為促進行業(yè)交流進步，便于行業(yè)同儕互學互促，推動中國環(huán)境產(chǎn)業(yè)轉型升級。E20環(huán)境產(chǎn)業(yè)圈層特推出《水務行業(yè)優(yōu)秀案例匯編》，匯集了近150例案例，涉及村鎮(zhèn)污水治理、工業(yè)廢水治理、工業(yè)園區(qū)廢水治理、水環(huán)境治理、市政污水管網(wǎng)、再生水回用、污泥處理處置等領域。

項目名稱：智能曝氣系統(tǒng)

推薦單位：株洲市水務投資集團有限公司 

參與環(huán)節(jié)：自主研發(fā)

項目所在地：湖南省株洲市

項目概況

污水處理廠曝氣系統(tǒng)的運行能耗占總能耗的35%~40%，節(jié)能潛力巨大。傳統(tǒng)曝氣系統(tǒng)主要依賴手動控制，缺乏實時性，難以及時應對水質和水量的變化，導致能耗浪費較大。

本項目旨在解決兩個關鍵問題：一是穩(wěn)定控制溶解氧，二是優(yōu)化溶氧控制值。通過結合PLC控制器和大數(shù)據(jù)實時計算，設計了一種智能曝氣控制裝置。該裝置能夠根據(jù)進水水質和水量的變化，自動調整風機風量，從而優(yōu)化溶氧值，實現(xiàn)按需曝氣，降低能耗并提升運營管理水平。

該項目于2023年8月正式投產(chǎn)，并已在株洲市城市排水有限公司白石港水質凈化中心和龍泉污水處理廠三期穩(wěn)定運行，取得了預期的效果。項目還成功入選2024年度湖南省城鄉(xiāng)建設行業(yè)協(xié)會排水系統(tǒng)數(shù)字化應用典型項目案例。

示范意義

本項目是我司自主獨立開發(fā)的智能曝氣系統(tǒng)，主要有以下三方面的示范意義：

1. 硬件成本銳減，性價比行業(yè)領先  

系統(tǒng)在確保性能與市面同類產(chǎn)品持平的前提下，硬件配置精簡至8.6萬元，較傳統(tǒng)方案345萬元成本降低97.5%。通過優(yōu)化通訊協(xié)議兼容性，可無縫接入主流曝氣設備（底曝/表曝），顯著提升風機匹配效率，為污水處理廠提供輕量化智能改造方案。

2. 工藝適配廣泛，增效減排雙突破

系統(tǒng)兼容AO、AAO、MBR等主流活性污泥工藝，通過精準曝氣控制使污染物去除率有效提升，顯著降低電耗與藥劑成本。實際案例顯示，應用企業(yè)年均能耗成本降幅達30%以上，出水水質穩(wěn)定優(yōu)于國家一級A標準，兼具經(jīng)濟收益與環(huán)保價值。

3. 產(chǎn)學研深度協(xié)同，市場化前景明確

技術已獲上海城建院認可，并與中車尚驅達成戰(zhàn)略合作，聯(lián)合推進專利布局與產(chǎn)品標準化。目前正面向全省污水處理廠推廣，該系統(tǒng)的普及將加速水務行業(yè)智能化升級，助力“雙碳”目標實現(xiàn)。

項目亮點介紹

（1）實施效果

株洲市白石港水質凈化中心自系統(tǒng)投用以來，每年風機用電量下降38.9%，總用電量節(jié)約28.82萬度，節(jié)約PAC藥劑用量約31噸；株洲市龍泉污水處理廠三期自系統(tǒng)投用以來，每年風機用電量下降24.3%，總用電量節(jié)約124.32萬度，節(jié)約PAC藥劑用量約100噸。

（2）社會效益

一是降低能耗與運營成本，減少公共財政支出；二是精準曝氣減少藥劑過量使用和二次污染風險，提升出水水質，降低水污染相關疾病發(fā)生率；三是推動污水處理行業(yè)智能化升級，催生技術維護、數(shù)據(jù)分析等新型就業(yè)崗位，促進綠色就業(yè)。

（3）生態(tài)效益

污水處理廠的智能曝氣系統(tǒng)通過動態(tài)優(yōu)化曝氣量，減少能源消耗與碳排放，降低運行中溫室氣體（如N2O）釋放。精準控制溶解氧可高效降解污染物，削減氮磷排放，緩解水體富營養(yǎng)化風險，保護水生生物多樣性；同時避免過度曝氣引發(fā)的污泥膨脹和藥劑殘留，降低對土壤及地下水的二次污染，促進水資源循環(huán)再生。系統(tǒng)的低碳化運行助力區(qū)域碳達峰目標，為生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與恢復提供技術支撐。

項目技術工藝/裝備簡介

（1）技術工藝/裝備名稱

智能曝氣系統(tǒng)。

（2）工藝/裝備原理

本項目控制系統(tǒng)的主要原理為：基于PLC控制器與實時數(shù)據(jù)計算相結合的方式，根據(jù)生化池溶氧數(shù)據(jù)，結合進出水水質，進水流量、進水溫度、水力停留時間，采用多級PID控制模式，穩(wěn)定控制生化池的溶解氧濃度，實現(xiàn)按需曝氣。同時結合長期的運行積累數(shù)據(jù)，利用機器學習和大數(shù)據(jù)相關算法，確定最優(yōu)溶氧控制值，達到最優(yōu)曝氣、節(jié)能曝氣的效果。

（3）工藝/裝備特點

本項目從設計到應用，所采用的技術均為自主實施。關鍵特點主要為：

可自迭代控制模型 系統(tǒng)首次將污水處理全過程數(shù)據(jù)納入控制模型中，通過運用機器學習的方法，尋找最佳模型參數(shù)。并且在長期的運行中，自動迭代優(yōu)化。

高速數(shù)據(jù)采集技術 一般污水廠SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)點位約為4000個，其采集為每分鐘一次（0.167Hz）。本項目在不增加投資的情況下，結合特定的軟件算法，能夠實現(xiàn)60Hz的高精度采樣頻率，為大數(shù)據(jù)實時計算提供基礎。

機組智能投切技術 在實際應用場景中，曝氣設備由多臺相同或不同型號的風機組成。風量需求的往往是變化的，系統(tǒng)可根據(jù)所需求的風量，自動匹配機組，并盡量讓風機工作在高效區(qū)，從而提高能源的利用效率。

儀表實時診斷技術 系統(tǒng)自動對一定時間內(nèi)的儀表數(shù)據(jù)進行計算分析，根據(jù)計算結果，自適應的調整計算公式，去除了錯誤信號的干擾，大幅提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（4）應用工業(yè)領域

本項目主要應用在污水處理行業(yè)的曝氣自動控制領域。同時衍生了多項創(chuàng)新技術，為生產(chǎn)流程的持續(xù)優(yōu)化和智能化轉型提供了堅實支撐，它使企業(yè)能夠構建更為高效、智能化的生產(chǎn)管理體系。其中典型的應用場景有：過程數(shù)據(jù)高速采集、風機/泵組并聯(lián)運行、設備工況智能診斷、實時能耗分析等。

（5）工藝/裝備流程圖

智能曝氣系統(tǒng)流程圖

（6）項目部分案列照片

編輯：黃延麗