溶解氧控制系统方案讲课教案
溶氧控制技术[46页]
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N La(C CL ) QO2 X
La
QO2 X C CL
在发酵过程中，培养液内某瞬间溶氧浓度变化可用下式表示：
dCL dt
La(C
CL ) QO2
X
2. 影响氧传递的主要因素
（1）搅拌的影响
在常压和25℃时，空气中的氧气在纯水中的溶解度仅为 0.25mmol/L，在不通气的情况下，大约经过14s后发酵液 中的溶氧就会被耗尽。为了保证需氧发酵的溶氧供应， 须在发酵过程中不断通入无菌空气和搅拌。
◎ 空气管口与罐底距离由发酵罐型式、管口朝向等决定。 ◎ 管口有垂直向上、向下两种，根据经验数据，当管口垂直 向上时，管口与罐底距离尽可能小，以保证管口与下档搅拌器 距离为（0.7~0.9）d；当管口垂直向下时，要根据d/D的值而定， 当d/D＞0.3~0.4时，管口距罐底约为（0.15~0.30）d， 当d/D=2.5~0.3时，管口距罐底约为（0.30~0.50）d。
乳酸
CO2
苹果酸
3-磷酸甘油醛
5-磷酸核糖
CO2
丙酮酸
CO2 CO2
CO2
草酰乙酸 1
乙醛CoA
柠檬酸
顺乌头酸
延胡索酸 琥珀酸
乙醛酸
异柠檬酸 3
CO2
2
α-酮戊二酸
5
4
NH4
谷氨酸（胞外） 谷氨酸（胞内）
在菌体生长之后，假如四碳二羧酸是100%通过 CO2固定反应供给，理想的发酵按如下反应进行：
C6H12O6 + NH3 + 1.5O2 → C5H9O4N + CO2 + 3H2O
0 0.001 0.002 0.003 0.004
C溶解（mol/L）
污水处理中的溶解氧控制与调节方案
采用智能控制技术，实现溶解氧浓度的稳定控 制。
问题
某些情况下，溶解氧浓度过高或过低。
解决方案
根据实际情况调整曝气量或混合液回流量，保持溶 解氧浓度的适宜范围。
问题
溶解氧控制与调节方案的投资和运行成本较高。
解决方案
综合考虑方案的经济性和技术可行性，合理选择适合的 溶解氧控制与调节技术和设备。
05
鱼类呼吸
水生动物如鱼类在呼吸过 程中会消耗溶解氧。
其他生物呼吸
水生植物和动物在呼吸过 程中也会消耗溶解氧。
溶解氧的平衡
自然平衡
在自然环境中，水体中的溶解氧会通过自然曝气和植物光合 作用得到补充，同时也会被微生物和动物消耗，形成一种动 态平衡。
人工调节
在污水处理过程中，可以通过人工调节曝气量、植物生长和 微生物群落等方式来维持溶解氧的平衡，以满足污水处理的 需求。
03
溶解氧控制与调节方案
曝气量控制
总结词
曝气量是影响溶解氧浓度的关键因素，通过控制曝气量可以实现对溶解氧的精 确调控。
详细描述
通过调节鼓风机出气流量或改变曝气器的数量和组合方式，可以控制曝气量的 大小。曝气量增大，会使反应池中的溶解氧浓度升高；反之，溶解氧浓度则会 降低。
混合液回流控制
总结词
通过控制混合液回流量，可以调节反应池中的溶解氧浓度。
溶解氧控制与调节技术有助于加速生物反应过程，提高有机物和 氨氮的去除率。
优化了污水处理工艺
通过实时监测和调控溶解氧浓度，可以灵活调整生物反应条件，实 现工艺优化。
保证了出水质量
合理控制溶解氧水平，可以有效降低污染物残留，提高出水水质。
实际应用中的问题与解决方案
问题
水产养殖水质溶解氧的测定教学设计(精)
水产养殖水质溶解氧的测定一、前言随着信息化科技的迅猛发展，信息化教学模式逐渐替代传统的教学模式，并被学生和教师接受，它更能激发学生求知的欲望和兴趣，实践证明，课堂运用了信息化教学后，学生的主体参与度增加，学习积极性有所增强，学习成绩提高得很快。
在传统的教学活动中，教师是教学活动的主体，知识是由教师传授给学生的。
而新的教学观念是：教师是学生学习活动的指导者和帮助者，知识是由学生根据自己头脑里的认知结构而自主构建的，这种全新的教学理念，能更好地指导信息技术环境下的教与学。
《水产养殖水质溶解氧的测定》内容涉及水质溶解氧的测定、水质溶解氧对养殖生物的影响、水产养殖水质溶解氧的调控措施等；传统教学通常是教师先让学生看书预习并以学习小组为单位设计实训方案，每个小组排一个代表在课堂展示本小组设计的实训方案，由教师在课堂上点评、讲授并确定实训方案，然后学生进行水质溶解氧的测定，根据检测结果确定水产养殖水质溶解氧的调控措施；水产养殖水质溶解氧的测定的知识点非常多，教学时间紧迫，而学生学习缺乏兴趣和主动性，往往是手忙脚乱，丢三落四，学习效率不高。
本教学设计，在组织《水产养殖水质溶解氧的测定》的教学时，充分利用职教云，将知识点精心设计为网络课件、视频资料、文本材料、微课、练习题等，通过云课堂引导学生探究式学习水质溶解氧对水产养殖的影响，水质溶解氧的测定原理、方法选择、标准的应用，所需的仪器设备及使用注意事项、药品及试剂的配制，监测数据的处理及评价，水产养殖水质溶解氧的调控措施等，进一步提高学生自主学习的能力。
同时教师通过在线统计结果，对学生课前学生情况进行分析，并对课堂教学方案做相应调整，线上线下有机结合，进一步提高学生学习效率和教学效果。
二、教学分析（一）课程及检测标准分析（二）学情分析（三）教学目标分析1三、教学模式与实施2四、实施过程教学过程教学内容教师活动学生活动课前准备）1、，在课程公告上提出水质溶解氧对水产养殖有什么影响？如何测定水质的溶解氧？（课程公告）如何测定水质的溶解氧？教师上传“溶解氧的测定”教学视频，学生观看并写出检测方案，学生实时反馈问题，教师及时解答。
初中化学氧气溶解实验教案
初中化学氧气溶解实验教案
实验目的：了解氧气在水中的溶解性，并观察氧气溶解过程中的一些现象。
实验材料：
- 氧气气瓶
- 氧气气管
- 氧气发生器
- 滴管
- 烧杯
- 清水
实验步骤：
1. 将氧气气瓶连接至氧气发生器，并打开氧气发生器，使氧气充满气管。
2. 将氧气气管的一端插入烧杯中，并用滴管向烧杯中添水，使水位高于氧气气管口。
3. 观察氧气在水中的现象，可以看到氧气在水中缓慢溶解的过程。
4. 可以用放大镜观察氧气气泡在水中的变化，并记录下观察结果。
5. 实验完成后，关闭氧气发生器，将实验器材清洗干净并归还。
实验注意事项：
1. 实验操作时要小心谨慎，避免发生意外。
2. 实验器材要干净整洁，使用前检查是否有损坏。
3. 实验完毕后要及时清理实验台，并将实验器材整理妥当。
实验结果分析：
通过实验，可以发现氧气在水中缓慢溶解的现象，观察氧气气泡在水中的变化，可以看到氧气逐渐消失的过程。
从中可以得出结论：氧气是可以溶解在水中的。
延伸实验：
可以尝试在不同温度下观察氧气在水中的溶解速率的变化，或者尝试添加一些其他物质如盐、糖等，观察对氧气溶解的影响。
希望通过这个实验，同学们能对氧气在水中的溶解现象有更深入的理解。
溶解氧控制系统方案讲课教案
溶解氧控制系统方案（修改稿）一、概述污水生化处理的耗氧反应是重要的反应阶段，目前国内的污水生化处理的加氧工作都是采用大功率的鼓风机实现的，需要消耗大量的电能，在保证水质的情况下，如何实现节能控制，降低成本，是目前国内外需要认真考虑的问题。
污水中的微生物对氧的需求量是一定的，少了会降低水质，多了不仅不能保证水质，而且还浪费能源，通常以溶解氧的含量来判断某个时候供氧量是否合适。
但是，所需要的溶解氧不应该是一个定值，它是随着污水的浓度、天气、气温、时间变化的函数。
就是说污水处理过程控制具有显著的非线性、大滞后、多变量、时变性的特点。
为此，需要研究在不同工况条件下，溶解氧设定值的优化。
建立污水生化处理过程的溶解氧变化的模型，并依据该模型对鼓风量进行低能耗的优化控制。
建立能适应环境变化的基于污水生化过程。
在国内曝气量优化控制方面进行了一些研究，常用的方法主要是基于溶解氧目标值的PID 控制。
但是，由于污水生化处理过程的非线性、时滞及溶解氧目标值时变性，使PID 控制很难跟踪溶解氧目标值。
在PID 控制基础上发展了变增益的PID 控制、模糊PD 控制，这些方法仍然不能解决过程不确定性问题。
为此，许多学者采用神经网络自动诊断、模糊专家控制等智能控制方法。
但是，对于复杂的污水生化处理过程，学习样本有限和专家知识不足，使这些方法的效果不明显。
国外这方面成功经验也很少。
所以说国内的污水处理过程的自动化水平还有待提高，大多数只停留在数据采集和简单控制(如提升泵、污泥回流泵、鼓风机的开关控制)的水平上。
污水处理过程建模和控制方面的研究属于刚起步，主要用模糊神经网络控制、递阶神经网络、仿人智能、自适应、专家知识等方法来构建可知模型，取得一定成功。
但这些方法有待深入研究和完善。
二、方案提出我们在总结先前的经验和实际运用的基础上，对于污水的入水水质、生化反应过程、出水水质波动等各种在线、离线检测数据进行科学分析，结合智能检测、诊断与控制技术对生物化过程进行综合控制与优化，以保证在各种干扰条件下出水水质稳定达标。
高产鱼塘溶氧控制系统设计方案
氧是鱼类赖以生存和生长发育必备条件之一。
水中溶氧量主要与温度、湿度和鱼的密度等因素有关。
鱼类惟独在水中溶氧量达到一定数值后，才干维持其生命活动，且在一定的范围内，其生长速度及对饲料的利用率都将随着水中溶氧量的升高而增加，低氧对鱼类的生活及生长是十分不利的。
目前，大多数渔业养殖户对水中溶解氧含量的判断主要来自经验，即通过观察阳光、气温、气压以及鱼有无浮头等现象，判断水中溶解氧含量的高低，并控制增氧机是否开机增氧。
为了防止发生泛塘现象，渔民需要花费大量的时间、精力观察鱼塘的情况。
这种方式存在事后控制、增氧不及时或者过度增氧、费时、劳动强度大等缺点，在一定程度上影响了鱼类的生长，增加了养殖的成本。
为了提高鱼类产品饲养的质量和数量，提升水产养殖技术的自动化水平，减轻渔民的劳动强度，降低水产养殖的成本，研制了鱼塘含氧量自动控制系统，实时监测水中的溶氧量和温度，自动启动鱼塘中增氧机运行，使鱼塘中水的溶氧量和温度的上下限保持在设定的范围内，有效地提高了鱼类养殖的安全性，降低了养殖成本，对提高养殖产量，达到高产高效的目的，具有重要的意义。
池塘水产养殖[过程中需要自动监测水中溶氧量及水温，并在超过水温上限及溶氧量上、下限时进行自动报警和控制增氧机开/关的装置。
池塘水产养殖增氧机控制系统主要由传感器节点、增氧机和终端控制模块三部份组成。
整个系统完成的功能是利用温度和溶解氧传感器将采集到的数据传输到传感器节点，并进行数据处理，然后通过无线通信协议发送到终端控制模块，终端控制模块进行判断，在超出设定的界限时发出报警信号，同时开启或者关闭增氧机。
整个系统框图如图 1 所示。
由于传感器节点放在池塘中，考虑到供电的方便和安全，所以采用电池供电。
传感器节点的无线通信协议采用满足 IEEE802.15.4 网络通信标准[10]的 Zigbee 协议。
同时在电路设计过程中，芯片的选择均从低功耗、体积小、应用方便等角度进行考虑。
传感器节点主控芯片及电路介绍此设计中传感器节点主要由溶氧量和温度传感器、运算放大电路、处理器、无线收发模块和电源等构成。
水处理中的溶解氧(DO)控制策略
水处理中的溶解氧(Do)控制策略目录1.概述 (1)2.溶解氧的定义及理解 (1)3.溶解氧(Do)控制的过高，有什么危害？ (2)4.溶解氧的控制依据及优化 (3)4.1,原水水质 (3)4.2.活性污泥浓度 (5)4.3.污泥沉降比 (6)4.4. PH值 (8)4.5.温度 (10)4.6.食微比(F/M) (10)1.概述溶解氧①的概念可以理解为水中游离氧的含量，用Do表示，单位mg/1。
溶解氧在实际的污水、废水处理操作中具有举足轻重的作用，这一指标的恶化或者波动过大，往往会导致活性污泥系统的稳定性大幅波动，自然对处理效率的影响也非常明显。
2.溶解氧的定义及理解溶解在水中的空气中的分子态氧称为溶解氧，水中的溶解氧的含量与空气中氧的分压、水的温度都有密切关系。
在自然情况下，空气中的含氧量变动不大，故水温是主要的因素，水温愈低，水中溶解氧的含量愈高。
溶解于水中的分子态氧称为溶解氧，通常记作D0,用每升水里氧气的毫克数表示。
水中溶解氧的多少是衡量水体自净能力的一个指标。
应该说，理论上来讲，当曝气池各点监测到的Do值略大于0(如0.01mg∕1)时，可以理解为充氧正好满足活性污泥中微生物对溶解氧的要求。
①Disso1vedOxygen但是事实上，我们还是没有简单的将溶解氧控制在大于O的水平，而是应用教科书中的做法，把DO控制在1〜3mg∕1的范围内。
究其原因还是因为，整个曝气池而言，溶解氧的分布和各曝气池区域内的溶解氧需求是不一样的。
为了保守的稳定活性污泥在分解有机物或自身代谢过程中对溶解氧的需求，才将DO控制在1〜3mg∕1°但是，实际操作和书面上固定僵化的Do理论值往往是不同的，不能只是依照书面上理论值，还要充分结合实际情况！从实际情况看，发现在实际运行中，很多情况下将溶解氧控制在1〜3mg∕1是没有必耍的，特别是控制超过3mg∕1更是亳无意义，唯一的结果只是导致电能的浪费和出水中含有细小悬浮颗粒。
溶解氧的测定电子教案(精)
单元教学计划项目二河流断面水质监测任务5 溶解氧的测定（碘量法）一、背景知识溶解氧（dissolved oxygen）是指溶解在水中的分子态氧，通常记作DO，用每升水中氧的毫克数和饱和百分率表示。
溶解氧的饱和含量与空气中氧的分压、大气压、水温和水质有密切关系。
适量的氧是鱼类和好氧菌生存和繁殖的基本条件。
清洁水样中，溶解氧呈饱和状态，水被有机物污染后，由于好氧菌作用使其氧化而消耗溶解氧，如得不到空气中氧的及时补充，则水中的溶解氧减少，最终导致水体恶化甚至发臭，因此溶解氧是反映水质污染程度的一项重要指标，溶解氧越少，表明污染程度越严重。
同时在1个大气压、0℃的淡水中，饱和溶解氧浓度为10mg/L。
溶解氧低于4mg/L时，鱼类难以生存。
二、测定方法选择测定水中溶解氧常用碘量法(GB/T7489-1987)及修正的碘量法和电化学探头法（HJ506-2009）。
清洁水可直接采用碘量法测定，受污染水样必须用修正的碘量法或电化学探头法测定。
三、实训目的1．掌握碘量法测定水中溶解氧的原理及过程；2．掌握水中溶解氧采样方法、现场固定及测定技能，同时熟练掌握天平使用、溶液配制、滴定等基本操作技能；3．根据试剂配制方法及指标测定方法会选择所用的仪器并会配制所用试剂；4．熟悉数据记录及处理方法，掌握结果评价及应用技能。
四、碘量法测定原理水样中加入硫酸锰和碱性碘化钾，生成氢氧化锰白色沉淀，然后水中溶解氧将低价锰氧化成高价锰，生成四价锰的氢氧化物[MnO(OH)2]棕色沉淀。
加酸后，氢氧化物沉淀溶解并与碘离子反应，释出游离碘。
以淀粉作为指示剂，用硫代硫酸钠滴定释出的碘，可计算出溶解氧的含量。
反应式如下：MnSO4＋2NaOH＝Mn(OH)2↓(白色)＋Na2SO42Mn(OH)2＋O2＝2MnO(OH)2↓（黄棕色）2MnO(OH)2↓＋2H2SO4 ＝Mn(SO4)2＋3H2O（沉淀溶解）Mn(SO4)2＋2KI＝MnSO4＋K2SO4＋I2（红棕色溶液）2Na2S2O3＋I2＝2NaI ＋Na2S4O6五、采样准备水质采样器；溶解氧瓶；一段乳胶管；2-5mL吸管2支；洗耳球；浓度符合要求的硫酸锰溶液和碱性碘化钾溶液等。
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溶解氧控制系统方案（修改稿）
一、概述
污水生化处理的耗氧反应是重要的反应阶段，目前国内的污水生化处理的加氧工作都是采用大功率的鼓风机实现的，需要消耗大量的电能，在保证水质的情况下，如何实现节能控制，降低成本，是目前国内外需要认真考虑的问题。
污水中的微生物对氧的需求量是一定的，少了会降低水质，多了不仅不能保证水质，而且还浪费能源，通常以溶解氧的含量来判断某个时候供氧量是否合适。
但是，所需要的溶解氧不应该是一个定值，它是随着污水的浓度、天气、气温、时间变化的函数。
就是说污水处理过程控制具有显著的非线性、大滞后、多变量、时变性的特点。
为此，需要研究在不同工况条件下，溶解氧设定值的优化。
建立污水生化处理过程的溶解氧变化的模型，并依据该模型对鼓风量进行低能耗的优化控制。
建立能适应环境变化的基于污水生化过程。
在国内曝气量优化控制方面进行了一些研究，常用的方法主要是基于溶解氧目标值的PID 控制。
但是，由于污水生化处理过程的非线性、时滞及溶解氧目标值时变性，使PID 控制很难跟踪溶解氧目标值。
在PID 控制基础上发展了变增益的PID控制、模糊PD控制, 这些方法仍然不能解决过程不确定性问题。
为此，许多学者采用神经网络自动诊断、模糊专家控制等智能控制方法。
但是，对于复杂的污水生化处理过程，学习样本有限和专家知识不足，使这些方法的效果不明显。
国外这方面成功经验也很少。
所以说国内的污水处理过程的自动化水平还有待提高，大多数只停留在数据采集和简单控制（如提升泵、污泥回流泵、鼓风机的
开关控制）的水平上。
污水处理过程建模和控制方面的研究属于刚起步，主要用模糊神经网络控制、递阶神经网络、仿人智能、自适应、专家知识等方法来构建可知模型，取得一定成功。
但这些方法有待深入研究和完善。
二、方案提出
我们在总结先前的经验和实际运用的基础上，对于污水的入水水质、生化反应过程、出水水质波动等各种在线、离线检测数据进行科学分析，结合智能检测、诊断与控制技术对生物化过程进行综合控制与优化，以保证在各种干扰条件下出水水质稳定达标。
主要采用“前馈+串级”的组合控制模型，以污水处理厂进水区温度、流量、进水水质检测值等为前馈信号，来决策溶解氧的给定值；生化处理池中溶解氧检测仪为反馈信号给主回路；鼓风机风量用风量传感器检测作为反馈信号和变频器构成副回路。
各回路控制规律为：前馈采用人工智能；主回路采用模糊PID 控制；副回路采用传统的PID 控制。
为节省成本对污泥回流控制可以根据回流量流量大小分1-3 档位的控制。
参见图2-1 生物化过程前馈- 串级控制系统。
三、方案论证
1、前馈控制
活性污泥污水处理系统属于复杂的动态工程系统， 目前无法建立
精确的模型来描述完整的系统。
而城市污水进水水质在不同的时间变 化极其不稳定，有机物含量的变化在每年内随季节的推移而变化， 每 日内随时间而变化；所以无法给出确定的控制量一溶氧。
但我们可以 根据不同时间，不同参数，其内在的规律来推论出需要溶氧的控制量 多
少；也就是用人工智能来解决。
基于计算机编程方便，可以采用人 工智能领域中发展起来的专家系统。
该系统基本上是模拟有经验调试 人员的整定思路，通过分析控制系统的输入输出信号，根据已知的调节 规律对调节器参数进行整定。
从控制结构讲，它由知识库、控制规则 集、推理机构组成。
只要得到的事实集和经验数据库、经验公式等， 根据各参数溶氧给定值 污泥回流控制根据流量大小分 1、 2、
3档位控制。
干扰信号
气 生 物 滤 池
其他参量
人
工
智
能
风机
气体流量计
图2-1生物化过程前馈-串级控制系统
溶氧变量
中的隶属、耦合等关系，可以得到切合实际的控制决策。
2、串级控制
鼓风机的风量受动力电（电压波动较大约10%-15% ），和信号回路的磁场等干扰，所以出口风量需要不断实施控制，稳定在一个恒定值上。
一般说：污水处理用的鼓风机电机规格近几种，所以采用常规的增量式PID 可以很好控制其出风量。
而对于曝气生物池的溶氧控制就变得复杂些。
常规的双入单出模糊控制器是以误差和误差变化率作为输入变量，相当于PD 控制器。
因少积分作用，模糊控制器消除系统稳态误差的性能较差,，难以达到较高的控制精度。
而传统PID 调节器的积分调节作用从理论上可使系统的稳态误差控制为零，有着很好的消除稳态误差的作用，因此可以将模糊控制器和PID 控制相结合，当误差大于某个阀值时，采用模糊控制以获得更好的瞬态性能；当误差小于这个阀值时，则采用PID 控制以获得更好的稳态性能。
模糊PID 控制结合了模糊控制和PID 控制的控制优点，不需要精确的数学模型，而是根据控制规则及在线检测结果决定控制量的大小。
对于好氧处理曝气系统中难以精确建模、滞后大、强干扰、多变量的溶氧控制难点，模糊PID 控制都可以很好的解决（如果考虑PID 参数的变化可以再考虑用自适应PID控制方案）。
实践以及证明这点。
将两者采用串级可以实现更高的精度，且起到很好的节能作用。
3、多级控制
考虑到节能和成本污水回流与排放控制可以根据实际情况，取得影响程度进行档位控制。
这样即保证水质有节省投资成本，同时接受能
耗。
所以初步定 3 个档控制方案，也可根据实际情况决定。
该控制系统前馈控制接受在线的水质参数和离线水质参数。
如是是离散的水质参数，可以做个接口电路，按通讯规约接受水质的参量。
从而推断控制决策。
四、实施计划
1 、完成仿真实验
2 、完成中试
3、做出产品
五、经费情况
1、完成仿真** 万
2 、完成中试** 万（建设实验室，第一步实验室进行，第二部在污水
厂实施）
3、产品制作** 万（产品具有和PLC 及上位机进行MODBUS 通讯协
议。
现在国内几乎没有产品。
国外有几个厂家有）
附：1
VACOMASS ?曝气控制系统VACOMASS ?曝气控制系统是由德国Binder 公司开发的一套针对活性污泥法的曝气控制系统，共包括5个组件：现场控制器、热质空气流量计、菱形调节阀、鼓风机压力控制单元和模拟校验调试单元。
针对于污水厂工艺工程师或中控室技术人员设定的溶解氧设定值，VACOMASS 系统通过实时的专家智能系统来处理溶解氧设定值所需的空气量，然后利用专有的菱形调节阀来控制空气量，而
空气量则由热质流量计来精确测量，从而使曝气池维持在所需的溶解氧浓度，稳定发挥活性污泥的高效降解性能，并尽可能的减少曝气量或曝气能耗。
不但如此，VACOMASS系统还带有压力控制单元，综合所有控制回路的实际气体流量信号及阀位信号，通过量，从而使曝气池维持在所需的溶解氧浓度，稳定发挥活性污泥的高效降解性能，并尽可能的减少曝气量或曝气能耗。
不但如此，VACOMASS系统还带有压力控制单元，综合所有控制回路的实际气体流量信号及阀位信号，通过精确计算，给出一个最低所需的压力设定，传给鼓风。