中铁城际在污水厂的智慧曝气控制系统通过多层级动态控制、智能算法优化与硬件协同，实现了曝气量的精准调控，显著提升污水处理效率并降低能耗。以下从技术原理、核心方案、应用案例及经济效益四方面展开说明：

一、技术原理与核心组成

动态控制模型

前馈补偿：基于进水流量、COD、氨氮等信号预测需氧量（如进水流量增10%，DO需求提升15%），提前调整曝气量。反馈调节：通过溶解氧（DO）传感器实时监测数据，调节支管阀门开度（精度±0.2 mg/L），并联动鼓风机总风量实现全局优化。前馈-反馈复合控制：模型预测控制（MPC）：基于活性污泥数学模型（ASM），预测未来1-2小时DO需求，滚动优化曝气量，某厂能耗降低18%。

智能算法驱动

LSTM神经网络：预测未来30分钟进水负荷，响应时间缩短至5分钟，应对暴雨等突增负荷。强化学习（RL）：以“能耗+达标率”为奖励函数，长期运行能耗降低20%以上。

硬件协同优化

磁悬浮鼓风机：风量调节范围30%-100%，毫秒级响应，某厂年节电120万度。可变孔曝气器：氧转移效率≥25%，支持分区配气（如好氧段DO 2-3 mg/L，缺氧段≤0.5 mg/L）。

二、核心控制策略

多层级动态调节

三级控制架构：前馈设定：根据进水负荷设定初始DO目标值（如好氧区DO=2.0 mg/L）。局部反馈：通过好氧区在线DO仪调节支管阀门开度。全局优化：联动鼓风机总风量，平衡全系统曝气需求。

多级AO池耦合控制

缺氧-好氧工段动态平衡：监测缺氧池DO（0.5 mg/L）和碳源投加量，动态调整回流比（R=50%-100%），总氮去除率从75%提升至90%。

动态配气策略

分区阀门控制：根据曝气池不同区域需氧量差异分级供气，溶解氧控制精度达±0.2 mg/L。

三、典型应用案例

案例1：某5万m³/d污水厂改造

技术应用：前馈-反馈复合控制+MPC算法+磁悬浮鼓风机。效果：溶解氧波动幅度降低60%，曝气能耗下降14%；出水COD达标率从95%提升至99.5%，年节省电费89.7万元。

案例2：广东省某多级AO工艺污水厂

技术应用：级联预测控制算法+LSTM神经网络+磁悬浮鼓风机联动。效果：总氮去除率提升15%，碳源浪费减少25%；年碳减排量1.2万吨CO₂-eq，获政府补贴300万元。

案例3：高波动进水场景应对

技术应用：LSTM预测进水负荷+自适应PID调节。效果：暴雨期间溶解氧波动从±1.2 mg/L降至±0.5 mg/L，恢复时间缩短60%。

四、经济效益与政策收益

直接成本节约

电费降低：曝气能耗降幅20%-35%（某厂吨水电耗从0.65降至0.42 kWh）。药剂节省：碳源投加量减少25%，年节省成本超200万元。

间接收益提升

合规收益：出水达标率提高至99.5%，规避环保罚款；资源化收益：中水回用替代新鲜水，年节省水费1000万元。

政策红利

碳交易收益：某项目年碳减排量1.2万吨，获收益60万元；政府补贴：符合《城镇水务2035规划》项目可获最高30%设备投资补贴。

投资回报

典型项目：5万m³/d污水厂总投资800万元，年净收益350万元，回收期2.3年。

五、技术优势总结

精准性：溶解氧控制精度±0.2 mg/L（传统系统±0.5 mg/L），工艺稳定性提升60%。智能化：LSTM预测与边缘计算技术，使系统具备自适应学习能力。经济性：投资回收期缩短至2-3年，吨水处理成本降低0.2-0.3元。低碳性：单位碳排减少20%-30%，符合国际低碳标准。

六、未来发展方向

数字孪生技术：构建曝气池三维虚拟模型，模拟不同工况下的DO分布，优化控制参数。5G+AI融合：通过5G网关实现多厂联动控制，AI算法自动校准仪表数据。轻量化部署：开发边缘端TinyML模型，适配中小型污水厂低算力需求，改造成本降低50%。

总结

中铁城际的智慧曝气控制系统通过“动态模型+智能算法+硬件协同”三重创新，在多个污水厂实现曝气能耗降低14%-35%、出水水质达标率提升至99.5%以上的显著效果。其技术路径为高波动性进水场景下的污水处理提供了可复制的智能化解决方案，助力行业向低碳、高效方向转型。