為促進(jìn)行業(yè)交流進(jìn)步，便于行業(yè)同儕互學(xué)互促，推動中國環(huán)境產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。E20環(huán)境產(chǎn)業(yè)圈層特推出《水務(wù)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(lǐng)域。

項目名稱：智能曝氣系統(tǒng)

推薦單位：株洲市水務(wù)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(yīng)對水質(zhì)和水量的變化，導(dǎo)致能耗浪費較大。

本項目旨在解決兩個關(guān)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(jié)合PLC控制器和大數(shù)據(jù)實時計算，設(shè)計了一種智能曝氣控制裝置。該裝置能夠根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)和水量的變化，自動調(diào)整風(fēng)機風(fēng)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(zhì)凈化中心和龍泉污水處理廠三期穩(wěn)定運行，取得了預(yù)期的效果。項目還成功入選2024年度湖南省城鄉(xiāng)建設(shè)行業(yè)協(xié)會排水系統(tǒng)數(shù)字化應(yīng)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(lǐng)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(shè)備（底曝/表曝），顯著提升風(fēng)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(zhǔn)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(yīng)用企業(yè)年均能耗成本降幅達(dá)30%以上，出水水質(zhì)穩(wěn)定優(yōu)于國家一級A標(biāo)準(zhǔn)，兼具經(jīng)濟收益與環(huán)保價值。

3. 產(chǎn)學(xué)研深度協(xié)同，市場化前景明確

技術(shù)已獲上海城建院認(rèn)可，并與中車尚驅(qū)達(dá)成戰(zhàn)略合作，聯(lián)合推進(jìn)專利布局與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)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(wù)行業(yè)智能化升級，助力“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)。

項目亮點介紹

（1）實施效果

株洲市白石港水質(zhì)凈化中心自系統(tǒng)投用以來，每年風(fēng)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(fēng)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(zhǔn)曝氣減少藥劑過量使用和二次污染風(fēng)險，提升出水水質(zhì)，降低水污染相關(guān)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(shù)維護(hù)、數(shù)據(jù)分析等新型就業(yè)崗位，促進(jìn)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(zhǔn)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(fēng)險，保護(hù)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(jìn)水資源循環(huán)再生。系統(tǒng)的低碳化運行助力區(qū)域碳達(dá)峰目標(biāo)，為生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與恢復(fù)提供技術(shù)支撐。

項目技術(shù)工藝/裝備簡介

（1）技術(shù)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(jié)合的方式，根據(jù)生化池溶氧數(shù)據(jù)，結(jié)合進(jìn)出水水質(zhì)，進(jìn)水流量、進(jìn)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(jié)合長期的運行積累數(shù)據(jù)，利用機器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)相關(guān)算法，確定最優(yōu)溶氧控制值，達(dá)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(shè)計到應(yīng)用，所采用的技術(shù)均為自主實施。關(guān)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(xué)習(xí)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(shù) 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(jié)合特定的軟件算法，能夠?qū)崿F(xiàn)60Hz的高精度采樣頻率，為大數(shù)據(jù)實時計算提供基礎(chǔ)。

機組智能投切技術(shù) 在實際應(yīng)用場景中，曝氣設(shè)備由多臺相同或不同型號的風(fēng)機組成。風(fēng)量需求的往往是變化的，系統(tǒng)可根據(jù)所需求的風(fēng)量，自動匹配機組，并盡量讓風(fēng)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(shù) 系統(tǒng)自動對一定時間內(nèi)的儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，根據(jù)計算結(jié)果，自適應(yīng)的調(diào)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(yīng)用工業(yè)領(lǐng)域

本項目主要應(yīng)用在污水處理行業(yè)的曝氣自動控制領(lǐng)域。同時衍生了多項創(chuàng)新技術(shù)，為生產(chǎn)流程的持續(xù)優(yōu)化和智能化轉(zhuǎn)型提供了堅實支撐，它使企業(yè)能夠構(gòu)建更為高效、智能化的生產(chǎn)管理體系。其中典型的應(yīng)用場景有：過程數(shù)據(jù)高速采集、風(fēng)機/泵組并聯(lián)運行、設(shè)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