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）
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。
第六章 溶氧
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
氧的供需与传递
微生物细胞对氧的需求和溶解氧的控制 培养过程中氧的传质理论 影响供氧的因素及改善供氧条件的措施 发酵液中溶解氧的测定和控制 固态发酵通风与搅拌技术
第一节 微生物细胞对氧的需求和 溶解氧的控制
• 一、溶解氧 • 1. 溶解氧 2. 享利（Ｈenry）定律
温度对溶氧浓度的影响
饱和溶氧浓度C*与温度的关系：C*=14.6/(t+31.6)
温度越高，溶解氧浓度越低。
温度（℃） 0 2 4 溶解度系数 （ppm/KPa） 0.6979 0.6606 0.6267 温度 （℃） 22 24 26 溶解度系数（ppm/KPa） 0.4215 0.4072 0.3924
6
8 10 12
0.5957
0.5666 0.5408 0.5169
28
30 32 34
0.3780
0.3667 0.3551 0.3437
14
16 18 20
0.4950
0.4749 0.4554 0.4377
36
37 48 40
0.3341
0.3294 0.3246 0.3150
溶质对溶氧浓度的影响
Ho
VG V
6H O
dG
• 气液比表面积α与培养液中气体截留率、 气泡的直径dG有关，气体截留率越高、气泡 直径越小，气液比表面积就越大。而通风 量和搅拌转速与这二个参数有密切的关系。
四、影响体积溶氧传递系数KLα的因素
K L f(d ,n,s ,DL ,,, ,g )
• • • • • •
d—搅拌桨的直径，m；n—搅拌转速，s-1； μs—气体表观线速度，m/s；DL—扩散系数，m2/s； μ—液体粘度，Pa.s； ρ—发酵液的密度，Kg/m3； σ—表面张力，N/m； g—重力加速度，9.81m/s2。
分析仪表-5溶氧 ppt课件
5.3 影响测量的因素及使用中的问题
使用中水样断水或停机，都要保证电极泡在水 中，不能使膜处于干态，否则启用时还要重新 添加电解液和装膜。
对于平衡式电极，应尽量减少暴露在空气中的 时间，一般认为应在几分钟以内，以免电极失 效。当气温很低时，如北方的冬天，还可能电 极从流通池取出后因温度骤降使膜破裂。
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5.3 影响测量的因素及使用中的问题
对于扩散型传感器电极，由于银电极是牺牲阳 极，有氯化银或溴化银生成，需要定期更换电 解液和透氧膜，理论上最长可一年更换一次膜， 但实际上无法做到，与水样的污染程度和是否 经常暴露于空气中等等有关，应根据实际情况 决定，一般3至6个月换一次 。
当银电极发黑老化时，可用10％氨水浸泡清洗， 是否老化，从电极校准结果的斜率系数上可以 看出，系数太小或校准不成功既是老化。
➢ 阴极：金电极或铂电极。
➢ 电解液：KCl+KOH或KBr +KOH（Polymetron厂家采 用KBr+KOH，Orbisphere 厂家采用KCl+KOH）。
➢ 透氧膜：聚四氟乙烯膜 。
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5.2.1 扩散型传感器
电极反应 ➢阳极——氧化反应：4Ag+4Cl--4e = 4AgCl↓ 或 4Ag+4Br--4e = 4AgBr↓ ➢阴极——还原反应：O2 + 2H2O + 4e = 4OH银电极（阳极）由于氧化而消耗，因此，它
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5.2.2 平衡型传感器
电极反应：
➢ 阴极——还原反应：O2+4H++4e=2H2O ➢ 阳极——氧化反应：2H2O=O2+4H++4e 由上述反应可以看出，平衡型溶解氧测量传感器在 测量过程中阴极消耗的氧等于阳极产生的氧，传感器不 消耗水样中的氧。因此，测量过程中只有膜内溶液中溶 解氧浓度与水样浓度存在差异时，溶解氧从浓度高的一 侧扩散到另一侧，直到膜两边氧浓度达到平衡。而氧通 过膜的扩散速度与测量的溶解氧浓度无关，这与扩散型 溶解氧测量传感器完全不同。平衡型传感器测量精度与 水样流速基本无关 。
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。
实验二 水中溶解氧的测定教案
实验二 水中溶解氧的测定【实验目的】1、学习溶解氧水样的采取方法。
2、掌握用间接碘量法测定水样中溶解氧的方法原理及基本操作。
【实验原理】溶解于水中的氧称为溶解氧，水中的溶解氧来自空气中的氧及水生植物释放出来的氧，水越深，水温越高，水中含盐量越多，还原性物质越多，溶解氧越少。
溶解氧有利于水生生物的生存。
如许多鱼类在水中含溶解氧低于3-4mg/L 时就不能生存，但对于金属设备有腐蚀作用，如锅炉水中溶解氧含量应低于0.05-0.1mg/L .所以，在工业供水分析中对溶解氧的测定是很重要的。
同时，溶解氧的测定对水体自净作用的研究有极其重要的作用，它可以帮助了解水体在不同的地点进行自净的速度。
溶解氧的测定方法有膜电极法、比色法和碘量法。
对溶解氧含量较高的水样，常采用碘量法测定，下面是碘量法的测定原理。
水样中加入硫酸锰和氢氧化钠溶液，生成氢氧化锰沉淀，这一沉淀中的锰，是与水中的溶解氧定量反应的。
Mn 2++ 2OH -=Mn(OH)2↓(白色) (1)当有溶解氧时, Mn(OH)2立即被氧化: 2Mn(OH)2+O 2=2MnO(OH)2↓(棕色) (2)溶液酸化后,四价锰将碘离子氧化成游离碘:MnO(OH)2+2I -+4H +=Mn 2++I 2+3H 2O (3)析出的碘用Na 2S 2O 3滴定： I 2+2 Na 2S 2O 3 == 2I -+S 4O 62- (4)由反应方程式(1)、（2）、（3）、(4)可知： n ：n =1：4 。
由Na 2S 2O 3的浓度及2O -232O S 消耗的体积可计算水中溶解氧的含量。
溶解氧ρO 2（mg/L ）=，100000.32411⨯⨯⨯⨯VC V 式中 V 1 –-滴定消耗Na 2S 2O 3标准溶液的体积（mL ）；V—水样体积 （mL ）；C——Na 2S 2O 3标准溶液的浓度（mol.L -1）.如果水样中有大量有机物,或其它还原性物质时,会使结果偏低,而当水样中含有氧化性物质时可使结果偏高,此时应作校正.采用双瓶法可以消除氧化物的干扰.所谓的双瓶法,即取两个溶解氧瓶,一瓶按碘量法测定.另一瓶先加H 2SO 4,再加碱性碘化钾和硫酸锰,生成的碘用Na 2S 2O 3滴定,记录消耗Na 2S 2O 3标准液的体积V 2 。
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。
(完整版)实验二水中溶解氧的测定教案
1实验二 水中溶解氧的测定【实验目的】1、学习溶解氧水样的采取方法。
2、掌握用间接碘量法测定水样中溶解氧的方法原理及基本操作。
【实验原理】溶解于水中的氧称为溶解氧，水中的溶解氧来自空气中的氧及水生植物释放出来的氧，水越深，水温越高，水中含盐量越多，还原性物质越多，溶解氧越少。
溶解氧有利于水生生物的生存。
如许多鱼类在水中含溶解氧低于3-4mg/L 时就不能生存，但对于金属设备有腐蚀作用，如锅炉水中溶解氧含量应低于0.05-0.1mg/L .所以，在工业供水分析中对溶解氧的测定是很重要的。
同时，溶解氧的测定对水体自净作用的研究有极其重要的作用，它可以帮助了解水体在不同的地点进行自净的速度。
溶解氧的测定方法有膜电极法、比色法和碘量法。
对溶解氧含量较高的水样，常采用碘量法测定，下面是碘量法的测定原理。
水样中加入硫酸锰和氢氧化钠溶液，生成氢氧化锰沉淀，这一沉淀中的锰，是与水中的溶解氧定量反应的。
Mn 2++ 2OH -=Mn(OH)2↓(白色) (1) 当有溶解氧时, Mn(OH)2立即被氧化: 2Mn(OH)2+O 2=2MnO(OH)2↓(棕色) (2) 溶液酸化后,四价锰将碘离子氧化成游离碘:MnO(OH)2+2I -+4H +=Mn 2++I 2+3H 2O (3) 析出的碘用Na 2S 2O 3滴定： I 2+2 Na 2S 2O 3 == 2I -+S 4O 62- (4) 由反应方程式(1)、（2）、（3）、(4)可知： n 2O ：n -232OS =1：4 。
由Na 2S 2O 3的浓度及消耗的体积可计算水中溶解氧的含量。
溶解氧ρO 2（mg/L ）=100000.32411⨯⨯⨯⨯VC V ，式中 V 1 –-滴定消耗Na 2S 2O 3标准溶液的体积（mL ）；V —水样体积 （mL ）；C ——Na 2S 2O 3标准溶液的浓度（mol.L -1）.如果水样中有大量有机物,或其它还原性物质时,会使结果偏低,而当水样中含有氧化性物质时可使结果偏高,此时应作校正.采用双瓶法可以消除氧化物的干扰.所谓的双瓶法,即取两个溶解氧瓶,一瓶按碘量法测定.另一瓶先加H 2SO 4,再加碱性碘化钾和硫酸锰,生成的碘用Na 2S 2O 3滴定,记录消耗Na 2S 2O 3标准液的体积V 2 。
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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—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。