以溶解氧濃度作為SBR法模糊控制參數(shù)
模糊控制在水處理領(lǐng)域已得到成功的應(yīng)用，尤其是活性污泥法污水處理系統(tǒng)，它本身屬于復(fù)雜的動(dòng)態(tài)工程系統(tǒng)，無(wú)法找到精確的模型來(lái)描述，目前研究較多的是對(duì)出水懸浮物進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制的動(dòng)態(tài)活性污泥法模糊控制［1］；在高純氧活性污泥法中采取模糊控制，既能防止能量浪費(fèi)，又能避免DO不足［2］。對(duì)硝酸態(tài)氮污染水脫氮處理的新方法—生物電極法采用模糊控制，有利于避免過(guò)量地投加有機(jī)物，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用［3、4］。 80年代以來(lái)，序批式活性污泥法（SBR法）用于處理間歇排放的水質(zhì)水量變化很大的工業(yè)廢水取得了很大成功并被廣泛應(yīng)用。SBR法的主要缺點(diǎn)是運(yùn)行管理復(fù)雜，只有實(shí)現(xiàn)SBR法的自動(dòng)控制，才能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的控制方法是時(shí)間程序控制和流量程序控制，即確定SBR法五個(gè)階段所需要的時(shí)間后，實(shí)現(xiàn)其計(jì)算機(jī)控制。而工業(yè)廢水的排放不僅是變化的或間歇的，而且其有機(jī)物濃度也隨時(shí)間變化很大，往往相差幾倍或十幾倍。如果按相同的反應(yīng)時(shí)間控制SBR的運(yùn)行，當(dāng)進(jìn)水濃度高時(shí)出水不達(dá)標(biāo)，當(dāng)進(jìn)水濃度低時(shí)曝氣時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，浪費(fèi)能源還易發(fā)生污泥膨脹。為了實(shí)現(xiàn)SBR法更高層次的計(jì)算機(jī)在線控制，必須尋找一個(gè)參數(shù)既能反映進(jìn)水COD濃度的變化及反應(yīng)過(guò)程中的降解情況，又能作為計(jì)算機(jī)控制參數(shù)，這也是深化SBR自動(dòng)控制的重要研究課題。溶解氧濃度由于其能夠在線檢測(cè)、響應(yīng)時(shí)間短、精確度高，人們?cè)诨钚晕勰喾ㄖ袊@溶解氧濃度已做了大量研究，包括用溶解氧濃度作為SBR法過(guò)程控制和反應(yīng)時(shí)間控制參數(shù)［5］，在脫氮反應(yīng)過(guò)程中以在線檢測(cè)的DO值模糊控制曝氣量［6］等。但未見(jiàn)到采用SBR法處理工業(yè)廢水時(shí)以在線檢測(cè)的DO值作為模糊控制參數(shù)的研究。
1 試驗(yàn)設(shè)備與方法
SBR法試驗(yàn)裝置如圖1所示。
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反應(yīng)器高
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
為了實(shí)現(xiàn)以DO作為SBR法運(yùn)行過(guò)程中曝氣量及反應(yīng)時(shí)間的模糊控制參數(shù)，必須尋找DO與有機(jī)物降解之間的規(guī)律性。因此，本試驗(yàn)在兩種不同條件下研究DO濃度對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響。2.1 同一進(jìn)水濃度不同曝氣量 試驗(yàn)配制原水COD濃度為1800mg/L，進(jìn)水混合后反應(yīng)初始COD濃度為1600mg/L。反應(yīng)過(guò)程平均MLSS=2000 mg/L，曝氣量分別為
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從圖中可以看出，反應(yīng)開(kāi)始8～10min左右，不同曝氣量下DO值顯著不同。曝氣量越小，此時(shí)的DO值越低，致使整個(gè)反應(yīng)過(guò)程DO處于較低水平，大大延長(zhǎng)了反應(yīng)時(shí)間。隨著曝氣量的增大，初始DO值也在增大，帶來(lái)整個(gè)反應(yīng)過(guò)程DO的提高，縮短了有機(jī)物達(dá)到難降解程度的時(shí)間，即減少了反應(yīng)時(shí)間。但是，過(guò)分地增大曝氣量，初始DO的過(guò)高會(huì)造成整個(gè)過(guò)程DO處于過(guò)高的水平，卻不能有效地縮短反應(yīng)時(shí)間，還造成能量的巨大浪費(fèi)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象可以從耗氧速率與DO的相關(guān)關(guān)系的研究中得到解釋，因?yàn)樵诘虳O濃度下，DO濃度對(duì)生化反應(yīng)速率的影響較大。當(dāng)DO在1～2mg/L范圍內(nèi)，隨著DO的提高，耗氧速率大幅度提高，標(biāo)志著有機(jī)物降解速率的加快，從而縮短反應(yīng)時(shí)間。當(dāng)DO超過(guò)2mg/L后，繼續(xù)增大DO值，由于受污泥濃度（MLSS）的限制，有機(jī)物降解速率的增加幅度較小。? 取進(jìn)水COD濃度分別為400、600、800、1000、1
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從圖可以看出，不同的進(jìn)水COD濃度，反應(yīng)10 min左右時(shí)DO值有很大差別，COD濃度越高，DO值越低，二者有很好的相關(guān)性。在COD濃度為650mg/L時(shí)，反應(yīng)10 min左右DO值就升到4.5 mg/L；而COD濃度為1300 mg/L時(shí)，反應(yīng)10 min時(shí)的DO值僅為1.3 mg/L。因此，在反應(yīng)開(kāi)始后較短的時(shí)間內(nèi)就可以根據(jù)檢測(cè)的DO值的大小預(yù)測(cè)出相應(yīng)的進(jìn)水COD濃度。 用SBR法處理石化廢水，以上述試驗(yàn)研究結(jié)果為基礎(chǔ)，設(shè)定每一周期初始的曝氣量均為
| 表1 進(jìn)水COD濃度和反應(yīng)時(shí)間預(yù)測(cè) | |||
| 初始 DO值 （mg/L） | 預(yù)測(cè)進(jìn)水COD濃度 （mh/L） | 適宜曝氣量 （m3/h） | 反應(yīng)時(shí)間 （min） |
| 5.5～5 | 400～600 | 0.2～0.3 | 90 |
| 5～3.70 | 600～800 | 0.3～0.4 | 100 |
| 3.70～2.20 | 800～1000 | 0.4～0.6 | 100 |
| 2.20～1.50 | 1000～1300 | 0.6～0.8 | 120 |
| 1.50～1.15 | 1300～1600 | 0.8～1.0 | 120 |
| 1.15～1.0 | 1600～1900 | 1.0～1.2 | 130 |
3 DO作為模糊控制參數(shù)的基本思想
SBR法的模糊控制目
Ei=DOoff-DOs i=1，2，3……(1)? CEi=Ei-Ei-1?i=1，2，3……(2)? 式中 i--第i次采樣的相應(yīng)數(shù)據(jù)? Ei-1--第i-1次采樣處理水DOoff的偏差。
根據(jù)這兩個(gè)輸入變量，經(jīng)過(guò)模糊控制器的計(jì)算、判斷與決策，作為模糊控制系統(tǒng)輸出變量的則是控制變量的變化量Δui，即曝氣量的變化量。 確定了模糊控制器的輸入與輸出變量后，根據(jù)模糊控制理論按照以下步驟實(shí)現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)。
F(x)=exp[-((x-a)/σ)2] (3)
此函數(shù)確定了模糊隸屬函數(shù)曲線的形狀。將確定的隸屬函數(shù)曲線離散化，就得到了有限個(gè)點(diǎn)上的隸屬度，便構(gòu)成了一個(gè)相應(yīng)的模糊變量的模糊子集。
| 表2 SBR法曝氣過(guò)程模糊控制規(guī)則表 | ||||||||
| E | CE | |||||||
| NB | NM | NS | O | PS | PM | PB | ||
| △u | ||||||||
| NB | PB | PB | PB | PB | PM | PS | O | |
| NM | PB | PB | PB | PM | PS | O | NS | |
| NS | PB | PM | PM | PS | O | NS | NM | |
| NO | PM | PM | PS | < | NS | NS | NM | |
| | PM | PS | PS | O | NS | NM | NM | |
| PS | PM | PS | O | NS | NM | NM | NB | |
| PM | PS | O | NS | NM | NB | NB | NB | |
| PB | O | NS | NM | NB | NB | NB | NB |
上述這些模糊控制規(guī)則可以用模糊條件語(yǔ)句來(lái)描述，例如：? if E=NB or NM and CE=NB or NM then u=PB or? if E=NB or NM and CE=NS then u=PB or ……
上述選取控制量變化的原則是：當(dāng)誤差大或較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除誤差為主；而當(dāng)誤差較小時(shí)，選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點(diǎn)。例如，當(dāng)DO誤差及誤差變化均為負(fù)大時(shí)，就是SBR反應(yīng)器內(nèi)DO濃度很低，而且有進(jìn)一步降低的趨勢(shì)，如果不加以調(diào)整，勢(shì)必造成反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或引起污泥膨脹，為盡快提高DO濃度，消除誤差，必須增大曝氣量，所以Δu取正大。當(dāng)誤差為負(fù)小，誤差變化為正小時(shí)，系統(tǒng)本身具有消除誤差的能力，可以不調(diào)整曝氣量。
R=(NBE+NME)×PBu］·［(NBCE+NMCE)×PBu］ (4)
如果此刻采樣所得到的實(shí)際誤差模糊變量為e，誤差變化的模糊變量為ce,根據(jù)推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量為u1:? u1=eo［(NBE+NME)×PBu］·?ceo·［(NBCE+NMCE)×PBu］ (5) 同理，可由其余模糊條件語(yǔ)句計(jì)算出相應(yīng)的模
u=u1+u2+……+un (6)? 由式（6）所計(jì)算出的控制量是一個(gè)模糊子集，不能直接應(yīng)用于被控對(duì)象，必須經(jīng)過(guò)非模糊化處理轉(zhuǎn)化為精確量。本文采用加權(quán)平均法作為非模糊化處理方法，計(jì)算式如下：
這種方法可以充分利用模糊推理結(jié)果、模糊子集提供的有用信息量，得到SBR法曝氣過(guò)程的模糊控制表，儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中。 上述過(guò)程是反應(yīng)進(jìn)行到8～9min，根據(jù)在線檢測(cè)的DO值預(yù)測(cè)進(jìn)水COD濃度，并在第10min對(duì)曝氣量進(jìn)行調(diào)整。為了保證較好的控制效果，可在后續(xù)反應(yīng)過(guò)程中繼續(xù)檢測(cè)DO值，并對(duì)曝氣量進(jìn)行再一次調(diào)整。調(diào)整次數(shù)的多少應(yīng)視預(yù)測(cè)進(jìn)水COD濃度的大小及相應(yīng)反應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短而定。在有機(jī)物達(dá)到難降解程度時(shí)，DO迅速大幅度升高，這是停止曝氣的信號(hào)。如果在反應(yīng)過(guò)程中，頻繁地調(diào)整曝氣量，勢(shì)必使DO始終維持在2.0mg/L左右，而不會(huì)發(fā)生DO迅速大幅度升高的現(xiàn)象，進(jìn)而影響反應(yīng)時(shí)間的控制。因此，試驗(yàn)中根據(jù)表1的試驗(yàn)結(jié)果，在反應(yīng)8～10 min預(yù)測(cè)到進(jìn)水COD濃度后，便相應(yīng)地預(yù)知反應(yīng)時(shí)間。如果預(yù)測(cè)的反應(yīng)時(shí)間在120min之內(nèi)，進(jìn)行兩次調(diào)整，第二次是在反應(yīng)進(jìn)行到30 min，DOs仍取2.0 mg/L，具體的控制方法同前。如果預(yù)測(cè)的反應(yīng)時(shí)間超過(guò)120 min，則進(jìn)行三次調(diào)整，第三次是在反應(yīng)進(jìn)行到60 min，DOs仍取2.0 mg/L，具體的控制方法同前。經(jīng)過(guò)這樣的方法控制，就可以彌補(bǔ)第一次調(diào)整曝氣量（8～10 min）所造成的誤差，而且不會(huì)影響對(duì)反應(yīng)時(shí)間的控制。3.2 作為反應(yīng)時(shí)間的控制參數(shù) 在反應(yīng)初期（8～10 min），以上述的模糊控制方法對(duì)曝氣量進(jìn)行調(diào)整后，使后續(xù)反應(yīng)過(guò)程中DO處于合適的水平。由于SBR法間歇運(yùn)行的特點(diǎn)，當(dāng)有機(jī)物達(dá)到難降解程度時(shí)，DO迅
| 表3 SBR反應(yīng)時(shí)間模糊控制表 | ||||
| E | CE | |||
| PS | PM | PB | ||
| △u | ||||
| PS | 0 | 0 | 0 | |
| PM | 0 | 0 | 0 | |
| PB | 0 | — | — | |
| 注 —表示停止曝氣 |
當(dāng)DO的誤差為PS和PM時(shí)，無(wú)論DO的變化速率如何，均維持原有的曝氣量，避免因曝氣時(shí)間不夠而使出水達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)。只有當(dāng)E達(dá)到PB,且CE達(dá)到PM或PB，才認(rèn)為有機(jī)物不再被降解，應(yīng)該停止曝氣。 將3.1、3.2闡述的內(nèi)容結(jié)合起來(lái)，便可以DO作為控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)SBR法曝氣過(guò)程和反應(yīng)時(shí)間的模糊控制。當(dāng)然，任何一種控制方法都無(wú)法保證每一次預(yù)測(cè)和控制都是準(zhǔn)確無(wú)誤的，有時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)異常現(xiàn)象。例如：根據(jù)8～10min的DO值預(yù)知反應(yīng)時(shí)間為120min左右，可是在90min就出現(xiàn)了DO迅速大幅度升高的現(xiàn)象，說(shuō)明COD的預(yù)測(cè)值大于實(shí)際值。如果這種情況發(fā)生，此時(shí)不應(yīng)該再調(diào)整曝氣量，為防止因較早停止曝氣而使出水不達(dá)標(biāo)，只能改變反應(yīng)時(shí)間控制規(guī)則中的某些參數(shù)，使控制規(guī)則更為嚴(yán)格。本試驗(yàn)中DO升高的幅度由正常時(shí)的3.5 mg/L提高到4.5 mg/L，DO變化速率也由0.30 mg/(L·min)提高到0.35 mg/(L·min)，即只有Ei≥4.5 mg/L,CEi≥0.35 mg/(L·min)，才可以停止曝氣。還有另外一種相反的情況，就是預(yù)測(cè)的
4 結(jié)論
① 采用SBR法處理石油化工廢水，有機(jī)物降解初期（8～10 min）的溶解氧濃度對(duì)整個(gè)反應(yīng)過(guò)程有重要影響。如果初始DO值過(guò)高必將導(dǎo)致反應(yīng)過(guò)程DO值的普遍過(guò)高，不但不會(huì)有效地縮短反應(yīng)時(shí)間，反而會(huì)增大運(yùn)行費(fèi)用。相反，如果 DO值過(guò)低，則延長(zhǎng)了反應(yīng)時(shí)間，而且容易引起污泥膨脹。 ② 可以用反應(yīng)初始階段溶解氧濃度作為SBR法曝氣量的模糊控制參數(shù)。假定每一反應(yīng)周期初始曝氣量相同，可根據(jù)反應(yīng)開(kāi)始后較短時(shí)間內(nèi)（8～10 min）DO值的變化情況預(yù)測(cè)進(jìn)水COD濃度，進(jìn)而調(diào)整到該濃度下適宜的曝氣量。在反應(yīng)過(guò)程中，也可以根據(jù)DO變化情況對(duì)曝氣量進(jìn)行再一次調(diào)整。 ③ SBR反應(yīng)器內(nèi)，當(dāng)有機(jī)物達(dá)到難降解程度時(shí)，DO迅速大幅度升高，這一變化特點(diǎn)可用模糊語(yǔ)言變量加以描述，實(shí)現(xiàn)對(duì)SBR反應(yīng)時(shí)間的模糊控制。
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