劉巖 趙全 郝龍

摘 要：臭氧氧化技術(shù)在廢水處理領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，針對(duì)臭氧濃度監(jiān)測(cè)需求，設(shè)計(jì)了一種用于廢水處理系統(tǒng)的臭氧濃度監(jiān)測(cè)裝置。實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水氧化處理前和尾氣處理后臭氧濃度的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)廢水處理的相關(guān)工藝參數(shù)調(diào)節(jié)優(yōu)化。通過(guò)本設(shè)計(jì)，保證廢水處理的高效環(huán)保，為基于臭氧氧化技術(shù)的廢水處理系統(tǒng)的工程化應(yīng)用提供控制保障。

關(guān)鍵詞：污水處理;臭氧濃度;單片機(jī);液晶顯示

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

0 引言

臭氧是一種強(qiáng)氧化物質(zhì)，在水中可以產(chǎn)生活性極強(qiáng)的羥基自由基（·OH），通過(guò)羥基自由基與有機(jī)化合物之間的加合、取代、電子轉(zhuǎn)移、斷鍵等，使水體中的大分子、難降解有機(jī)物氧化降解成低毒或無(wú)毒的小分子物質(zhì)，對(duì)于廢水處理工藝的除臭、脫色、殺菌、去除有機(jī)物效果明顯。處理后廢水中的臭氧易分解，不產(chǎn)生二次污染，處理成本較低。臭氧的濃度是影響廢水處理效果的關(guān)鍵因素，而國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)又對(duì)工業(yè)區(qū)日最大8小時(shí)臭氧濃度有著嚴(yán)格的限制。因此，需要優(yōu)化廢水處理流程，深入研究廢水處理應(yīng)用中臭氧濃度監(jiān)測(cè)技術(shù)[1]。

目前，臭氧濃度的監(jiān)測(cè)原理主要包括比色法、電化學(xué)法、紫外線吸收法、差分吸收光譜法等[2]。常用的監(jiān)測(cè)形式有兩類(lèi)，一類(lèi)是采樣后實(shí)驗(yàn)室分析，首先進(jìn)行環(huán)境空氣的樣品采集，然后拿到實(shí)驗(yàn)室利用化學(xué)方法進(jìn)行分析;一類(lèi)是自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器法，利用臭氧自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行環(huán)境空氣中臭氧濃度的測(cè)定。然而在廢水處理工藝的臭氧濃度監(jiān)測(cè)過(guò)程中，以上兩種形式都存在檢測(cè)周期長(zhǎng)、操作步驟復(fù)雜、設(shè)備體積大、不便于攜帶、智能反饋程度低等缺點(diǎn)。因此設(shè)計(jì)一種體積小、重量輕、檢測(cè)方法簡(jiǎn)單、低功耗、智能化程度高的臭氧濃度監(jiān)測(cè)裝置具有一定的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

1 總體方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，臭氧濃度監(jiān)測(cè)裝置主要由臭氧濃度傳感器[4]、信號(hào)調(diào)理模塊、單片機(jī)、與控制系統(tǒng)的通信接口和液晶顯示模塊組成，其中臭氧濃度傳感器包括大濃度和小濃度兩種量程各一支，大濃度臭氧傳感器用于廢水處理系統(tǒng)反應(yīng)器氣體入口處，小濃度臭氧傳感器用于廢水處理系統(tǒng)臭氧尾氣處理裝置出口處。

2 硬件設(shè)計(jì)

（1）臭氧濃度傳感器。如圖2所示，選用北京航天凱恩化工科技有限公司研制的臭氧濃度傳感器。

該傳感器采用電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，當(dāng)待測(cè)空間中有臭氧存在時(shí)，臭氧與傳感器內(nèi)的氣敏單元發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，輸出微弱的電流信號(hào)，經(jīng)整流放大處理后輸出電流信號(hào)。傳感器由+24V供電，兩線制4～20mA電流輸出信號(hào)，具有功耗低，精度高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具備信號(hào)遠(yuǎn)傳功能。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，選擇量程0～1000ppm大量程臭氧濃度傳感器，分辨率1ppm;量程0～2ppm小量程臭氧濃度傳感器，分辨率0.01ppm。

（2）電源模塊設(shè)計(jì)。根據(jù)傳感器工作需要選用+24V電源給系統(tǒng)供電，選擇高效率DC-DC轉(zhuǎn)換芯片MP1593，輸入電壓信號(hào)4.75V～28V，輸出高達(dá)3A，發(fā)熱量小。配置+3.3V輸出電壓，給信號(hào)調(diào)理模塊、單片機(jī)模塊以及液晶顯示模塊供電。

（3）信號(hào)采集電路。臭氧濃度傳感器輸出4～20mA電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸入給內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換模塊的單片機(jī)，單片機(jī)選用STM32F103C8T6[5]，其內(nèi)置8路12位高分辨率的ADC模塊，滿足本方案需求。將與濃度值對(duì)應(yīng)的電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并經(jīng)過(guò)內(nèi)置算法處理，最后通過(guò)IIC接口在液晶顯示模塊上顯示兩路臭氧傳感器濃度值。若反應(yīng)器前端臭氧濃度不符合預(yù)設(shè)值，則報(bào)警提示，并聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行臭氧濃度的調(diào)節(jié);若尾氣處理裝置末端臭氧濃度超標(biāo)，則報(bào)警提示工作人員檢修尾氣處理裝置。

（4）液晶顯示模塊。液晶顯示模塊選用IIC接口的LC12864顯示屏，背光亮度可調(diào)，128×64分辨率。

3 軟件設(shè)計(jì)

首先系統(tǒng)初始化，進(jìn)入歡迎界面，開(kāi)始啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，在循環(huán)中分別進(jìn)行判斷兩路臭氧濃度傳感器輸入信號(hào);每1s周期執(zhí)行一次檢測(cè)，AD采集使用多次采樣取均值的方法降低噪聲干擾;并將兩路電壓值轉(zhuǎn)換成濃度值，對(duì)應(yīng)地寫(xiě)入到液晶顯示屏對(duì)應(yīng)顯示區(qū)域。如果濃度值不符合設(shè)定的濃度區(qū)間，則報(bào)警提示并聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)廢水處理過(guò)程中的臭氧濃度監(jiān)測(cè)需求，設(shè)計(jì)了一種用于廢水處理系統(tǒng)的臭氧濃度監(jiān)測(cè)裝置。通過(guò)對(duì)硬件電路和軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)廢水氧化處理前和尾氣處理后臭氧濃度的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，并聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)廢水處理的相關(guān)工藝參數(shù)。該監(jiān)測(cè)裝置具有良好的人機(jī)界面，方便操作人員查看、提取和分析有關(guān)數(shù)據(jù)，增強(qiáng)臭氧氧化法廢水處理系統(tǒng)的智能化水平，為實(shí)際的工程化應(yīng)用提供控制保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]李軍，劉清毅，井良宵.臭氧技術(shù)在廢水處理中的研究進(jìn)展[J].當(dāng)代化工，2014，43（10）：2191-2195.

[2]姚鵬輝.臭氧濃度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與應(yīng)用[D].華北電力大學(xué)，2016.

[3]王翠翠.基于ARM的便攜式臭氧濃度檢測(cè)儀的研制[D].哈爾濱理工大學(xué)，2009.

[4]劉鵬.循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中臭氧高效混合裝置與在線監(jiān)控技術(shù)研究[D].上海海洋大學(xué)，2014.

[5]湯旺，王巍.基于STM32單片機(jī)的自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（08）：292.