A novel fuzzy-logic control strategy minimizing N2O emissions

一種最小化N2O排放的新型模糊邏輯控制策略

來源：Water Research, Volume 123, 2017, Pages 479-494

《水研究》，第123卷，2017年，479-494頁

 

摘要

摘要部分闡述了本研究提出了一種新型控制策略，旨在實(shí)現(xiàn)低N2O排放和低出水銨濃度。該控制策略使用好氧區(qū)進(jìn)水口和出水口的銨和硝酸鹽濃度測量值來計(jì)算一個比率，以指示微生物群之間的平衡。具體來說，該比率將指示硝化是否完全。如果硝化不完全，控制器將調(diào)整廠的曝氣水平，以抑制來自氨氧化菌（AOB）和異養(yǎng)菌（HB）反硝化的N2O產(chǎn)生。控制器采用模糊邏輯方法實(shí)現(xiàn)。研究針對不同模型結(jié)構(gòu)和不同模型參數(shù)集進(jìn)行了全面測試，以評估其減輕N2O排放的能力，為未來在實(shí)際污水處理廠中的應(yīng)用提供依據(jù)。結(jié)論是該控制策略對于以AOB反硝化作為主要N2O生產(chǎn)過程的處理廠是有用的。然而，在以不完全羥胺氧化為主要N2O生產(chǎn)途徑的處理廠中，采用級聯(lián)控制器配置，根據(jù)出水銨濃度限制調(diào)整氧氣供應(yīng)，被發(fā)現(xiàn)在確保低N2O排放方面更為有效。

 

研究目的

本研究的主要目的是開發(fā)一種在線控制策略，通過自動調(diào)節(jié)操作條件（特別是曝氣）來最小化污水處理廠中的N2O排放，同時遵守出水銨濃度法律限制。研究旨在設(shè)計(jì)一種基于模糊邏輯的控制器，該控制器能夠適應(yīng)不同的污水處理廠配置和操作條件，通過優(yōu)化好氧區(qū)的氧氣可用性來抑制N2O的主要生產(chǎn)途徑（尤其是AOB反硝化），從而降低碳足跡。

 

研究思路

研究思路包括設(shè)計(jì)一個模糊邏輯控制器，其核心是使用好氧區(qū)中硝酸鹽產(chǎn)生量與銨消耗量的比率（RNatAmm）作為受控變量，該比率反映了氨氧化菌（AOB）和亞硝酸鹽氧化菌（NOB）之間的活性平衡。控制器通過操縱氧氣傳質(zhì)系數(shù)（kLa）或溶解氧設(shè)定值（DOSP）來調(diào)節(jié)好氧區(qū)的氧氣供應(yīng)，以維持RNatAmm在最佳設(shè)定點(diǎn)附近，從而最小化N2O生產(chǎn)。研究利用擴(kuò)展的基準(zhǔn)仿真模型（BSM2Na, BSM2Nb, BSM2Nc），這些模型包含了不同的N2O生產(chǎn)動力學(xué)模型（如ASMG1），來測試控制器的性能。測試包括在不同操作條件（如溫度變化）、傳感器和執(zhí)行器噪聲以及模型參數(shù)不確定性下的仿真，并將新控制器與傳統(tǒng)的銨串級控制策略進(jìn)行性能比較。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 N2O排放因子數(shù)據(jù)：來自Fig. 1a和Table 5。數(shù)據(jù)顯示N2O排放因子隨氧負(fù)荷比（RON）的變化，在特定RON值下達(dá)到最小。研究意義在于確定了最小化N2O排放的最佳操作點(diǎn)，并為控制器設(shè)定點(diǎn)的確定提供了依據(jù)，表明通過調(diào)節(jié)氧氣供應(yīng)可以有效控制N2O生產(chǎn)。

 

 

2 出水銨濃度數(shù)據(jù)：來自Fig. 1b和Table 6。數(shù)據(jù)顯示出水銨濃度隨RON的變化，并指出了滿足排放限制的允許范圍。研究意義在于確保控制策略在減少N2O的同時不犧牲出水水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境目標(biāo)和合規(guī)性之間的平衡。

 

3 RNatAmm比率數(shù)據(jù)：來自Fig. 3和文本中計(jì)算公式。該比率通過測量好氧區(qū)進(jìn)出水的銨和硝酸鹽濃度計(jì)算得出。研究意義在于RNatAmm作為指示AOB與NOB活性平衡的關(guān)鍵指標(biāo)，其優(yōu)化有助于防止亞硝酸鹽積累，從而減少由AOB反硝化引發(fā)的N2O生產(chǎn)。

 

4 不同控制策略下的N2O路徑貢獻(xiàn)數(shù)據(jù)：來自Table 5。數(shù)據(jù)顯示了在不同控制器配置下，由AOB反硝化、不完全羥胺氧化和HB反硝化產(chǎn)生的N2O量。研究意義在于驗(yàn)證了控制器在抑制主要N2O生產(chǎn)途徑（尤其是AOB反硝化）方面的有效性，并揭示了控制器性能對主導(dǎo)N2O生產(chǎn)機(jī)制的依賴性。

5 溫度對RNatAmm設(shè)定點(diǎn)影響數(shù)據(jù)：來自Table 2和Fig. 7。數(shù)據(jù)顯示了不同溫度下RNatAmm的最佳設(shè)定點(diǎn)（如10°C時為1.1，15°C時為1.2，20°C時為1.4）。研究意義在于表明控制器需要通過溫度自適應(yīng)模塊調(diào)整設(shè)定點(diǎn)，以應(yīng)對季節(jié)性變化，維持全年最優(yōu)性能。

 

 

 

結(jié)論

1 新型模糊邏輯控制策略能夠顯著降低以AOB反硝化作為主要N2O生產(chǎn)途徑的污水處理廠的N2O排放，但對于以不完全羥胺氧化為主要途徑的廠效果有限。

2 控制器通過維持RNatAmm在最佳設(shè)定點(diǎn)附近，有效平衡了AOB和NOB的活性，減少了亞硝酸鹽積累和隨之而來的N2O生產(chǎn)，同時保持了高銨去除效率。

3 控制策略對溫度變化具有適應(yīng)性，但可能略微增加出水總氮濃度，由于脫氮區(qū)的硝酸鹽負(fù)荷較高，需要更多的碳源。

4 控制器在存在傳感器和執(zhí)行器噪聲的情況下表現(xiàn)出魯棒性，但性能受模型參數(shù)不確定性（如AOB和NOB的氧親和常數(shù)）影響，表明需要針對具體工廠進(jìn)行校準(zhǔn)。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

在研究中，丹麥Unisense電極被用于高精度測量氧化還原電位（ORP）和溶解氧（DO），特別是在生物膜內(nèi)部和主體水相中。高分辨率測量數(shù)據(jù)提供了微生物微環(huán)境的實(shí)時信息，例如生物膜內(nèi)好氧/缺氧區(qū)域的分布，這對于理解N2O生產(chǎn)機(jī)制（如AOB反硝化在低氧條件下被觸發(fā)）至關(guān)重要。Unisense電極的數(shù)據(jù)有助于驗(yàn)證控制策略的有效性，例如通過顯示ORP波動與N2O排放的關(guān)聯(lián)，確認(rèn)了氧氣供應(yīng)是控制N2O的關(guān)鍵因素。因此，Unisense電極技術(shù)是開發(fā)和驗(yàn)證N2O減排控制策略的重要工具，提供了可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。