彭永臻 王淑瑩 周 利 (哈爾濱建筑大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院)
黑田正和 許燕青(日本群馬大學(xué)工學(xué)部)

　　摘 要 在硝酸態(tài)氮污染水脫氮處理的新方法--生物電極法的研究基礎(chǔ)上，提出了該工藝的過程控制方法和在線模糊控制系統(tǒng)。介紹了生物電極法在線模糊控制系統(tǒng)的基本思想、輸入輸出變量的確定和控制變量變化量的換算與計(jì)算方法，給出了其模糊控制系統(tǒng)流程圖。為解決具有非線性、時(shí)變性、隨機(jī)性和模糊性的復(fù)雜系統(tǒng)控制問題開創(chuàng)了新的思路。
　　關(guān)鍵詞 水處理 生物電極法 脫氮 模糊控制

　　模糊控制的顯著特點(diǎn)是：它在建立模糊控制規(guī)則時(shí)可利用人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)以及不斷產(chǎn)生的新研究成果，并且讓計(jì)算機(jī)模擬人腦對(duì)模糊事物的處理方法，使部分自然語言作為算法語言直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)程序，進(jìn)而使計(jì)算機(jī)能處理其它控制方式無法處理的模糊信息。
　　黑田等人 ^[1～3] 將生物法與電化學(xué)法結(jié)合起來，開發(fā)研究了一種處理硝酸態(tài)氮污染水的新方法--生物電極法(如圖1所示)。它把脫氮菌作為生物膜固定在以炭為材料的電極上，稱之為固定化微生物電極；通過在電極間通電產(chǎn)生的電解氫作為脫氮的電子供體。反應(yīng)方程式如下：

　　陽極　　　C+2H₂O→CO₂+4H⁺+4e^-
　　陰極　　　2H⁺+2e^-→H_{2
　　　　　　　2NO3^-+5H2→N2+4H2O+2OH^-}

　　圖1所示生物電極法裝置是由泵(混合攪拌)、直流電源和固定化生物電極構(gòu)成的完全混合式反應(yīng)器，該工藝方法不僅可以使脫氮反應(yīng)器中保持高濃度與高密度的脫氮菌生物膜，提高處理效率，而且在通常的進(jìn)水NO_x^-濃度下，不必投加有機(jī)物作為電子供體。也不存在處理水中殘留有機(jī)物問題。只有在進(jìn)水中NO_x^-濃度很高時(shí)，才投加有機(jī)物作為輔助的脫氮電子供體。與從外部投加氫供體以及用氫氣作為電子供體的脫氮法相比，本法通過低電流低電壓電解產(chǎn)生的電解氫是以分子狀態(tài)存在的，在脫氮反應(yīng)中更容易被高效地利用，而且還可通過適當(dāng)?shù)碾娏髅芏瓤刂?，進(jìn)一步提高處理效率。目前該工藝的研究還在進(jìn)一步開展。

　　為了使生物電極脫氮法進(jìn)一步提高效率，尋求其有效合理的自動(dòng)控制方式是必須首先解決的一個(gè)問題。生物電極法反應(yīng)器中生物化學(xué)反應(yīng)很復(fù)雜，其反應(yīng)過程受到多種因素的影響，例如，生物膜中脫氮菌的量與活性、溫度、pH值、電流密度等，尤其在處理含有高濃度NO_x^-的工業(yè)廢水時(shí)，受流量、NO_x^-濃度的變化以及作為電子供體投加的有機(jī)物量等影響更顯著。顯然，這是一個(gè)典型的具有非線性、時(shí)變性、隨機(jī)性、模糊性和非穩(wěn)定性的復(fù)雜系統(tǒng)，不僅難于用較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來描述，就連準(zhǔn)確地測(cè)定和表示其中脫氮菌的濃度也很困難。因此，它很難應(yīng)用傳統(tǒng)的控制理論進(jìn)行有效地控制，而模糊控制理論正是解決這類復(fù)雜系統(tǒng)控制問題的有利工具。本研究的目的是設(shè)計(jì)出一個(gè)適用于生物電極法、結(jié)構(gòu)簡單、具有良好的可行性、可靠性與穩(wěn)定性，并且能使處理系統(tǒng)在處理水質(zhì)滿足要求的前提下盡可能節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用的模糊控制系統(tǒng)。

1 模糊控制系統(tǒng)的組成與基本原理

　　 模糊控制的組成與原理如圖2所示。它的核心部分是圖中虛線框中的模糊控制器。模糊控制操作是由計(jì)算機(jī)運(yùn)行其模糊控制程序來實(shí)現(xiàn)的，主要步驟如下。

　?、?經(jīng)傳感器采樣后計(jì)算機(jī)獲取被控對(duì)象輸出的被控制量(非模糊的數(shù)據(jù))，將其值與給定值(如處理水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn))比較，經(jīng)計(jì)算得到誤差信號(hào)E，將E作為模糊控制器的輸入變量。
　?、?把該精確的誤差信號(hào)E經(jīng)過模糊化處理后變成模糊變量(可用模糊語言表示)，得到偏差E的模糊集合向量。
　?、?根據(jù)模糊推理合成規(guī)則，由和模糊控制規(guī)則的模糊關(guān)系合成進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制的輸出變量即控制量的模糊值為：

　　　　　　　　　(1)
　　式中 ～--模糊變量 。--模糊關(guān)系的合成?
　　這一步也可以根據(jù)上述原理制成的查詢表獲得。
　?、?為了精確地控制被控對(duì)象，將模糊控制變量經(jīng)非模糊量化處理后，得到精確的數(shù)字控制量，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換為精確的模擬量傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。然后再中斷采樣進(jìn)行下一步控制，實(shí)現(xiàn)其在線模糊控制。

2 在線模糊控制系統(tǒng)的基本思想

　　對(duì)于生物電極脫氮法，令人滿意的自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足以下3個(gè)控制目標(biāo)。
　　① 處理水中NO_x^--N濃度(以下用 N_off 表示)滿足給定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
　?、?不過量地投加有機(jī)物(例如甲醇CH₃OH)。
　?、?盡可能減小其運(yùn)行費(fèi)用。
　　為了實(shí)現(xiàn)上述指標(biāo)，應(yīng)當(dāng)在滿足處理水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，減小運(yùn)行費(fèi)用。
　　生物電極法的運(yùn)行特點(diǎn)分析如下。它的輸入變量有：進(jìn)水流量、進(jìn)水NO_x^--N濃度(以下用 N_in 表示)、溫度、電流密度、有機(jī)物的投加量、磷和其它微量元素的投加量。主要的輸出變量有：出水流量、N_off、處理水中有機(jī)物和磷的濃度?？梢钥闯?，輸入變量中有些變量可以作為控制變量，有些變量難以控制，有些變量不必作為控制變量。
　　為了在滿足上述三個(gè)控制目標(biāo)的前提下，使控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)并且盡可能簡單易行，本研究只選擇處理水 N_off 作為被控制變量，以電流密度和有機(jī)物投加量作為控制變量。在生物電極法在線模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，以在線測(cè)定出的 N_off 與給定的處理水NO_x^--N標(biāo)準(zhǔn)濃度(以下用 N_s 表示)的偏差 E_i 和一個(gè)采樣周期后該偏差 E_i 的變化量 CE_i 這兩者的綜合信息作為模糊控制器的輸入變量(即生物電極法的被控制量)。
　E_i=N_offi-N_s i =1，2，3……(2)
　CE_i=E_i-E_i-1 i =1，2，3……(3)
　　式中 i -- 第 i 次采樣的相應(yīng)數(shù)據(jù)(以下同)
　　　　E_i-1 -- 第 i -1次采樣的處理水
　　　　NO_x^--N的偏差
　　根據(jù)這個(gè)輸入變量，經(jīng)過模糊控制器的計(jì)算、判斷與決策，作為模糊輸出變量的是生物電極反應(yīng)器的控制變量的變化量，將進(jìn)行非模糊化處理，得到施加于生物電極法反應(yīng)器的控制變量，它包括電流密度的變化量ΔI_i?和有機(jī)物投加量的變化量ΔS_i，磷與其它微量元素投加量P_i(以下簡稱P的投加量)的增量 ΔP_i 取決于有機(jī)物投加量S_i，即用 P_i= f(S_i) 表示P的投加量和有機(jī)物投加量之間的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)有機(jī)物投加量不大時(shí)，可能不需要投加磷等。
　　確定了模糊控制器的輸入與輸出變量后，根據(jù)模糊控制理論得出的生物電極法在線模糊控制系統(tǒng)的流程如圖3所示。圖中的虛線流向表示根據(jù)各種不同的進(jìn)水水質(zhì)、水量、電流密度、有機(jī)物和P的投加量等輸入變量與處理水水質(zhì)等輸出變量之間關(guān)系，反復(fù)修正原有的模糊控制器，使其控制品質(zhì)越來越好，逐漸趨向最優(yōu)控制。

3 控制變量變化量的換算與計(jì)算方法

　　首先對(duì)處理水中N_off 的偏差和偏差變化進(jìn)行模糊化處理，根據(jù)模糊關(guān)系和模糊推理與計(jì)算，作出模糊決策；然后對(duì)其作為模糊變量輸出的控制變量變化量進(jìn)行非模糊處理，得到應(yīng)當(dāng)對(duì)生物電極法反應(yīng)器施加確定的控制變量的變化量ΔU_i；再根據(jù)當(dāng)時(shí)的控制變量U_i-1，可得到本控制周期新的控制變量U_i。
　U_i=U_i-1+ΔU_i (4)
　U_i-1=I_i-1+S_i-1 (５)
　　式中?I_i-1、S_i-1-- 上一個(gè)控制周期的電流密度和有機(jī)物投加量
　　　　　ΔU_i -- 確定值(可正可負(fù))
　　式(4)和式(5)中的變量都是確定的量。下一步的問題是將ΔU_i 換算成為電流密度的變化量ΔI_i 或(和)有機(jī)物投加量的變化量ΔS_i。
　　黑田等人的研究^［７］表明：可通過電流密度的控制高效地利用電解氫進(jìn)行脫氮。利用電解氫和投加有機(jī)物作為供氫體，還可在處理水中不殘留有機(jī)物的前提下提高脫氮效率。此外，一方面隨著電流密度的增大，電解時(shí)產(chǎn)生氫的量也隨之增大，可以加快脫氮速率；另一方面，隨著電壓和電流密度的增大，不僅電解時(shí)產(chǎn)生氧的量隨之增大，減弱脫氮菌的脫氮活性，而且單位電流量電解產(chǎn)生的氫量也將下降，降低了電流效率。電流密度I和生成氫的電解效率η_H以及電解產(chǎn)生的氧量P_O2的關(guān)系大致如圖4所示。因此，應(yīng)通過試驗(yàn)確定一個(gè)電流效率η_H較高且氧的生成量又不大的電流密度上限I_max，稱為最大電流密度，在進(jìn)行電流密度控制時(shí)不能超過I_max。

　　控制策略的原則是：在保持較高的電流效率前提下，盡可能利用電解氫作為脫氮的供氫體，不投或少投加有機(jī)物，以避免出水中殘留有機(jī)物。在進(jìn)水NO_x^-負(fù)荷較低時(shí)，只靠電解出的氫作為脫氮的供氫體，只有在進(jìn)水NO_x^-負(fù)荷較高時(shí)才輔以投加有機(jī)物作為供氫體。
　　例如，當(dāng)式(4)中控制變量的變化量ΔU_i為正時(shí)，只要將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏髅芏群?，?U_i≯I_max 的情況下，就可以將ΔU_i 換算成正電流密度的增量，通過圖3中的電流控制機(jī)構(gòu)來改變電流密度；如果 U_i-1>I_max，只好將ΔU_i 換算成有機(jī)物投加量的增量，再通過圖3中有機(jī)物控制機(jī)構(gòu)來改變有機(jī)物的投加量。在6種不同情況下，將ΔU_i 換算成ΔI_i、ΔS_i 的具體計(jì)算方法如下：
　?、佟‘?dāng)ΔU_i≥0時(shí)
　　若U_i≤I_max(即S_i-1=0)
　　ΔI_i=ΔU_i,ΔS_i=0；
　　若U_i-1≥I_max(即I_i-1=I_max,S_i-1＞0)
　　ΔI_i=0,ΔS_i=ΔU_i；
　　若U_i＞I_max，Ｕ_i-1＜I_max(即S_i-1=0)
　　I_i=I_max,ΔS_i=ΔU_i-ΔI_i（即ΔI_i=I_max-I_i-1）
　?、凇‘?dāng)ΔU_i＜0時(shí)
　　若U_i≤I_max(即S_i-1=0)
　　I_i=ΔU_i,ΔS_i=0；
　　若U_i-1＞I_max，U_i-1≥I_max(即I_i-1=I_max,S_i-1＞0)
　　ΔI_i=0,ΔS_i=ΔU_i；
　　若U_i＞I_max，Ｕ_i-1＜I_max(即I_i-1=I_max,S_i-1＞0)
　　S_i=0，I_i=U_i（即ΔS_i=－S_i-1，ΔI_i=ΔU_i-ΔS_i）。 　　　　　　　　　　(7)

　　必須指出，在進(jìn)行上述計(jì)算時(shí)，雖然應(yīng)當(dāng)明確增加單位電流密度產(chǎn)生的氫作為電子供體相當(dāng)于投加多少有機(jī)物電子供體，但是存在一些換算誤差也沒有關(guān)系，因?yàn)樵诰€模糊控制器本身就能不斷地調(diào)整與消除控制變量的誤差。
根據(jù)黑田等人^［7］的研究結(jié)果，沒有投加P也能較徹底地完成脫氮，這可能是由于進(jìn)水中作為脫氮菌底物的NO_x^-濃度較低，使脫氮菌始終處于內(nèi)源呼吸狀態(tài)。但是，當(dāng)進(jìn)水中NO_x^-較高且進(jìn)水流量較大時(shí)，伴隨著反應(yīng)器中脫氮菌的增殖，必然需要磷及其它微量元素，這也意味著只有當(dāng)有機(jī)物投加量達(dá)到某一量以上時(shí)才需要投加P。因此 ，在線模糊控制器通過試驗(yàn)確定了投加有機(jī)物量與投P量的關(guān)系后，很容易根據(jù)模糊控制器給出的有機(jī)物投加量來確定相應(yīng)的投P量。其它微量營養(yǎng)元素可與投P同時(shí)按一定比例投加。有機(jī)物與P不混合在一起用同一控制機(jī)構(gòu)來投加的理由：一是有機(jī)物投加量少時(shí)，脫氮菌可能不增殖或增殖極慢而不需要P；二是如果被處理的工業(yè)廢水中含有充分的P等營養(yǎng)元素時(shí)，可不加P；三是P與有機(jī)物的投加量很可能呈非線性關(guān)系P_i=f(S_i)，這是很重要的理由。
原則上說，既不要使P成為脫氮反應(yīng)的限制因素，又不要使出水中有過量的P排出。正因?yàn)槿绱?，控制量變化ΔU_i 中不包括P的投加量，而模糊控制器能很容易根據(jù)有機(jī)物的投加量計(jì)算出所需要的P投加量。

4 結(jié)論

　　① 生物電極脫氮法是一種處理含硝酸態(tài)氮污水的新方法。在生物電極脫氮過程中既有電化學(xué)反應(yīng)，又有微生物參與的生物化學(xué)反應(yīng)，這是一個(gè)典型的具有非線性、時(shí)變性、隨機(jī)性和模糊性的復(fù)雜系統(tǒng)。因此，生物電極脫氮法很難應(yīng)用傳統(tǒng)的控制理論進(jìn)行有效地控制，而模糊控制理論正是解決這類復(fù)雜系統(tǒng)控制問題的有利工具。
　?、?本研究提出了生物電極脫氮法的在線模糊控制系統(tǒng)，給出相應(yīng)的控制系統(tǒng)流程圖。由于只選擇處理水NO_x^-濃度作為被控制變量，以電流密度和有機(jī)物投加量作為控制變量，所以該控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單可行與可控性好的優(yōu)點(diǎn)。
　　③ 本研究以控制變量的變化量作為模糊控制器的輸出模糊變量。在提出了最大電流密度I_max的概念之后，給出了在所有的6種不同情況下控制變量變化量換算成電流密度、有機(jī)物投加量的變化量的計(jì)算方法。

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國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(59878016)

作者簡介：彭永臻 教授 工學(xué)博士 博士生導(dǎo)師
通訊處：150008 哈爾濱建筑大學(xué)新區(qū)607^＃
(收稿日期 1998-08-04)