蝦蟹養(yǎng)殖污水處理裝備的設(shè)計與開發(fā)

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)濟發(fā)展水平的提高，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的發(fā)展規(guī)模不斷擴大，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?，F(xiàn)階段，我國進行集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖的對象多為螃蟹、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)殖戶帶來相當(dāng)可觀的經(jīng)濟效益。然而在水產(chǎn)集約化的養(yǎng)殖模式下，大量飼料和魚類代謝物的積累可能引起水體的污染，同時養(yǎng)殖排放的廢水也能導(dǎo)致周圍水體的富營養(yǎng)化，水體污染的問題愈發(fā)嚴重，如何加強集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖污水處理成為現(xiàn)階段的首要問題[1-5]。

目前國內(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)的處理方法雖然見效快，但成本高、耗能大，而且容易造成二次污染，在應(yīng)用過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，并且不會對環(huán)境造成二次污染，目前得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外很多學(xué)者針對這一問題開展深入研究，于金旗[6]將催化臭氧化—陶瓷膜分離相耦合技術(shù)，運用到水產(chǎn)養(yǎng)殖水循環(huán)中，實現(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)計開發(fā)的旋轉(zhuǎn)式生物流化床，利用生物凈化過濾的功能，實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖污水中氨氮的轉(zhuǎn)化，凈化養(yǎng)殖污水。

本項目綜合了各種污水處理技術(shù)改良與組合，通過多種凈化技術(shù)與傳感器檢測技術(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

1.1 裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

經(jīng)過初級過濾的污水通過電動生物質(zhì)轉(zhuǎn)盤，利用分布在轉(zhuǎn)盤上的微生物吸附污水中的有機物，并利用微生物分解有機物。最后污水經(jīng)過臭氧和殺菌燈進行殺菌消毒，再重新輸送到養(yǎng)殖區(qū)域。

裝備控制對象有水泵、電動機、臭氧發(fā)生器、殺菌燈與增氧泵等。操作人員可以通過本地觸摸屏對執(zhí)行機構(gòu)進行本地操控，也可以通過計算機WEB 端遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測和操控執(zhí)行機構(gòu)。

為了解養(yǎng)殖水域內(nèi)水質(zhì)情況，增加了水質(zhì)監(jiān)測傳感器，對養(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)進行實時監(jiān)測。操作人員可在本地觸摸屏上對數(shù)據(jù)進行監(jiān)視，并通過查看歷史曲線和歷史報表了解水質(zhì)凈化效果。還可通過觸摸屏設(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%時自動打開增氧泵進行增氧，當(dāng)設(shè)置完成后，系統(tǒng)實時檢測當(dāng)前水域水質(zhì)情況，當(dāng)水內(nèi)溶解氧低于65%時自動打開增氧泵進行增氧，達到預(yù)定值時停止工作，很大程度上減輕了現(xiàn)場管理人員的勞動強度。

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)由控制、采集與遠程調(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子的S7-1200PLC，CPU 型號為1214C，支持14 路數(shù)字量量輸入，10 路數(shù)字量量輸出，通過交換機與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)行機構(gòu)等組成，執(zhí)行機構(gòu)控制線接入本地控制箱內(nèi)，操作人員通過本地觸摸屏和WEB 端操作頁面控制電機、水泵、增氧泵等執(zhí)行機構(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，輸出信號為4～20 mA，操作人員通過本地觸摸屏和WEB 端操作頁面實時監(jiān)測當(dāng)前養(yǎng)殖區(qū)域的水質(zhì)情況，并結(jié)合控制系統(tǒng)對養(yǎng)殖水域的污水進行過濾等處理。

為方便管理人員對裝備的操控，開發(fā)了遠程調(diào)控系統(tǒng)。由PLC、網(wǎng)關(guān)、云服務(wù)器等組成，通過4G 模塊建立本地與遠程服務(wù)器的通訊，操作人員只需通過計算機打開指定的WEB 端頁面，即可監(jiān)測當(dāng)前養(yǎng)殖區(qū)域的水質(zhì)情況，并對現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)遠程操控。

2 系統(tǒng)上位機軟件設(shè)計

系統(tǒng)上位機是實現(xiàn)人機交互的重要工具，上位機監(jiān)測控制頁面如圖3 所示，上位機參數(shù)設(shè)置頁面如圖4 所示。操作人員可以通過觸摸屏實時監(jiān)測養(yǎng)殖區(qū)域的水質(zhì)情況，可以通過歷史曲線查看數(shù)據(jù)變化趨勢，驗證水質(zhì)凈化效率，也可通過操作區(qū)對現(xiàn)場裝備進行遠程操控。

圖3 監(jiān)測控制頁面

圖4 系統(tǒng)設(shè)置頁面

系統(tǒng)支持手動與自動兩種操控模式，手動模式可以對每一種執(zhí)行機構(gòu)進行單獨的操控，自動模式可以設(shè)置上下限值，隨后打開自動模式，系統(tǒng)即根據(jù)預(yù)設(shè)定值進行自動調(diào)控。

3 結(jié) 語

蝦蟹養(yǎng)殖污水處理裝備利用多級凈化原理，實現(xiàn)養(yǎng)殖污水高效凈化，控制監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)水質(zhì)狀況監(jiān)測與執(zhí)行機構(gòu)本地與遠程操控。操作人員通過設(shè)定閾值實現(xiàn)裝備自動閉環(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。后期可以開發(fā)相對應(yīng)的模型控制算法，進一步提高裝備智能化水平。