分析活性污泥系統中曝氣機的速度控制

1 曝氣過(guò)程被控對象模型及處理

活性污泥處理廢水系統是一個(gè)多變量的分布參數線(xiàn)性生物化學(xué)反應過(guò)程，建立其數學(xué)模型是一大難題。本文僅討論曝氣機速度與溶解氧(DO)濃度之關(guān)系，簡(jiǎn)述如下：
溶解氧(DO)的形成是非線(xiàn)性的，瞬間完成的；而氧的轉移是無(wú)源的，可用雙膜理論來(lái)解釋(見(jiàn)圖1)。

1.1　曝氣機
垂直提升式E型葉輪表面曝氣機的充氧量、葉輪直徑與線(xiàn)速度的關(guān)系有如下經(jīng)驗公式：
Qcm=0.37v0.28·D1.88·K(1)
式中　 Qcm——標準條件下的充氧量，kg/h
v ——速度，m/s
D ——葉輪直徑，m
K ——池型系數（對方型池，K=0.64）
1.2 氧的轉移
　氧氣轉移速率取決于下列各因素：氣相中氧分壓梯度；液相中氧的濃度梯度；氣液相間的接觸時(shí)間和接觸面積；水溫；污水的性質(zhì)以及水流的紊流程度等。
　當混合液中氧的濃度為零時(shí)，由于具有最大的推動(dòng)力，因此氧的轉移率最大。在一定條件下，氧的轉移速率應等于活性污泥微生物的需氧速率：
 dC/dt=Kla(Cs-C)　(2)
式中 　C——液相中溶解氧濃度,mg/L
　 Cs——界面處的溶解氧濃度，mg/L
Kla——氧總轉移系數，L/h
1.3 溶解氧(DO)檢測
常用的DO連續測定方法是隔膜電極法。其隔膜采用聚四氟乙烯纖維、聚乙烯等組成，用鉑、金作正電極，鋁、鉛作負電極，電解液用氯化鉀等溶液。當把這種電極浸入測定水中，連通電流測定回路，則產(chǎn)生電流，其電流大小與水中通過(guò)隔膜的DO濃度成比例。根據DO儀的測定原理及電化學(xué)方程式分析有：
DOnt=DOst+rcm/α=(１－e-et)　(3)
式中　DOnt——t時(shí)刻DO的實(shí)測量值，mg/L
　DOst——t時(shí)刻水樣中實(shí)際DO濃度，mg/L
　rcm——實(shí)際OUR值，mg/(L·min)
　α——DO儀氧電極響應速度的參數，min-1，在高濃度時(shí) α=9.2min-1
可見(jiàn)，DO檢測是非線(xiàn)性，具有滯后特性。
綜上所述，可構成曝氣機速度控制系統方框圖，見(jiàn)圖2。

2 曝氣機轉速的模糊控制

模糊控制運用模糊邏輯進(jìn)行直覺(jué)推理。它不需要對象的精確數學(xué)模型，適合于高度非線(xiàn)性、擾動(dòng)因素大、純滯后、時(shí)變特性等對象的自動(dòng)控制。實(shí)踐表明，與傳統的DDC和PID調節器相比，模糊控制器(FLC)有更快的響應和更小的超調，對被控系統參數的變化不敏感，能克服線(xiàn)性的影響。在此基礎上發(fā)展的專(zhuān)家模糊控制器(EFC)(見(jiàn)圖3)，把人的經(jīng)驗知識和求解控制問(wèn)題的啟發(fā)式規則、手續進(jìn)行模型化，強調知識的多層次及分類(lèi)的需要。EFC在保持FLC優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，豐富了適用于FLC的知識結構及內容，使其更具靈活性。

對于曝氣機轉速來(lái)說(shuō)，其任務(wù)是將進(jìn)水水質(zhì)水量變化引起的DO改變盡快地控制在允許的范圍之內，且需有一定的魯棒性以適應廢水處理過(guò)程因素變化的需要。因此，曝氣機轉速EFC應具備這樣的控制思想：DO濃度偏離較大時(shí)，采取較大的控制量輸出(轉速變化較高)，以體現糾偏迅速；DO濃度偏離較小時(shí)，采取較慎微的控制量輸出，以減小過(guò)調并提高對e和è的分辯率，提高調節精度。有廢水需要處理的單位，也可以到污水寶項目服務(wù)平臺咨詢(xún)具備類(lèi)似污水處理經(jīng)驗的企業(yè)。
其模糊查詢(xún)表如下：
若　|c1en|>A則粗調(1)
|c1en|>B>|c1en-1|　則中調(2)
|c1en|>C>|c1en-1|　則細調(3)
　微調 　 (4)
上表中，優(yōu)先級依次遞減。其中A＞B＞C為經(jīng)驗值，en為當前采樣DO濃度偏離量，en-1為前一次采樣偏離量。
為便于實(shí)際應用，減少EFC的參數，對上述規則進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

2.1 調節策略識別規則
IF |c1en|>6C THEN　 L=1(粗調)
IF |c1en|>3C>|c1en-1|　 L=3（中調）
IF |c1en|>C>|c1en-1|L=2　 （細調）
 L1=1 �。ㄎ⒄{）
上式中，優(yōu)先級一次遞減。

2.2 控制規則和查詢(xún)表
IF E and EC THEN L (調節變量)
IF L and U THEN Y
其中E、EC、L、U、Y分別為DO濃度偏離量、偏離變化量、調節變量、調節策略、控制器輸出的模糊量。
輸出值Y經(jīng)過(guò)逆量化后轉化成實(shí)際輸出量作為曝氣機轉速給定，通過(guò)曝氣機，改變充氧量，實(shí)施對廢水處理系統中DO濃度的控制。

3 仿真研究

以前面討論的系統為例來(lái)進(jìn)行仿真研究，其控制系統見(jiàn)圖2。廢水處理系統的干擾D(S )主要是進(jìn)水水質(zhì)、水量變化，在這里將它看作理想的正弦干擾，其變化規律：
Q(t)=Q +5000sin(2πt)
S0(t)=S0 +0.05sin(2πt)
將EFC應用于廢水處理系統，并將它與PID調節器相比較。其中，設S0=0.150kgBOD/m3，Q=10000m3/d,f=(1/24)h，α=0.42
將EFC應用于廢水處理系統，并將它與PID調節器相比較。其中，設S0＝0.150kgBOD/m3，Q＝10000
仿真結果表明，EFC具有比PID調節優(yōu)越得多的調節品質(zhì)和對系統參數的魯棒性。

4 結語(yǔ)

研究結果表明，活性污泥法廢水處理系統中曝氣機速度采用專(zhuān)家模糊控制具有良好的調節品質(zhì)和對系統參數變化的魯棒性。EFC不需要確切了解對象的數學(xué)模型，設計原理簡(jiǎn)單，對系統參數的改變不敏感，有較強的適應性；且方案實(shí)施簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比高，具有一定的推廣價(jià)值。來(lái)源：中國環(huán)保頻道