分析活性污泥系統(tǒng)中曝氣機的速度控制
1 曝氣過程被控對象模型及處理
活性污泥處理廢水系統(tǒng)是一個多變量的分布參數(shù)線性生物化學(xué)反應(yīng)過程，建立其數(shù)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，簡述如下：
溶解氧(DO)的形成是非線性的，瞬間完成的；而氧的轉(zhuǎn)移是無源的，可用雙膜理論來解釋(見圖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(biāo)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(shù)（對方型池，K=0.64）
1.2 氧的轉(zhuǎn)移
氧氣轉(zhuǎn)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(dāng)混合液中氧的濃度為零時，由于具有最大的推動力，因此氧的轉(zhuǎn)移率最大。在一定條件下，氧的轉(zhuǎn)移速率應(yīng)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(zhuǎn)移系數(shù)，L/h
1.3 溶解氧(DO)檢測
常用的DO連續(xù)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(dāng)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隔膜的DO濃度成比例。根據(jù)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時刻DO的實測量值，mg/L
DOst——t時刻水樣中實際DO濃度，mg/L
rcm——實際OUR值，mg/(L·min)
α——DO儀氧電極響應(yīng)速度的參數(shù)，min-1，在高濃度時 α=9.2min-1
可見，DO檢測是非線性，具有滯后特性。
綜上所述，可構(gòu)成曝氣機速度控制系統(tǒng)方框圖，見圖2。
 |
2 曝氣機轉(zhuǎn)速的模糊控制
模糊控制運用模糊邏輯進行直覺推理。它不需要對象的精確數(shù)學(xué)模型，適合于高度非線性、擾動因素大、純滯后、時變特性等對象的自動控制。實踐表明，與傳統(tǒng)的DDC和PID調(diào)節(jié)器相比，模糊控制器(FLC)有更快的響應(yīng)和更小的超調(diào)，對被控系統(tǒng)參數(shù)的變化不敏感，能克服線性的影響。在此基礎(chǔ)上發(fā)展的專家模糊控制器(EFC)(見圖3)，把人的經(jīng)驗知識和求解控制問題的啟發(fā)式規(guī)則、手續(xù)進行模型化，強調(diào)知識的多層次及分類的需要。EFC在保持FLC優(yōu)點的同時，豐富了適用于FLC的知識結(jié)構(gòu)及內(nèi)容，使其更具靈活性。
 |
對于曝氣機轉(zhuǎn)速來說，其任務(wù)是將進水水質(zhì)水量變化引起的DO改變盡快地控制在允許的范圍之內(nèi)，且需有一定的魯棒性以適應(yīng)廢水處理過程因素變化的需要。因此，曝氣機轉(zhuǎn)速EFC應(yīng)具備這樣的控制思想：DO濃度偏離較大時，采取較大的控制量輸出(轉(zhuǎn)速變化較高)，以體現(xiàn)糾偏迅速；DO濃度偏離較小時，采取較慎微的控制量輸出，以減小過調(diào)并提高對e和è的分辯率，提高調(diào)節(jié)精度。
其模糊查詢表如下：
若 |c1en|>A則粗調(diào)(1)
|c1en|>B>|c1en-1| 則中調(diào)(2)
|c1en|>C>|c1en-1| 則細調(diào)(3)
微調(diào) (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(dāng)前采樣DO濃度偏離量，en-1為前一次采樣偏離量。
為便于實際應(yīng)用，減少EFC的參數(shù)，對上述規(guī)則進一步簡化。
2.1 調(diào)節(jié)策略識別規(guī)則
IF |c1en|>6C THEN L=1(粗調(diào))
IF |c1en|>3C>|c1en-1| L=3（中調(diào)）
IF |c1en|>C>|c1en-1|L=2 （細調(diào)）
L1=1 。ㄎ⒄{(diào)）
上式中，優(yōu)先級一次遞減。
2.2 控制規(guī)則和查詢表
IF E and EC THEN L (調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)變量、調(diào)節(jié)策略、控制器輸出的模糊量。
輸出值Y經(jīng)過逆量化后轉(zhuǎn)化成實際輸出量作為曝氣機轉(zhuǎn)速給定，通過曝氣機，改變充氧量，實施對廢水處理系統(tǒng)中DO濃度的控制。
3 仿真研究
以前面討論的系統(tǒng)為例來進行仿真研究，其控制系統(tǒng)見圖2。廢水處理系統(tǒng)的干擾D(S )主要是進水水質(zhì)、水量變化，在這里將它看作理想的正弦干擾，其變化規(guī)律：
Q(t)=Q +5000sin(2πt)
S0(t)=S0 +0.05sin(2πt)
將EFC應(yīng)用于廢水處理系統(tǒng)，并將它與PID調(diào)節(jié)器相比較。其中，設(shè)S0=0.150kgBOD/m3，Q=10000m3/d,f=(1/24)h，α=0.42
將EFC應(yīng)用于廢水處理系統(tǒng)，并將它與PID調(diào)節(jié)器相比較。其中，設(shè)S0＝0.150kgBOD/m3，Q＝10000
仿真結(jié)果表明，EFC具有比PID調(diào)節(jié)優(yōu)越得多的調(diào)節(jié)品質(zhì)和對系統(tǒng)參數(shù)的魯棒性。
4 結(jié)語
研究結(jié)果表明，活性污泥法廢水處理系統(tǒng)中曝氣機速度采用專家模糊控制具有良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)和對系統(tǒng)參數(shù)變化的魯棒性。EFC不需要確切了解對象的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計原理簡單，對系統(tǒng)參數(shù)的改變不敏感，有較強的適應(yīng)性；且方案實施簡單，性價比高，具有一定的推廣價值。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
