CN1569690A

CN1569690A - Sbr法交替好氧/缺氧生物脱氮工艺及实时控制装置和方法

Info

Publication number: CN1569690A
Application number: CN 200410029800
Authority: CN
Inventors: 彭永臻; 高大文; 杨庆
Original assignee: Individual
Current assignee: BEIJING TANSI ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGYCO Ltd
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2005-01-26
Anticipated expiration: 2024-03-26
Also published as: CN1247470C

Abstract

一种SBR法交替好氧/缺氧生物脱氮工艺及实时控制装置和方法，将待处理废水分成三部分分别进入反应器，在实时过程控制下实施交替好氧曝气和缺氧搅拌运行方式来完成对有机物降解和含氮化合物的去除。本发明应用溶解氧(DO)、氧化还原电位(ORP)和pH值作为实时过程控制参数，根据实时过程控制规则实施交替好氧和缺氧搅拌控制。本发明工艺简单、运行管理方便、耐冲击负荷强、占地面积少、不易发生污泥膨胀、脱氮效率高、运行成本低和反应时间短，具有节省反硝化碳源的投加量、硝化过程碱度的投加量、提高硝化和反硝化速率、短程硝化效果稳定等优点。

Description

SBR法交替好氧/缺氧生物脱氮工艺及实时控制装置和方法

技术领域

本发明涉及一种污水处理工艺、控制装置和方法，特别是污水生物脱氮工艺、控制装置和方法。

背景技术

SBR法是间歇式活性污泥水处理法的简称，它的处理装置由SBR反应池连接进水管、出水管和排泥管，只有一个反应池，占地面积小，是一种常规的活性污泥法废水处理工艺。但这活性污泥工艺由于硝化作用不完全，反硝化作用则几乎不发生，总氮的去除率仅在10％-30％之间。对于城市污水、含氮工业废水，若采用常规的活性污泥法处理，出水中还含有大量的氮和磷，地表水体“富营养化”现象非常突出。

改进的常规活性污泥工艺提高了氮、磷的去除率。最具有代表性的就是A/O法、A²/O法等工艺，这些工艺在废水脱氮除磷方面起到了一定作用，但同时也暴露出一些问题。如系统为维持较高的硝化细菌的浓度，必须进行污泥回流和硝化液回流，增加了运行成本和能源消耗，另一方面，工艺中增加了厌氧和缺氧段的处理构筑物，使得整个工艺的基建投资和占地面积增加。

污水生物脱氮技术是当今水污染控制领域中的一个重要研究方向，研究开发高效、低能耗的生物脱氮工艺和装置已成为当前水处理界重要的研究课题。

现有污水生物脱氮过程主要由两段工艺共同完成，即通过硝化作用将氨氮转化为硝酸盐氮，再通过反硝化作用将硝酸盐氮转化为氮气从水中逸出。在硝化阶段，氨氮被转化成硝酸盐是由两类独立的细菌催化完成的两个不同反应，首先由亚硝化菌(Nitrosomonas)将氨氮转化为亚硝酸盐(NO₂ ^-)，然后由硝化菌(Nitrobacter)将亚硝酸盐转化为硝酸盐(NO₃ ^-)。传统生物脱氮过程中硝化作用的最终产物是硝酸盐，反硝化作用以NO₃ ^-为电子受体。

现有短程硝化—反硝化生物脱氮工艺存在的问题：①反硝化仍需投加药剂碳源；②亚硝酸盐浓度累计到一定程度将对亚硝酸菌产生抑制作用，从而降低硝化反应速率；③短程硝化过程的稳定性依赖于实时控制，如果稍微控制不当，短程硝化过程就有向全程硝化过渡的倾向，这样就有可能逐渐转变为传统的全程硝化过程。另外，无论传统的全程硝化还是短程硝化，反硝化时，都要产生碱度，如果将反硝化产生的碱度合理利用，将会节约硝化过程投加的碱量。

模糊控制(Fuzzy Control)自zadeh提出模糊集合理论和Mamdani(1975)发表了第一篇关于模糊控制的论文以来，在工程中的应用日益广泛与深入。由于污水水质、水量变化很大，在水处理中的研究与应用仍处于探索状态。

发明内容

本发明的目的是提出一种SBR法交替好氧/缺氧生物脱氮工艺及实时控制装置和方法，解决①、反硝化仍需投加药剂碳源的问题、②、亚硝酸盐浓度累计到一定程度将对亚硝酸菌产生抑制作用，从而降低硝化反应速率的问题、③、短程硝化过程的稳定性实时控制问题、④、节约硝化过程投加碱量的问题。

本发明的技术方案：

SBR法交替好氧/缺氧生物脱氮工艺，其特征在于：在SBR反应器中好氧—缺氧、好氧—缺氧交替运行，采用三段进水方式去除废水中有机物和含氮化合物，工序如下：

a、进水工序：将连接进水管的进水阀门打开，第一段废水直接进入SBR反应器，当达到预定量后关闭进水阀门；

b、好氧曝气工序I，将压缩空气输进曝气器，向活性污泥混合液中供氧，对有机物进行降解和进行含氮化合物的硝化作用；

c、缺氧搅拌工序I，打开进水阀门，第二段废水在SBR反应器缺氧搅拌时作为电子供体进入，使在好氧曝气阶段产生的亚硝酸盐经反硝化细菌作用转化为氮气，至所投加的废水满足短程反硝化所需碳源的要求即关闭进水阀门，同时开启搅拌机，整个系统进入反硝化脱氮阶段，第一次反硝化结束后，断开搅拌机；

d、好氧曝气工序II：过程同b；

e、缺氧搅拌工序II：过程同c，第三段废水仍是作为反硝化的电子供体，是在反硝化完成后、又进入好氧硝化阶段并结束时，作为紧随其后的缺氧搅拌时的反硝化碳源加入，使反应器内生成的亚硝酸盐及时经缺氧反硝化转化为氮气；

f、沉淀工序：此时进水阀门、进气阀门、排水阀门和排泥阀门均关闭；

g、排水工序：将处理后水经出水管排到反应器外；

h、闲置工序：所有阀门和计量泵均关闭，反应池不进水也不排水，处于待机状态。

这种SBR法交替好氧/缺氧生物脱氮工艺实时控制装置，其特征在于：由SBR反应池连接进水管、出水管和排泥管，其特征在于：在SBR反应池内置有溶解氧浓度DO、氧化还原电位ORP传感器和pH值传感器，上述传感器经导线与DO测定仪、ORP测定仪和pH测量计连接后与计算机的数据信号输入接口连接，计算机的数据信号输出接口，经导线连接执行机构，执行机构的进水继电器、出水继电器、曝气继电器、投药计量泵继电器、投加碳源计量泵继电器、搅拌机继电器经接口分别与进水阀门、出水阀门、曝气器进气阀门、投药计量泵、投加碳源计量泵和搅拌机电连接。

这种交替好氧/缺氧SBR生物脱氮工艺的实时控制方法，其特征在于：

在污水处理系统中，由溶解氧浓度DO传感器、氧化还原电位ORP传感器和pH传感器在线监控，采集氧化还原电位ORP，溶解氧浓度DO和pH值的信号；将采集的ORP、DO和pH值信号经变送器输入模拟数字转换元件A/D，转换成数字信号；将数字信号输入计算机，经过控制量偏差的计算、模糊化计算、与事先输入的模糊控制规则比较、采用Mamdani模糊推算法进行模糊控制推理、经非模糊化计算后，得到模糊控制变量；再将模糊控制变量经数字模拟转换元件D/A转换成控制信号；控制信号控制执行机构，实时模糊控制反应池八个步骤的进水量、第一次曝气时间、搅拌、第二次曝气时间、搅拌时间、沉淀、排水和闲置的时间间隔。

上述第一次曝气时间的模糊控制是当ORP的一阶导数小于0.4～0.8mV/min时，停止曝气，进入第一次缺氧反硝化。

上述第二次曝气时间的模糊控制是当碱度充足时，pH的一阶导数由负转变为正，且曝气时间t＞2h时，推断硝化终止，停止曝气；

当碱度不足时，DO大于5mg/L，且曝气时间t＞2h时，同时pH的一阶导数绝对值小于0.002min^-1时，推断硝化终止，停止曝气。

上述搅拌时间的模糊控制是当pH的一阶导数由正转变为负或ORP的一阶导数由-25～-20mV/min突然变为小于-30mV/min时，且搅拌时间t＞0.5h时，推断反硝化结束，停止搅拌。

有益效果：本发明将氨被氧化为硝酸盐两类细菌催化反应分成两个不同反应，把经此途径进行脱氮的技术定义为短程硝化—反硝化生物脱氮工艺。从氮的微生物转化过程来看，对于反硝化菌，无论是亚硝酸盐还是硝酸盐均可以作为最终受氢体，因而整个生物脱氮过程也可以经这样的途径完成。

在本发明的工艺中，随着硝化反应的进行，反应混合液中氨氮的浓度越来越少，亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的浓度逐渐升高，造成反应体系内硝态氮的积累。而硝态氮的累计对硝化菌有抑制作用，从而使硝化反应速率降低。本发明在反应过程中及时去除累积的硝态氮，大大提高了整个硝化反应的速率，减少了反应时间，节约了运行成本。

在本发明的工艺中，在反硝化阶段产生大量的碱度，这些碱度又恰恰是硝化阶段人为投加的。本发明将反硝化产生的碱度回用到硝化过程，大大节省了硝化阶段的投碱量。

本发明采用交替好氧/缺氧运行方式来运行SBR法短程硝化—反硝化脱氮工艺，并实时控制交替好氧曝气和缺氧搅拌的时间。该方法不仅提高了处理效率、减少了反应时间和降低了运行成本，而且在进水污染物浓度发生较大变化时，由于采用了在线实时过程控制仍能准确地控制交替好氧/缺氧时间，使整个系统的抗冲击负荷能力大大提高。

本发明的交替好氧/缺氧SBR生物脱氮工艺与现有技术相比，具有下列优点：

(1)、交替缺氧反硝化产生的碱度为下一个阶段的硝化过程所利用，这一现象相当于增加了该硝化过程的碱度投加，提高了硝化速率；另外，作为反硝化电子供体的第二和第三部分废水有两个作用，一个为充当反硝化所需的碳源，另一个为待处理废水，这种进水方式不仅对反硝化产生碱度的重复利用，节约了反硝化阶段投加的药剂碳源，相应减少了整个工艺的碱度投加量，而且又相应地提高了废水处理量。

(2)、适时控制曝气和搅拌时间，使反应器内硝化产生的亚硝酸盐氮及时还原为氮气，不为硝酸菌提供生长所需的底物，从根本上抑制硝酸菌的生长。因此，该工艺能稳定、持久的维持短程硝化类型，避免全程硝化的出现，充分发挥短程硝化的各项优势。

(3)、适时控制硝化和反硝化时间，使反应器内硝化产生的亚硝酸盐氮及时通过反硝化过程去除，减小由于亚硝酸盐氮累积所造成的硝化速率下降。因此，该工艺在实现短程硝化过程基础上，有利于提高硝化速率，缩短反应时间。

(4)、采用实时控制装置和方法控制生物脱氮过程能够根据原水水质水量的变化实时控制各个生化反应所需投加的药剂量、反应时间，实现具有智能化的控制，保证出水水质的前提下优化节能。

(5)、采用SBR工艺反应器，使有机物和含氮化合物在一个反应池内得到去除，减少了缺氧池和沉淀池等处理构筑物，从而降低了基建投资和整个工艺的占地面积。

(6)、短程硝化—反硝化生物脱氮工艺比全程硝化—反硝化生物脱氮工艺减少两步。短程硝化生物脱氮工艺是使硝化反应控制在亚硝酸盐阶段，然后直接进行反硝化，从而达到对含氮化合物的去除。短程硝化生物脱氮工艺节省了好氧阶段供氧量25％左右；节约反硝化所需碳源40％左右；减少污泥生成量；减少硝化过程的投碱量；缩短反应时间，相应地减少了反应器容积30％～40％左右。

本发明可广泛应用于中小城镇城市污水或有机物、氮素含量变化较大的工业废水的处理，特别适用于已采用SBR工艺的污水处理厂或准备采用SBR工艺的污水处理厂。

附图说明

图1是本发明运行操作的工序示意图；

图2是本发明实时控制装置的结构示意图。

图3是本发明豆制品废水生物脱氮工艺的模糊控制方法步骤示意图。

图4是CEpH的隶属函数；

图5是EDO和CEDO的隶属函数。

图中，1-进水管、2-出水管、3-排泥管、4-进水继电器、5-出水继电器、6-曝气继电器、7-投药计量泵继电器、8-投加碳源计量泵继电器、9-搅拌机继电器、10-DO传感器、11-ORP传感器、12-pH传感器、13-信号输出接口、14-曝气器、15-搅拌机、16-投药计量泵、17-碳源投加计量泵、18-pH测量计、19-ORP测定仪、20-DO测定仪、21-信号输入接口、22-信号输出接口、23-计算机、24-执行机构、25-SBR反应池、26-滗水器。

具体实施方式

实施例一如图1所示，本发明工艺的运行操作工序：

进水工序a，首先待处理废水在实时控制装置调节下进入SBR反应器，使沉淀在反应池底部的活性污泥沸腾起来，与原水充分混合，当反应器被注满或到达指定液位后停止注水，进入第一次曝气工序。

第一次曝气工序b，打开鼓风机进行曝气，并且控制曝气量为0.6m³/h，由鼓风机提供的压缩空气由进气管进入曝气器，以微小气泡的形式向活性污泥混合液高效供氧，并且使污水和活性污泥充分接触，目的在于利用活性污泥中的微生物对有机污染物进行降解和完成含氮化合物的短程硝化作用。整个过程由实时控制装置实施控制，主要根据反应池内所安置的DO、ORP和pH传感器在有机物降解和短程硝化过程中所表现出的特征点来间接获取反应池内的有机物降解情况和短程硝化情况，再通过实时控制装置对所获取的数据进行处理，最终达到对曝气时间的控制，当实时控制装置得到表征第一次曝气硝化完成的信号后，马上向鼓风机下达停止曝气的指令，然后系统进入第三道工序。

第一次搅拌工序c，进入缺氧反硝化阶段，首先根据工序二获得的数据由实时控制装置预测反应体系内的亚硝酸盐氮浓度，并由其发送指令，打开进水阀门至所投加的废水刚好满足短程反硝化所需碳源的要求。投加废水同时，开启搅拌电机，使在第一次曝气阶段产生的亚硝酸盐氮经反硝化菌作用转化为氮气，实现对总氮的去除，搅拌时间的控制仍采用ORP和pH作为实时控制参数的实时过程控制。

第二次曝气工序d，当搅拌工序结束时，进入第四道工序，继续实施曝气，对反应体系剩余的氨氮进行硝化作用，当反应器内ORP和pH实时控制传感器监测到反应器内剩余的氨氮已全部转化为亚硝酸盐氮时，停止曝气。然后系统再一次进入第五道工序，进行缺氧搅拌，将生成的亚硝酸盐氮经反硝化菌作用转化为氮气，过程同第三道工序。

第二次搅拌工序e，

沉淀工序f，静止沉淀阶段开始，由实时控制装置控制沉淀时间。

排水工序g，沉淀工序结束后，排水工序启动。排水由滗水器根据实时控制装置中的时间控制器完成。

闲置工序h，排水结束到下一个周期开始定义为闲置期。闲置期的时间长短不固定，根据实际污水水质和水量而随时调整。

整个系统由实时过程控制系统控制顺次重复进水、曝气、搅拌、曝气、搅拌、沉淀、排水和闲置八个工序，使整个系统始终处于好氧、缺氧、好氧、缺氧、厌氧交替的状态，间歇进水和出水，并在每个周期结束时经由排泥管和排泥阀定期排放剩余的活性污泥。

本发明的实时控制装置实施例参见图2，由SBR反应池25连接进水管1、出水管2和排泥管3，在SBR反应池内置有溶解氧浓度DO传感器10、氧化还原电位ORP传感器11和pH值传感器12，上述传感器经导线与DO测定仪20、ORP测定仪19和pH测量计18连接后与计算机23的数据信号输入接口21连接，计算机的数据信号输出接口22，经导线连接执行机构24，执行机构的进水继电器4、出水继电器5、曝气继电器6、投药计量泵继电器7、投加碳源计量泵继电器8、搅拌机继电器9经接口13分别与进水阀门、出水阀门、曝气器进气阀门14、投药计量泵16、投加碳源计量泵17和搅拌机15电连接。为出水方便，出水管2连接滗水器26，滗水器26可以自制，也可以参照已有中国专利ZL02121083.7的结构制作。

参见图3，本发明的实时控制方法步骤如下：

(1)、在污水处理系统中放置两种传感器，采集氧化还原电位(ORP)和pH值的信号，作为SBR法脱氮过程的被控制变量；

(2)、将采集的ORP、DO和pH值信号经变送器输入模拟数字转换器A/D，转换成数字信号；

(3)、将数字信号输入计算机，经过控制量偏差的计算、模糊化计算、与事先输入的模糊控制规则比较、采用Mamdani模糊推算法进行模糊控制推理、经非模糊化计算后，得到模糊控制变量；

(4)、再将实时过程控制变量经数字模拟转换器D/A转换成控制信号；

(5)、控制信号执行机构，直接控制污水处理脱氮过程的曝气量和反应时间。

以某食品加工企业排放的实际豆制品废水(pH＝4-5，COD＝10000-15000mg/L，TN＝500-600mg/L)的稀释液为原水。所选择的SBR反应器有效容积38L，反应器内进水COD、氨氮和总氮浓度在194.55-924.90mg.L^-1、25.68-81.48mg.L^-1和36.46-90.55mg.L^-1之间波动时，出水COD浓度始终在100mg.L^-1以下，COD平均去除率在90％以上，出水氨氮浓度均在2mg.L^-1以下，平均去除效率达到99％，出水总氮浓度均在10mg.L^-1以下，平均出水总氮浓度为5.12mg.L^-1，平均去除率为92％。

曝气时间的模糊控制：以DO作为曝气时间的模糊控制参数，由于SBR法间歇运行的特点，当硝化结束时，DO迅速大幅度升高或上升的速率加快，之后DO可以上升至接近饱和值处。这一变化特点可用模糊语言变量加以描述，以此作为停止曝气的信号，故引入了用DO偏差的大小和DO的导数为模糊控制装置的两个输入变量。

DO的偏差及其导数均为正，可以简化对偏差E_DO、导数CE_DO和控制量U_A的模糊集和论域的定义：

E_DO、CE_DO的模糊集均为：{PS，PM，PB}

E_DO、CE_DO的论域为：{1，2，3，4，5，6}

对控制量U_A即曝气量而言，只有两种选择：或维持原来的曝气量不变，继续等待；或立即停止曝气。对输入变量E_DO和CE_DO进行模糊化处理，此时DO的设定值DOs取2.5mg/L。模糊化方法见表1，2，3。输入变量的各模糊集的隶属函数如图4。在此仅对模糊规则的建立进行说明，模糊规则控制如表4所示。当E_DO为PS和PM时，无论CE_DO如何，均维持原有的曝气量，避免因曝气时间不够而使出水达不到排放标准。只有当E_DO达到PB，且CE_DO达到PM或PB才认为硝化已经终止，应该停止曝气。

表1 将偏差E_DO化为离散的整型变量X_DO

X_DO +1 +2 +3 +4 +5 +6

5.0~

E_DO(mg/L) 2.5~2.7 2.7~3.0 3.0~3.5 3.5~4.0 4.0~5.0

+∞

-8-

表2将CE_DO化为离散的整型变量CX_DO

CX_DO +1 +2 +3 +4 +5 +6

-0.002

0.01~ 0.02~ 0.035~ 0.05~ 0.06~

CE_DO(mg/L/min) ~

0.02 0.035 0.05 0.06 +∞

0.01

表3 E_DO和CE_DO的隶属函数赋值表

X_DO

模糊集

1 2 3 4 5 6

PS 隶 1 0.6 0.2 0 0 0

属

PM 0.1 0.4 0.7 1 0.6 0.2

度

PB 0 0 0.1 0.4 0.7 1

pH作为曝气时间的模糊控制参数

选择pH的导数dpH/dt作为模糊控制器的输入变量，用CE_pH表示。而对输出变量U_A(即曝气量)而言，只有两种选择：一种是维持原来的曝气量不变，继续等待，用0表示；另一种是立即停止曝气，不存在改变曝气量大小的问题，用1表示。

将CE_pH非均匀量化为[-2，+2]之间的离散的整型变量CX_pH，如表5所示。

表5 将CE_pH化为离散的整型变量CX_pH

Table8-12 Change CE_pH into discrete integer variable CX_pH

CX_pH -2 -1 0 +1 +2

-∞ -0.002 -0.001 0.001 0.002

CE_pH

~ ~ ~ ~ ~

(min^-1)

-0.002 -0.001 0.001 0.002 +∞

CE_pH的模糊集为{N，O，P}；CE_pH的隶属函数的图形见图4。由此可得CE_pH的隶属函数表6。应用CE_pH进行硝化过程的终点的模糊控制规则见表7。

表6 CE_pH的隶属函数赋值表

模糊 CX_pH

集 -2 -1 0 1 2

1 1 0 0 0

属 0 0 1 0 0

度 0 0 0 1 1

表7应用CE_pH进行硝化终点判断的模糊控制规则

输出变 CX_pH

量 N 0 P

U_A 0 0 1

搅拌时间的模糊控制

选择ORP的偏差(用EO_RP表示)，ORP的导数dORP/dt(用CE_ORP表示)；pH的导数dpH/dt(用CE_pH表示)；以及pH的二阶导数d²pH/dt²(用C2E_pH表示)作为反硝化模糊控制的输入变量。E_ORP是指以反硝化开始的ORP值为标准值ORP_S，在线检测的ORP_OFF与ORP_S的差作为ORP的偏差。输出变量有两个：

(1)搅拌(Mix)，用U_M表示；

(2)投加碳源(Dose)，用U_D表示。

此处可以将投加碳源的方式分成三种情形：

(1)一次投加过量碳源；

(2)按步长多次投加碳源；

(3)按一定的速率连续投加碳源。

控制目的有两种：对(1)和(3)这两种碳源投加方式只存在对反硝化时间的控制。而对(2)这种投加方式则不仅存在对反硝化时间的控制还存在对碳源再次投加的控制。为了避免模糊控制器过于复杂，根据这两个控制目的给出两个模糊控制器，同时运行，共同作用完成反硝化碳源的投加和反应时间的控制。

由模糊控制的原理可知，模糊控制器的输入是确定量，而模糊控制算法本身要求模糊变量。这就需要将精确的输入变量经模糊化处理变为模糊变量。

由于E_ORP均为负，所以将E_ORP非均匀量化为[-6，-0]之间的离散的整型变量X_ORP，见表8。

表8将偏差E_ORP化为离散的整型变量X_ORP

X_ORP -6 -5 -4 -3 -2 -1 -0

E_ORP -∞～ -300～-15

-150～-75 -75～-38 -38～-18 -18～-10 -10～+∞

(mV) -300 0

由于CE_ORP均为负，所以将CE_ORP非均匀量化为[-6，-0]之间的离散的整型变量CX_ORP，见表9。

表9将CE_ORP化为离散的整型变量CX_ORP

CX_ORP -6 -5 -4 -3 -2 -1 -0

CE_ORP

-∞～30 -30～-25 -25～-20 -20～-15 -15～-10 -10～-5 -5～0

(mV/min)

将CE_pH非均匀量化为[-4，+4]之间的离散的整型变量CX_pH，见表10。

表10 将CE_pH化为离散的整型变量CX_pH

CX_pH -4 -3 -2 -1 -0

CE_pH

-∞～-0.06 -0.06～-0.04 -0.04～-0.02 -0.02～-0.01 -0.01～0

(1/min)

CX_pH +0 +1 +2 +3 +4

CE_pH

0～0.01 0.01～0.02 0.02～0.04 0.04～0.06 0.06～+∞

(1/min)

将C2E_pH非均匀量化为[-2，+2]之间的离散的整型变量C2X_pH，，见表11。

表11 将C2E_pH化为离散的整型变量C2X_pH

C2X_pH -2 -1 0 1 2

C2E_pH -0.013～-0.00

-∞～-0.013 -0.005～0.005 0.005～0.013 0.013～+∞

(min^-2) 5

E_ORP，CE_ORP，CE_pH，C2E_pH在表8至表11中的实际论域都是通过大量的试验确定的，它与传感器的精度，测定速度和采样时间等都有关。E_ORP和CE_ORP的模糊集分别为{NB，NM，NS}；{NB，NM，NS，NO}；CE_pH的模糊集为{NB，NS，NO，PO，PS，PB}；C2E_pH的模糊集为{N，O，P}。

模糊变量必须用隶属函数来表示。隶属函数的具体形式取决于被控制系统本身的特性。由各输入变量的隶属函数可以得到各输入变量的隶属函数表(见表12至14)。

对控制变量U_A而言只有两种选择：继续搅拌或结束搅拌。对U_D而言也只有两种选择：维持原态或按步长投加一定量的碳源。对这样的控制变量无需进行去模糊化。

表12 E_ORP和CE_ORP的隶属函数赋值表

X_ORP以及CX_ORP

模糊集

-6 -5 -4 -3 -2 -1 -0

NO 0 0 0 0 0.1 0.55 1

隶

NS 0 0 0.1 0.55 1 0.8 0.6

属

NM 0.2 0.6 1 0.7 0.4 0.1 0

度

NB 1 0.7 0.4 0.1 0 0 0

表13 CE_pH的隶属函数赋值表

CX_pH

模糊集

-4 -3 -2 -1 -0 +0 +1 +2 +3 +4

PB 0 0 0 0 0 0 0 0.4 0.7 1

隶

PS 0 0 0 0 0 0.6 0.8 1 0.55 0.1

PO 0 0 0 0 0 1 0.55 0.1 0 0

属

NO 0 0 0.1 0.55 1 0 0 0 0 0

NS 0.1 0.55 1 0.8 0.6 0 0 0 0 0

度

NB 1 0.7 0.4 0 0 0 0 0 0 0

表14 C2E_pH的隶属函数赋值表

C2X_pH

模糊集

-2 -1 0 1 2

P 隶 0 0 0 1 1

O 属 0 0 1 0 0

N 度 1 1 0 0 0

详细分析ORP、pH、碳源与反硝化之间的相关关系，总结出不依赖于数学模型的接近最优控制的控制规律，建立以模糊语言表示的模糊控制推理的合成规则和模糊控制规则。根据操作过程中可能遇到的各种情况和系统的运行数据，将相应的控制策略归纳为表15，表16。

表15 SBR反硝化时间的模糊控制规则

CEpH	E_ORP
	E_ORP			NB	NM	NS
	CE_ORP	CE_ORP	CE_ORP	NB	NM	NS
	CE_ORP	CE_ORP	CE_ORP	NB NM NS NO	NB NM NS NO	NB NM NS NO
	UM			NB NM NS NO	NB NM NS NO	NB NM NS NO
	UM			NBNSNOPOPSPB	0① 0 0 01② 1 0 01 1 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 0	0 0 0 01 1 0 01 1 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 0	0 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 0

① 0表示维持原态，无动作；

② 1表示结束搅拌，结束反硝化。

上述模糊控制规则所确定的每一条模糊条件语句都可以计算出相应的模糊控制量U_M和U_D。例如，

if E_ORP＝NS and CE_ORP＝NO and CE_pH＝NB then U_M＝0

or...if E_ORP＝NS and CE_ORP＝NO and CE_pH＝NS then U_M＝0

or......if E_ORP＝NM and CE_ORP＝NM and CE_pH＝NS then U_M＝1......

if E_ORP＝NB and CE_ORP＝NO and CE_pH＝NB then U_M＝0......

表16 SBR法反硝化碳源投加的模糊控制规则表

C2E_pH

CE_pH N O P

U_D

NB 0① 0 0

NS 0 1② 0

NO 0 1 0

PO 0 1 0

PS 0 0 0

PB 0 0 0

①0表示维持原态，无动作；

②1表示按步长投加一定量的碳源。

模糊控制规则的建立完全依赖于前述的基本试验所得到的经验。对反硝化时间的控制来说，只有当E_ORP达到NM和NB，并且CE_ORP达到NM或NB，同时CE_pH达到NO或NS，此时才能结束反硝化。首先，这种控制规则既避免了刚开始反硝化的时候，CE_ORP达到NM或NB，如果投加酸性碳源会导致CE_pH达到NB的时候容易误判为应该结束反硝化，这主要是通过将E_ORP控制在NB，NM达到的。其次，当反应过程中再次投加碳源时，如果碳源显酸性也会导致CE_pH达到NB或NM，并且此时E_ORP已经在NB，NM，为避免误判应该结束反硝化，采用了三输入的模糊控制系统，要求此时CE_ORP必须达到NM或NB，避免误判。这也就是同时应用ORP和pH曲线的转折点共同进行反硝化时间的模糊控制。

对反硝化过程中，针对碳源不足需要再次投加，当CE_pH为NO或PO，并且C2E_pH达到0时，就按照一定的步长投加碳源，解除碳源对反硝化的限制，促进反硝化尽快结束。这就是根据当碳源不足的时候反硝化细菌利用内源呼吸碳源进行反硝化的速度很慢，表现在pH上就是pH在一段时间内上升速率很小，此时就应该再次投加碳源。

本发明交替好氧/缺氧工艺中第一次曝气时间的模糊控制举例：

当ORP的一阶导数小于0.4～0.8mV/min时，可以停止曝气，进入第一次缺氧反硝化。

交替好氧/缺氧工艺中第二次曝气时间的模糊控制举例：

当碱度充足时

当pH的一阶导数由负转变为正，且曝气时间t＞2h时，可以认为此时硝化已经终止，应该停止曝气。如果曝气时间t大于预先设定时间T₁时，仍未检测到停止曝气的控制信号，此时可能在线传感器出现问题，应立即停止曝气。

当碱度不足时

当DO大于5mg/L，且曝气时间t＞2h时，同时pH的一阶导数绝对值小于0.002min^-1时，可以认为此时硝化已经终止，应该停止曝气。如果硝化时间t大于预先设定时间T₁时，仍未检测到停止曝气的控制信号，此时可能在线传感器出现问题，应立即停止曝气。

搅拌时间的模糊控制举例：

当pH的一阶导数由正转变为负或ORP的一阶导数由-25～-20mV/min突然变为小于-30mV/min时，且搅拌时间t’＞0.5h时，可以认为此时反硝化已经结束，应该停止搅拌。如果搅拌时间t’大于预先设定时间T₂时，仍未检测到停止搅拌的控制信号，此时可能在线传感器出现问题，应立即停止搅拌。

预先设定时间T₁和T₂经实际废水试验确定。

Claims

1.一种SBR法交替好氧/缺氧生物脱氮工艺，其特征在于：在SBR反应器中好氧—缺氧、好氧—缺氧交替运行，采用三段进水方式去除废水中有机物和含氮化合物，工序如下：

d、好氧曝气工序II：过程同b；

g、排水工序：将处理后水经出水管排到反应器外；

2.一种SBR法交替好氧/缺氧生物脱氮工艺实时控制装置，其特征在于：由SBR反应池连接进水管、出水管和排泥管，其特征在于：在SBR反应池内置有溶解氧浓度DO、氧化还原电位ORP传感器和pH值传感器，上述传感器经导线与DO测定仪、ORP测定仪和pH测量计连接后与计算机的数据信号输入接口连接，计算机的数据信号输出接口，经导线连接执行机构，执行机构的进水继电器、出水继电器、曝气继电器、投药计量泵继电器、投加碳源计量泵继电器、搅拌机继电器经接口分别与进水阀门、出水阀门、曝气器进气阀门、投药计量泵、投加碳源计量泵和搅拌机电连接。

3.一种交替好氧/缺氧SBR生物脱氮工艺的实时控制方法，其特征在于：

4、根据权利要求3所述的交替好氧/缺氧SBR生物脱氮工艺的实时控制方法，其特征在于：上述第一次曝气时间的模糊控制是当ORP的一阶导数小于0.4～0.8mV/min时，停止曝气，进入第一次缺氧反硝化。

5、根据权利要求3所述的交替好氧/缺氧SBR生物脱氮工艺的实时控制方法，其特征在于：上述第二次曝气时间的模糊控制是当碱度充足时，pH的一阶导数由负转变为正，且曝气时间t＞2h时，推断硝化终止，停止曝气；

当碱度不足时，DO大于5mg/L，且曝气时间t＞2h时，同时pH的一阶导数绝对值小于0.002min-1时，推断硝化终止，停止曝气。

6、根据权利要求3所述的交替好氧/缺氧SBR生物脱氮工艺的实时控制方法，其特征在于：上述搅拌时间的模糊控制是当pH的一阶导数由正转变为负或ORP的一阶导数由-25～-20mV/min突然变为小于-30mV/min时，且搅拌时间t＞0.5h时，推断反硝化结束，停止搅拌。