引言

曝气过程在污水处理中占据核心地位，它通过向污水中充入空气，为微生物提供所需的氧气，以促进有机污染物的分解。然而，传统的曝气控制方法往往存在诸多问题，例如过度曝气导致能源浪费，或者曝气不足影响处理效果。精确曝气控制系统应运而生，它借助先进的传感器技术、自动化控制技术等，旨在实现对曝气过程的精准调控。这不仅能提高污水处理质量，还能有效降低运行成本，对环境保护和资源节约有着深远意义。

1 污水处理中的曝气原理

1.1 曝气的基本概念

曝气是指向污水中强制充入空气或氧气，使活性污泥法中的微生物能够获得足够的氧气进行新陈代谢，从而分解污水中的有机污染物。其主要目的是维持微生物生长所需的溶解氧（DO）水平。

1.2 曝气过程中的传质理论

1.2.1 双膜理论：双膜理论认为，在气-液界面两侧存在着气膜和液膜，氧气从气相传递到液相的过程中，要依次通过这两层膜。传质阻力主要集中在这两层膜上。在污水处理的曝气池中，气液接触面积、气体和液体的流速等因素都会影响双膜的传质效率。

1.2.2 影响传质的因素：除了气液界面的膜阻力外，污水的温度、水质特性（如污染物浓度、盐度等）也会对氧气的传质产生影响。例如，温度升高时，氧气在水中的溶解度降低，但传质系数会增大。

2 传统曝气系统的局限性

2.1 过度曝气问题

2.1.1 能源浪费：传统曝气系统往往采用固定的曝气速率，为了保证在最差工况下污水中的溶解氧能满足微生物需求，通常会设置较高的曝气强度。这就导致在很多时候，尤其是进水水质较好、微生物活性高的时候，存在过度曝气现象，造成大量的能源浪费。

2.1.2 对微生物的不良影响：过度曝气会使活性污泥中的微生物受到较大的剪切力，破坏微生物的絮体结构，导致微生物的活性降低，从而影响污水处理的效果。

2.2 曝气不足问题

2.2.1 处理效果下降：当曝气不足时，污水中的溶解氧含量不能满足微生物代谢的需求，微生物的分解代谢速度减慢，导致污水中的有机污染物不能被充分分解，出水水质难以达标。

2.2.2 产生异味：在曝气不足的情况下，污水中的厌氧微生物可能会大量繁殖，产生一些具有异味的代谢产物，如硫化氢等，影响周围环境。

3 精确曝气控制系统的研究内容

3.1 传感器技术的应用

3.1.1 溶解氧传感器：溶解氧传感器是精确曝气控制系统的关键部件之一。现代的溶解氧传感器具有高精度、快速响应的特点。例如，一些基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器，能够实时准确地测量污水中的溶解氧浓度，为精确曝气提供可靠的数据支持。

3.1.2 其他相关传感器：除了溶解氧传感器外，还可以结合进水流量传感器、水质（如有机物浓度、氨氮浓度等）传感器，全面获取污水处理过程中的相关参数。通过对进水流量的监测，可以根据污水的进水量调整曝气的总量；而水质传感器可以提前预测微生物的需氧量变化。

3.2 控制算法的优化

3.2.1  PID控制算法及其改进：比例-积分-微分（PID）控制算法是一种常用的控制算法。在精确曝气控制系统中，通过调整PID参数，可以使曝气系统根据溶解氧的设定值和实际测量值之间的偏差来动态调整曝气流量。但是，传统的PID算法在面对污水处理过程中的非线性、时变等复杂特性时，存在一定的局限性。因此，对PID算法进行改进，如采用自适应PID算法，能够根据系统的运行状态自动调整PID参数，提高控制精度。

3.2.2 模型预测控制（MPC）：模型预测控制是一种基于模型的先进控制策略。它通过建立污水处理过程中的曝气模型，预测未来一段时间内的溶解氧变化情况，然后根据预测结果制定最优的曝气控制策略。MPC能够考虑到多个变量之间的相互关系，在满足出水水质要求的前提下，最大限度地降低曝气能耗。

3.3 曝气设备的智能化改造

3.3.1 变频曝气风机：传统的曝气风机通常以固定的转速运行，通过采用变频技术，可以根据精确曝气控制系统的指令，实时调整风机的转速，从而改变曝气流量。变频曝气风机不仅能够提高曝气的精确性，还能在低负荷时降低能耗。

3.3.2 智能曝气阀门：智能曝气阀门可以根据控制系统的信号，精确地调节曝气的开度。与传统的手动阀门相比，智能阀门能够实现快速、准确的流量调节，并且可以与整个精确曝气控制系统实现无缝对接。

4 精确曝气控制系统面临的挑战与展望

4.1 新技术的融合

随着物联网、大数据、人工智能等新技术的不断发展，精确曝气控制系统有望与之深度融合。例如，利用物联网技术可以实现传感器的远程监控和数据传输；大数据技术可以对污水处理过程中的海量数据进行分析，挖掘更多有价值的信息；人工智能技术可以进一步优化控制算法，提高系统的智能化水平。

4.2 定制化解决方案

不同的污水处理厂在规模、进水水质、处理要求等方面存在差异，未来精确曝气控制系统将朝着定制化的方向发展，根据每个污水处理厂的具体情况，提供个性化的解决方案，以达到最佳的处理效果和经济效益。

5 结语

综上所述，污水处理精确曝气控制系统的研究与应用具有多方面的重要性。本文深入理解其原理、控制算法以及面临的挑战，为进一步优化系统提供了依据。从应用角度看，精确曝气控制系统在实际污水处理厂中展现出了提高处理效率、降低能耗和减少运行成本的显著优势。尽管目前仍存在传感器稳定性、复杂工况适应性等问题，但随着技术的不断发展，如新型传感器的研发和智能控制算法的优化，精确曝气控制系统有望在污水处理领域得到更广泛的应用，为实现更高效、更环保的污水处理做出更大贡献。

参考文献：

[1]高旭,张裕晖,张祺,等.污水处理精确曝气控制系统研究及应用探析[J].中文科技期刊数据库(文摘版)工程技术,2021(12):2.

[2]邓刚,孔生.试论精确曝气控制系统在污水厂的应用问题[J].科技与企业,2023(18):1.