趙 霞，李 銘

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 句容 212400）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提高，我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的發(fā)展規(guī)模不斷擴(kuò)大，高密度的集約化養(yǎng)殖也成為了現(xiàn)階段水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展趨勢(shì)。現(xiàn)階段，我國(guó)進(jìn)行集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖的對(duì)象多為螃蟹、蝦等優(yōu)質(zhì)品種，這些水產(chǎn)品受歡迎程度高、需求量大，給養(yǎng)殖戶帶來(lái)相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。然而在水產(chǎn)集約化的養(yǎng)殖模式下，大量飼料和魚(yú)類代謝物的積累可能引起水體的污染，同時(shí)養(yǎng)殖排放的廢水也能導(dǎo)致周?chē)w的富營(yíng)養(yǎng)化，水體污染的問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，如何加強(qiáng)集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖污水處理成為現(xiàn)階段的首要問(wèn)題[1-5]。

目前國(guó)內(nèi)外養(yǎng)殖污水處理技術(shù)大致分為物理、化學(xué)和生物修復(fù)技術(shù)。物理和化學(xué)的處理方法雖然見(jiàn)效快，但成本高、耗能大，而且容易造成二次污染，在應(yīng)用過(guò)程中受到一定的限制。生物修復(fù)技術(shù)成本低、適用性廣、具有生態(tài)效應(yīng)，特別是使用不可再生材料和能源比較少，并且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，目前得到廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)這一問(wèn)題開(kāi)展深入研究，于金旗[6]將催化臭氧化—陶瓷膜分離相耦合技術(shù)，運(yùn)用到水產(chǎn)養(yǎng)殖水循環(huán)中，實(shí)現(xiàn)污染物質(zhì)分解，在一定程度上凈化了水質(zhì)。柳瑤、宋協(xié)法等[7]設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的旋轉(zhuǎn)式生物流化床，利用生物凈化過(guò)濾的功能，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖污水中氨氮的轉(zhuǎn)化，凈化養(yǎng)殖污水。

本項(xiàng)目綜合了各種污水處理技術(shù)改良與組合，通過(guò)多種凈化技術(shù)與傳感器檢測(cè)技術(shù)，最大限度地改良水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生的污水，有效地促進(jìn)集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蝦蟹養(yǎng)殖污水處理裝備由過(guò)濾系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)兩部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。其中過(guò)濾系統(tǒng)由物理過(guò)濾、化學(xué)過(guò)濾與生物質(zhì)過(guò)濾三部分組成，物理過(guò)濾為基礎(chǔ)過(guò)濾，利用活性炭、過(guò)濾棉等材料實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖污水的初級(jí)過(guò)濾，對(duì)大顆粒雜質(zhì)進(jìn)行過(guò)濾，其次利用硝化細(xì)菌對(duì)水中的氨、氮等對(duì)水產(chǎn)品有害的物質(zhì)進(jìn)行分解。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)初級(jí)過(guò)濾的污水通過(guò)電動(dòng)生物質(zhì)轉(zhuǎn)盤(pán)，利用分布在轉(zhuǎn)盤(pán)上的微生物吸附污水中的有機(jī)物，并利用微生物分解有機(jī)物。最后污水經(jīng)過(guò)臭氧和殺菌燈進(jìn)行殺菌消毒，再重新輸送到養(yǎng)殖區(qū)域。

裝備控制對(duì)象有水泵、電動(dòng)機(jī)、臭氧發(fā)生器、殺菌燈與增氧泵等。操作人員可以通過(guò)本地觸摸屏對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行本地操控，也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)WEB 端遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和操控執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

為了解養(yǎng)殖水域內(nèi)水質(zhì)情況，增加了水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器，對(duì)養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)的pH 值、EC 值、氨氮含量、溶解氧、濁度等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。操作人員可在本地觸摸屏上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視，并通過(guò)查看歷史曲線和歷史報(bào)表了解水質(zhì)凈化效果。還可通過(guò)觸摸屏設(shè)置限值，如設(shè)置當(dāng)養(yǎng)殖水域內(nèi)的溶解氧濃度低于65%時(shí)自動(dòng)打開(kāi)增氧泵進(jìn)行增氧，當(dāng)設(shè)置完成后，系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前水域水質(zhì)情況，當(dāng)水內(nèi)溶解氧低于65%時(shí)自動(dòng)打開(kāi)增氧泵進(jìn)行增氧，達(dá)到預(yù)定值時(shí)停止工作，很大程度上減輕了現(xiàn)場(chǎng)管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由控制、采集與遠(yuǎn)程調(diào)控三部分組成，控制系統(tǒng)框架圖如圖2 所示。其核心控制器為西門(mén)子的S7-1200PLC，CPU 型號(hào)為1214C，支持14 路數(shù)字量量輸入，10 路數(shù)字量量輸出，通過(guò)交換機(jī)與PLC 云網(wǎng)關(guān)和觸摸屏通訊，傳感器與SM1231 模擬量模塊連接，該模擬量支持8 路模擬量輸入，符合現(xiàn)場(chǎng)使用需求。

圖2 控制系統(tǒng)框架

控制部分由PLC、繼電器、交流接觸器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制線接入本地控制箱內(nèi)，操作人員通過(guò)本地觸摸屏和WEB 端操作頁(yè)面控制電機(jī)、水泵、增氧泵等執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。

采集部分由PLC、模擬量模塊、傳感器等組成，傳感器為模擬量類型，輸出信號(hào)為4～20 mA，操作人員通過(guò)本地觸摸屏和WEB 端操作頁(yè)面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前養(yǎng)殖區(qū)域的水質(zhì)情況，并結(jié)合控制系統(tǒng)對(duì)養(yǎng)殖水域的污水進(jìn)行過(guò)濾等處理。

為方便管理人員對(duì)裝備的操控，開(kāi)發(fā)了遠(yuǎn)程調(diào)控系統(tǒng)。由PLC、網(wǎng)關(guān)、云服務(wù)器等組成，通過(guò)4G 模塊建立本地與遠(yuǎn)程服務(wù)器的通訊，操作人員只需通過(guò)計(jì)算機(jī)打開(kāi)指定的WEB 端頁(yè)面，即可監(jiān)測(cè)當(dāng)前養(yǎng)殖區(qū)域的水質(zhì)情況，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)程操控。

2 系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的重要工具，上位機(jī)監(jiān)測(cè)控制頁(yè)面如圖3 所示，上位機(jī)參數(shù)設(shè)置頁(yè)面如圖4 所示。操作人員可以通過(guò)觸摸屏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖區(qū)域的水質(zhì)情況，可以通過(guò)歷史曲線查看數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，驗(yàn)證水質(zhì)凈化效率，也可通過(guò)操作區(qū)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

圖3 監(jiān)測(cè)控制頁(yè)面

圖4 系統(tǒng)設(shè)置頁(yè)面

系統(tǒng)支持手動(dòng)與自動(dòng)兩種操控模式，手動(dòng)模式可以對(duì)每一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)的操控，自動(dòng)模式可以設(shè)置上下限值，隨后打開(kāi)自動(dòng)模式，系統(tǒng)即根據(jù)預(yù)設(shè)定值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控。

3 結(jié) 語(yǔ)

蝦蟹養(yǎng)殖污水處理裝備利用多級(jí)凈化原理，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖污水高效凈化，控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)水質(zhì)狀況監(jiān)測(cè)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)本地與遠(yuǎn)程操控。操作人員通過(guò)設(shè)定閾值實(shí)現(xiàn)裝備自動(dòng)閉環(huán)控制，在一定程度上方便了操作人員，提高了裝備的智能化水平。后期可以開(kāi)發(fā)相對(duì)應(yīng)的模型控制算法，進(jìn)一步提高裝備智能化水平。