超声水处理系统的规划设计和关键技术研究毕业设计论文(编辑修改稿)

超声水处理系统的规划设计和关键技术研究毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

.......................................................... 59 第八章 总结与展望 ............................................................................................... 61 参考文献 ................................................................................................................. 63 致 谢 ....................................................................................................................... 66 附 录 ....................................................................................................................... 67 一、英文原文 .................................................................................................. 67 二、英文翻译 .................................................................................................. 71 三、采用 DDS 方案的整机设计原理图和 PCB ........................................... 75 四、采用 DDS 方案的整机 PCB 板和效果图 .............................................. 76 五、锁相环实验模块 ...................................................................................... 77 六、 H 桥驱动实验模块 .................................................................................. 78 七、攻读学士学位期间主要工作与成果 ...................................................... 79 河海大学本科毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 第一节 国内水污染状况及治理 多年以来，水资源不足、水污染以及洪水灾害制约了中国很多地区的经济发展，影响了公众健康和福利。 华北已经是水稀缺地区，而整个中国也很快会成为世界上水资源紧缺的国家之一。 经济发展和人口增长的持续，以及快速的工业化和城市化使中国 水资源承受的压力进一步加大。 用水需求与有限供给之间差距扩大，以及大面积的污染造成的水质恶化，有可能会在中国引发一场严重的缺水危机。 中国领导人已经意识到水资源问题的严峻性，正在致力把中国建设为一个节水型社会。 “十一五”规划 (2020～ 2020年 )确定了水资源管理的一系列政策目标和重点，如采用更加统一协调的管理体制，从供给管理向需求管理转变，将流域管理与区域管理相结，初步建立水权交易制度等。 在过去三十年里，尽管中国为控制污染作出了很大努力，但水污染依然日益加剧，从沿海向内陆地区、从地表水向地下水蔓延。 2020年，中国污水排放总量上升到了 537亿吨。 从 2020年开始，生活污水排放超过工业污水排放，成为最大的污染源。 水污染事件也构成严重威胁。 频繁发生的水污染事件加大了对本已相当脆弱的水环境的压力，导致下游地区数百万人口饮用水受污染，严重威胁公众身体健康和生活质量。 由于长期持续的污染，中国大多数水体的水质普遍恶化。 2020年，在 745个监控河段中，28％的水质属于劣五类 (即用于任何目的都不安全 )， 32％属于四类和五类 (只可用于工业和农业灌溉 )；在监控的 27个主要湖泊和水库中， 48％的水质属于劣五类， 23％属于四类和五 类，只有 29％达到二类和三类标准 (经处理后可供人类使用 )。 根据世界银行的一份研究报告，水危机导致的损失已经占到中国 GDP的约2． 3％。 随着工业的发展，大量含有毒有害的、难降解的有机废水被直接排放到自然界中，造成了江河湖泊的严重污染。 与此同时，包括江苏太湖、安徽巢湖和云南滇池在内的国内三大湖泊也正饱受蓝藻泛滥的威胁。 因此寻找一种高效 率 、低成本、无二次污染的废水处理技术已迫在眉睫 [1]。 超声学作为声学中最活跃、渗透性最强的一个分支，近年来随着电子技术和河海大学本科毕业设计（论文） 2 超声工程材料的发展，在国防建设、国民经济、人民生活以及科 学研究的各个领域均得到了广泛的应用。 利用 功率超声辐照溶液 时 产生 的 空化效应对水体中的污染物进行处理 研究始于 20 世纪 90 年代初。 本世纪以来，随着水环境的恶化和水资源的紧张，国内外越来越多的专家学者参与到这项新技术的研究工作中 [25]。 第二节 课题简介 一、课题来源与背景 本课题来源于国家自然科技基金项目：超声、臭氧、紫外协同处理废水的机理与参数优化研究 (批准编号： 10974044)和 超声水处理反应器的参数优化及机理研究（批准编号： 10574038） 课题“ 超声、臭氧、紫外协同处理废水的机理与参数优化研究 ”从超声、臭氧、紫外协同处理废水的机理研究入手，其核心是空化效应的增强机理和液体中的氧化降解的化学机理研究。 在液体中辐照功率超声的同时，通入具有强氧化性的臭氧气体，并加入紫外光催化氧化，不仅仅能大大增强液体的空化效应，而且能 提高氧化能力和反应速率，是声化学领域的一项新的应用基础研究。 该方法是一项 快捷、无二次污染和富有发展前景的新型水处理技术，对缓解日益严重的水污染现状具有十分重要的意义。 课题“超声水处理反应器的参数优化及机理研究” 要求研制大容量高效声化学反应器，并选取多种难以降解的有机污染物溶液和有机废 水，改变各种试验条件（频率、功率、占空比、波形、声强、时间、聚焦、 PH值、溶解气体）进行平行对比试验，在改进声化学反应器设计的同时，研究各种声化学反应器的超声降解有机物或超声水处理的基本规律，揭示功率超声的空化产额与声参数之间的基本关系。 与传统水处理技术中的化学法、生物法、生物化学法、活性炭吸附法等不同，超声水处理技术是一项集 高级氧化、热解、超临界氧化 为一体的、以物理处理为主的新型水处理 技术。 它最大的优点是在处理废水的过程中 操作简单、降解速度河海大学本科毕业设计（论文） 3 快、 不产生二次污染，对水体中的其他生物影响比较小。 但长期以来， 该项技术始终停留在实验室研究阶段，而无法在实际废水处理中发挥效用，究其原因，主要有以下三个方面：一是利用超声空化效应降解有机废水或处理蓝藻的机理还有待进一步探究；二是缺少高效的声化学反应器和功率驱动器，使超声能量在水处理过程中得到有效发挥；三是缺乏超声污水系统整体的设计，使它无法进入实际应用阶段以探究其利弊。 在作者所处实验室团队多人多年来探索的基础上，以上三方面稳定均得到一定程度的解决，本课题将在此基础上对超声污水处理系统进行整体的规划和设计，并围绕该系统的关键技术进一步地探索。 二、课题的主要工作 在本 人的本科毕业设计阶段主要完成本课题的以下工作： 了解化学、生物、生化、物理法处理废水的原理。 了解目前工业废水处理厂的结构。 设计一个整套的污水处理系统。 将污水处理系统分解为若干功能块。 分解提炼出污水处理系统中的关键技术，并加以分析和设计。 了解各类频率合成技术，通过实验对比，设计出符合课题要求的信号源。 掌握大功率 D 类功放原理，通过实验对比，设计出最适合课题要求的功放。 掌握阻抗匹配的原理，并设计本系统所需的匹配网络。 了解基本的电磁兼容性设计，总结提高印刷电路板稳 定性的方法。 了解嵌入式操作系统和嵌入式数据库，经对比选择适合本课题的嵌入式操作系统和数据库。 河海大学本科毕业设计（论文） 4 第二章 超声水处理系统的规划设计 第一节 总体设计规划 图 是超声污水处理系统的总揽图。 I n t e r n e t污 水 处 理控 制 中 心控 制 室A终 端污 水 处 理 池污 水 处 理 池污 水 处 理 池A 、 B污 水 流 向B 、 CB 、 CB 、 CDEFG 图 超声污水处理系统的总揽图 左上角的工厂为污水源，为避免工厂任意排污，本系统在向工厂供水处和工厂排污处设置了两个流量监测装置，处于工厂排污处的设备还带有污水中污染物含量检测功能。 每个 污水处理池中均有超声、臭氧联合处理装置，还有水质检测装置。 借助于无线节点，污水处理装置可通过控制室内的控制中心进行控制，水质信息也即河海大学本科毕业设计（论文） 5 时地传到控制中心来。 控制室内的服务器将来上述的控制信息、水质信息，传输到远程数据服务器上储存，远程终端同样可以通过因特网访问控制室的服务器。 控制室设置了基于 RFID 的门禁系统，控制室内有语音报警和大型 LED 屏，以提醒操作人员关键的信息。 第二节 课题子题目分解 本系统所包含的内容很多，涉及的技术领域也很广。 本实验室团队采用分组开发和设计的方式，根据涉及内容和技术领域，分为 如下五个子课题。 一、流量测量装置设计 本课题需设计的是基于超声方法的流量计，采用超声的方法制作的流量计应具有 非接触式测量 ； 为无流动阻挠测量 的特点。 超声流量计和电磁流量计一样 ,因仪表流通通道未设置任何阻碍件 ,均属无阻碍流量计 ,是适于解决流量测量困难问题的一类流量计 ,特别在大口径流量测量方面有较突出的优点 ,近年来它是发展迅速的一类流量计之一。 根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法 (直接时差法、时差法、相位差法和频差法 )、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。 基于不用的原理所设计的 流量计一般有如下用途： (1)传播时间法应用于清洁、单相液体和气体。 典型应用有工厂排放液、液化天然气等 ； (2)多普勒法适用于异相含量不太高的双相流体 ,如 未处理污水、工厂排放液、脏流程液 ， 通常不适用于非常清洁的液体 [67]。 如图 中 A 点所示，流量测量装置用于计量用水、污水排放流量和总量，为污水处理中心的控制操作提供相应参数。 根据流量监测装置的原理和结构，将此部分分为发射装置、接收装置和输入输出模块三个子课题进行设计。 河海大学本科毕业设计（论文） 6 二、无线水质监测装置设计 水质中有 PH、色度、五日生化需氧量 (BOD5)、化学需氧量 (COD)、甲醛、苯胺类、硝基苯类、阴离子表面活性剂 (LAS)、挥发酚等众多物质需要检测，本系统中需要设计相应的检测装置对其含量进行测量，并通过借助无线传感网络将其含量信息传递给污水控制中心，为污水处理中心的控制操作提供相应参数。 如图 中，标有字母 B 的地方均是需放置无线水质监测装置的地方。 此部分内容可视为整个超声污水处理系统的“眼睛”，污水处理系统只有通过它“看”到当前污水中的污染物的种类、含量后，还知道如何发号司令 —— 采用什么样的频率、多大的功率的超声处理污水。 考虑团队人员有限，本次设计中仅计划对 水温、 PH 值、水浊度、水中甲醛甲醛含量进行测量，故本部分拟定如下四个子题目： 超声水处理系统中水温无线传感器节点设计。 超声水处理系统中 PH 值无线传感器节点设计。 超声水处理系统中水浊度无线传感器节点设计。 超声水处理系统中水中甲醛无线传感器节点设计。 以上四个子题目除了选用水质监测所用传感器和应用电路不同外，所需的无线传感器需相同，并统一于同样的网络编址，统一的命令和数据帧传输格式。 三、污水处理装置设计 通过作者所在课题组前期的调研、文献阅读及基础研究表明，超声水处理作为一项极具潜力的 新技术，而加快研制拥有自主知识产权的高频大功率超声驱动设备的步伐，作为突破这项新技术在工程领域实际推广应用的瓶颈的硬件条件，已显得迫在眉睫。 本课题的技术攻坚部分也多集中于此，可以认为本部分为整个超声污水处理系统的“手臂”，它设计的合理性直接影响到系统处理污水的能力。 图 中，标有符号 C 的点是需放置污水处理装置的地方。 该部分主要分为如下几个子课题： 河海大学本科毕业设计（论文） 7 超声水处理装置的功放模块的设计 需要对比现有的各类功放的特点，通过理论分析，设计出最大功率为 100W，最高频率能达到 1MHz 的功率放大器。 超声水处 理装置的匹配网络的设计 在压电超声换能器应用中，匹配电路。