奧貝爾氧化溝溶解氧模糊控制研究

向陽

（南京萬德斯環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，江蘇南京211100）

奧貝爾氧化溝是二十世紀(jì)60 年代在南非研發(fā)成功并工程化應(yīng)用的水處理工藝，后由美國Envirex 有限公司收購[1-2]，它屬于橢圓形多溝式氧化溝，是由三個(gè)環(huán)形氧化溝組成，具有耐沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)，常規(guī)污染物去除率較高，產(chǎn)生的污泥量相對(duì)較少等特點(diǎn)。當(dāng)然，在目前的工程實(shí)際應(yīng)用中其也存在著相當(dāng)問題，包括同步脫氮除磷效率較低，各主要單元運(yùn)行電耗較高等[3]。

氧化溝污水處理系統(tǒng)是比較復(fù)雜的動(dòng)態(tài)工程處理系統(tǒng)，目前難以運(yùn)用精確的模型來表述，優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行工程智能化控制是水處理工程研究熱點(diǎn)之一。作為智能控制的一種，模糊控制理論具備簡(jiǎn)單、有效、實(shí)用等特點(diǎn)。奧貝爾氧化溝的特點(diǎn)之一是其三溝的溶解氧值呈“0-1-2 mg/L（外-中-內(nèi)）”遞增分布，而我們也常?？吹街性嚮蚬こ躺喜捎萌芙庋醯冗^程參數(shù)對(duì)水處理系統(tǒng)進(jìn)行模糊控制[4-5]。本文以溶解氧作為模型控制量對(duì)華東某生活污水處理廠采用的奧貝爾氧化溝工藝進(jìn)行模糊控制研究，在確保出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的情況下，優(yōu)化曝氣作業(yè)工況，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

1 項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試試驗(yàn)

1.1 廠家基本概況

華東某生活污水處理廠設(shè)計(jì)處理規(guī)模（一期）為40 000 t/d，單組進(jìn)水水量為10 000～15 000 t/d，調(diào)節(jié)奧貝爾氧化溝內(nèi)曝氣轉(zhuǎn)碟運(yùn)行工況，優(yōu)化控制三溝內(nèi)溶解氧濃度。

曝氣轉(zhuǎn)碟的運(yùn)行工況包括運(yùn)行時(shí)間及轉(zhuǎn)速，由變頻和工頻兩類方式控制其轉(zhuǎn)速。每座奧貝爾氧化溝內(nèi)配備8 組電機(jī)，試驗(yàn)中分別記為1～8 號(hào)，其中外溝4 組，2 臺(tái)工頻，2 臺(tái)變頻，中溝及內(nèi)溝共4 組，電機(jī)連軸，全部為變頻控制，頻率輸出可控范圍為10～50 Hz。部分曝氣轉(zhuǎn)碟轉(zhuǎn)速與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

表1 曝氣轉(zhuǎn)碟轉(zhuǎn)速與頻率關(guān)系表

1.2 不同測(cè)量點(diǎn)位置溶解氧濃度

為確定氧化溝內(nèi)溶解氧濃度分布差異關(guān)系，在污水處理廠奧貝爾氧化溝內(nèi)的三溝曝氣轉(zhuǎn)碟近端設(shè)置若干組溶解氧檢測(cè)點(diǎn)，分別為3#、7#碟近端，4#、8#碟近端，1#、5#碟與4#、8#碟中端，3#、7#碟與2#、6#碟中端，如圖1 所示，同時(shí)于每組檢測(cè)點(diǎn)不同浸沒深度設(shè)置三組溶解氧檢測(cè)點(diǎn)，如表2 所示。此時(shí)運(yùn)行工況進(jìn)水量為412 m3/h，進(jìn)水COD 為61 mg/L。

表2 不同測(cè)量點(diǎn)溶解氧濃度

通過上述試驗(yàn)大致了解奧貝爾氧化溝內(nèi)溶解氧濃度分布狀況：①橫向比較：幾組檢測(cè)點(diǎn)溶解氧濃度相差不大，并未出現(xiàn)因距離曝氣轉(zhuǎn)碟不同而產(chǎn)生的溶解氧濃度差別；②縱向比較：氧化溝溶解氧濃度隨著測(cè)量深度加大而降低；③測(cè)量的溶解氧濃度整體較高，高于奧貝爾氧化溝溶解氧“0-1-2”濃度梯度分布，這是由于進(jìn)水水量不足且進(jìn)水COD 濃度過低所造成。

圖1 氧化溝曝氣轉(zhuǎn)碟分布

1.3 確定曝氣轉(zhuǎn)碟最佳浸沒深度

在進(jìn)水量及進(jìn)水水質(zhì)參數(shù)大致相當(dāng)?shù)墓r下，通過調(diào)節(jié)位于氧化溝內(nèi)溝的出水堰門相對(duì)高度，檢測(cè)曝氣轉(zhuǎn)碟不同浸沒水深下對(duì)應(yīng)的溶解氧濃度值，參照氧化溝內(nèi)溝運(yùn)行工況，如表3 所示（曝氣轉(zhuǎn)碟的直徑為1 400 mm，最佳浸沒深度范圍為400～530 mm）。

表3 顯示，以內(nèi)溝曝氣轉(zhuǎn)碟運(yùn)行工況為例，在不同浸沒水深的工況下，溝內(nèi)溶解氧濃度差別較為明顯，當(dāng)浸沒水深為500 mm 時(shí)，內(nèi)溝溶解氧濃度數(shù)值最高，為3.02 mg/L。同時(shí)在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，隨著溝內(nèi)水位高度提升，當(dāng)轉(zhuǎn)碟碟片浸沒水深上升至500 mm 時(shí)，溝內(nèi)液面基本與曝氣機(jī)的主軸底部持平，此工況下曝氣機(jī)的減速機(jī)安裝平臺(tái)完全被水體淹沒。這就造成當(dāng)浸沒水深未達(dá)到500 mm 時(shí)，轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)就出現(xiàn)電流過大等不利現(xiàn)象。綜上所述，曝氣轉(zhuǎn)碟的較佳浸沒水深確定為450 mm。

表3 曝氣轉(zhuǎn)碟不同浸沒水深對(duì)應(yīng)的溶解氧濃度

1.4 曝氣轉(zhuǎn)碟轉(zhuǎn)速與溶解氧的關(guān)系

參照以上試驗(yàn)過程，確定曝氣轉(zhuǎn)碟各組溶解氧檢測(cè)點(diǎn)，再進(jìn)行對(duì)應(yīng)的溶解氧關(guān)系試驗(yàn)：

工況1：?jiǎn)谓M氧化溝進(jìn)水量約為10 000 t/d，進(jìn)水COD 約為60 mg/L，幾組曝氣工況條件下三溝溶解氧濃度值對(duì)應(yīng)如表4 所示。

表4 調(diào)整曝氣轉(zhuǎn)碟對(duì)應(yīng)的溶解氧濃度（工況1）

工況2：?jiǎn)谓M氧化溝進(jìn)水量約為15 000 t/d，進(jìn)水COD 約為140～250 mg/L，幾組曝氣工況條件下三溝溶解氧濃度值對(duì)應(yīng)如表5 所示。

表5 調(diào)整曝氣轉(zhuǎn)碟對(duì)應(yīng)的溶解氧濃度（工況2）

由以上調(diào)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在進(jìn)水量約為10 000 t/d，進(jìn)水COD 約為60 mg/L 的工況下，結(jié)合奧貝爾氧化溝溶解氧濃度三溝分布特點(diǎn)，對(duì)該工況下曝氣轉(zhuǎn)碟運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化：3#碟頻率調(diào)整為16.82 Hz，8#碟頻率調(diào)整為14.47 Hz，其余全部關(guān)閉，兩臺(tái)外溝潛水推流器全部運(yùn)行。在進(jìn)水量約為15 000 t/d，進(jìn)水COD 約為140～250 mg/L 的工況下，對(duì)該工況下曝氣轉(zhuǎn)碟運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化：3#碟頻率調(diào)整為29.50 Hz，4#碟開啟，6#碟調(diào)整為32.76 Hz，8#碟頻率調(diào)整為28.98 Hz，其余全部關(guān)閉，兩臺(tái)外溝潛水推流器全部運(yùn)行。以此作為原始工況，參照溶解氧濃度變化量及變化率進(jìn)行曝氣量模糊優(yōu)化控制。

2 奧貝爾氧化溝溶解氧模糊控制模型

2.1 建立奧貝爾氧化溝溶解氧模糊控制模型

推流及完全混合運(yùn)行狀態(tài)是奧貝爾氧化溝具備的特點(diǎn)之一，外、中、內(nèi)溝溶解氧濃度呈“0-1-2”濃度梯度分布。在建立氧化溝溶解氧模糊控制系統(tǒng)時(shí)，以不同時(shí)間檢測(cè)得出的溶解氧值變化量為其中一個(gè)輸入變量，記作Ex，該輸入變量Ex在單位采樣周期內(nèi)的變化量作為另一個(gè)輸入變量，記作CEx，每隔1 h 采樣檢測(cè)一次。系統(tǒng)模型根據(jù)以上兩個(gè)輸入變量決策出曝氣量的多少，即輸出變量，記作Δf，Δf 為曝氣轉(zhuǎn)碟電機(jī)頻率變化量，建立奧貝爾氧化溝溶解氧雙輸入單輸出模糊控制模型[6-7]。

由公式Ex=DOn-DOn-1，CEx=Ex-Ex-1；定義E、CE 及Δf 三變量模糊子集為：{PB（正大），PM（正中），PS（正?。?（零），NS（負(fù)小），NM（負(fù)中），NB（負(fù)大）}；其中E、CE、Δf 的論域?yàn)椋簕+6，+5，+4，+3，+2，+1，0，-1，-2，-3，-4，-5，-6}

表6 模糊控制規(guī)則表

上述49 條模糊控制規(guī)則，用模糊控制描述語句表述如下所示：

if E=PB and CE=PB then Δf=NB；……if E=NS and CE=NB then Δf=PB……

當(dāng)誤差及誤差變化量較大時(shí)，調(diào)節(jié)氧化溝曝氣量減小誤差；當(dāng)誤差及誤差變化量較小時(shí)，要注意防止氧化溝曝氣量過高，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

參照前面第一條模糊控制語句，當(dāng)氧化溝內(nèi)溝溶解氧誤差及其變化量均為PB 時(shí)，表示內(nèi)溝溶解氧濃度較高并可能有進(jìn)一步升高的趨勢(shì)，需降低曝氣量以減少能耗。由于曝氣量的大小與曝氣轉(zhuǎn)碟轉(zhuǎn)速快慢成正比，內(nèi)溝轉(zhuǎn)碟為變頻控制，因此可降低轉(zhuǎn)碟頻率以減少曝氣量，即Δf 取NB，其對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系式可表示為Rk=Ei×CEj×fij，其中i=1，2，…，7；j=1，2，…，7。根據(jù)上述各模糊關(guān)系式推導(dǎo)得出系統(tǒng)總模糊關(guān)系矩陣R：

2.2 采用matlab 模糊邏輯工具箱建立氧化溝溶解氧模糊控制模型

首先進(jìn)入matlab 軟件中Toolboxes 的Fuzzy 控制界面，建立雙輸入單輸出變量，E、CE 的隸屬度函數(shù)選擇高斯型曲線，即gaussmf 型，f 的隸屬度函數(shù)選擇三角形曲線，即trimf 型，如圖2；同時(shí)在Rule Editor 界面輸入49條模糊控制規(guī)則，如圖3；推理路徑圖及三維視圖中反映出最優(yōu)處理結(jié)果，如圖4、圖5[8-9]。

圖2 Fuzzy 控制界面

圖3 控制規(guī)則編輯界面

圖4 Fuzzy 推理路徑界面

圖5 Fuzzy 三維視圖界面

依據(jù)檢測(cè)的溶解氧參數(shù)值得出溶解氧偏差值e 及偏差變化量ce，量化取整后分別乘以量化因子Ke、Kce，即得到模糊控制表中的E 及CE，查表對(duì)應(yīng)的曝氣轉(zhuǎn)碟頻率輸出f，乘以量化因子Kf，轉(zhuǎn)化為fx，即曝氣轉(zhuǎn)碟頻率實(shí)際優(yōu)化輸出量[10]，優(yōu)化輸出量如表7 所示。

參照上述數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，模糊控制奧貝爾氧化溝外溝溶解氧濃度，最終以氧化溝三溝溶解氧濃度分布特點(diǎn)為基礎(chǔ)優(yōu)化調(diào)整各溝曝氣轉(zhuǎn)碟運(yùn)行工況，確保出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的同時(shí)降低運(yùn)行能耗，在后期的試運(yùn)行優(yōu)化調(diào)試中證明節(jié)能降耗作用較為顯著。

表7 模糊控制曝氣轉(zhuǎn)碟頻率輸出查詢表

3 結(jié)束語

本文應(yīng)用matlab 軟件工具箱建立奧貝爾氧化溝溶解氧雙輸入單輸出模糊控制模型，優(yōu)化調(diào)節(jié)三溝內(nèi)曝氣運(yùn)行工況，依據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及模型推導(dǎo)計(jì)算結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）奧貝爾氧化溝內(nèi)溶解氧濃度隨水深呈遞減趨勢(shì)，橫向分布濃度無明顯差異，進(jìn)水量不足且進(jìn)水COD偏小是造成氧化溝內(nèi)溶解氧濃度值偏高的主要原因。

（2）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試試驗(yàn)結(jié)果表明，曝氣轉(zhuǎn)碟最佳浸沒水深為450 mm。

（3）在進(jìn)水量約為15 000 t/d，進(jìn)水COD 約為140～250 mg/L 的工況下，優(yōu)化該工況下對(duì)應(yīng)的曝氣轉(zhuǎn)碟節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)是：運(yùn)行4#曝氣轉(zhuǎn)碟，3#、6#、8#碟頻率調(diào)至30 Hz，其余全部關(guān)閉，兩臺(tái)外溝潛水推流器全部運(yùn)行，以此為初始工況，依據(jù)三溝內(nèi)溶解氧濃度變化情況優(yōu)化控制曝氣運(yùn)行狀態(tài)。

（4）利用matlab 軟件工具箱為基礎(chǔ)，構(gòu)建曝氣模糊控制模型可優(yōu)化奧貝爾氧化溝各溝曝氣轉(zhuǎn)碟的運(yùn)行狀態(tài)，從而達(dá)到污水處理廠節(jié)能運(yùn)營的目的，具有工程應(yīng)用參考價(jià)值。