基于自动化一体式的生活污水处理装置

2021-12-13李虎

科学技术创新 2021年33期

李虎

（重庆川仪自动化股份有限公司，重庆 401221）

自动化、一体式污水处理装置，具有工艺流程简单、适用范围较广、处理能力较高等一系列特点，无论是工业园区的废水治理，还是生活污水的治理，都有着较为理想的表现。在设计和使用一体式生活污水处理装置时，应基于每日污水处理量，以及水质排放标准等客观要求，对装置的基本参数进行科学设计。同时，还要结合工艺流程合理选择与之匹配的硬件设备。这样才能在满足污水处理需求的前提下，尽可能的降低设备的造价。

1 自动化一体式生活污水处理装置的参数设计

1.1 反应器级数的设计

在一体式污水处理装置中，多段进水A/O 工艺是核心技术。其原理是将待处理的污水，按照比例分成若干份，依次进入到各级厌氧池，多段进水、分段处理，有助于使污水反应、处理的更加彻底，达到提升出水水质的目的。在A/O 工艺中，反应器技术的设计是一项核心内容。理论上来说，反应器级数越多，则污水处理的越彻底。但是装置实际运行中还必须考虑性价比的问题。因此，要通过反应器技术设计在污染物去除率和投入成本之间达到最佳平衡。将每一级的去除率定义为E，则第n 级反应器的去除率（En）可通过公式计算得出：

结合生活污水处理要求，只要在去除率达标的情况下，取n的最小值，即为反应器的级数。

1.2 反应器流量分配方式的设计

现阶段一体化污水处理装置常用的分段进水的方式有两种，即等负荷流量分配和流量系数分配。前者适用于生活污水产生量、日均处理量较小的情况；而后者则适用于生活污水产生量、日均处理量较大的情况。本文以等负荷流量分配方式为例，介绍其设计内容。假设每段进水比A1:A1:……An=r1:r2: ……rn，并且各好氧段硝化菌数量为M1、M2……Mn，根据系统物质平衡可得第n 段硝化细菌数量与第1 段的比值：

根据式（1）能够得出系统的流量分配比。在保证各段负荷相等的情况下，将实现进水段利用效率的最大化，从而以更快效率完成污水处理，提高了一体化生活污水处理装置的运行效率。

1.3 反应仓尺寸设计

反应仓容积（V）可通过公式计算得出：

式（4）中，Q 为反应池的设计流量，单位为m3/h；θ 为泥龄，单位为d；Y 为污泥产率系数，单位为kgSS/kgBOD5；S0和Se分别是反应仓进水和出水的BOD5浓度，单位为mg/L；x 为悬浮物浓度，单位为gSS/L。

结合式（4）可知，反应池的设计流量与反应仓容积成正比，这是因为流量越大的情况下，要想保证污水处理达到标准，需要花费更多的时间。因此需要增加反应仓的尺寸，从而储备更多的待处理污水。同样的，泥龄也与反应仓容积成正比，这是因为泥龄越长的情况下，泥中的硝化细菌数量越多，这就加速了污水的硝化反应，从而提高了污水处理效果。因此，泥龄越长，硝化细菌数量越多，所需的反应仓容积也越大。除了硝化反应，A/O 反应器中还同时进行反硝化反应。反硝化池的容积设计参数如表1 所示。

表1 反硝化池的参数设计

1.4 好养反应仓的挂膜填充比

在好氧仓内通过挂膜的方式，增大了好氧反应的面积，从而让生物膜反应器的污水降解效率得到了明显提升。但是考虑到好养反应仓内空间有限，加上出于成本控制的考虑，需要科学确定挂膜填充比。常用的方法有Freundlich 吸附法、填料面积负荷法等几种。以填料面积负荷法为例，其计算公式为：

式（5）中，La 为污水填料容积负荷，β 为填料比表面积，VTL为有氧仓中填料容积。在确定最佳挂膜填充比后，还要合理设计挂膜的布置方式，以及相邻挂膜之间的距离。靠近进水端挂膜间隔距离较小，可实现对污水中污染物的快速处理。

2 自动化一体式生活污水处理装置的硬件设计

2.1 污水处理信号采集模块

污水处理信号采集系统的主要设备包括电源、通信装置、STC 单片机，以及若干类型的传感器等。由于污水中氮的存在形式可分为有机氮和无机氮两种形式，因此A/O 生物除氮的方式为：利用细菌、微生物的好氧反应，将有机氮分解成无机物氨氮。然后利用硝化反应，将氨氮氧化得到硝态氮。再经过反硝化反应，硝态氮转化成氮气，并从污水中逸出。这时污水因为进行了硝化和反硝化反应，硝酸根离子大量减少。信号采集装置可感知硝酸根离子浓度变化，并将该信号实时传输到单片机中。单片机识别信号并发出控制指令，控制电磁阀、吸水泵、增氧泵完成污水处理。该模块的结构组成如图1 所示。

图1 污水处理信号采集模块组成结构

2.1.1 信号采集对象

从生活污水的处理机制上，主要是进行反硝化反应，从而降低污水中硝酸根离子。因此，在装置的信号采集模块，可以将污水中硝酸根离子的浓度作为信号采集对象。而装置在运行过程中，又存在多种因素对污水中反硝化反应速率产生影响。综合来说，温度、pH 值以及溶解氧含氧量（DO）是影响较为明显的几个因素。为了实现污水处理速率的最大化，需要调节参数使装置处于最佳的运行状态。温度方面，控制在20-40℃，反应器内冬季最低气温不得低于20℃，夏季最高气温不得超过40℃。pH值方面，为保证反硝化反应持续进行，应调节pH 在7-8 之间，DO 控制在0.5mg/L 以内。

2.1.2 信号采集方式

温度信号的采集比较简单，可通过热敏电阻、红外线温度检测仪等实时监测温度滨化。需要注意的时，对于测温元件必须要做好防腐、防水等保护措施。pH 信号的采集难度较大，常规的酸碱滴定法精度不高，本文设计了一种专门用于pH 信号采集的电路。其系统组成如图2 所示。

图2 pH 信号采集流程

由于pH 电极传感器产生的信号频率较低，加上远距离信号传输不可避免会有损耗。因此，为保证pH 信号的精确性，需要在信号输入端设计低通滤波器，以及信号放大器。经过信号除燥、放大后，可以在计算机中接收到相对准确的pH 信号。DO信号采集可选择电化学测量法。

2.1.3 信号采集电路

在确定信号采集方式后，设计信号采集电路。这里以pH 信号采集电路为例，设计方法如下：首先，找出该电路中的参考电极，并采用串联的方式，在靠近参考电极的附近，安装1 台TLC431 稳压电路器。该装置能够向参考电极输出2.5V 电压。其电路如图3 所示。

图3 pH 参考电极的稳压电路图

依托pH 传感器采集信号后，经由低通滤波器、信号放大器的处理后，可在TLC4502 电路的末端，接收到pH 信号。这种信号采集电路具有组成结构简单，运行稳定性较好等特点，对保证pH 信号传输的时效性、精准性有一定帮助。

2.2 主电路模块

2.2.1 主控芯片

主控芯片采用STC12C-5A 型单片机。该芯片有10 个传感器串口，其中4 个用于接收硝酸根离子采集信号，2 个用于接收温度信号，2 个用于接收pH 信号，2 个用于接收DO 信号。具有控制功能的部件有电磁阀、触摸屏。除此之外，还包括了数字存储器（SRAM）、程序存储器（Flash）以及定时/计数器等，核心部件如表2 所示。

表2 STC12C-5A 型单片机的基本组成

2.2.2 电磁阀控制电路

一体化污水处理装置中，包含了2 个电磁阀，安装位置不同，具备不同的功能。1#电磁阀安装在流量分配模块，在电磁阀的控制下，调节各级反应器进水段阀门的开口度，从而实现对污水流量的自动化调控。同时，单片机根据前端反馈信息，如果污水处理效率低于设计标准，说明污水流量太大，则发送指令由电磁阀降低阀门的开度，使污水处理更加彻底。2#电磁阀则安装在硝酸根离子传感器调理电路中，通过感知污水中硝酸根离子浓度的变化，当硝酸根离子浓度超标时，电磁阀保持“开”的状态，直到系统检测到污水中硝酸根离子浓度降低至污水排放标准后，电磁阀控制阀门关闭。

2.2.3 通信电路

一体式污水处理装置的结构比较简单，对通信电路的整体要求不高。在设计通信电路时，只需要满足传输速率和抗干扰能力两个要求即可。本文选择了MAX485 通信模块，其电路如图4 所示。