用于废水处理系统的臭氧浓度监测装置设计

刘岩 赵全 郝龙

摘 要：臭氧氧化技术在废水处理领域应用越来越广泛，针对臭氧浓度监测需求，设计了一种用于废水处理系统的臭氧浓度监测装置。实现对废水氧化处理前和尾气处理后臭氧浓度的实时准确监测，联动控制系统实现废水处理的相关工艺参数调节优化。通过本设计，保证废水处理的高效环保，为基于臭氧氧化技术的废水处理系统的工程化应用提供控制保障。

关键词：污水处理;臭氧浓度;单片机;液晶显示

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.020

0 引言

臭氧是一种强氧化物质，在水中可以产生活性极强的羟基自由基（·OH），通过羟基自由基与有机化合物之间的加合、取代、电子转移、断键等，使水体中的大分子、难降解有机物氧化降解成低毒或无毒的小分子物质，对于废水处理工艺的除臭、脱色、杀菌、去除有机物效果明显。处理后废水中的臭氧易分解，不产生二次污染，处理成本较低。臭氧的浓度是影响废水处理效果的关键因素，而国家标准又对工业区日最大8小时臭氧浓度有着严格的限制。因此，需要优化废水处理流程，深入研究废水处理应用中臭氧浓度监测技术[1]。

目前，臭氧浓度的监测原理主要包括比色法、电化学法、紫外线吸收法、差分吸收光谱法等[2]。常用的监测形式有两类，一类是采样后实验室分析，首先进行环境空气的样品采集，然后拿到实验室利用化学方法进行分析;一类是自动监测仪器法，利用臭氧自动监测仪进行环境空气中臭氧浓度的测定。然而在废水处理工艺的臭氧浓度监测过程中，以上两种形式都存在检测周期长、操作步骤复杂、设备体积大、不便于携带、智能反馈程度低等缺点。因此设计一种体积小、重量轻、检测方法简单、低功耗、智能化程度高的臭氧浓度监测装置具有一定的现实意义[3]。

1 总体方案设计

如图1所示，臭氧浓度监测装置主要由臭氧浓度传感器[4]、信号调理模块、单片机、与控制系统的通信接口和液晶显示模块组成，其中臭氧浓度传感器包括大浓度和小浓度两种量程各一支，大浓度臭氧传感器用于废水处理系统反应器气体入口处，小浓度臭氧传感器用于废水处理系统臭氧尾气处理装置出口处。

2 硬件设计

（1）臭氧浓度传感器。如图2所示，选用北京航天凱恩化工科技有限公司研制的臭氧浓度传感器。

该传感器采用电化学反应机理，当待测空间中有臭氧存在时，臭氧与传感器内的气敏单元发生化学反应，输出微弱的电流信号，经整流放大处理后输出电流信号。传感器由+24V供电，两线制4～20mA电流输出信号，具有功耗低，精度高，抗干扰能力强等优点，具备信号远传功能。根据现场需要，选择量程0～1000ppm大量程臭氧浓度传感器，分辨率1ppm;量程0～2ppm小量程臭氧浓度传感器，分辨率0.01ppm。

（2）电源模块设计。根据传感器工作需要选用+24V电源给系统供电，选择高效率DC-DC转换芯片MP1593，输入电压信号4.75V～28V，输出高达3A，发热量小。配置+3.3V输出电压，给信号调理模块、单片机模块以及液晶显示模块供电。

（3）信号采集电路。臭氧浓度传感器输出4～20mA电流信号，经过信号调理模块转换成电压信号，输入给内置A/D转换模块的单片机，单片机选用STM32F103C8T6[5]，其内置8路12位高分辨率的ADC模块，满足本方案需求。将与浓度值对应的电压模拟信号转换成数字量，并经过内置算法处理，最后通过IIC接口在液晶显示模块上显示两路臭氧传感器浓度值。若反应器前端臭氧浓度不符合预设值，则报警提示，并联动控制系统进行臭氧浓度的调节;若尾气处理装置末端臭氧浓度超标，则报警提示工作人员检修尾气处理装置。

（4）液晶显示模块。液晶显示模块选用IIC接口的LC12864显示屏，背光亮度可调，128×64分辨率。

3 软件设计

首先系统初始化，进入欢迎界面，开始启动数据采集，在循环中分别进行判断两路臭氧浓度传感器输入信号;每1s周期执行一次检测，AD采集使用多次采样取均值的方法降低噪声干扰;并将两路电压值转换成浓度值，对应地写入到液晶显示屏对应显示区域。如果浓度值不符合设定的浓度区间，则报警提示并联动控制系统。

4 结论

本文针对废水处理过程中的臭氧浓度监测需求，设计了一种用于废水处理系统的臭氧浓度监测装置。通过对硬件电路和软件的优化设计，实现了对废水氧化处理前和尾气处理后臭氧浓度的实时准确监测，并联动控制系统，调节废水处理的相关工艺参数。该监测装置具有良好的人机界面，方便操作人员查看、提取和分析有关数据，增强臭氧氧化法废水处理系统的智能化水平，为实际的工程化应用提供控制保障。

参考文献：

[1]李军，刘清毅，井良宵.臭氧技术在废水处理中的研究进展[J].当代化工，2014，43（10）：2191-2195.

[2]姚鹏辉.臭氧浓度在线监测系统研究与应用[D].华北电力大学，2016.

[3]王翠翠.基于ARM的便携式臭氧浓度检测仪的研制[D].哈尔滨理工大学，2009.

[4]刘鹏.循环水养殖系统中臭氧高效混合装置与在线监控技术研究[D].上海海洋大学，2014.

[5]汤旺，王巍.基于STM32单片机的自动报警系统[J].山东工业技术，2017（08）：292.