备流程组合，选择每级并联台数。
根据以上控制量，获得需要的设计参考和处理效果可在虚拟仪器上动态显示。
①铭牌显示-滤池标称流量、标称直径、滤料体积、滤池的水深、总高；
②铭牌显示-滤池的标称连接法兰；
③第一级曝气生物滤池的负荷[kgBOD去除/(m3滤料·d)]；
④第一级曝气生物滤池水力负荷[m3/(m2·h)]或空塔滤速(m/h)；
⑤第一、二、三级出水水质BOD、NH3-N浓度动态输出。
3.曝气生物滤池工艺的预测和运行控制方案

曝气生物滤他工艺的预测和运行控制框图如图7-17所示。实施的具体细节与整个水处理的控制水平和基本平配置有关需要按具体情况分别设计和对待。

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