以DO、ORP、pH控制SBR法的脫氮過程.doc

以DO、ORP、pH控制SBR法的脫氮過程SBR法在處理水質水量變化很大的工業(yè)廢水中已得到廣泛應用，而且只要改變運行方式就可以實現(xiàn)同時去除有機物和脫氮除磷，但其運行操作復雜則影響了它的進一步推廣應用。因此，實現(xiàn)SBR法的自動控制是進一步提高SBR法運行效率的關鍵，而傳統(tǒng)的時間控制和流量控制很不經(jīng)濟，應用數(shù)學模型(ASM1，2，3)又因其太過復雜而難于付諸實踐。模糊控制可以在模擬人腦思維的基礎上，很好地解決大滯后、非線性生化反應器的實時控制問題，彭永臻曾對SBR法去除有機物13以及生物電極脫氮4進行了模糊控制研究，取得了滿意的成果。在此基礎上，為實現(xiàn)SBR法去除有機物和脫氮除磷的全面模糊控制，對SBR法降解有機物和在硝化、反硝化過程中DO、ORP和pH的變化規(guī)律進行了詳細深入的研究。 1試驗材料和方法試驗裝置如圖1。反應器高為70 cm，直徑為30 cm，總有效容積為38 L，采用鼓風曝氣，用轉子流量計調節(jié)曝氣量。反應過程中在線檢測DO、ORP、pH值，并根據(jù)DO、ORP、pH的變化在一定的時間內取樣。檢測分析項目有：CODCr(重鉻酸鉀法)，MLSS(濾紙重量法)，DO、溫度(YSI MODEL 50B溶解氧測定儀)，ORP(American Sensor Incorporation生產(chǎn)的ORP復合電極)，pH(pHS3C型精密酸度計)，SV%(100 mL量筒)，NO2-NN-(1-萘基)-乙二胺光度法，NO3-N(麝香草酚分光光度法)，NH3-N(納氏試劑光度法)。試驗用水采用啤酒加適量自來水稀釋(人工配制)，投加氯化銨(NH4Cl)和磷酸二氫鉀(KH2PO4)作為氮源、磷源，投加碳酸氫鈉(NaHCO3)調整pH。水溫控制在30左右，恒定曝氣量在0.8 m3/h。為了實現(xiàn)生物脫氮，SBR反應器的運行方式為：瞬間進水，曝氣(好氧降解有機物、硝化)，投加碳源攪拌(反硝化)，停止攪拌、短時間曝氣吹脫N2。試驗方案：經(jīng)過污泥馴化接種和培養(yǎng)，維持MLSS8 000 mg/L左右，長期維持進水混合液CODCr在300330 mg/L左右，磷足量，投加碳酸氫鈉調節(jié)pH在中性偏堿的范圍之內；首先維持進水混合液NH3-N在一定的濃度下運行一定的周期數(shù)，此試驗共進行了2個水平：8085 mg/L，110120 mg/L，考察不同進水混合液氨氮濃度情況下DO、ORP、pH的變化規(guī)律；然后模擬實際工程的進水水質沖擊的情況，對這兩種穩(wěn)態(tài)分別進行了以4種不同進水混合液NH3-N濃度作為初始沖擊氨氮濃度，驗證硝化、反硝化過程的DO、ORP、pH的變化規(guī)律。2試驗結果與分析2.1ORP、DO、pH在一個反應周期中的變化規(guī)律2.1.1ORP、DO的變化規(guī)律選擇進水混合液氨氮濃度為110120 mg/L的典型圖見圖2、3。由圖3可知，DO、ORP曲線的特點及其原因是：在COD降解過程中，DO出現(xiàn)平臺(025 min)，ORP也出現(xiàn)平臺。這是因為在恒定曝氣量的條件下，有機污染物被微生物不斷地氧化降解，微生物降解有機物過程的OUR基本不變，所以DO出現(xiàn)平臺。由ORP與DO的關系式(ORP=a+blnO2)可知：在DO出現(xiàn)平臺的情況下，ORP也會出現(xiàn)平臺，但ORP不只受DO影響，所以ORP的平臺不如DO的平臺那么明顯。當COD降至難降解部分時(圖2中的點A：第25 min)，DO突然迅速大幅上升，對應著ORP也大幅上升(圖3中的點A)，這是因為COD降解至難降解部分時，異養(yǎng)菌無法再大量攝取有機物，造成供氧大大高于耗氧，所以會出現(xiàn)DO，ORP都迅速大幅度上升的現(xiàn)象。爾后，自養(yǎng)菌開始進行硝化反應，反應過程中ORP、DO不斷上升直至硝化結束。在硝化反應結束時(圖2中的點B：第150 min)，DO出現(xiàn)第二次跳躍或者是上升的速率加快(圖3中的點B)，然后DO很快接近飽和值，如果繼續(xù)曝氣，DO就在這個高值處維持基本不變。DO出現(xiàn)第二次跳躍的原因是自養(yǎng)菌降解氨氮的過程已經(jīng)結束，不再耗氧，而自養(yǎng)菌、異養(yǎng)菌內源呼吸耗氧又遠遠小于供氧，所以會出現(xiàn)DO的第二次跳躍；與之相對應，ORP并沒有出現(xiàn)跳躍而是出現(xiàn)平臺或者說基本不變化(圖3中的點B)。在硝化過程中DO、ORP沒有出現(xiàn)平臺而是不斷徐徐上升的原因則是：硝化細菌進行硝化反應的速率隨著氨氮的降解不斷減小，所以耗氧速率小于供氧速率，出現(xiàn)了DO、ORP都不斷上升的現(xiàn)象。ORP在硝化反應的后半程上升得越來越慢以及并未像DO一樣出現(xiàn)第二次跳躍的原因是：DO絕對值較高，DO的微小變化并不會引起ORP的很大變化，即使DO出現(xiàn)躍升也并不足以引起ORP的再次跳躍。硝化反應的不斷進行使氨氮不斷被氧化，由ORP的定義式可知，還原態(tài)物質的不斷減少，相應產(chǎn)生的氧化態(tài)物質也不斷減少，這也是引起ORP上升變緩的一個原因。由于硝化反應的進行，產(chǎn)生了大量的亞硝態(tài)氮，這對生化反應起到了限制作用，因此硝化后期的反應速率小于反應初期速率。在反應的最后，DO維持恒定以及ORP基本不變的原因是由于內源呼吸過程的OUR基本不變。結束曝氣后投加原水，進行攪拌，系統(tǒng)進入反硝化階段：ORP先是迅速下降，這是由于DO的迅速耗盡；在反硝化的過程中，ORP不斷下降(但下降的速度越來越小)，這是因為氧化態(tài)的硝態(tài)氮被還原成氮氣，整個反應器中的氧化還原電位不斷降低；由于無氧呼吸即反硝化的進行，硝態(tài)氮不斷減少，整個反應器中氧化還原狀態(tài)的變化不如反硝化初期的變化幅度大，所以ORP的變化越來越小；當反硝化結束時(圖2中點C)，ORP迅速下降，表現(xiàn)在曲線上為一拐點(圖3中的點C)，這一拐點指示出系統(tǒng)缺氧呼吸過程的結束，分子態(tài)氧消失，系統(tǒng)進入?yún)捬鯛顟B(tài)，所以ORP會大幅度下降。ORP在硝化反硝化的全過程都可以給出控制信號，而且在試驗中發(fā)現(xiàn)ORP探頭反應靈敏穩(wěn)定。DO在結束曝氣之后就迅速降至零左右，在反硝化過程中無法給出任何過程信息。2.1.2pH的變化規(guī)律pH曲線的特點是在COD降解過程中不斷大幅度上升，這是因為：異養(yǎng)微生物對有機底物的分解代謝和合成代謝的結果都要形成CO2，CO2溶解在水中導致pH下降，但是曝氣不斷地將產(chǎn)生的CO2吹脫，這就引起了pH不斷地大幅上升；好氧降解廢水中的有機酸引起pH的不斷上升。當COD降解停止時(圖2中的點A)，pH曲線出現(xiàn)轉折點(圖3中的點A)，開始不斷下降，這是因為硝化反應過程中產(chǎn)生了H+。pH的下降一直進行至硝化反應的停止或結束(圖2中的點B)，然后pH會迅速上升，繼而維持不變或在硝化反應結束時就基本維持不變(圖3中的點B)。pH迅速上升的原因是因為堿度含量大于硝化所需，曝氣吹脫了CO2；pH在硝化反應停止時就維持不變，是因為堿度不足或沒有剩余。反硝化過程中，pH先是持續(xù)大幅度上升，這是由于反硝化的過程中不斷地產(chǎn)生堿度。在反硝化結束時(圖2中的點C)，pH會突然下降，出現(xiàn)一個轉折點(圖3中的點C)，指示反硝化的結束，pH下降的原因是：反硝化過程結束后，系統(tǒng)進入?yún)捬鯛顟B(tài)，一部分兼性異養(yǎng)菌開始產(chǎn)酸發(fā)酵、放磷，所以會出現(xiàn)這個轉折點。這個轉折點在同時脫氮除磷的SBR生化反應器中不僅標志著反硝化的結束，也是厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸進行磷的釋放的標志。2.2ORP、DO、pH導數(shù)圖形分析對應圖2、3給出上述典型過程中ORP，DO，pH的導數(shù)圖形(圖4、5、6)。在圖4中可以清楚地看到對應著COD降解的結束以及硝化反應的結束，ORP的突躍點(圖4中點A)和平臺出現(xiàn)的時間點(圖4中點B)；在反硝化過程中，反硝化結束的時間可由ORP導數(shù)絕對值的突然增加(圖4中點C)來輕松地判斷。在圖5中COD降解結束，開始硝化對應著的pH導數(shù)由正變負(圖5中點A)，硝化的結束以及反硝化的結束分別對應著pH導數(shù)由負變正(圖5中點B)和由正變負(圖5中點C)。DO導數(shù)圖形中對應著COD降解結束以及硝化反應的結束可見兩個明顯的突躍點(圖6中點A，B)指示這兩個反應的結束：DO導數(shù)圖形中的第三個負值跳躍點是停止曝氣、開始攪拌，反應器中DO濃度迅速減少所致。通過對這三個參數(shù)導數(shù)的分析，可知由ORP，DO，pH的特征點可以輕松實現(xiàn)降解有機物硝化反硝化的過程控制。2.3氨氮沖擊濃度的試驗結果與分析在氨氮沖擊濃度的試驗中，維持污泥濃度在8 000 mg/L，進水混合液氨氮濃度分別為：48、80、156、184 mg/L。好氧及缺/厭氧段的反應時間是盡量使反應進行完全，為了探求ORP、DO、pH的變化規(guī)律而沒有采用實時控制。試驗結果見圖712。試驗系統(tǒng)的硝化速率為0.004 50.006 06 mgN/(mgMLSSh)，有機物降解速率約為0.09 mgCOD/(mgMLSSh)。從沖擊負荷的試驗結果可以看出，ORP、DO、pH的規(guī)律重現(xiàn)性很好，進一步驗證了前面給出的各曲線特征點的正確性。從圖710中ORP曲線明顯可見ORP在好氧過程中的一個跳躍點(點A)和一個平臺點(點B)，在缺氧過程中的一個拐點(點C)；DO在好氧過程中的兩個突躍點(點A，B)分別對應著有機物及氨氮降解的終點；pH在好氧過程中有兩個轉折點(點A，B)在缺氧過程中有一個轉折點(點C)，重現(xiàn)性都不錯。由圖710可知，進水混和液氨氮濃度的增加或減少對COD降解的時間影響不多，而明顯的使硝化反應的時間延長或縮短。由于原水中有機物的量一致，所以降解COD的時間都集中在2025 min左右，DO、ORP、pH出現(xiàn)跳躍和轉折的時間與COD降解結束的時間十分吻合。當進水混合液氨氮濃度分別為48、80、156 mg/L時，對應著硝化結束的時間分別為80、120、215 min，ORP、DO、pH的拐點出現(xiàn)時間也相應由80 min增至215 min，正確地指示了硝化反應的結束，并且硝化進行得完全，氨氮并沒有剩余。當進水混合液氨氮濃度為184 mg/L時(圖10)，DO在第214 min出現(xiàn)突躍(點B)，ORP出現(xiàn)平臺(點B)，pH沒有出現(xiàn)上升的轉折點，而是基本保持不變(點B)，此時氨氮的降解已經(jīng)停止，但是有17 mg/L的剩余，這是因為堿度不足所致，而且在圖12中，本方案NO2-N的產(chǎn)量與進水混合液氨氮為156 mg/L的試驗結果相近，這都是硝化沒有進行完全所致。進水混合液氨氮濃度分別為48、80、184 mg/L時，反硝化所耗費的時間分別為8、16、20 min，反硝化的速率在0.021 60.032 3mgN/(mgMLSSh)之間。進水混合液氨氮為156 mg/L時(圖9)，反硝化耗用的時間為55 min，這是因為投加的原水不足，反映在pH的曲線上，就是在pH上升過程出現(xiàn)了上升速率變小的現(xiàn)象，這是由于外碳源用盡后異養(yǎng)菌利用內碳源進行反硝化的速率遠小于外碳源的反硝化速率。但是在反硝化結束時，pH曲線都出現(xiàn)了轉折點且不斷下降，指示了反硝化的結束。值得一提的是，本試驗的硝化反應是亞硝酸型硝化，產(chǎn)生的NO3-N一直維持在02 mg/L，并且大多數(shù)情況下在零左右，與NO2-N的產(chǎn)量相比很小，所以沒有給出其降解曲線。亞硝酸型硝化產(chǎn)生的原因與反應過程中的溫度一直維持在30 有一定的關系。3結論通過上述試驗初步得到以下結論：DO在SBR法降解COD過程中維持恒定或略有降低，當COD降解至難降解部分時出現(xiàn)迅速大幅上升，而后在硝化過程中不斷攀升，在硝化結束時DO出現(xiàn)第二次跳躍或者是上升的速率加快，直至接近飽和值并維持這一數(shù)值基本不變。在缺/厭氧過程中DO迅速降至零左右，無法給出任何過程信息。ORP在SBR法降解COD過程中維持恒定或緩慢上升，當COD降解至難降解部分時迅速大幅上升，在硝化過程中仍不斷上升，并且上升的速率先快后慢，最后ORP維持一個恒定值，出現(xiàn)平臺，意味著硝化的結束。缺氧開始ORP不斷下降，先快后慢，而后由于反硝化的結束進入?yún)捬鯛顟B(tài)，ORP迅速大幅下降，出現(xiàn)拐點，最后ORP降至一個較低值而基本維持不變。pH在COD降解過程中不斷大幅上升直至COD不再降解，硝化開始pH開始下降直至硝化結束，然后pH會快速上升或基本維持不變，指示硝化反應的結束。在反硝化過程中，pH先是迅速大幅度上升，然后在反硝化結束時，pH曲線會出現(xiàn)轉折點，pH開始不斷慢慢下降，進入純厭氧狀態(tài)而產(chǎn)酸、放磷。DO、ORP在好氧過程中可以優(yōu)化調節(jié)曝氣量，而pH可以給出體系的堿度條件是否適宜以及pH是否有利于微生物生長。在缺/厭氧過程中，pH、ORP的特征點不僅可以給出反硝化過程控制信息還可以作為優(yōu)選反硝化的碳源以及投量的手段。因此，必須聯(lián)合這三者作為控制參數(shù)才能做到高效節(jié)能，取得最滿意的效果。通過不同進水混合液氨氮的沖擊試驗驗證了DO、ORP、pH曲線特征點的正確性，但是為了實現(xiàn)SBR法脫氮除磷在線模糊控制，還需對影響這些特征點出現(xiàn)的條件作進一步驗證：不同的水質、堿度、曝氣量、污泥濃度、溫度等。只有在各種條件對特征點出現(xiàn)的影響都考慮全面的基礎上建立模糊控制規(guī)則和進行實時控制，才是全面的、最優(yōu)的和合理的。以溶解氧濃度作為SBR法模糊控制參數(shù)模糊控制在水處理領域已得到成功的應用，尤其是活性污泥法污水處理系統(tǒng)，它本身屬于復雜的動態(tài)工程系統(tǒng)，無法找到精確的模型來描述，目前研究較多的是對出水懸浮物進行預測和控制的動態(tài)活性污泥法模糊控制1；在高純氧活性污泥法中采取模糊控制，既能防止能量浪費，又能避免DO不足2。對硝酸態(tài)氮污染水脫氮處理的新方法生物電極法采用模糊控制，有利于避免過量地投加有機物，節(jié)省運行費用3、4。80年代以來，序批式活性污泥法（SBR法）用于處理間歇排放的水質水量變化很大的工業(yè)廢水取得了很大成功并被廣泛應用。SBR法的主要缺點是運行管理復雜，只有實現(xiàn)SBR法的自動控制，才能發(fā)揮其優(yōu)勢。傳統(tǒng)的控制方法是時間程序控制和流量程序控制，即確定SBR法五個階段所需要的時間后，實現(xiàn)其計算機控制。而工業(yè)廢水的排放不僅是變化的或間歇的，而且其有機物濃度也隨時間變化很大，往往相差幾倍或十幾倍。如果按相同的反應時間控制SBR的運行，當進水濃度高時出水不達標，當進水濃度低時曝氣時間過長，浪費能源還易發(fā)生污泥膨脹。為了實現(xiàn)SBR法更高層次的計算機在線控制，必須尋找一個參數(shù)既能反映進水COD濃度的變化及反應過程中的降解情況，又能作為計算機控制參數(shù)，這也是深化SBR自動控制的重要研究課題。溶解氧濃度由于其能夠在線檢測、響應時間短、精確度高，人們在活性污泥法中圍繞溶解氧濃度已做了大量研究，包括用溶解氧濃度作為SBR法過程控制和反應時間控制參數(shù)5，在脫氮反應過程中以在線檢測的DO值模糊控制曝氣量6等。但未見到采用SBR法處理工業(yè)廢水時以在線檢測的DO值作為模糊控制參數(shù)的研究。1 試驗設備與方法SBR法試驗裝置如圖1所示。反應器高70cm，直徑30cm，總有效容積38L，采用鼓風曝氣，轉子流量計調節(jié)曝氣量。在反應過程中在線檢測DO值，并根據(jù)DO值的變化在一定的時間間隔內取樣測定COD及混合液污泥濃度（MLSS）等指標。試驗用石化廢水中含有乙酸、偏苯三酸及苯酐等多種有機化合物，加適量的自來水稀釋，使COD濃度在4001900mg/L范圍內變化。由于原水中氮、磷元素含量極少，本試驗按BOD5NP=10051的比例投加氯化銨（NH4Cl）和磷酸二氫鉀（KH2PO4）配制的營養(yǎng)液，并調整pH值為66.5，水溫控制在20 左右。2 試驗結果與分析為了實現(xiàn)以DO作為SBR法運行過程中曝氣量及反應時間的模糊控制參數(shù)，必須尋找DO與有機物降解之間的規(guī)律性。因此，本試驗在兩種不同條件下研究DO濃度對反應過程的影響。2.1 同一進水濃度不同曝氣量試驗配制原水COD濃度為1800mg/L，進水混合后反應初始COD濃度為1600mg/L。反應過程平均MLSS=2000 mg/L，曝氣量分別為0.6m3/h、1.0m3/h、1.2m3/h時試驗結果如圖2所示。從圖中可以看出，反應開始810min左右，不同曝氣量下DO值顯著不同。曝氣量越小，此時的DO值越低，致使整個反應過程DO處于較低水平，大大延長了反應時間。隨著曝氣量的增大，初始DO值也在增大，帶來整個反應過程DO的提高，縮短了有機物達到難降解程度的時間，即減少了反應時間。但是，過分地增大曝氣量，初始DO的過高會造成整個過程DO處于過高的水平，卻不能有效地縮短反應時間，還造成能量的巨大浪費。產(chǎn)生這種現(xiàn)象可以從耗氧速率與DO的相關關系的研究中得到解釋，因為在低DO濃度下，DO濃度對生化反應速率的影響較大。當DO在12mg/L范圍內，隨著DO的提高，耗氧速率大幅度提高，標志著有機物降解速率的加快，從而縮短反應時間。當DO超過2mg/L后，繼續(xù)增大DO值，由于受污泥濃度（MLSS）的限制，有機物降解速率的增加幅度較小。取進水COD濃度分別為400、600、800、1000、1300、1600、1900mg/L，每一進水濃度又在不同曝氣量下進行試驗，比較DO與有機物降解情況。試驗中發(fā)現(xiàn)控制反應過程中DO為2.0 mg/L左右時最經(jīng)濟合理，其相應的曝氣量為合適的曝氣量。通過試驗找出每一進水濃度下合適的曝氣量，并應隨著進水COD濃度的不同，根據(jù)檢測的初始DO（810min左右）值調節(jié)曝氣量，使整個反應過程的DO處于適當?shù)乃?，既能保證出水水質，又能節(jié)省運行費用。2.2 不同進水濃度相同曝氣量試驗配制原水COD濃度分別為850、1200、1500mg/L，進水混合后COD濃度分別為650、980、1300mg/L，反應過程平均MLSS為2000mg/L，曝氣量為0.6 m3/h，試驗結果如圖3所示。從圖可以看出，不同的進水COD濃度，反應10 min左右時DO值有很大差別，COD濃度越高，DO值越低，二者有很好的相關性。在COD濃度為650mg/L時，反應10 min左右DO值就升到4.5 mg/L；而COD濃度為1300 mg/L時，反應10 min時的DO值僅為1.3 mg/L。因此，在反應開始后較短的時間內就可以根據(jù)檢測的DO值的大小預測出相應的進水COD濃度。用SBR法處理石化廢水，以上述試驗研究結果為基礎，設定每一周期初始的曝氣量均為0.6m3/h，在不知進水COD濃度的情況下，以在線檢測反應10min左右時DO值的大小為依據(jù)，預測出該進水COD濃度，再找出在該進水COD濃度下適宜的曝氣量，將其歸納總結如表1所示。與此同時，發(fā)現(xiàn)在上述每一試驗過程中，當有機物達到難降解程度時，DO都有迅速大幅度升高的現(xiàn)象發(fā)生，并且在較短的時間內上升到56mg/L。根據(jù)反應期間DO的變化，實現(xiàn)對SBR供氣量和反應時間的模糊控制。表1 進水COD濃度和反應時間預測初始DO值（mg/L） 預測進水COD濃度（mh/L） 適宜曝氣量（m3/h） 反應時間（min） 5.554006000.20.39053.706008000.30.41003.702.2080010000.40.61002.201.50100013000.60.81201.50181.01201.151.0160019001.01.21303 DO作為模糊控制參數(shù)的基本思想SBR法的模糊控制目的有三：一是實現(xiàn)計算機自動控制；二是在保證出水水質前提下盡可能節(jié)省運行費用；三是避免曝氣量不足或反應時間過長而引起的污泥膨脹。3.1 以初始DO作為模糊控制參數(shù)設定每一周期反應初始的曝氣量均為0.6m3/h，以在線檢測的反應初始階段（810 min左右）的DO值（DOoff）作為被控制變量，以曝氣量（u）為控制變量。在模糊控制系統(tǒng)的設計時，以在線檢測的DOoff與設定的DO標準濃度（DOs）的偏差Ei作為模糊控制器的一個輸入變量，1min為一個采樣周期，一個采樣周期后該偏差Ei的變化量CEi作為模糊控制器的另一個輸入變量。Ei=DOoff-DOs i=1，2，3(1)CEi=Ei-Ei-1i=1，2，3(2)式中i-第i次采樣的相應數(shù)據(jù)Ei-1-第i-1次采樣處理水DOoff的偏差。根據(jù)這兩個輸入變量，經(jīng)過模糊控制器的計算、判斷與決策，作為模糊控制系統(tǒng)輸出變量的則是控制變量的變化量ui，即曝氣量的變化量。確定了模糊控制器的輸入與輸出變量后，根據(jù)模糊控制理論按照以下步驟實現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)。3.1.1 精確量的模糊化根據(jù)表1所得的試驗結果，將DO的偏差及偏差的變化量用模糊變量來表示，即將被控制變量進行模糊化處理，得到模糊集合向量。對誤差E,誤差變化CE及控制量u的模糊集及其論域定義如下：CE和u的模糊集均為：NB,NM,NS,O,PS,PM,PBE的模糊集為：NB,NM,NS,NO,PO,PS,PM,PB上述模糊語言變量的意義：NB=Negative Big(負大)PB=Positive Big(正大)NM=Negative Medium（負中）PM=Positive Medium(正中)NS=Negative Small(負小)PS=Positive Small(正小)NO=Negative Zero(負零)PO=Positive Zero(正零)O=ZeroE和CE的論域均為：-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6u的論域為：-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，+7將Ei、CEi、ui化為各自論域上離散的整型變量，即整型化處理。在此設定DOs=2.0mg/L,是相對于COD=1000 mg/L、曝氣量為0.6m3/h、反應9min時的DO濃度。E、CE及u的模糊集和論域確定后，須對模糊語言變量確定隸屬函數(shù)，即所謂對模糊變量賦值，就是確定論域內元素對模糊語言變量的隸屬度。上述論域E、CE、u上的模糊變量均假定為正態(tài)型模糊變量，其正態(tài)函數(shù)為：F(x)=exp-(x-a)/)2(3)此函數(shù)確定了模糊隸屬函數(shù)曲線的形狀。將確定的隸屬函數(shù)曲線離散化，就得到了有限個點上的隸屬度，便構成了一個相應的模糊變量的模糊子集。3.1.2 建立模糊控制規(guī)則在試驗基礎上，分析DO與有機物降解及曝氣量之間的關系，建立以模糊語言表示的模糊控制推理的合成規(guī)則和模糊控制規(guī)則。根據(jù)操作過程中可能遇到的各種情況和系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，將相應的控制策略歸納為表2，這是一組根據(jù)系統(tǒng)輸出的誤差及誤差的變化趨勢來消除誤差的模糊控制規(guī)則。表2 SBR法曝氣過程模糊控制規(guī)則表ECENBNMNSOPSPMPBuNBPBPBPBPBPMPSONMPBPBPBPMPSONSNSPBPMPMPSONSNMNOPMPMPSONSNSNMPOPMPSPSONSNMNMPSPMPSONSNMNMNBPMPSONSNMNBNBNBPBONSNMNBNBNBNB上述這些模糊控制規(guī)則可以用模糊條件語句來描述，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 上述選取控制量變化的原則是：當誤差大或較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主；而當誤差較小時，選擇控制量要注意防止超調，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點。例如，當DO誤差及誤差變化均為負大時，就是SBR反應器內DO濃度很低，而且有進一步降低的趨勢，如果不加以調整，勢必造成反應時間過長或引起污泥膨脹，為盡快提高DO濃度，消除誤差，必須增大曝氣量，所以u取正大。當誤差為負小，誤差變化為正小時，系統(tǒng)本身具有消除誤差的能力，可以不調整曝氣量。3.1.3 模糊推理及其模糊量的非模糊化在模糊控制規(guī)則的指導下，經(jīng)過模糊決策后，得到模糊控制變量ui：為了對被控制對象SBR處理系統(tǒng)施加精確的控制，還需要將模糊控制變量ui轉化為可執(zhí)行的精確量，即曝氣量變化量的準確量，這就是非模糊化處理過程。上述模糊控制規(guī)則所確定的每一條模糊條件語句都可以計算出相應的模糊控制量ui。例如，由第1條語句所確定的模糊關系可用式（4）表示：R=(NBE+NME)PBu(NBCE+NMCE)PBu(4)如果此刻采樣所得到的實際誤差模糊變量為e，誤差變化的模糊變量為ce,根據(jù)推理的合成規(guī)則進行模糊決策，得到模糊控制量為u1:u1=eo(NBE+NME)PBuceo(NBCE+NMCE)PBu(5)同理，可由其余模糊條件語句計算出相應的模糊控制量u2,u3,由于各條件語句之間是或的關系，則控制量的模糊集合u表示為：u=u1+u2+un(6)由式（6）所計算出的控制量是一個模糊子集，不能直接應用于被控對象，必須經(jīng)過非模糊化處理轉化為精確量。本文采用加權平均法作為非模糊化處理方法，計算式如下：這種方法可以充分利用模糊推理結果、模糊子集提供的有用信息量，得到SBR法曝氣過程的模糊控制表，儲存在計算機中。上述過程是反應進行到89min，根據(jù)在線檢測的DO值預測進水COD濃度，并在第10min對曝氣量進行調整。為了保證較好的控制效果，可在后續(xù)反應過程中繼續(xù)檢測DO值，并對曝氣量進行再一次調整。調整次數(shù)的多少應視預測進水COD濃度的大小及相應反應時間的長短而定。在有機物達到難降解程度時，DO迅速大幅度升高，這是停止曝氣的信號。如果在反應過程中，頻繁地調整曝氣量，勢必使DO始終維持在2.0mg/L左右，而不會發(fā)生DO迅速大幅度升高的現(xiàn)象，進而影響反應時間的控制。因此，試驗中根據(jù)表1的試驗結果，在反應810 min預測到進水COD濃度后，便相應地預知反應時間。如果預測的反應時間在120min之內，進行兩次調整，第二次是在反應進行到30 min，DOs仍取2.0 mg/L，具體的控制方法同前。如果預測的反應時間超過120 min，則進行三次調整，第三次是在反應進行到60 min，DOs仍取2.0 mg/L，具體的控制方法同前。經(jīng)過這樣的方法控制，就可以彌補第一次調整曝氣量（810 min）所造成的誤差，而且不會影響對反應時間的控制。3.2 作為反應時間的控制參數(shù)在反應初期（810 min），以上述的模糊控制方法對曝氣量進行調整后，使后續(xù)反應過程中DO處于合適的水平。由于SBR法間歇運行的特點，當有機物達到難降解程度時，DO迅速大幅度升高，在10 min內DO便可上升到3.5 mg/L,反應結束時DO可升到6 mg/L左右。這一變化特點可用模糊語言變量加以描述，以此作為停止曝氣的信號，故引入了用DO誤差的大小和誤差變化的快慢作為模糊控制器的兩個輸入變量。SBR法處理石油化工廢水的試驗結果表明：當DO(升高的幅度)3.5 mg/L，且DO的變化速率0.30 mg/(Lmin)時，反應已結束，應停止曝氣，這是建立模糊控制規(guī)則的重要依據(jù)。由于兩種現(xiàn)象中誤差及誤差的變化均為正，可以簡化對誤差E、誤差變化CE及控制量u的模糊集和論域的定：E、CE的模糊集均為：PS，PM，PBE、CE的論域為：1，2，3，4，5，6而對控制量u（即曝氣量）而言，只有兩種選擇：一種是維持原來的曝