生物膜滴濾塔凈化低濃度有機廢氣過程的測量與控制問題研究.pdf

1、目前，生物過濾法處理低濃度有機廢氣領(lǐng)域的研究工作主要集中在：菌種選育、生化反應(yīng)動力學(xué)、傳輸特性等方面的研究，這些研究工作僅限于對過程進行模擬和機理探索，然而，在生物過濾法處理低濃度有機廢氣過程中，生物膜滴濾塔作為一個十分復(fù)雜的微生物生長代謝的生化反應(yīng)過程系統(tǒng)，既有一般化工過程的傳質(zhì)的特點，又有微生物生命代謝反應(yīng)的特點，其凈化廢氣的循環(huán)液流量、凈化塔內(nèi)溫度、濕度、pH 值、生物菌液濃度等過程參數(shù)，以及氣-液兩相流動、多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)尺寸等諸多

2、因素都會對廢氣凈化效率產(chǎn)生較大的影響，各過程參數(shù)以及控制參數(shù)的選取還缺乏理論指導(dǎo)。另外，由于生化過程的復(fù)雜性、不確定性、混沌性以及參數(shù)的非線性等原因，建立準確的數(shù)學(xué)模型非常困難。諸多原因?qū)е铝松镞^濾法處理低濃度有機廢過程的工業(yè)自動化測控水平遠遠落后于其它工業(yè)過程。國內(nèi)外在生物廢氣凈化技術(shù)領(lǐng)域研究中，對過程參數(shù)的測量、優(yōu)化與控制問題的研究工作僅有少量文獻報道。 為了提高該過程的工業(yè)自動化水平，本文開展了生物膜滴濾塔凈化低濃度有機

3、廢氣過程的測量與控制問題的研究工作，重點對生物量濃度的在線測量方法、生物膜滴濾塔最佳處理效率控制系統(tǒng)控制策略、塔循環(huán)液pH值模糊控制策略及控制器的實現(xiàn)進行了研究。為了建立生物膜滴濾塔控制系統(tǒng)的仿真對象模型，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立了生物膜滴濾塔凈化VOCs過程模型，為后續(xù)的控制系統(tǒng)和仿真研究奠定了基礎(chǔ)。 本文的主要研究內(nèi)容如下： ①搭建了生物膜滴濾塔處理甲苯廢氣試驗裝置，進行了滴濾塔降解甲苯廢氣的凈化性能的實驗研究。通過

4、實驗研究，獲得了操作參數(shù)之間相互影響的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，建立了生物膜滴濾塔凈化VOCs過程模型，并進行了仿真研究，較好地解決了復(fù)雜處理過程的擬合問題，為最佳效率控制策略的研究奠定了基礎(chǔ)。 ②將LMBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、優(yōu)化與遺傳算法，應(yīng)用于微生物菌種最佳培養(yǎng)基配方和菌種最佳生長條件的尋優(yōu)研究中。與傳統(tǒng)的正交試驗研究方法相比，LMBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法用于最佳培養(yǎng)基配方和最佳生長條件尋優(yōu)，可使效率提高，并具有試驗次數(shù)

5、少，尋優(yōu)效率高的特點。 ③提出了一種新的生物量濃度的在線測量方法，并對傳感器的組成原理、光路進行了研究，依據(jù)溫度、生物量濃度和傳感器輸出電壓之間的關(guān)聯(lián)實驗數(shù)據(jù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立了智能傳感器的等效神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，獲得了溫度/濃度/輸出電壓之間關(guān)聯(lián)函數(shù)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，提出了新的生物量濃度信息獲取的智能方法和溫度補償?shù)男盘柼幚矸椒?。研制的智能傳感器濃度測量的相對誤差小于±2％，溫度測量的相對誤差小于±2.5％。實驗結(jié)果和理論分析

6、表明：這種方法用于測量微生物菌液濃度具有很好的對應(yīng)函數(shù)關(guān)系，且具有生物量濃度在線測量準確、靈敏度高、使用壽命長等優(yōu)點。 ④提出了一種基于光纖回歸反射能量衰減技術(shù)的生物膜厚度在線測量方法，并通過對傳感器的設(shè)計原理和方法、光路的理論分析，得出了接收光的能量與生物膜厚度的函數(shù)關(guān)系。實驗結(jié)果表明：這種方法用于測量生物膜厚度具有測量準確、反應(yīng)靈敏、使用壽命長等優(yōu)點。 ⑤對生物膜滴濾塔控制系統(tǒng)進行了研究，該系統(tǒng)由最佳處理效率控制系統(tǒng)

7、、預(yù)處理控制系統(tǒng)、pH值控制系統(tǒng)等三部分組成。提出了最佳處理效率控制系統(tǒng)的設(shè)計思路，即采用BP網(wǎng)絡(luò)算法對生物膜滴濾塔VOCs降解過程的PID控制參數(shù)進行尋優(yōu)。仿真實驗表明：運用卯網(wǎng)絡(luò)算法對該過程的控制參數(shù)尋優(yōu)后，控制系統(tǒng)比常規(guī)PID控制具有更好的抗擾動能力。 ⑥提出了基于存儲器函數(shù)變換技術(shù)的模糊控制器的實現(xiàn)方法，并應(yīng)用該方法研究了pH值二維查詢表模糊控制器(簡稱二維LUTFC)的結(jié)構(gòu)、控制策略和實現(xiàn)方法。仿真實驗研究表明：對于p