基于自動(dòng)化一體式的生活污水處理裝置

李虎

（重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司，重慶 401221）

自動(dòng)化、一體式污水處理裝置，具有工藝流程簡(jiǎn)單、適用范圍較廣、處理能力較高等一系列特點(diǎn)，無論是工業(yè)園區(qū)的廢水治理，還是生活污水的治理，都有著較為理想的表現(xiàn)。在設(shè)計(jì)和使用一體式生活污水處理裝置時(shí)，應(yīng)基于每日污水處理量，以及水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)等客觀要求，對(duì)裝置的基本參數(shù)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。同時(shí)，還要結(jié)合工藝流程合理選擇與之匹配的硬件設(shè)備。這樣才能在滿足污水處理需求的前提下，盡可能的降低設(shè)備的造價(jià)。

1 自動(dòng)化一體式生活污水處理裝置的參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 反應(yīng)器級(jí)數(shù)的設(shè)計(jì)

在一體式污水處理裝置中，多段進(jìn)水A/O 工藝是核心技術(shù)。其原理是將待處理的污水，按照比例分成若干份，依次進(jìn)入到各級(jí)厭氧池，多段進(jìn)水、分段處理，有助于使污水反應(yīng)、處理的更加徹底，達(dá)到提升出水水質(zhì)的目的。在A/O 工藝中，反應(yīng)器技術(shù)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)核心內(nèi)容。理論上來說，反應(yīng)器級(jí)數(shù)越多，則污水處理的越徹底。但是裝置實(shí)際運(yùn)行中還必須考慮性價(jià)比的問題。因此，要通過反應(yīng)器技術(shù)設(shè)計(jì)在污染物去除率和投入成本之間達(dá)到最佳平衡。將每一級(jí)的去除率定義為E，則第n 級(jí)反應(yīng)器的去除率（En）可通過公式計(jì)算得出：

結(jié)合生活污水處理要求，只要在去除率達(dá)標(biāo)的情況下，取n的最小值，即為反應(yīng)器的級(jí)數(shù)。

1.2 反應(yīng)器流量分配方式的設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段一體化污水處理裝置常用的分段進(jìn)水的方式有兩種，即等負(fù)荷流量分配和流量系數(shù)分配。前者適用于生活污水產(chǎn)生量、日均處理量較小的情況；而后者則適用于生活污水產(chǎn)生量、日均處理量較大的情況。本文以等負(fù)荷流量分配方式為例，介紹其設(shè)計(jì)內(nèi)容。假設(shè)每段進(jìn)水比A1:A1:……An=r1:r2: ……rn，并且各好氧段硝化菌數(shù)量為M1、M2……Mn，根據(jù)系統(tǒng)物質(zhì)平衡可得第n 段硝化細(xì)菌數(shù)量與第1 段的比值：

根據(jù)式（1）能夠得出系統(tǒng)的流量分配比。在保證各段負(fù)荷相等的情況下，將實(shí)現(xiàn)進(jìn)水段利用效率的最大化，從而以更快效率完成污水處理，提高了一體化生活污水處理裝置的運(yùn)行效率。

1.3 反應(yīng)倉(cāng)尺寸設(shè)計(jì)

反應(yīng)倉(cāng)容積（V）可通過公式計(jì)算得出：

式（4）中，Q 為反應(yīng)池的設(shè)計(jì)流量，單位為m3/h；θ 為泥齡，單位為d；Y 為污泥產(chǎn)率系數(shù)，單位為kgSS/kgBOD5；S0和Se分別是反應(yīng)倉(cāng)進(jìn)水和出水的BOD5濃度，單位為mg/L；x 為懸浮物濃度，單位為gSS/L。

結(jié)合式（4）可知，反應(yīng)池的設(shè)計(jì)流量與反應(yīng)倉(cāng)容積成正比，這是因?yàn)榱髁吭酱蟮那闆r下，要想保證污水處理達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，需要花費(fèi)更多的時(shí)間。因此需要增加反應(yīng)倉(cāng)的尺寸，從而儲(chǔ)備更多的待處理污水。同樣的，泥齡也與反應(yīng)倉(cāng)容積成正比，這是因?yàn)槟帻g越長(zhǎng)的情況下，泥中的硝化細(xì)菌數(shù)量越多，這就加速了污水的硝化反應(yīng)，從而提高了污水處理效果。因此，泥齡越長(zhǎng)，硝化細(xì)菌數(shù)量越多，所需的反應(yīng)倉(cāng)容積也越大。除了硝化反應(yīng)，A/O 反應(yīng)器中還同時(shí)進(jìn)行反硝化反應(yīng)。反硝化池的容積設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

表1 反硝化池的參數(shù)設(shè)計(jì)

1.4 好養(yǎng)反應(yīng)倉(cāng)的掛膜填充比

在好氧倉(cāng)內(nèi)通過掛膜的方式，增大了好氧反應(yīng)的面積，從而讓生物膜反應(yīng)器的污水降解效率得到了明顯提升。但是考慮到好養(yǎng)反應(yīng)倉(cāng)內(nèi)空間有限，加上出于成本控制的考慮，需要科學(xué)確定掛膜填充比。常用的方法有Freundlich 吸附法、填料面積負(fù)荷法等幾種。以填料面積負(fù)荷法為例，其計(jì)算公式為：

式（5）中，La 為污水填料容積負(fù)荷，β 為填料比表面積，VTL為有氧倉(cāng)中填料容積。在確定最佳掛膜填充比后，還要合理設(shè)計(jì)掛膜的布置方式，以及相鄰掛膜之間的距離。靠近進(jìn)水端掛膜間隔距離較小，可實(shí)現(xiàn)對(duì)污水中污染物的快速處理。

2 自動(dòng)化一體式生活污水處理裝置的硬件設(shè)計(jì)

2.1 污水處理信號(hào)采集模塊

污水處理信號(hào)采集系統(tǒng)的主要設(shè)備包括電源、通信裝置、STC 單片機(jī)，以及若干類型的傳感器等。由于污水中氮的存在形式可分為有機(jī)氮和無機(jī)氮兩種形式，因此A/O 生物除氮的方式為：利用細(xì)菌、微生物的好氧反應(yīng)，將有機(jī)氮分解成無機(jī)物氨氮。然后利用硝化反應(yīng)，將氨氮氧化得到硝態(tài)氮。再經(jīng)過反硝化反應(yīng)，硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化成氮?dú)?，并從污水中逸出。這時(shí)污水因?yàn)檫M(jìn)行了硝化和反硝化反應(yīng)，硝酸根離子大量減少。信號(hào)采集裝置可感知硝酸根離子濃度變化，并將該信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中。單片機(jī)識(shí)別信號(hào)并發(fā)出控制指令，控制電磁閥、吸水泵、增氧泵完成污水處理。該模塊的結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 污水處理信號(hào)采集模塊組成結(jié)構(gòu)

2.1.1 信號(hào)采集對(duì)象

從生活污水的處理機(jī)制上，主要是進(jìn)行反硝化反應(yīng)，從而降低污水中硝酸根離子。因此，在裝置的信號(hào)采集模塊，可以將污水中硝酸根離子的濃度作為信號(hào)采集對(duì)象。而裝置在運(yùn)行過程中，又存在多種因素對(duì)污水中反硝化反應(yīng)速率產(chǎn)生影響。綜合來說，溫度、pH 值以及溶解氧含氧量（DO）是影響較為明顯的幾個(gè)因素。為了實(shí)現(xiàn)污水處理速率的最大化，需要調(diào)節(jié)參數(shù)使裝置處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)。溫度方面，控制在20-40℃，反應(yīng)器內(nèi)冬季最低氣溫不得低于20℃，夏季最高氣溫不得超過40℃。pH值方面，為保證反硝化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，應(yīng)調(diào)節(jié)pH 在7-8 之間，DO 控制在0.5mg/L 以內(nèi)。

2.1.2 信號(hào)采集方式

溫度信號(hào)的采集比較簡(jiǎn)單，可通過熱敏電阻、紅外線溫度檢測(cè)儀等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度濱化。需要注意的時(shí)，對(duì)于測(cè)溫元件必須要做好防腐、防水等保護(hù)措施。pH 信號(hào)的采集難度較大，常規(guī)的酸堿滴定法精度不高，本文設(shè)計(jì)了一種專門用于pH 信號(hào)采集的電路。其系統(tǒng)組成如圖2 所示。

圖2 pH 信號(hào)采集流程

由于pH 電極傳感器產(chǎn)生的信號(hào)頻率較低，加上遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸不可避免會(huì)有損耗。因此，為保證pH 信號(hào)的精確性，需要在信號(hào)輸入端設(shè)計(jì)低通濾波器，以及信號(hào)放大器。經(jīng)過信號(hào)除燥、放大后，可以在計(jì)算機(jī)中接收到相對(duì)準(zhǔn)確的pH 信號(hào)。DO信號(hào)采集可選擇電化學(xué)測(cè)量法。

2.1.3 信號(hào)采集電路

在確定信號(hào)采集方式后，設(shè)計(jì)信號(hào)采集電路。這里以pH 信號(hào)采集電路為例，設(shè)計(jì)方法如下：首先，找出該電路中的參考電極，并采用串聯(lián)的方式，在靠近參考電極的附近，安裝1 臺(tái)TLC431 穩(wěn)壓電路器。該裝置能夠向參考電極輸出2.5V 電壓。其電路如圖3 所示。

圖3 pH 參考電極的穩(wěn)壓電路圖

依托pH 傳感器采集信號(hào)后，經(jīng)由低通濾波器、信號(hào)放大器的處理后，可在TLC4502 電路的末端，接收到pH 信號(hào)。這種信號(hào)采集電路具有組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定性較好等特點(diǎn)，對(duì)保證pH 信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)效性、精準(zhǔn)性有一定幫助。

2.2 主電路模塊

2.2.1 主控芯片

主控芯片采用STC12C-5A 型單片機(jī)。該芯片有10 個(gè)傳感器串口，其中4 個(gè)用于接收硝酸根離子采集信號(hào)，2 個(gè)用于接收溫度信號(hào)，2 個(gè)用于接收pH 信號(hào)，2 個(gè)用于接收DO 信號(hào)。具有控制功能的部件有電磁閥、觸摸屏。除此之外，還包括了數(shù)字存儲(chǔ)器（SRAM）、程序存儲(chǔ)器（Flash）以及定時(shí)/計(jì)數(shù)器等，核心部件如表2 所示。

表2 STC12C-5A 型單片機(jī)的基本組成

2.2.2 電磁閥控制電路

一體化污水處理裝置中，包含了2 個(gè)電磁閥，安裝位置不同，具備不同的功能。1#電磁閥安裝在流量分配模塊，在電磁閥的控制下，調(diào)節(jié)各級(jí)反應(yīng)器進(jìn)水段閥門的開口度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)污水流量的自動(dòng)化調(diào)控。同時(shí)，單片機(jī)根據(jù)前端反饋信息，如果污水處理效率低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，說明污水流量太大，則發(fā)送指令由電磁閥降低閥門的開度，使污水處理更加徹底。2#電磁閥則安裝在硝酸根離子傳感器調(diào)理電路中，通過感知污水中硝酸根離子濃度的變化，當(dāng)硝酸根離子濃度超標(biāo)時(shí)，電磁閥保持“開”的狀態(tài)，直到系統(tǒng)檢測(cè)到污水中硝酸根離子濃度降低至污水排放標(biāo)準(zhǔn)后，電磁閥控制閥門關(guān)閉。

2.2.3 通信電路

一體式污水處理裝置的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，對(duì)通信電路的整體要求不高。在設(shè)計(jì)通信電路時(shí)，只需要滿足傳輸速率和抗干擾能力兩個(gè)要求即可。本文選擇了MAX485 通信模塊，其電路如圖4 所示。

圖4 MAX485 通信電路圖

該通信模塊采用雙端通信模式，一端負(fù)責(zé)將前端傳感器采集信號(hào)快速、準(zhǔn)確反饋給終端PLC；另一端則將PLC 下達(dá)的指令，傳遞至整個(gè)裝置的各處，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水處理裝置的調(diào)控，保證污水處理高效完成。

3 結(jié)論

自動(dòng)化、一體式的生活污水處理裝置，在實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)、農(nóng)村生活污水的高效率、無害化處理方面優(yōu)勢(shì)顯著。在推廣該裝置時(shí)，應(yīng)結(jié)合所在地區(qū)生活污水的日均產(chǎn)量、排放標(biāo)準(zhǔn)等，對(duì)該裝置進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。重點(diǎn)做好運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以保證該裝置在實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性等方面達(dá)到統(tǒng)籌兼顧。