0 引　言

大型船舶在航行过程中会产生很多污水，这些污水包括生活污水和含油污水，根据交通运输部发布的《400总吨以下内河船舶水污染防治管理办法》，船舶上产生的污水不能任意向河流排放，对不具备处理能力的船舶应当采用合适的容器储存并在靠岸后交由具有相应能力的专业单位进行处理。目前很多国内的船舶还不具备专业的船舶污水处理能力，而直接排放不仅会对环境造成严重污染，同时也违反了相关的法律法规，因而对船舶污水进行集成化处理非常有必要。

目前国内对船舶污水处理主要有2个方向：

1）对船舶污水的集成化处理系统进行研究，主要是使用嵌入式系统来实现，通过对污水进行监测和控制实现对污水处理的目的。于忠凯^[1]基于PLC和触摸屏技术设计了船舶舱底污水处理系统，并建立了相关的污水处理模型，冯楠楠^[2]设计了一种远程监控船舶生活污水的处理装置，这些研究虽然对污水进行了处理，但是缺乏集成化功能，且不能和船舶控制中心联动，因而仍然存在一定进步空间。

2）对船舶污水处理的方法进行研究，包括污水氧化-重力沉淀法（如WCB和WCV）和粉碎消毒（如WCH和WCX）。李玉乐^[3]对船舶上的WCB装置进行了改装，并成功将超滤膜技术应用到船舶的污水处理中，使得船舶污水排放满足IMO法规。郭润泽^[4]使用次氯酸钠对船舶含油污水进行处理，虽然这些研究都取得了不错的效果，但是还没有将这些方法应用于船舶污水的集成化处理系统。

本文在已有研究的基础上提出基于FPGA技术的船舶污水集成化系统，相对于PLC而言，FPGA具有更好的数据处理能力和处理速度，同时也能够支持与船舶控制中心联动，大幅度提升船舶污水处理的自动化水平。

1 船舶污水处理方法原理分析

为了使船舶污水能够达到排放标准，需要对船舶污水进行处理，否则就需要在船舶上建造非常大的污水存储装置。对于大型邮轮而言，由于船舶上人员众多，因而每天都会产生大量的生活污水，如果不能及时处理污水，那么邮轮的航线将会受到极大限制。对船舶的污水进行处理，需要对船舶污水中的成分进行分析，目前国际海事组织对船舶污水中大肠杆菌的数量都有明确规定，因而在污水处理的过程中主要是针对细菌、油污等进行反应分解，使用的污水处理方法包括电化学法、微生物法、高压氧化法等。

1）电化学法。电化学法是目前在船舶污水处理中应用较为成熟的一种方法，主要是通过吸附和过滤将船舶污水中的难溶物分离出来，然后再将剩下的污水进行杀菌处理。但是由于船舶污水的沉淀过程非常依赖污水处理中产生的电场，因而使用该方法时一般装置较为复杂，成本较高，这也限制了该方法的推广和使用^[5]。

2）微生物法。通过向船舶污水中投入微生物来达到分解杂质的目的。目前应用较多的是活性污泥法和生物膜处理法。活性污泥法是针对当前其他方法难以处理的船舶生活污水，通过向水中提供氧气，让细菌在有氧条件下将生活污水中的杂质加以分解，最后得到无害的CO₂和H₂O等物质。生物膜处理法是利用生物膜和生活污水中的杂质充分接触后，利用微生物的作用将其分解。活性污泥法和生物膜处理法在作用原理上极其相似，不同之处在于活性污泥法是利用过滤时水和污泥产生相互作用，从而使得杂质和微生物充分接触，而生物膜处理法则是利用过滤时让杂质和生物膜充分接触。相对于电化学法而言，微生物法在装置的建造上相对比较简单，成本也较低，后期的维护要求也更低，因而目前很多船舶都采用此种方法^[6-7]。

图1为活性污泥法处理船舶污水的结构框图，经过曝气池处理后进行二次沉淀，此时有一些污泥会回流再次进行处理，而一些污泥已经无法处理则直接放入到专门的装置存储，处理过的污水经过检测后，如果达到排放标准则可以正常排放。

3）高压氧化法。船舶排放的生活污水中含大量的细菌，因而通过在一定容器内对生活污水加压加热，使得一部分杂质发生氧化反应，部分不能反应的物质经过沉淀和分离转移到专门的装置存储。但是为了保证高压高温的污水处理环境，同时为了保证污水处理的速度，前期污水处理的成本较高，因而没有被广泛应用。

本文主要采用微生物法对船舶污水进行处理，兼顾了经济性和实用性，同时占用船舶的空间比较小，后期维护的成本也较低。

2 基于FPGA的船舶污水集成化处理系统 2.1 系统整体设计

本文设计的船舶污水集成化处理系统不仅可以监测船舶污水处理过程中的质量，同时还可以对船舶污水处理进行控制，其基本结构如图2所示。

系统包括传感器监控模块、电源模块、触摸屏、FPGA、控制模块以及船舶污水处理控制中心等。各模块的基本功能如下：

1）船舶污水处理控制中心。船舶污水处理控制中心实现和用户直接交互的功能，同时也能够和船舶其他功能模块实现集成和通信。控制中心通过以太网和FPGA进行通信，将控制命令发送到FPGA执行，FPGA将获取的信息反馈到控制中心，控制中心将数据处理后通过图表的形式显示出来，如各类传感器数据的实时和历史采集数据，风机、污泥泵的控制状态等。这些数据的实时显示为船员提供了极大便利，实现了对污水处理的集成化控制，改变了原来对污水处理需要使用不同仪器反复测量然后汇总数据，并通过人工控制的方式去打开阀门或者调节污泥泵转速的状况。

2）传感器监控模块。传感器监控模块是系统的核心组成部分，模块包括了传感器及传感器处理电路。传感器监控模块为系统的污水处理过程提供了数据保障，也为最后的污水排放提供了检验数据标准。

3）电源模块。电源模块为FPGA提供稳定的电源供应，本文采用5 V供电，通过配置电源芯片的方法为FPGA提供稳定的DC3.3V和1.8 V，同时为了保证系统能够持续稳定工作，系统还配置了UPS电源，保证在电力系统异常的情况下系统仍然能够工作。

4）触摸屏。除了在控制中心能够对船舶污水处理系统进行控制外，在船舶污水处理系统中还配置了若干触摸屏，每一个触摸屏都通过Modbus协议和FPGA通信，保证数据的实时传输。触摸屏上不仅提供了可以控制风机、污泥泵等的按钮，同时也能够实时查看相关的传感器数据。

5）FPGA。FPGA是船舶污水集成化处理系统的核心部分，本文采用Spartan 7系列芯片，逻辑单元数量达到102 K，RAM容量为4.2 MB。

6）控制模块。控制模块的功能是控制污水处理过程中所涉及的相关设备，这些设备包括风机、污泥泵、溶解氧、污泥回流等。

2.2 传感监控模块

传感监控模块是污水集成处理系统中的关键。基于FPGA的污水集成化处理系统要对污水处理过程中每一个步骤的水质进行监测，以查看船舶污水处理的效果。为了使船舶污水排放能够满足相关的排放标准，需要使用PH传感器、COD传感器、PAH传感器、溶解氧传感器、电导率传感器等对船舶污水进行测量，并通过这些传感器测量的结果和正常数值比较，以确定系统排放的污水是否达到排放标准。

传感监控模块实现的原理如图3所示。各类传感器在采集船舶污水的PH值、氧化剂消耗量、PAH含油量、电导率以及浊度等数据后，需要对信号进行去噪和放大，这是由于船舶在航行过程中会产生颠簸，同时航行环境一般都处于高湿度和高盐度的环境中，传感器信号会存在很多环境噪声，因而需要设计专门的去噪电路。同时本文所采用的各类传感器电路输出的是电流值或者电压值，都属于模拟量，但传感器采集电路的输出值都较小，因而在模数转换前需要对信号进行放大处理，这样才能被后续的处理器识别。FPGA控制器在前期已经对传感器进行标定的基础上，对传感器数据进行处理，并将其发送到船舶污水处理控制中心。

在传感监控模块中，传感器的选型和相关电路的设计是保证系统功能实现的关键。对系统中涉及的主要传感器选型进行说明：

1）PH传感器。为了保证排出的污水中PH值满足要求，在整个船舶污水处理和排放过程中对水质进行PH值监控。PH传感器通过测量参比电极和测量电极之间的电位差来测得溶液的PH值，本文选择的PH传感器型号为InPro3250i，可以测量的范围为0～14。

2）COD传感器。COD是Chemical Oxygen Demand的简称，使用COD传感器可以测量在船舶污水处理过程中需要被氧化的还原物质的质量。使用AMT-COD300 传感器，采用双波长紫外吸收法，测量精度为±5%F.S。

3）PAH含油量传感器。对船舶污水中的多环芳香烃含量进行测量，本文选择CFS51传感器，它是一款专门为船舶污水处理和排放设计的一款传感器，具有测量精度高和稳定好的优点。PAH含油量传感器的安装对测量具有明显的影响，其安装结构如图4所示。

4）电导率传感器。电导率传感器是利用溶液中分解出的离子能够导电的原理来实现，电导率传感器包括了电感型和电阻型，本文选择SC42系列接触式电导率传感器，其测量范围为2.0～200 000 µS/cm。

5）浊度传感器。浊度传感器是利用LED光源照射船舶污水时，污水会使得光产生折射，通过测量散射光的角度从而获得船舶污水的浊度。采用860nmLED光源，浊度传感器型号为AMT-ZD300，测量范围可以达到0～20.00NTU，完全满足船舶污水检测需求。

2.3 系统测试

对本文设计的系统进行测试，采用化学需氧量（COD）和生物需氧量（BOD）值作为测试标准。首先取若干船舶污水样品，为了避免测试误差，取5组样品，对5组船舶污水样品分别测试COD和BOD值，然后将船舶污水样品使用本文设计的系统进行处理，在系统对污水处理完毕后在控制中心查看排出水的COD和BOD值，最终得到原始样品数据如图5（a）所示，处理后的样品数据如图5（b）所示。可以发现经过系统处理后，船舶污水样品中的COD值和BOD值都降低了很多，且符合GB 3552-2018（COD<60 mg/L、BOD<50 mg/L）的排放标准。

3 结　语

传统的船舶污水处理系统缺乏集成化功能，不能和船舶其他系统联通，本文提出一种基于FPGA的集成化船舶污水处理系统，经过研究得到了以下结论：

1）虽然对船舶污水有很多处理方法，包括电化学法、微生物法以及高压氧化法等，但是从经济效益和实用性上看，微生物法在成本和实用性上具有较大优势；

2）传感器模块在基于FPGA的集成化污水处理系统中占据重要地位，对污水的检测不仅关系到排出水是否符合标准，同时也关系到系统的整体控制性能。本文设计的传感监控模块包含了多种传感器，通过对船舶污水的PH值、氧化剂消耗量、PAH含油量、电导率以及浊度等进行综合判断，使得对污水的检测和判断准确率更高。