向陽

（南京萬德斯環(huán)保科技股份有限公司，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)于每組檢測點(diǎn)不同浸沒深度設(shè)置三組溶解氧檢測點(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量深度加大而降低；③測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)溝的出水堰門相對高度，檢測曝氣轉(zhuǎn)碟不同浸沒水深下對應(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)碟各組溶解氧檢測點(diǎn)，再進(jìn)行對應(yīng)的溶解氧關(guān)系試驗(yàn)：

工況1：單組氧化溝進(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應(yīng)如表4 所示。

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

工況2：單組氧化溝進(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應(yīng)如表5 所示。

表5 調(diào)整曝氣轉(zhuǎn)碟對應(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（正小），0（零），NS（負(fù)?。琋M（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，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，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。