何為 欒輝 馬琳

（中國(guó)石油安全環(huán)保技術(shù)研究院H SE檢測(cè)中心）

水污染在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的探究

何為 欒輝 馬琳

（中國(guó)石油安全環(huán)保技術(shù)研究院H SE檢測(cè)中心）

針對(duì)石油系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布較廣且處于野外，基于傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用受到限制的情況，在研究了3 G網(wǎng)絡(luò)原理和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了適合在廣闊地域或野外作業(yè)的水污染無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。污染源實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)可以在“無人值守”的狀態(tài)下，使企業(yè)的環(huán)境工作者更細(xì)致地了解廢水排放的污染情況。

環(huán)境監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)采集；3 G網(wǎng)絡(luò)

0 引 言

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保重視程度的與日俱增，污水處理和水環(huán)境的整治取得了豐碩的成果，很多水源的水質(zhì)都有了一定程度的改善。然而水資源污染是一個(gè)歷史遺留問題，想要徹底根治需要經(jīng)歷很長(zhǎng)的過程。改善水體質(zhì)量根治水污染在很長(zhǎng)一段時(shí)間都將是關(guān)注的重點(diǎn)［1-2］。

在這樣嚴(yán)峻的環(huán)境下，國(guó)家環(huán)保部門、各生產(chǎn)企業(yè)對(duì)水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)越來越重視。以中國(guó)石油天然氣氣集團(tuán)公司（以下簡(jiǎn)稱集團(tuán)公司）為例，在全國(guó)39家企業(yè)設(shè)置了80個(gè)廢水監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)指標(biāo)包含：流量、C O D濃度及排放量、氨氮濃度及排放量、p H值等。目前，各廢水監(jiān)測(cè)點(diǎn)無線3 G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸?shù)郊瘓F(tuán)公司污染源在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，由集團(tuán)公司環(huán)境監(jiān)測(cè)總站根據(jù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)制作日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)以及年報(bào)，使各企業(yè)環(huán)保部門可以及時(shí)掌握生產(chǎn)過程中污水處理情況以及污染物排放的變化趨勢(shì)。

集團(tuán)公司污染源在線監(jiān)控項(xiàng)目不僅有利于相關(guān)環(huán)保部門可以得到第一手的有效數(shù)據(jù)，更重要的是方便集團(tuán)公司對(duì)污染源超標(biāo)的生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行管理，有利于對(duì)環(huán)境污染事故及時(shí)采取預(yù)防和制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。該項(xiàng)目對(duì)污水監(jiān)測(cè)涉及污水實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制原理、電子與通信、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫和信息系統(tǒng)建設(shè)多領(lǐng)域的技術(shù)。簡(jiǎn)單的說，該系統(tǒng)可以分為兩個(gè)部分：第一部分是各監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)的搜集污染物指標(biāo)；第二部分是通過電子科學(xué)技術(shù)將這些指標(biāo)實(shí)時(shí)的信息在系統(tǒng)中呈現(xiàn)出來。

1 污水監(jiān)測(cè)分析方法

污水在線自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)以自動(dòng)分析儀器為核心，利用現(xiàn)代傳感器技術(shù)和自動(dòng)測(cè)量技術(shù)對(duì)污水中的污染物指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，下面針對(duì)中國(guó)石油集團(tuán)污染源在線監(jiān)測(cè)的水污染指標(biāo)的分析做簡(jiǎn)單的說明。

1.1 C O D指標(biāo)分析方法

在強(qiáng)酸性和加熱的條件下，用K2Cr2O7（重鉻酸鉀）將水中的有機(jī)物和無機(jī)還原物氧化，通過測(cè)K2Cr2O7的消耗量來計(jì)算廢水中的C O D值，在整個(gè)測(cè)量過程中，為避免氯離子干擾，采用了H gSO4溶液，并且采用Ag2SO4溶液作為測(cè)量反映的催化劑［3］。程序式C O D自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，工作原理如圖1所示。

程序式C O D檢測(cè)設(shè)備主要性能指標(biāo)如下：

可選量程10～200，10～500，10～1 000，10～2 000，10～5 000，10～5 000 m g/L。測(cè)量誤差±5%，重現(xiàn)性誤差±3%，最小測(cè)量周期30 min。

1.2 氨氮指標(biāo)分析方法

水溶液中的氨氮是以游離氨（N H3）或離子氨（N H4+）形態(tài)存在的有：氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、有機(jī)氮，它們之間是可以相互轉(zhuǎn)換的［4］。在實(shí)際生產(chǎn)中的氨氮監(jiān)測(cè)時(shí)，采用納氏比色法氨氮全自動(dòng)在線分析設(shè)備，其原理見圖1。

將污水樣本采集至反應(yīng)室中，將經(jīng)過掩蔽除去干擾的氨或銨離子與反應(yīng)液充分反應(yīng)，得到棕黃色的絡(luò)合物，絡(luò)合物的色度與氨氮含量成正比例，通過光電比色法監(jiān)測(cè)出與該色度相對(duì)應(yīng)的電壓，用運(yùn)算放大器放大后將這個(gè)模擬信號(hào)傳送給數(shù)據(jù)采集設(shè)備。具體工作原理如圖2所示［5］。

圖1 程序式C O D檢測(cè)設(shè)備原理

圖2 氨氮指標(biāo)測(cè)量設(shè)備工作原理

其中，納氏比色法氨氮全自動(dòng)在線分析設(shè)備主要性能指標(biāo)如下所示。

測(cè)量范圍：N H3-N，0～120 m g/L；測(cè)量下限：0.2 m g/L；循環(huán)時(shí)間：13，15，20或30 min（可選）；校正：每8，12或者24 h（可選）。

1.3 p H值分析方法

p H值的測(cè)定是水分析中最經(jīng)常也是最重要的分析項(xiàng)目之一，是評(píng)價(jià)水質(zhì)非常重要的指標(biāo)參數(shù)，可以反映水質(zhì)的酸堿性［6］。采用玻璃電極法測(cè)量廢水的p H值，其儀器結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 pH值測(cè)量?jī)x器結(jié)構(gòu)

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析

在污染源在線檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)中，數(shù)據(jù)采集是指用傳感器將廢水中的污染物指標(biāo)轉(zhuǎn)換為4～20 m A電流或1～5 V電壓模擬量，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再由P C機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析以及顯示。數(shù)據(jù)采集技術(shù)融合了傳感器技術(shù)、信號(hào)測(cè)量的多種技術(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)視、控制以及管理中扮演著非常重要的角色。

通過比較各種數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，選擇3 G網(wǎng)絡(luò)作為該系統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)。不僅可以滿足在分布廣闊的野外完成數(shù)據(jù)采集的傳輸，也可以在信號(hào)較好的情況下上傳分鐘和小時(shí)數(shù)據(jù)，相對(duì)經(jīng)濟(jì)便捷。整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，選擇低功耗高效處理能力的A R M處理器作為數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的核心C P U，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、3 G網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、系統(tǒng)電源等模塊配合A R M處理器完成數(shù)據(jù)采集功能。

2.1 基于3 G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作流程

首先，將污染物指標(biāo)的模擬信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，并將信號(hào)傳送到A R M處理器中，將數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝。然后，通過串口通信，將數(shù)據(jù)傳送給3 G網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，該模塊自帶T C P/IP協(xié)議，將數(shù)據(jù)在適合3 G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)哪Ｊ较逻M(jìn)行分包打包，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至Internet，數(shù)據(jù)通過Internet傳輸?shù)轿廴驹丛诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上。事實(shí)上，就是C/S架構(gòu)，每一個(gè)數(shù)據(jù)采集終端就是一個(gè)客戶端，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是服務(wù)器端，在服務(wù)器端和客戶端之間建立了基于3 G網(wǎng)絡(luò)的T C P/IP傳輸通道。

2.2 數(shù)據(jù)采集硬件結(jié)構(gòu)

所使用的數(shù)據(jù)采集終端是基于A R M內(nèi)核的處理器，主要包含：A R M微處理器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘模塊、3 G網(wǎng)路傳輸模塊以及系統(tǒng)供電模塊。硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 硬件結(jié)構(gòu)框示意

2.3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

在軟件設(shè)計(jì)中，為了更高效的利用硬件設(shè)備資源，為后續(xù)功能擴(kuò)展留有空間，在嵌入式操作系統(tǒng)中編寫了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦?，使得A R M微處理器可以直接運(yùn)行程序，執(zhí)行采集和傳輸命令，增加了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，具體軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 硬件結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

本文研究的水污染在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是一種無人值守的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集水污染源指標(biāo)，連續(xù)監(jiān)控的監(jiān)管系統(tǒng)。用高效的A R M處理器作為控制核心，充分利用3 G網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的水污染源監(jiān)測(cè)傳感器定時(shí)采集數(shù)據(jù)，并及時(shí)與控制中心實(shí)時(shí)通信。使企業(yè)的環(huán)境工作者可以“足不出戶”的細(xì)致了解生產(chǎn)企業(yè)的廢水排放的污染情況，有實(shí)用價(jià)值和推廣意義。

［1］ 徐麗.淺談環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展［J］.環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2010（29）：115-118.

［2］ AviOstfeld M，ASCE EladSalomons.Optimal Layout of Early Warning Detection Stations for Water Distribution Systems Security［J］.Water Resources Planning and Management，2004（10）：377-385.

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（編輯 李娟）

10.3969/j.issn.1005-3158.2015.05.021

1005-3158（2015）05-0071-03

2015-02-22）

何為，2015年畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子與通信工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)在中國(guó)石油安全環(huán)保技術(shù)研究院H SE檢測(cè)中心從事環(huán)境檢測(cè)工作。通信地址：北京市昌平區(qū)沙河鎮(zhèn)西沙橋西中國(guó)石油創(chuàng)新基地A座，102206