田 微，蔣 畢，毛騰躍，帖 軍，張俊敏

(中南民族大學 計算機科學學院，武漢430074)

化學工業(yè)排放的廢水具有極高的COD、高鹽度，是典型的難降解廢水[1].在眾多的水處理技術(shù)中，微生物技術(shù)以其獨特優(yōu)勢而得到重視[2].其工藝為：水中各種有機物在厭氧條件下，被各類厭氧微生物分解轉(zhuǎn)化.反應過程分三個階段，水解階段、酸化階段和產(chǎn)甲烷階段.水解階段、酸化階段主要是將發(fā)酵原料中各種大分子有機物分解成小分子有機酸，產(chǎn)甲烷階段通過產(chǎn)甲烷菌種的代謝作用，生成甲烷、二氧化碳和水[3].在微生物培養(yǎng)及廢水處理的過程中所需系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量多、操作步驟多、工藝復雜[4].因此為了保證控制精度和生產(chǎn)效率，本文設(shè)計了微生物水處理產(chǎn)甲烷的自動控制系統(tǒng)[5].首先通過微生物生長環(huán)境的控制和營養(yǎng)物質(zhì)的調(diào)控來快速提高整個系統(tǒng)的產(chǎn)沼氣菌種數(shù)量和生物活性.其次通過對酸堿度(pH)、氧化還原電位(ORP)、溫度(℃)、液位等過程參數(shù)進行監(jiān)控，一則實時掌控系統(tǒng)的運行狀態(tài)，二則可以提前預警，并通過的參數(shù)的分析，及時診斷并做出調(diào)整，使反應體系始終保持在最佳的運行狀態(tài).通過兩者的結(jié)合，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)甲烷產(chǎn)量的增加.

經(jīng)過調(diào)研與分析，系統(tǒng)設(shè)計有以下功能：手動/自動運行切換、出料模式選擇、停電保持、暫停記錄與恢復、故障暫停報警、狀態(tài)實時監(jiān)控、加藥調(diào)節(jié)管道共用、服務(wù)器數(shù)據(jù)存儲、客戶端狀態(tài)查看、電路保護、防爆、氣壓保護等.本系統(tǒng)主要由控制單元、上位機和服務(wù)器組成.控制單元負責現(xiàn)場控制、數(shù)據(jù)處理與傳輸，上位機實現(xiàn)友好人機交互，服務(wù)器則為用戶提供遠程監(jiān)控與數(shù)據(jù)存儲服務(wù)[6],[7].系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Frame of system

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，主要包括控制器、數(shù)據(jù)采樣擴展模塊、傳感器、反應罐、上位機、加熱器、氣動閥門和電機等執(zhí)行器件等.

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Hardware structure diagram

1.1 系統(tǒng)控制要求

系統(tǒng)控制要求及指標包括：培養(yǎng)罐液位、溫度、pH值、加藥量、攪拌周期、循環(huán)周期、模式選擇等.使用時，上位機設(shè)定參數(shù)，配合開關(guān)選擇手動或自動模式.啟動后，開啟傳感器的檢測功能，其采集信號再經(jīng)由數(shù)據(jù)采集擴展模塊處理后傳輸至控制器.控制器對數(shù)據(jù)進行分析并按微生物培養(yǎng)的設(shè)定指標進行智能調(diào)節(jié)，同時，將分析處理后的數(shù)據(jù)傳輸至上位機和服務(wù)器，上位機實時顯示并記錄系統(tǒng)參數(shù)和運行狀態(tài).其中，結(jié)果檢測指標包括氣體成分及含量檢測(甲烷(%)，二氧化碳(%)，硫化氫(×10-6) )以及水質(zhì)成分及含量檢測(COD(mg/L)、NH3-N(mg/L)、TN(mg/L)).

1.2 硬件選型

1.2.1 控制器

選用基于Cortex A9的Exynos4412嵌入式板，其RAM、Flash都較大，體積小、價格低、可靠性高、功耗低，功能齊全.配有以太網(wǎng)模塊用于網(wǎng)絡(luò)接入，且支持RS232、USB OTG、I2C等多種接口擴展，不僅能很好地實現(xiàn)目前的所有需求，還能為日后的功能擴展作好保障.輸出控制采用控制器的I/O口連接繼電器模塊進行隔離控制，即通過I/O口的高低電平變化來控制繼電器觸點的通斷，達到控制電氣設(shè)備開啟或關(guān)閉的效果.

1.2.2 傳感器

本設(shè)計使用具備4路信號的數(shù)據(jù)采集擴展模塊分別對微生物培養(yǎng)環(huán)境的溫度、液位、PH和ORP值進行在線測量.各路參數(shù)值均由專用傳感器采樣，再由信號處理電路進行放大、濾波轉(zhuǎn)為標準電信號，最后輸入給主控器，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成實際值.各參數(shù)量程與精度如下：

① pH值：0～14，精度0.1；

② 溫度：0～100℃，精度0.1℃；

③ ORP：-1000～1000mV，精度1mV；

④ IBB罐液位：0～2m，精度0.1cm.

1.2.3 上位機

上位機采用yunlea產(chǎn)YL070CY03型電容式觸摸屏，分辨率為800×480.上位機可調(diào)的輸入?yún)?shù)有：反應總周期、最高/最低液位(L)、破碎時長(進料后混合攪拌時間)(min)、溫度設(shè)置(℃)、攪拌開/停時長(min)、加藥流量設(shè)置(mL/s)、模式選擇(A/B/C).

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)控制流程設(shè)計

控制器嵌入了μc/os操作系統(tǒng)，以實現(xiàn)多任務(wù)的實時運作.程序框圖如圖3所示，其中調(diào)節(jié)操作包括：故障檢查，溫度控制，液位控制，反應時間控制，加藥控制，藥液檢查，內(nèi)循環(huán)攪拌，步進流程控制等.

本系統(tǒng)功能以操作系統(tǒng)的任務(wù)為運行單位，創(chuàng)建任務(wù)時對其進行優(yōu)先級設(shè)置.任務(wù)(按優(yōu)先級)主要包括：①第一個任務(wù)是A/D轉(zhuǎn)換，負責將電壓信號轉(zhuǎn)換成實際測值；②第二個任務(wù)是參數(shù)設(shè)置和存儲，包括數(shù)據(jù)的輸入、傳輸、存儲和讀??；③第三個任務(wù)是數(shù)據(jù)傳輸通信，將實測值和系統(tǒng)狀態(tài)傳送至上位機和服務(wù)器；④第四個任務(wù)是輸出控制，在分析實測值后，按參數(shù)設(shè)置要求控制完成進料、加藥、加熱、攪拌和出料等操作，并且實時測量各參數(shù)值，分析測量值是否達標，從而形成反饋閉環(huán)控制.

圖3 程序流程圖Fig.3 Frame of program

2.2 上位機設(shè)計

上位機設(shè)計具有功能完善、人機界面友好和實時性高優(yōu)點.上位機系統(tǒng)屬于開放式系統(tǒng)，能夠在內(nèi)部集成的運行策略中調(diào)用內(nèi)部函數(shù)編寫底層通訊及相關(guān)的數(shù)據(jù)處理程序.使其能有效可靠的與主控制器進行數(shù)據(jù)傳輸，并能進行數(shù)據(jù)的存儲與報表輸出.系統(tǒng)菜單主要由參數(shù)輸入、現(xiàn)場控制、狀態(tài)顯示、系統(tǒng)報警、報表查看等菜單項組成.用于更改參數(shù)、運行模式，實時顯示被測的量、現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)、控制階段、反應剩余時間，故障報警提示，報表輸出等.在手動狀態(tài)時，上位機可直接控制現(xiàn)場的設(shè)備執(zhí)行.界面如圖4所示.

圖4 上位機界面Fig.4 Host computer interface

2.3 服務(wù)器設(shè)計

服務(wù)器要求實時接收現(xiàn)場控制器發(fā)送數(shù)據(jù)并存儲，供客戶端訪問查看[8,9].本系統(tǒng)采用Java語言開發(fā)，設(shè)計了基于三層c/s結(jié)構(gòu)的tomcat服務(wù)器，結(jié)合MySQL數(shù)據(jù)庫進行上傳數(shù)據(jù)管理.在MySQL中創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)表，設(shè)置tomcat數(shù)據(jù)庫連接池與之進行連接；在tomcat中，用servelet作為發(fā)布服務(wù)的功能.客戶端和業(yè)務(wù)處理服務(wù)器之間的相互連接采用http協(xié)議連接請求.為了方便操作，在tomcat和客戶端的通信中，主要內(nèi)容通過對象序列化作為信息傳輸?shù)膬?nèi)容.本服務(wù)器采用高度可用的云主機架構(gòu)，其配置為：CPU1核，內(nèi)存1GB，帶寬1MB，容量分配Linux20G.

2.4 終端設(shè)計

由于系統(tǒng)采用tomcat為服務(wù)器，客戶端實現(xiàn)采用Java語言，在Eclipse上進行開發(fā)，設(shè)計通過HttpClient的方式向服務(wù)器發(fā)送請求，服務(wù)器的Servlet接收并執(zhí)行數(shù)據(jù)處理(從數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù))，最后返回給android平臺解析.服務(wù)器端的監(jiān)聽程序用于監(jiān)聽手機客戶端的連接請求，一旦監(jiān)聽到客戶端發(fā)送過來的連接請求，服務(wù)器端與客戶端就會建立可靠的連接，客戶端可以向服務(wù)器端發(fā)送用戶登錄信息校驗、查詢數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)表等請求.經(jīng)過分析與測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定流暢，實現(xiàn)了用戶對系統(tǒng)狀態(tài)的實時監(jiān)測和提示，保障系統(tǒng)安全高效的工作.客戶端界面如圖5所示.

圖5 客戶端界面Fig.5 Client interface

3 結(jié)果與分析

微生物中發(fā)酵性菌種、產(chǎn)酸菌種和產(chǎn)甲烷菌種等三大類菌種組成一個復合的微生物菌群參與并控制整個水處理產(chǎn)甲烷過程，它們之間相互獨立又相互依賴.系統(tǒng)使得各菌群間的生長繁殖與代謝過程保持一個相對平衡的狀態(tài)，使發(fā)酵體系中既無過多的有機酸積累，同時還保持較高的甲烷產(chǎn)率.

系統(tǒng)于2016年9月開始在某化工企業(yè)投入運行，4個月時間內(nèi)，儀器設(shè)備運行狀況良好，工作狀態(tài)穩(wěn)定，能完成生產(chǎn)所需的所有功能，且自動高效、節(jié)省人力.運行前后，廠內(nèi)生產(chǎn)氣體中主要成分及含量歷史曲線如圖6所示,水質(zhì)主要污染成分及含量歷史曲線如圖7所示.

圖6 氣體成分含量變化圖Fig.6 Variation of gas composition

由圖6可以看出在系統(tǒng)投入運行后生物產(chǎn)甲烷含量由52%提高到77%，大大提高了甲烷的含量.此外，系統(tǒng)還減少了二氧化碳和硫化氫的產(chǎn)生和排放，降低了空氣污染.

圖7 水質(zhì)成分含量變化圖Fig.7 Variation of water content

該工廠廢水排放實行三級排放標準，其廢水COD初始值為1650，氨氮600，總氮700(單位均為mg/L).由圖7數(shù)據(jù)可知，工廠廢水經(jīng)處理后最終出水COD可降至350左右，去除率達到79%，氨氮降至400，總氮降至550.

4 結(jié)語

實踐證明基于微生物水處理產(chǎn)甲烷的自動化控制系統(tǒng)能明顯提高甲烷生產(chǎn)的效率，并利用現(xiàn)代化控制技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了自動化高效、可靠的生產(chǎn)，減輕污染排放問題.該系統(tǒng)充分符合國家的資源與環(huán)境戰(zhàn)略，且切合民生和生產(chǎn)實踐，其功效與前景十分可觀.

參 考 文 獻

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