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

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/L，曝气量分别为0.6m3/h、1.0m3/h、1.2m3/h时试验结果如图2所示。

从图中可以看出，反应开始8～10min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，DO浓度对生化反应速率的影响较大。当DO在1～2mg/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、1

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 min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都有迅速大幅度升高的现象发生，并且在较短的时间内上升到5～6mg/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。

3 DO作为模糊控制参数的基本思想

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次采样的相应数据? 　Ei-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Δui，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的模糊集及其论域定义如下：? CE和u的模糊集均为：{NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}? E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

F(x)=exp[-((x-a)/σ)2] 　(3)

此函数确定了模糊隶属函数曲线的形状。将确定的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。

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 or? if 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Δu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Δui：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Δui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=(NBE+NME)×PBu］·［(NBCE+NMCE)×PBu］ 　(4)

如果此刻采样所得到的实际误差模糊变量为e，误差变化的模糊变量为ce,根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量为u1:? u1=eo［(NBE+NME)×PBu］·?ceo·［(NBCE+NMCE)×PBu］ (5) 同理，可由其余模糊条件语句计算出相应的模

u=u1+u2+……+un 　(6)? 由式（6）所计算出的控制量是一个模糊子集，不能直接应用于被控对象，必须经过非模糊化处理转化为精确量。本文采用加权平均法作为非模糊化处理方法，计算式如下：

这种方法可以充分利用模糊推理结果、模糊子集提供的有用信息量，得到SBR法曝气过程的模糊控制表，储存在计算机中。 上述过程是反应进行到8～9min，根据在线检测的DO值预测进水COD浓度，并在第10min对曝气量进行调整。为了保证较好的控制效果，可在后续反应过程中继续检测DO值，并对曝气量进行再一次调整。调整次数的多少应视预测进水COD浓度的大小及相应反应时间的长短而定。在有机物达到难降解程度时，DO迅速大幅度升高，这是停止曝气的信号。如果在反应过程中，频繁地调整曝气量，势必使DO始终维持在2.0mg/L左右，而不会发生DO迅速大幅度升高的现象，进而影响反应时间的控制。因此，试验中根据表1的试验结果，在反应8～10 min预测到进水COD浓度后，便相应地预知反应时间。如果预测的反应时间在120min之内，进行两次调整，第二次是在反应进行到30 min，DOs仍取2.0 mg/L，具体的控制方法同前。如果预测的反应时间超过120 min，则进行三次调整，第三次是在反应进行到60 min，DOs仍取2.0 mg/L，具体的控制方法同前。经过这样的方法控制，就可以弥补第一次调整曝气量（8～10 min）所造成的误差，而且不会影响对反应时间的控制。3.2 作为反应时间的控制参数 在反应初期（8～10 min），以上述的模糊控制方法对曝气量进行调整后，使后续反应过程中DO处于合适的水平。由于SBR法间歇运行的特点，当有机物达到难降解程度时，DO迅

当DO的误差为PS和PM时，无论DO的变化速率如何，均维持原有的曝气量，避免因曝气时间不够而使出水达不到排放标准。只有当E达到PB,且CE达到PM或PB，才认为有机物不再被降解，应该停止曝气。 将3.1、3.2阐述的内容结合起来，便可以DO作为控制参数，实现对SBR法曝气过程和反应时间的模糊控制。当然，任何一种控制方法都无法保证每一次预测和控制都是准确无误的，有时难免会出现异常现象。例如：根据8～10min的DO值预知反应时间为120min左右，可是在90min就出现了DO迅速大幅度升高的现象，说明COD的预测值大于实际值。如果这种情况发生，此时不应该再调整曝气量，为防止因较早停止曝气而使出水不达标，只能改变反应时间控制规则中的某些参数，使控制规则更为严格。本试验中DO升高的幅度由正常时的3.5 mg/L提高到4.5 mg/L，DO变化速率也由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)，才可以停止曝气。还有另外一种相反的情况，就是预测的

4 结论

① 采用SBR法处理石油化工废水，有机物降解初期（8～10 min）的溶解氧浓度对整个反应过程有重要影响。如果初始DO值过高必将导致反应过程DO值的普遍过高，不但不会有效地缩短反应时间，反而会增大运行费用。相反，如果 DO值过低，则延长了反应时间，而且容易引起污泥膨胀。 ② 可以用反应初始阶段溶解氧浓度作为SBR法曝气量的模糊控制参数。假定每一反应周期初始曝气量相同，可根据反应开始后较短时间内（8～10 min）DO值的变化情况预测进水COD浓度，进而调整到该浓度下适宜的曝气量。在反应过程中，也可以根据DO变化情况对曝气量进行再一次调整。 ③ SBR反应器内，当有机物达到难降解程度时，DO迅速大幅度升高，这一变化特点可用模糊语言变量加以描述，实现对SBR反应时间的模糊控制。