摘要：以SBR法為基礎(chǔ)，研究了污水處理過(guò)程中對(duì)溶解氧濃度（DO）的自適應(yīng)模糊控制。根據(jù)實(shí)際工況中手動(dòng)調(diào)節(jié)曝氣量來(lái)控制DO所得到的控制經(jīng)驗(yàn)，歸納出模糊規(guī)則，通過(guò)在上位機(jī)中嵌入模糊控制算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)DO的模糊控制。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)，對(duì)DO的控制效果理想，并且抗擾動(dòng)能力強(qiáng)，提高了污水處理的效率。 關(guān)鍵詞：自適應(yīng)模糊控制；溶解氧濃度（DO）；SBR 活性污泥法是城市污水處理的主要工藝之一，其機(jī)理是通過(guò)曝氣使活性污泥與污水在充分接觸的情況下得到足夠的氧氣，水中的可溶性有機(jī)污染物被活性污泥吸附，并被存活在活性污泥上的微生物分解，使污水得到凈化。因?yàn)槲鬯幚磉^(guò)程的內(nèi)部機(jī)理非常復(fù)雜，無(wú)法用精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，因此，采用傳統(tǒng)的控制策略（如典型的PID控制）難以獲得滿(mǎn)意的控制效果。作為智能控制的重要分支之一的模糊控制不依賴(lài)被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，它能根據(jù)誤差和誤差的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)被控變量的控制，具有較強(qiáng)的魯棒性，被控對(duì)象參數(shù)的變化對(duì)模糊控制的影響不明顯，可用于非線性、時(shí)變和時(shí)滯系統(tǒng)的控制，控制的實(shí)時(shí)性較好，控制機(jī)理符合人們對(duì)過(guò)程控制的直觀描述和思維邏輯[1]。同時(shí)，在模糊控制器的設(shè)計(jì)中采用可調(diào)整的模糊控制規(guī)則，能顯著提高和改善模糊控制器的穩(wěn)定性和自適應(yīng)能力。國(guó)內(nèi)彭永臻等人[2]提出以DO作為SBR法的模糊控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)曝氣量的控制。王先路等人[3]以出水COD偏差和偏差變化為輸入，泵的開(kāi)度為輸出設(shè)計(jì)了一種模糊控制器，實(shí)現(xiàn)COD的模糊控制。但是，在采用模糊控制系統(tǒng)的污水處理過(guò)程中存在一個(gè)最大的問(wèn)題，就是控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自適應(yīng)能力。由于模糊控制存在的PD控制作用以及水環(huán)境的不斷變化，大多數(shù)系統(tǒng)的控制效果震蕩明顯，穩(wěn)定性和自適應(yīng)能力不佳。 本文以序批式活性污泥法（SBR）為基礎(chǔ)，針對(duì)污水處理中溶解氧濃度（DO）的變化對(duì)污水處理過(guò)程的影響，研究設(shè)計(jì)了引入調(diào)整因子的污水處理DO自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)頻率，將DO穩(wěn)定地控制在理想的位置，提高了污水處理效率，并使該控制系統(tǒng)具備了較好的穩(wěn)定性和自適應(yīng)能力。 1.SBR簡(jiǎn)介及控制策略 序批式活性污泥法（SBR）是一種間歇運(yùn)行的污水生物處理工藝，自上世紀(jì)80年以來(lái)得到快速發(fā)展，非常適合中小型污水處理廠。它的運(yùn)行過(guò)程包括進(jìn)水、反應(yīng)（曝氣）、沉淀、潷水及閑置等五個(gè)階段，與活性污泥法相比無(wú)須一沉池與二沉池，五個(gè)階段都在同一個(gè)反應(yīng)池中進(jìn)行。目前，SBR的控制方法主要是時(shí)間程序控制，處理過(guò)程的五個(gè)階段根據(jù)提前設(shè)置的時(shí)間序列依次進(jìn)行，通過(guò)采用可編程控制器（PLC）可以方便的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，這也是其得到廣泛推廣應(yīng)用的原因之一。 在SBR法污水處理過(guò)程中，生物氧化環(huán)節(jié)（曝氣環(huán)節(jié)）是其中的核心部分，在這一環(huán)節(jié)中，以好氧菌為主體的微生物通過(guò)生化反應(yīng)處理污水中的有機(jī)污染物，決定其處理效果的關(guān)鍵因素之一是生化池中的溶解氧濃度（DO）[4]。由于原水水質(zhì)往往在不斷的變化，在某些環(huán)境下還可能劇烈波動(dòng)，這就使得按傳統(tǒng)的時(shí)間程序控制法進(jìn)行控制存在很大的弊端，曝氣時(shí)間長(zhǎng)或者曝氣量大會(huì)造成大量能源的浪費(fèi)，曝氣時(shí)間短或者曝氣量小又可能使出水水質(zhì)波動(dòng)大甚至不達(dá)標(biāo)，所以采用固定時(shí)間固定風(fēng)量進(jìn)行曝氣是與污水反應(yīng)的實(shí)際過(guò)程相脫離的。根據(jù)國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究，DO保持在2mg/L左右，活性污泥的處理效果最理想[5]。而且，以DO值作為SBR法的模糊控制參數(shù)能夠在保證出水水質(zhì)的前提下盡可能多地節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，并能避免曝氣量的不足或反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而引起的污泥膨脹。所以，如何將DO控制在理想狀況下，就成為提高處理效率的關(guān)鍵。 2.DO自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng) 本系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由變頻器調(diào)節(jié)，其控制原理是首先將設(shè)定值與檢測(cè)值進(jìn)行比較得到精確量E和EC，通過(guò)模糊化變換成模糊量，再根據(jù)由大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)得出的模糊知識(shí)庫(kù)把模糊輸入量進(jìn)行模糊推理得到相應(yīng)的模糊控制量，經(jīng)模糊判決將模糊控制量轉(zhuǎn)化為精確控制量輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)曝氣量的控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)池中的DO濃度。控制流程圖如圖1所示。 2.1模糊控制器的結(jié)構(gòu)選擇 所謂模糊控制器的結(jié)構(gòu)選擇，就是確定模糊控制器的輸入輸出變量。模糊控制器的結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能有較大影響，必須根據(jù)被控對(duì)象的具體情況合理選擇。模糊控制器的結(jié)構(gòu)主要分為單輸入-單輸出（SISO）結(jié)構(gòu)和多輸入-多輸出（MIMO）結(jié)構(gòu)。根據(jù)污水處理的實(shí)際過(guò)程，該系統(tǒng)采用典型的雙輸入單輸出二維模糊控制器，輸入變量分別為DO的偏差E和偏差變化率EC，輸出變量U為變頻風(fēng)機(jī)的頻率VRI。 2.2模糊語(yǔ)言變量及論域的確定和模糊化 模糊規(guī)則是由若干語(yǔ)言變量構(gòu)成的模糊條件語(yǔ)句，它們反映了人類(lèi)的某種思維方式。在確定模糊變量時(shí)，首先確定其基本的語(yǔ)言值，再根據(jù)需要生成若干個(gè)語(yǔ)言子值。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值越多，對(duì)事物的描述就越準(zhǔn)確，可能得到的控制效果就越好。但是，過(guò)細(xì)的劃分會(huì)使控制規(guī)則變得復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)更困難，因此應(yīng)根據(jù)具體情況而定。 在本系統(tǒng)中，對(duì)E、EC和U的模糊子集規(guī)定為： E=EC=U=｛負(fù)大（NB），負(fù)中（NM），負(fù)小（NS），零（ZO），正小（PS），正中（OM），正大（PB）｝ E的基本論域?yàn)椋海?0.6，0.6），語(yǔ)言變量為：｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，-0，0，1，2，3，4，5，6｝； EC的基本論域?yàn)椋海?0.15，0.15），語(yǔ)言變量為：｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝； U的基本論域?yàn)椋海?4，4），語(yǔ)言變量為：｛-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7｝； 2.3模糊控制規(guī)則的確定和模糊控制表的建立 在模糊控制系統(tǒng)中，模糊控制器的性能對(duì)系統(tǒng)的控制特性影響很大，而模糊控制器的性能在很大程度上取決于模糊控制規(guī)則的確立及其可調(diào)整性。我們采用經(jīng)驗(yàn)歸納法，根據(jù)手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率來(lái)改變DO的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出四十九條規(guī)則，其形式為“IF E= ┅ and IF EC= ┅ then U=┅”。所有的控制規(guī)則庫(kù)如表1所示。 表1 模糊控制規(guī)則表 根據(jù)模糊控制規(guī)則表，對(duì)輸入變量采用最大隸屬度法進(jìn)行反模糊化，經(jīng)離線計(jì)算得到每一個(gè)狀態(tài)的模糊控制器輸出，制成如表2所示的模糊控制表。 表2模糊控制表 常規(guī)的二維模糊控制其中，輸出變量值決定于輸入量E和EC，并且它們的權(quán)系數(shù)各為0.5，一旦設(shè)計(jì)完成，其控制規(guī)則也就被確定了，而水處理過(guò)程中，水質(zhì)是不斷變化的，這顯然不利于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。鑒于此，我們引入調(diào)整因子對(duì)控制規(guī)則進(jìn)行調(diào)整，以使其對(duì)變化的水環(huán)境具備自適應(yīng)能力。帶有調(diào)整因子的控制規(guī)則可表述為：ｕ＝－[αＥ＋（１－α）Ｃ]，０＜α＜１。式中的α就是調(diào)整因子，也稱(chēng)加權(quán)因子。我們根據(jù)在線監(jiān)測(cè)儀所測(cè)得的COD值來(lái)調(diào)整α的大小，α的變化范圍（0，1）與COD范圍（0，1000）（mg/L）成線形對(duì)應(yīng)關(guān)系，COD每變化100mg/L，α對(duì)應(yīng)變化0.1，這樣系統(tǒng)就自適應(yīng)地改變誤差E和誤差變化EC的加權(quán)程度。 3.模糊控制系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果 3.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一套小型SBR污水處理系統(tǒng)，分為上位機(jī)和下位機(jī)部分，下位機(jī)采用PLC控制，上位機(jī)是工控機(jī)和組態(tài)王，具有良好的人機(jī)界面，自適應(yīng)模糊控制算法就嵌入在組態(tài)王的腳本程序中。該處理系統(tǒng)的SBR池深1.8M，寬0.8M，長(zhǎng)1.5M，有效容積2 M3 。采用鼓風(fēng)機(jī)曝氣，布風(fēng)系統(tǒng)采用Φ70＊500 的微孔曝氣頭，氧氣利用率為 18～28%；空氣阻力≦150 毫米水柱；溶解氧的控制范圍可達(dá) 0.5mg/L —10.0mg/L。系統(tǒng)每周期運(yùn)行2小時(shí)，進(jìn)水10分鐘，曝氣1小時(shí)，沉淀30分鐘，潷水20分鐘，閑置30分鐘，每次排水1M3，與實(shí)際工程環(huán)境非常接近。 3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 實(shí)驗(yàn)采用我校生活區(qū)污水，根據(jù)需要配以一定量的葡萄糖來(lái)調(diào)整實(shí)驗(yàn)所需的COD濃度。實(shí)驗(yàn)進(jìn)水COD為860 mg/L，BOD為620mg/L，污泥濃度MLSS為4200mg/L，設(shè)定DO為3mg/L，風(fēng)機(jī)頻率調(diào)節(jié)時(shí)間間隔60秒。為檢驗(yàn)我們?cè)O(shè)計(jì)的模糊控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，在運(yùn)行過(guò)程的第40分鐘，我們向池中加入相當(dāng)于300mg/LCOD的葡萄糖，以模擬水質(zhì)發(fā)生突變的情況。運(yùn)行結(jié)果如圖2所示，出水COD為37mg/L，BOD為29mg/L，COD去除率達(dá)到95.7%，BOD去除率達(dá)到95.3%。從圖中我們可以看出，在負(fù)荷變化的情況下，該控制系統(tǒng)能較好的適應(yīng)水質(zhì)變化，過(guò)程穩(wěn)定，具有較好的自適應(yīng)和抗沖擊能力。 4.結(jié)論 采用包括模糊控制在內(nèi)的智能控制方法對(duì)污水處理過(guò)程進(jìn)行控制已經(jīng)成為業(yè)界的共識(shí)，但是，到目前為止真正應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中的智能控制技術(shù)還不多，主要原因就是污水環(huán)境的巨大變化對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自適應(yīng)能力要求很高，影響控制性能的因素非常多，難以全面考慮。本文針對(duì)這一狀況，對(duì)如何提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自適應(yīng)能力進(jìn)行了深入研究，綜合各方面的影響因素提出了引入調(diào)整因子的自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性和自適應(yīng)能力，適合實(shí)際工程應(yīng)用。另外，DO自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)的建立要有針對(duì)性，不同的工況，規(guī)則表的建立、時(shí)間參數(shù)的設(shè)定等均不完全一樣，與進(jìn)水有機(jī)物濃度、污泥濃度、水力負(fù)荷以及反應(yīng)池的大小均有關(guān)系，調(diào)整因子的確定與各影響因素的關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。 參考文獻(xiàn)： [1] 馮冬青，謝宋和．模糊智能控制［Ｍ］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000．75-93． [2]彭永臻等，污水處理智能控制的研究、應(yīng)用與發(fā)展[J]，中國(guó)給水排水，2002, 6 [3] 王先路等，污水處理中的COD模糊控制研究[J]，技術(shù)縱橫， 2002,2 [4] 張自杰，林榮忱，金儒霖。污水的生物處理[M]，排水工程，2000。 [5] 曾薇，彭永臻，張東力等。SBR法曝氣量的模糊控制[J]，哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，35（1），53—57。