彭永臻 王淑瑩 周 利 (哈爾濱建筑大學市政環境工程學院)
黑田正和 許燕青(日本群馬大學工學部)

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

　　模糊控制的顯著特點是：它在建立模糊控制規則時可利用人的知識和經驗以及不斷產生的新研究成果，并且讓計算機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入計算機程序，進而使計算機能處理其它控制方式無法處理的模糊信息。
　　黑田等人 ^[1～3] 將生物法與電化學法結合起來，開發研究了一種處理硝酸態氮污染水的新方法--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生的電解氫作為脫氮的電子供體。反應方程式如下：

　　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成的完全混合式反應器，該工藝方法不僅可以使脫氮反應器中保持高濃度與高密度的脫氮菌生物膜，提高處理效率，而且在通常的進水NO_x^-濃度下，不必投加有機物作為電子供體。也不存在處理水中殘留有機物問題。只有在進水中NO_x^-濃度很高時，才投加有機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生的電解氫是以分子狀態存在的，在脫氮反應中更容易被高效地利用，而且還可通過適當的電流密度控制，進一步提高處理效率。目前該工藝的研究還在進一步開展。

　　為了使生物電極脫氮法進一步提高效率，尋求其有效合理的自動控制方式是必須首先解決的一個問題。生物電極法反應器中生物化學反應很復雜，其反應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^-的工業廢水時，受流量、NO_x^-濃度的變化以及作為電子供體投加的有機物量等影響更顯著。顯然，這是一個典型的具有非線性、時變性、隨機性、模糊性和非穩定性的復雜系統，不僅難于用較準確的數學模型來描述，就連準確地測定和表示其中脫氮菌的濃度也很困難。因此，它很難應用傳統的控制理論進行有效地控制，而模糊控制理論正是解決這類復雜系統控制問題的有利工具。本研究的目的是設計出一個適用于生物電極法、結構簡單、具有良好的可行性、可靠性與穩定性，并且能使處理系統在處理水質滿足要求的前提下盡可能節省運行費用的模糊控制系統。

1 模糊控制系統的組成與基本原理

　　 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算機運行其模糊控制程序來實現的，主要步驟如下。

　　① 經傳感器采樣后計算機獲取被控對象輸出的被控制量(非模糊的數據)，將其值與給定值(如處理水質標準)比較，經計算得到誤差信號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 根據模糊推理合成規則，由和模糊控制規則的模糊關系合成進行模糊決策，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 。--模糊關系的合成?
　　這一步也可以根據上述原理制成的查詢表獲得。
　　④ 為了精確地控制被控對象，將模糊控制變量經非模糊量化處理后，得到精確的數字控制量，再經數模轉換為精確的模擬量傳遞給執行機構，對被控對象進行實時控制。然后再中斷采樣進行下一步控制，實現其在線模糊控制。

2 在線模糊控制系統的基本思想

　　對于生物電極脫氮法，令人滿意的自動控制系統應當滿足以下3個控制目標。
　　① 處理水中NO_x^--N濃度(以下用 N_off 表示)滿足給定的水質標準。
　　② 不過量地投加有機物(例如甲醇CH₃OH)。
　　③ 盡可能減小其運行費用。
　　為了實現上述指標，應當在滿足處理水水質標準的前提下，減小運行費用。
　　生物電極法的運行特點分析如下。它的輸入變量有：進水流量、進水NO_x^--N濃度(以下用 N_in 表示)、溫度、電流密度、有機物的投加量、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控制目標的前提下，使控制系統能實現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，以電流密度和有機物投加量作為控制變量。在生物電極法在線模糊控制系統的設計時，以在線測定出的 N_off 與給定的處理水NO_x^--N標準濃度(以下用 N_s 表示)的偏差 E_i 和一個采樣周期后該偏差 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 次采樣的相應數據(以下同)
　　　　E_i-1 -- 第 i -1次采樣的處理水
　　　　NO_x^--N的偏差
　　根據這個輸入變量，經過模糊控制器的計算、判斷與決策，作為模糊輸出變量的是生物電極反應器的控制變量的變化量，將進行非模糊化處理，得到施加于生物電極法反應器的控制變量，它包括電流密度的變化量ΔI_i?和有機物投加量的變化量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 取決于有機物投加量S_i，即用 P_i= f(S_i) 表示P的投加量和有機物投加量之間的函數關系。當有機物投加量不大時，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，根據模糊控制理論得出的生物電極法在線模糊控制系統的流程如圖3所示。圖中的虛線流向表示根據各種不同的進水水質、水量、電流密度、有機物和P的投加量等輸入變量與處理水水質等輸出變量之間關系，反復修正原有的模糊控制器，使其控制品質越來越好，逐漸趨向最優控制。

3 控制變量變化量的換算與計算方法

　　首先對處理水中N_off 的偏差和偏差變化進行模糊化處理，根據模糊關系和模糊推理與計算，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行非模糊處理，得到應當對生物電極法反應器施加確定的控制變量的變化量ΔU_i；再根據當時的控制變量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-- 上一個控制周期的電流密度和有機物投加量
　　　　　ΔU_i -- 確定值(可正可負)
　　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行脫氮。利用電解氫和投加有機物作為供氫體，還可在處理水中不殘留有機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，電解時產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，不僅電解時產生氧的量隨之增大，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以及電解產生的氧量P_O2的關系大致如圖4所示。因此，應通過試驗確定一個電流效率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，在進行電流密度控制時不能超過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，不投或少投加有機物，以避免出水中殘留有機物。在進水NO_x^-負荷較低時，只靠電解出的氫作為脫氮的供氫體，只有在進水NO_x^-負荷較高時才輔以投加有機物作為供氫體。
　　例如，當式(4)中控制變量的變化量ΔU_i為正時，只要將其轉變為電流密度后，在 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中的電流控制機構來改變電流密度；如果 U_i-1>I_max，只好將ΔU_i 換算成有機物投加量的增量，再通過圖3中有機物控制機構來改變有機物的投加量。在6種不同情況下，將ΔU_i 換算成ΔI_i、ΔS_i 的具體計算方法如下：
　　①　當ΔU_i≥0時
　　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ΔU_i＜0時
　　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，在進行上述計算時，雖然應當明確增加單位電流密度產生的氫作為電子供體相當于投加多少有機物電子供體，但是存在一些換算誤差也沒有關系，因為在線模糊控制器本身就能不斷地調整與消除控制變量的誤差。
根據黑田等人^［7］的研究結果，沒有投加P也能較徹底地完成脫氮，這可能是由于進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源呼吸狀態。但是，當進水中NO_x^-較高且進水流量較大時，伴隨著反應器中脫氮菌的增殖，必然需要磷及其它微量元素，這也意味著只有當有機物投加量達到某一量以上時才需要投加P。因此 ，在線模糊控制器通過試驗確定了投加有機物量與投P量的關系后，很容易根據模糊控制器給出的有機物投加量來確定相應的投P量。其它微量營養元素可與投P同時按一定比例投加。有機物與P不混合在一起用同一控制機構來投加的理由：一是有機物投加量少時，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廢水中含有充分的P等營養元素時，可不加P；三是P與有機物的投加量很可能呈非線性關系P_i=f(S_i)，這是很重要的理由。
原則上說，既不要使P成為脫氮反應的限制因素，又不要使出水中有過量的P排出。正因為如此，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有機物的投加量計算出所需要的P投加量。

4 結論

　　① 生物電極脫氮法是一種處理含硝酸態氮污水的新方法。在生物電極脫氮過程中既有電化學反應，又有微生物參與的生物化學反應，這是一個典型的具有非線性、時變性、隨機性和模糊性的復雜系統。因此，生物電極脫氮法很難應用傳統的控制理論進行有效地控制，而模糊控制理論正是解決這類復雜系統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，給出相應的控制系統流程圖。由于只選擇處理水NO_x^-濃度作為被控制變量，以電流密度和有機物投加量作為控制變量，所以該控制系統具有結構簡單可行與可控性好的優點。
　　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、有機物投加量的變化量的計算方法。

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國家自然科學基金資助項目(59878016)

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