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)碾娏髅芏瓤刂疲M(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。

　　① 經(jīng)傳感器采樣后計(jì)算機(jī)獲取被控對象輸出的被控制量(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E，將E作為模糊控制器的輸入變量。
　　② 把該精確的誤差信號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。
　　③ 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。
　　④ 為了精確地控制被控對象，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)，對被控對象進(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)。
　　② 不過量地投加有機(jī)物(例如甲醇CH₃OH)。
　　③ 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。可以看出，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)殡娏髅芏群螅?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：
　　①　當(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）
　　②　當(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)槿绱耍刂屏孔兓_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。
　　② 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。

參考文獻(xiàn)

　　1 Tsai Y P et al. Fuzzy control of a dynamic activated sludge process for the forecast and control of eflluent suspended solid concentration.Wat Sci Tech,1993;28:355
　　2 Tsai Y P et al. Construction of on-line fuzzy controller for dynamic activated sludge process. Water Res, 1994; 28: 913
　　3 Tsai Y P et al. Effluent suspended solid control of activated sludge process by fuzzy control approach. Wat Env Res, 1996; 68(6): 1045
　　4 Menzl S et al. A self adaptive computer-based pII incasurement and fuzzy-control system. Wat Res, 1996; 30(4): 981
　　5 青井透ほか.高負(fù)荷し尿處理にフ_アジ_イ推論を用いた直接アンモニア制御法について?京都大學(xué)環(huán)境衛(wèi)生工學(xué)研究會(huì)第13回シンボジウム講演文集?1991.204～207
　　6 青井透ほか.高負(fù)荷單一槽消化脫窒法へのフ_アジ_イ制御の適用.衛(wèi)生工學(xué)研究論文集?1992.171
　　7 黑田正和，渡邊智秀，梅津嘉忠?バイオエレクト口法によゐ硝酸污染水の脫窒特性とその高速處理にすゐ檢討?水環(huán)境學(xué)會(huì)言志，1994；17(10)：623
　　8 Sakakibara Y, Kuroda M. Electric prompting and control of dentrification. Biotech and Bioeng, 1993; (42): 535
　　9 Sakakibara Y, Flora J R, Snidan M T et al. Modelling of electrochemically activated denitrification biofilm. Wat Res，1994; (28): 1077

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)