基于自動化一體式的生活污水處理裝置

李虎

（重慶川儀自動化股份有限公司，重慶 401221）

自動化、一體式污水處理裝置，具有工藝流程簡單、適用范圍較廣、處理能力較高等一系列特點，無論是工業園區的廢水治理，還是生活污水的治理，都有著較為理想的表現。在設計和使用一體式生活污水處理裝置時，應基于每日污水處理量，以及水質排放標準等客觀要求，對裝置的基本參數進行科學設計。同時，還要結合工藝流程合理選擇與之匹配的硬件設備。這樣才能在滿足污水處理需求的前提下，盡可能的降低設備的造價。

1 自動化一體式生活污水處理裝置的參數設計

1.1 反應器級數的設計

在一體式污水處理裝置中，多段進水A/O 工藝是核心技術。其原理是將待處理的污水，按照比例分成若干份，依次進入到各級厭氧池，多段進水、分段處理，有助于使污水反應、處理的更加徹底，達到提升出水水質的目的。在A/O 工藝中，反應器技術的設計是一項核心內容。理論上來說，反應器級數越多，則污水處理的越徹底。但是裝置實際運行中還必須考慮性價比的問題。因此，要通過反應器技術設計在污染物去除率和投入成本之間達到最佳平衡。將每一級的去除率定義為E，則第n 級反應器的去除率（En）可通過公式計算得出：

結合生活污水處理要求，只要在去除率達標的情況下，取n的最小值，即為反應器的級數。

1.2 反應器流量分配方式的設計

現階段一體化污水處理裝置常用的分段進水的方式有兩種，即等負荷流量分配和流量系數分配。前者適用于生活污水產生量、日均處理量較小的情況；而后者則適用于生活污水產生量、日均處理量較大的情況。本文以等負荷流量分配方式為例，介紹其設計內容。假設每段進水比A1:A1:……An=r1:r2: ……rn，并且各好氧段硝化菌數量為M1、M2……Mn，根據系統物質平衡可得第n 段硝化細菌數量與第1 段的比值：

根據式（1）能夠得出系統的流量分配比。在保證各段負荷相等的情況下，將實現進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行效率。

1.3 反應倉尺寸設計

反應倉容積（V）可通過公式計算得出：

式（4）中，Q 為反應池的設計流量，單位為m3/h；θ 為泥齡，單位為d；Y 為污泥產率系數，單位為kgSS/kgBOD5；S0和Se分別是反應倉進水和出水的BOD5濃度，單位為mg/L；x 為懸浮物濃度，單位為gSS/L。

結合式（4）可知，反應池的設計流量與反應倉容積成正比，這是因為流量越大的情況下，要想保證污水處理達到標準，需要花費更多的時間。因此需要增加反應倉的尺寸，從而儲備更多的待處理污水。同樣的，泥齡也與反應倉容積成正比，這是因為泥齡越長的情況下，泥中的硝化細菌數量越多，這就加速了污水的硝化反應，從而提高了污水處理效果。因此，泥齡越長，硝化細菌數量越多，所需的反應倉容積也越大。除了硝化反應，A/O 反應器中還同時進行反硝化反應。反硝化池的容積設計參數如表1 所示。

表1 反硝化池的參數設計

1.4 好養反應倉的掛膜填充比

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

式（5）中，La 為污水填料容積負荷，β 為填料比表面積，VTL為有氧倉中填料容積。在確定最佳掛膜填充比后，還要合理設計掛膜的布置方式，以及相鄰掛膜之間的距離。靠近進水端掛膜間隔距離較小，可實現對污水中污染物的快速處理。

2 自動化一體式生活污水處理裝置的硬件設計

2.1 污水處理信號采集模塊

污水處理信號采集系統的主要設備包括電源、通信裝置、STC 單片機，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氮和無機氮兩種形式，因此A/O 生物除氮的方式為：利用細菌、微生物的好氧反應，將有機氮分解成無機物氨氮。然后利用硝化反應，將氨氮氧化得到硝態氮。再經過反硝化反應，硝態氮轉化成氮氣，并從污水中逸出。這時污水因為進行了硝化和反硝化反應，硝酸根離子大量減少。信號采集裝置可感知硝酸根離子濃度變化，并將該信號實時傳輸到單片機中。單片機識別信號并發出控制指令，控制電磁閥、吸水泵、增氧泵完成污水處理。該模塊的結構組成如圖1 所示。

圖1 污水處理信號采集模塊組成結構

2.1.1 信號采集對象

從生活污水的處理機制上，主要是進行反硝化反應，從而降低污水中硝酸根離子。因此，在裝置的信號采集模塊，可以將污水中硝酸根離子的濃度作為信號采集對象。而裝置在運行過程中，又存在多種因素對污水中反硝化反應速率產生影響。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因素。為了實現污水處理速率的最大化，需要調節參數使裝置處于最佳的運行狀態。溫度方面，控制在20-40℃，反應器內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，為保證反硝化反應持續進行，應調節pH 在7-8 之間，DO 控制在0.5mg/L 以內。

2.1.2 信號采集方式

溫度信號的采集比較簡單，可通過熱敏電阻、紅外線溫度檢測儀等實時監測溫度濱化。需要注意的時，對于測溫元件必須要做好防腐、防水等保護措施。pH 信號的采集難度較大，常規的酸堿滴定法精度不高，本文設計了一種專門用于pH 信號采集的電路。其系統組成如圖2 所示。

圖2 pH 信號采集流程

由于pH 電極傳感器產生的信號頻率較低，加上遠距離信號傳輸不可避免會有損耗。因此，為保證pH 信號的精確性，需要在信號輸入端設計低通濾波器，以及信號放大器。經過信號除燥、放大后，可以在計算機中接收到相對準確的pH 信號。DO信號采集可選擇電化學測量法。

2.1.3 信號采集電路

在確定信號采集方式后，設計信號采集電路。這里以pH 信號采集電路為例，設計方法如下：首先，找出該電路中的參考電極，并采用串聯的方式，在靠近參考電極的附近，安裝1 臺TLC431 穩壓電路器。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 參考電極的穩壓電路圖

依托pH 傳感器采集信號后，經由低通濾波器、信號放大器的處理后，可在TLC4502 電路的末端，接收到pH 信號。這種信號采集電路具有組成結構簡單，運行穩定性較好等特點，對保證pH 信號傳輸的時效性、精準性有一定幫助。

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。該芯片有10 個傳感器串口，其中4 個用于接收硝酸根離子采集信號，2 個用于接收溫度信號，2 個用于接收pH 信號，2 個用于接收DO 信號。具有控制功能的部件有電磁閥、觸摸屏。除此之外，還包括了數字存儲器（SRAM）、程序存儲器（Flash）以及定時/計數器等，核心部件如表2 所示。

表2 STC12C-5A 型單片機的基本組成

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，調節各級反應器進水段閥門的開口度，從而實現對污水流量的自動化調控。同時，單片機根據前端反饋信息，如果污水處理效率低于設計標準，說明污水流量太大，則發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理電路中，通過感知污水中硝酸根離子濃度的變化，當硝酸根離子濃度超標時，電磁閥保持“開”的狀態，直到系統檢測到污水中硝酸根離子濃度降低至污水排放標準后，電磁閥控制閥門關閉。

2.2.3 通信電路

一體式污水處理裝置的結構比較簡單，對通信電路的整體要求不高。在設計通信電路時，只需要滿足傳輸速率和抗干擾能力兩個要求即可。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，一端負責將前端傳感器采集信號快速、準確反饋給終端PLC；另一端則將PLC 下達的指令，傳遞至整個裝置的各處，實現對污水處理裝置的調控，保證污水處理高效完成。

3 結論

自動化、一體式的生活污水處理裝置，在實現城鎮、農村生活污水的高效率、無害化處理方面優勢顯著。在推廣該裝置時，應結合所在地區生活污水的日均產量、排放標準等，對該裝置進行科學設計。重點做好運行參數設計和硬件系統設計，以保證該裝置在實用性、經濟性等方面達到統籌兼顧。