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1、以溶解氧浓度作为 SBR 法模糊控制参数模糊控制在水处理领域已得到成功的应用，尤其是活性污泥法污水处理系统，它本身属于复杂的动态工程系统，无法找到精确的模型来描述，目前研究较多的是对出水悬浮物进行预测和控制的动态活性污泥法模糊控制 1 ；在高纯氧活性污泥法中采取模糊控制，既能防止能量浪费，又能避免 DO 不足 2 。对硝酸态氮污染水脱氮处理的新方法生物电极法采用模糊控制，有利于避免过量地投加有机物，节省运行费用 3、4 。80 年代以来，序批式活性污泥法（SBR 法）用于处理间歇排放的水质水量变化很大的工业废水取得了很大成功并被广泛应用。SBR法的主要缺点是运行管理复杂，只有实现 SBR 法的
2、自动控制，才能发挥其优势。传统的控制方法是时间程序控制和流量程序控制，即确定 SBR 法五个阶段所需要的时间后，实现其计算机控制。而工业废水的排放不仅是变化的或间歇的，而且其有机物浓度也随时间变化很大，往往相差几倍或十几倍。如果按相同的反应时间控制 SBR的运行，当进水浓度高时出水不达标，当进水浓度低时曝气时间过长，浪费能源还易发生污泥膨胀。为了实现 SBR 法更高层次的计算机在线控制，必须寻找一个参数既能反映进水 COD 浓度的变化及反应过程中的降解情况，又能作为计算机控制参数，这也是深化 SBR自动控制的重要研究课题。溶解氧浓度由于其能够在线检测、响应时间短、精确度高，人们在活性污泥法中围
3、绕溶解氧浓度已做了大量研究，包括用溶解氧浓度作为 SBR 法过程控制和反应时间控制参数 5 ，在脱氮反应过程中以在线检测的 DO 值模糊控制曝气量 6等。但未见到采用 SBR 法处理工业废水时以在线检测的 DO 值作为模糊控制参数的研究。1 试验设备与方法SBR 法试验装置如图 1 所示。反应器高 70cm，直径 30cm，总有效容积 38L，采用鼓风曝气，转子流量计调节曝气量。在反应过程中在线检测 DO 值，并根据 DO值的变化在一定的时间间隔内取样测定 COD 及混合液污泥浓度（MLSS）等指标。试验用石化废水中含有乙酸、偏苯三酸及苯酐等多种有机化合物，加适量的自来水稀释，使 COD 浓度
4、在 4001900mg/L 范围内变化。由于原水中氮、磷元素含量极少，本试验按BOD5NP=10051 的比例投加氯化铵（NH 4Cl）和磷酸二氢钾（KH 2PO4）配制的营养液，并调整 pH 值为 66.5，水温控制在 20 左右。2 试验结果与分析为了实现以 DO 作为 SBR 法运行过程中曝气量及反应时间的模糊控制参数，必须寻找 DO 与有机物降解之间的规律性。因此，本试验在两种不同条件下研究 DO 浓度对反应过程的影响。2.1 同一进水浓度不同曝气量试验配制原水 COD 浓度为 1800mg/L，进水混合后反应初始 COD浓度为 1600mg/L。反应过程平均 MLSS=2000 mg
5、/L，曝气量分别为0.6m3/h、1.0m 3/h、1.2m 3/h 时试验结果如图 2 所示。从图中可以看出，反应开始 810min 左右，不同曝气量下 DO值显著不同。曝气量越小，此时的 DO 值越低，致使整个反应过程DO 处于较低水平，大大延长了反应时间。随着曝气量的增大，初始DO 值也在增大，带来整个反应过程 DO 的提高，缩短了有机物达到难降解程度的时间，即减少了反应时间。但是，过分地增大曝气量，初始 DO 的过高会造成整个过程 DO 处于过高的水平，却不能有效地缩短反应时间，还造成能量的巨大浪费。产生这种现象可以从耗氧速率与 DO 的相关关系的研究中得到解释，因为在低 DO 浓度下
6、，DO浓度对生化反应速率的影响较大。当 DO 在 12mg/L 范围内，随着DO 的提高，耗氧速率大幅度提高，标志着有机物降解速率的加快，从而缩短反应时间。当 DO 超过 2mg/L 后，继续增大 DO 值，由于受污泥浓度（MLSS）的限制，有机物降解速率的增加幅度较小。取进水 COD 浓度分别为400、600、800、1000、1300、1600、1900mg/L，每一进水浓度又在不同曝气量下进行试验，比较 DO 与有机物降解情况。试验中发现控制反应过程中 DO 为 2.0 mg/L 左右时最经济合理，其相应的曝气量为合适的曝气量。通过试验找出每一进水浓度下合适的曝气量，并应随着进水 COD
7、 浓度的不同，根据检测的初始 DO（810min 左右）值调节曝气量，使整个反应过程的 DO 处于适当的水平，既能保证出水水质，又能节省运行费用。2.2 不同进水浓度相同曝气量试验配制原水 COD 浓度分别为 850、1200、1500mg/L，进水混合后 COD 浓度分别为 650、980、1300mg/L，反应过程平均 MLSS 为2000mg/L，曝气量为 0.6 m3/h，试验结果如图 3 所示。从图可以看出，不同的进水 COD 浓度，反应 10 min 左右时 DO值有很大差别，COD 浓度越高，DO 值越低，二者有很好的相关性。在 COD 浓度为 650mg/L 时，反应 10 m
8、in 左右 DO 值就升到 4.5 mg/L；而 COD 浓度为 1300 mg/L 时，反应 10 min 时的 DO 值仅为1.3 mg/L。因此，在反应开始后较短的时间内就可以根据检测的 DO值的大小预测出相应的进水 COD 浓度。用 SBR 法处理石化废水，以上述试验研究结果为基础，设定每一周期初始的曝气量均为 0.6m3/h，在不知进水 COD 浓度的情况下，以在线检测反应 10min 左右时 DO 值的大小为依据，预测出该进水COD 浓度，再找出在该进水 COD 浓度下适宜的曝气量，将其归纳总结如表 1 所示。与此同时，发现在上述每一试验过程中，当有机物达到难降解程度时，DO 都有
9、迅速大幅度升高的现象发生，并且在较短的时间内上升到 56mg/L。根据反应期间 DO 的变化，实现对 SBR供气量和反应时间的模糊控制。表 1 进水 COD 浓度和反应时间预测初始 DO 值（mg/L） 预测进水 COD 浓度（mh/L） 适宜曝气量（m 3/h） 反应时间（min） 5.55 400600 0.20.3 9053.70 600800 0.30.4 1003.702.208001000 0.40.6 1002.201.5010001300 0.60.8 1201.501.1513001600 0.81.0 1201.151.0 16001900 1.01.2 1303 DO 作
10、为模糊控制参数的基本思想SBR 法的模糊控制目的有三：一是实现计算机自动控制；二是在保证出水水质前提下尽可能节省运行费用；三是避免曝气量不足或反应时间过长而引起的污泥膨胀。3.1 以初始 DO 作为模糊控制参数设定每一周期反应初始的曝气量均为 0.6m3/h，以在线检测的反应初始阶段（810 min 左右）的 DO 值（DO off）作为被控制变量，以曝气量（u）为控制变量。在模糊控制系统的设计时，以在线检测的 DOoff与设定的 DO 标准浓度（DO s）的偏差 Ei作为模糊控制器的一个输入变量，1min 为一个采样周期，一个采样周期后该偏差 Ei的变化量 CEi作为模糊控制器的另一个输入变
11、量。E i=DOoff-DOs i=1，2，3(1)CE i=Ei-Ei-1i=1 ，2，3(2)式中i-第 i 次采样的相应数据E i-1-第 i-1 次采样处理水 DOoff的偏差。根据这两个输入变量，经过模糊控制器的计算、判断与决策，作为模糊控制系统输出变量的则是控制变量的变化量 u i，即曝气量的变化量。确定了模糊控制器的输入与输出变量后，根据模糊控制理论按照以下步骤实现模糊控制系统。3.1.1 精确量的模糊化根据表 1 所得的试验结果，将 DO 的偏差及偏差的变化量用模糊变量来表示，即将被控制变量进行模糊化处理，得到模糊集合向量。对误差 E,误差变化 CE 及控制量 u 的模糊集及其
12、论域定义如下：CE 和 u 的模糊集均为：NB,NM,NS,O,PS,PM,PBE 的模糊集为：NB,NM,NS,NO,PO,PS,PM,PB上述模糊语言变量的意义：NB=Negative Big(负大)PB=Positive Big(正大)NM=Negative Medium（负中）PM=Positive Medium(正中)NS=Negative Small(负小)PS=Positive Small(正小)NO=Negative Zero(负零)PO=Positive Zero(正零)O=ZeroE 和 CE 的论域均为：-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5
13、，+6u 的论域为：-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，+7将 Ei、CE i、u i化为各自论域上离散的整型变量，即整型化处理。在此设定 DOs=2.0mg/L,是相对于 COD=1000 mg/L、曝气量为0.6m3/h、反应 9min 时的 DO 浓度。E、CE 及 u 的模糊集和论域确定后，须对模糊语言变量确定隶属函数，即所谓对模糊变量赋值，就是确定论域内元素对模糊语言变量的隶属度。上述论域 E、CE、u 上的模糊变量均假定为正态型模糊变量，其正态函数为：F(x)=exp-(x-a)/) 2(3)此函数确定了模糊隶属函数曲线的形状。将确定的
14、隶属函数曲线离散化，就得到了有限个点上的隶属度，便构成了一个相应的模糊变量的模糊子集。3.1.2 建立模糊控制规则在试验基础上，分析 DO 与有机物降解及曝气量之间的关系，建立以模糊语言表示的模糊控制推理的合成规则和模糊控制规则。根据操作过程中可能遇到的各种情况和系统的运行数据，将相应的控制策略归纳为表 2，这是一组根据系统输出的误差及误差的变化趋势来消除误差的模糊控制规则。表 2 SBR 法曝气过程模糊控制规则表CENB NM NS O PS PM PBEuNB PB PB PB PB PM PS ONM PB PB PB PM PS O NSNS PB PM PM PS O NS NMNO
15、 PM PM PS O NS NS NMPO PM PS PS O NS NM NMPS PM PS O NS NM NM NBPM PS O NS NM NB NB NBPB O NS NM NB NB NB NB上述这些模糊控制规则可以用模糊条件语句来描述，例如：if E=NB or NM and CE=NB or NM then u=PB orif E=NB or NM and CE=NS then u=PB or 上述选取控制量变化的原则是：当误差大或较大时，选择控制量以尽快消除误差为主；而当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要出发点。例如，当 DO 误差及误差变
16、化均为负大时，就是 SBR 反应器内 DO 浓度很低，而且有进一步降低的趋势，如果不加以调整，势必造成反应时间过长或引起污泥膨胀，为尽快提高 DO 浓度，消除误差，必须增大曝气量，所以 u 取正大。当误差为负小，误差变化为正小时，系统本身具有消除误差的能力，可以不调整曝气量。3.1.3 模糊推理及其模糊量的非模糊化在模糊控制规则的指导下，经过模糊决策后，得到模糊控制变量 u i：为了对被控制对象 SBR 处理系统施加精确的控制，还需要将模糊控制变量 u i转化为可执行的精确量，即曝气量变化量的准确量，这就是非模糊化处理过程。上述模糊控制规则所确定的每一条模糊条件语句都可以计算出相应的模糊控制量 ui。例如，由第 1 条语句所确定的模糊关系可用式（4）表示：R=(NB E+NME)PBu
