摘要
当今社会，随着经济全球化的快速发展，海洋环境保护成为世界各国的重点关注点之一，航运业对海洋环境的影响已经进入人们的视线，引起人们的关注，于是优化船舶防污染的技术就显得非常重要。本文旨在通过设计一种较为完善的船舶日常生活污水处理系统，以改善船舶生活污水的处理能力和效率，减少轮机员的劳动强度，从而达到改善海洋环境的目的。通过对比分析现如今各类船舶生活污水处理系统的优劣性，其中活性污泥处理法具有设备简单，维修方便，处理效果好，处理效率高，成本低等优势，较为有效的一种船舶生活污水处理方法，因此本文利用活性污泥法的特点，设计一套污水处理过程自动控制系统，主要讨论研究了初沉池污泥沉淀、曝气池溶解氧浓度控制、二沉池污泥回流、污泥废弃等控制回路的实现。整套控制系统由上位机、PLC，传感器等机构组成，通过PLC通信以及控制工程，实现生活污水处理系统的自动控制。再根据活性污泥法，使用Wincc仿真软件开发设计出符合实际情况的仿真界面，结合通信技术，实现结果的动态展示。设计表明利用活性污泥法的船舶污水处理系统设计方案是可靠且适用的，能够带来良好的经济效益和社会效益，具有一定的应用价值，也对船舶生活污水处理系统的日后发展和研究上有一定的参考价值。
关键词：活性污泥法；污水处理；自动控制；PLC；仿真
Abstract
In today’s society, with the rapid development of economic globalization, Marine environmental protection has become one of the key concerns of the world, the impact of shipping industry on the Marine environment has entered people’s sight, causing people’s attention, so it is very important to optimize the ship pollution prevention technology. This paper aims to improve the treatment capacity and efficiency of ship domestic sewage and reduce the labor intensity of Marine crew, so as to achieve the purpose of improving the Marine environment. Through comparative analysis of the quality of all kinds of ship sewage treatment system, the activated sludge treatment method has simple equipment, convenient maintenance, good treatment effect, high efficiency, low cost, more effective a ship sewage treatment method, so the characteristics of activated sludge method, design a set of sewage treatment process automatic control system, mainly discussed the early sedimentation tank sludge precipitation, aeration tank dissolved oxygen concentration control, two sedimentation tank sludge reflux, sludge waste control loop. The whole control system is composed of upper computer, PLC, sensor and other institutions. Through PLC communication and control engineering, the automatic control of domestic sewage treatment system is realized. According to the activated sludge method, the Wincc simulation software is used to develop and design the simulation interface in line with the actual situation, combined with the communication technology, to achieve the dynamic display of the results. The design shows that the design scheme of ship sewage treatment system using activated sludge method is reliable and applicable, which can bring good economic and social benefits, has certain application value, and also has certain reference value for the future development and research of ship domestic sewage treatment system.
Key words: activated sludge method; sewage treatment; automatic control; PLC; simulation
一、绪论
1.研究背景
二十一世纪，可持续发展战略在全球经济一体化进程中扮演了举足轻重的角色，因此，海洋环境问题也随之而日益受到国际社会的关注。
海洋环境保护不分国界，它不仅仅是一个经济的问题，甚至上升到政治层面。1973年，国际海事组织（IMO）在英国伦敦举行了一次以保护海洋环境为主题的国际海洋污染会议，该会议颁布了《国际防止船舶造成污染公约》，
旨在预防和约束船舶排放油类和其他有害物质从而污染海洋。公约附录IV中，明确规定了防止船舶生活废水流入海洋的标准。船舶生活污水是影响船舶环境的主要因素之一，近几年来，越来越多的航运公司关注到了这一问题。但是，相对于船舶发电设备的自动化水平，目前对船舶废水的处理还存在一定的局限性。但是，随着全球经济的发展迅速，大量的船舶出现，在运行中所产生的生活废水也随之增加，废水的排放给海洋环境带来了很大的负面影响。
随着科学技术的飞速发展，船舶工业中的计算机技术日益普及，船舶的自动化水平也日益提高。但是，与船舶生活污水处理设备相比，其自动化程度较低，很难适应船舶的现代化需求。随着我国经济一体化的快速发展，入世后，国内航运市场的竞争将会越来越激烈。因此，必须提高船舶工程技术人员的工作效率和技术能力。近几年，随着对国内外废水处理技术的深入研究，研制出了用于船员业务训练的船舶引擎模拟系统和自动机舱。实际上，船员的实船培训方法培训具备周期长、成本高、风险大，很难适应培训需求等不足。采用仿真系统的方法来取代实船的训练，可以克服以上的不足。这一技术已经被证实是一种有效的方式，并且已经被国际海洋组织所接受。目前，船舶安全管理已经成为船舶驾驶员培训与评估的一种主要方式。模拟器训练虽不能完全取代实船的经验，却能帮助船员迅速反应及安全作业，由模拟器熟悉机舱设备及自动控制系统，使学员能在短期内掌握实际作业的实战经验。
2.研究意义
随着航运业和海洋开发的空前发展，海洋环境的污染也越来越严重，船舶作为航运中的交通工具，也是一种流动污染源，船舶生活污水的排放对内河水环境及湖泊、水库、海洋的影响，随着船舶数量的增加而不容忽视。针对船舶生活污水的处理，国内外都开展了相关研究工作，并开发了各种类型的船舶生活污水处理装置，但各类处理装置的开发，大多基于城市生活污水处理工艺的应用实践而进行的小型化搬用或套用。因此在应用中暴露出装置体积大、运行不稳定及出水标等问题。其原因在于，目前国内外对船舶生活污水的污染特征研究较少，尤其是缺乏针对船舶生活污水水量及水质特征的系统调查和分析研究。本文结合实船调查，拟从船舶排水系统的布设、船舶生活污水的水力特性生活排水量及变化特征及其污染负荷的确定，对船舶生活污水的污染特征进行研究，以便为解决这一流动污染源问题提供理论基础及设计资料。
3.本文的研究内容
本文从实际角度出发，对不同的船舶生活污水处理装置深度分析，确定活性污泥法处理装置在船舶生活污水处理系统中的应用具有普遍性。经过分析实际船舶污水处理的工作流程，在原有的处理工艺上加以改善设计，并根据所设计的控制原理，编写相应的PLC控制程序。最后设计开发出基于PLC控制的船舶生活污水处理仿真系统，通过与PLC的数据通讯，完成船舶生活污水处理系统运行自动控制的展示。
4.船舶生活污水概述
在设计污水处理自动控制系统之前，首要任务是了解船舶生活污水的组成以及影响，在此基础上，分析设计出合理的污水处理工艺，满足污水处理的要求。
一般情况下，船舶生活污水的来源主要是在船人员(工作人员和乘客人员)的日常生活用水，根据排放的生活污水水质的不同，可以将其分为两类，分别为“黑水”和“灰水”。“黑水”指的是污染物含量较高的厕所排水，即粪便污水;“灰水”则是指污染较轻的洗浴、厨房、洗衣等废水。
实际船舶生活污水中除了含有有机物和矿物质以外，还存活着大量的细菌和寄生虫，甚至含有危害人体以及海洋生物的病毒，因此污水的随意排放会产生一系列的负面影响o
(1)对水环境的影响
船舶生活污水的肆意排放会对海洋环境造成严重的影响，一般情况下，海洋水环境是通过生存在水中的细菌以及微生物分解作用，将水中含有的有机物转换成无机物，从而达到水体自净化的效果。分解出的无机物再被海洋植物所吸收并产生氧气，微生物得以继续存活，形成一个缓慢但稳定的自净化循环过程。若船舶生活污水肆意排放，导致大量的病菌等污染物排入水体，势必破坏该平衡过程。过多的污染物造成水环境含氧量的急剧下降，海洋植物难以存活，进而导致鱼类等水生动物的迁移或死亡。另一方面，若所排污水含有大量的营养物质，则水生植物因富营养化的环境而疯狂繁殖生长，生态系统再次被破坏，严重危害了海洋环境。
(2)对人体健康的影响
船舶生活污水中含有的大量致病细菌大部分来自于船员生活中所产生的粪便污水，每毫升粪便污水就含有上百万个细菌，且其中大部分是具有传染性的致病细菌，能够引起不同的肠道疾病，对海洋作业人员的身体健康造成严重危害。
二、国内外研究现状
1.国外研究现状
国外对船舶生活污水处理工艺技术的研究较早，主要是由最先加入MARPOL73/78公约附则IV的一些国家进行的研究。船舶生活污水处理的基本工艺主要源自于城市污水处理技术，现如今污水的生物化学法、电化学法的处理技术是船舶污水处理装置较为常用的工艺手段。相对而言国内在污水处理装置以及处理工艺上的研究较之国外则晚一些。
一些国家经济发达，并较早的实现了工业现代化。环境问题特别是水资源污染的严重性也较早的体现出来，对污水的处理更先进一些，同时也得到了这些国家政府的重视，投入了大量的人力、物力进行污水处理的研究。这些国家在研究水处理新理论和工艺的同时，也重视污水处理自控系统的研究。先后投资研究高效型、智能型、集约型污水处理设备和自动化控制仪表。由于控制技术、网络通信技术以及现场总线技术的飞速发展，国外的污水厂很早就实现了网络控制，如DCS、FCS系统。同时国外较早的SCADA技术引入到了给排水工程当中，并取得了良好的经济效益与社会效益。意大利开发出一系列在线水质监测控制仪，美国艾姆科(EMICO)工艺公司1996年成功开发了多元组合式智能型一体化生活污水处理装置，美国米顿罗(MIDUNRO)公司也相继开发了一系列在线监测控制仪等，荷兰大学开发成功计算机控制内循环式水解生化塔。由于这些水处理设备自动化程度、智能化程度相当高，能连续稳定运行，所以达到令人满意的水处理效果。
2.国内研究现状
随着工业的发展，我国主要污水处理设备及配套没备基本实现了国产化，并逐步形成了系列化、规模化，如用于不同条件下的过滤设备、气浮选、压力除油、液—液旋流除油等除油处理设备、药剂投加设备等。水处理的自动化程度有了提高。过滤处理、污泥脱水、气浮装置、加药装置等实现了PLC集成面板自动控制；流量、液位、以及悬浮周体含量等水质指标也实现了实时在线监测。水处理更加重视工艺和化学的有机结合。水处理剂的品种增多、效能提高。近些年来，随着科技的飞速发展，我国各大中型企业纷纷对污水处理技术进行了更新换代。崭新的污水处理流程线，世界先进水平的处理设施，都表明了我国污水处理行业正在从最初的品种单一、规格低下、规模小、水平低、质量不够的水平逐渐向多样式、复合结构、大规模、高质量、高要求的方向发展，我国的污水处理技术水平在已基本满足国内的需求情况下，逐渐开始转型污水处理出口，行业发展速度之快居于世界领先水平。其中，PLC控制系统作为一项先进的技术也逐渐应用于污水处理系统中。PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、使用方便。程序可变，一方面采集数据，一方面进行信息的监控处理，强大的联网功能使得PLC通信更加方便，利用PLC这种“集中管理、分散控制”的特点，可以实现中控室中央监控，可以实现现场生产线自动化流水作业，也可以构建大型集散控制系统。我国发展了适合我国国情、高效、低耗和低成本的污水处理技术。
以上海船舶设备研究所为代表，该所应用生化和物化法先后研制出了WCF型和WCH型的系列船舶污水处理装置，紧接着国内其他公司也相继开发出不同的船舶污水处理装置，通过引进国外先进的设备和技术，研究设计出不同系列的产品。如南京绿洲机器厂生产的ST型系列处理装置以及由重庆大晃康达公司研制的SBT型系列污水处理装置等。重庆市港航管理局的党志胜等人针对船用污水处理装置在实际运行状态中缺乏有效监管等问题,设计了一种船用污水处理运行监测仪。该监测仪通过监测处理装置里的送风压力、箱体的污水水位和其他状态特征等参数的变化，实现对船用污水处理装置运行状态的监测和控制。此外，杨勇等人采用序批法SBR污水处理工艺，通过对PLC控制系统进行优化改进，增强了船用生活污水处理装置运行的可靠性和稳定性。
三、总评
随着计算机技术的飞速发展，船舶航运业的自动化水平也逐步提高，顺应自动化机舱的要求，对船舶生活污水处理系统自控工艺进行了设计和开发，对处理系统工作过程进行分步研究，从曝气箱风机曝气的控制到最终的污水自动排放控制，进行了详细的设计。最终通过PLC控制程序的编写以及仿真系统的开发，展现污水处理系统的工作过程。主要完成的工作如下：
（1） 通过学习不同的船舶生活污水处理装置，分析适用于大多数船舶生产环境的装置类型，对处理方法进行严谨分析后，设计出符合船舶污水处理工艺的控制原理，以满足污水处理的自动控制要求。
（2） 根据所设计的控制要求，进行PLC硬件选型，包括CPU、输入模块、输出模块等，并根据控制原理编写相应的PLC控制语言，最后通过PLC仿真验证所设计出的控制原理的可行性。
（3） 依照实际船舶生活污水处理流程以及所设计的PLC控制原理，开发设计污水处理系统的仿真画面。运用信息通讯技术实现PLC与仿真系统的数据传输。最终实现了实际污水处理过程的动态效果展示。
最后，本人设计的污水处理自动控制原理达到了预想效果，仿真结果表明所设计的方案有效可行即在满足污水处理过程的同时，在一定意义上提升了装置的自动化程度。仿真系统与PLC的通讯成功也证明了所设计开发的二维模拟器仿真界面能够应用于实船的美好愿景，此外，开发的污水处理仿真系统较高的操作性与运行的稳定性，使其能够用于教学培训中，一定程度上弥补了传统实地教学所带来的经济负担。
虽然船舶生产生活中，污水处理系统装置的自动化控制现如今应用并不广泛,但是在科技产业的逐步发展、全球经济快速提升的大趋势下，航运船舶自动化水平将稳步提升，本文所设计的自动控制原理也有可能应用于未来的实船研究上。
例如，曝气量控制方面的设计，是在原有的污水处理装置上安装ORP检测仪，通过检测曝气箱内的污水溶解氧浓度相应调整变频风机的变频器改变风机转速，从而改变曝气箱的曝气风量。在一定程度上优化了原设备上通过工频风机采用固定曝气量的曝气方式，使得设计后的曝气方式更加灵活，有较强的针对性，一定程度上提升了装置运行的经济性。在后续的工作中，可以通过在实际污水处理装置上进行安装实验，进一步验证所设计的控制方法的实际应用效果。此外，可以进一步考虑船舶污水处理过程中其他参数的控制，例如污水温度的控制、污水PH值的控制等，进而更加优化整个污水处理系统的处理过程。
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