电极生物膜去除硝氮的检测控制研究

摘要

为解决水体硝酸盐氮污染，本研究采用电极生物膜法对污水进行自养反硝化处理，并结合电子和生物化学技术，设计以 STM32F103微处理器为核心的检测控制系统，实现对电极生物膜反应器运行状态的检测和控制。　　本研究在硅酸盐水泥中加入一定比例的C、Fe等粉末，设计了能有效防止氧化分解的胶凝材料基电极，并以此为阳极制作了电极生物膜反应器，通过试验得出反应器的适合电流密度为0.09 mA/cm2。在此基础上，设计了以STM32为核心器件的检测控制系统，其中包括了开关电源、信号检测、流量控制等模块，实现对反应器中电压、电流、进水流量、温度、pH值的实时检测以及控制精度为±3％的直流输出，并且通过流量驱动电路反馈控制反应器中硝酸盐氮的去除效果。最后结合1stOpt软件对采样数据进行分析拟合，得出平均误差为2.24%的硝酸盐氮浓度预测公式，并通过编写通信协议的数据帧将数据无差错传输到上位机，实现对反应器的监控。此外，系统还扩展了测试接口以便于后期的调试和升级。　　实验结果表明，本系统通过对水力停留时间和电流密度的调节，控制反应器将水中硝酸盐氮的浓度从43mg/L降到3.6mg/L，并实现了硝酸盐氮浓度的在线检测，测量精度控制在±10%以内。系统运行稳定，性能良好，在去除硝酸盐氮的同时实现对其浓度的在线检测，提供了一种硝酸盐氮去除工艺的新型监控模式。

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第一章 绪论

§1.1研究背景及意义

§1.2国内外电极生物膜去除硝酸盐氮的研究现状

§1.3本论文研究的主要内容

第二章 硝酸盐氮的去除及检测

§2.1硝酸盐氮的去除方法

§2.2电极生物膜法的原理

§2.3电极生物膜反应器设备的制作

§2.4硝酸盐氮浓度的检测方法

§2.5本章小结

第三章 电极生物膜去除硝酸盐氮的检测控制方案

§3.1检测控制系统总方案

§3.2反应器运行参数的确定

§3.3系统反馈控制方式

§3.4本章小结

第四章 检测控制系统硬件设计

§4.1系统硬件的总方案

§4.2 STM32F103微处理器最小系统

§4.3恒流系统模块

§4.4流量控制模块

§4.5 pH检测模块

§4.6温度检测模块

§4.7 RS232串口通信模块

§4.8显示模块

§4.9本章小结

第五章 检测控制系统软件设计

§5.1系统软件设计内容

§5.2上位机软件设计

§5.3下位机控制程序的设计

§5.4本章小结

第六章 系统测试与结果分析

§6.1系统各模块测试

§6.2系统运行效果测试

§6.3本章小结

第七章 总结及展望

§7.1总结

§7.2展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间主要研究成果