譚艷梅*，李麗芳，蔣朝寧

（1.廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，廣西 南寧 530007；2.桂林電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

【環(huán)境保護(hù)】

一種含鉻電鍍廢水智能處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

譚艷梅1,*，李麗芳2，蔣朝寧1

（1.廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，廣西 南寧 530007；2.桂林電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

pH調(diào)節(jié)、氧化還原電位(ORP)控制和比色測定是含鉻廢水還原-沉淀處理的典型方法。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能處理，配置處理終端RTU、Sink節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)系統(tǒng)，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立了面向電鍍廢水處理的無線監(jiān)測網(wǎng)。該系統(tǒng)通信可靠，能實(shí)現(xiàn)廢水處理過程的遠(yuǎn)程監(jiān)控，且大幅提高了精細(xì)化管理水平。

電鍍廢水；處理；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；遠(yuǎn)程監(jiān)控；智能處理

First-author’s address:Department of Electrical Engineering, Guangxi Technological College of Machinery and Electricity, Nanning 530007, China

在電鍍生產(chǎn)中，鍍件及設(shè)備的清洗水、排放的廢鍍液中都可能帶有較多的重金屬離子，處理不當(dāng)或直接排放都會(huì)危害環(huán)境及人體健康。常用物理沉淀法、氧化-還原法、離子交換法、電解法、吸附法、膜分離法(超濾、納濾或反滲透)等[1]處理電鍍廢水。但在工廠化的廢水處理環(huán)節(jié)中，要想取得滿意的治理效果且投入成本最低，較理想的思路是定時(shí)采樣，精細(xì)控制和管理氧化-還原反應(yīng)的程度以及沉淀劑的投放。

pH/氧化還原電位(ORP)在線檢測技術(shù)的應(yīng)用為智能處理電鍍廢水迎來新的發(fā)展契機(jī)。以含鉻廢水為例，建立面向廢水治理的無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)(WSNs)，廢水處理終端(RTU)——監(jiān)控處理節(jié)點(diǎn)和工業(yè)相機(jī)，通過在線檢測pH和ORP來自動(dòng)控制試劑投放，利用計(jì)算機(jī)(PC)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)電鍍廢水處理的智能監(jiān)控和管理。

1 電鍍含鉻廢水監(jiān)控原理

含鉻廢水中含有毒性較大的六價(jià)鉻(104 ～ 374 mg/L Cr2O72-)，常利用還原-沉淀法使之排放達(dá)標(biāo)(總鉻≤1 mg/L，六價(jià)鉻≤0.2 mg/L[1])?；舅悸窞椋河孟2SO4調(diào)整廢水pH為2.5 ～ 3.0；投放NaHSO3并控制氧化還原電位(300 mV)，以便在短時(shí)間內(nèi)將六價(jià)鉻還原為三價(jià)鉻；加微量二苯碳酰二肼并利用視覺比色測定六價(jià)鉻含量；投入石灰使三價(jià)鉻沉淀，整個(gè)處理流程見圖1。根據(jù)該流程，設(shè)計(jì)了圖2所示的主-從無線監(jiān)控拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。主站為監(jiān)控計(jì)算機(jī)，通過USB連接無線模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程收發(fā)控制；從站為監(jiān)控處理節(jié)點(diǎn)，檢測廢水pH和ORP，并根據(jù)工藝流程控制試劑投放。集水池端配置多點(diǎn)監(jiān)控終端，采集廢水pH和ORP，并將此類信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)控計(jì)算機(jī)。采用工業(yè)相機(jī)、流媒體傳輸和二苯碳酰二肼比色監(jiān)測六價(jià)鉻。

圖1 含鉻廢水處理流程Figure 1 Process flow for treating chromium-containing wastewater

圖2 含鉻廢水處理無線拓?fù)銯igure 2 Wireless topology for chromiumcontaining wastewater treatment

2 廢水智能處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2. 1 硬件設(shè)計(jì)

2. 1. 1 無線網(wǎng)絡(luò)配置

工業(yè)無線測控常用的網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)有ZigBee、WiFi、GPRS和UWB等[2]。WiFi測控傳輸效率高，但安全性差，作為電鍍測控網(wǎng)絡(luò)容易受到干擾；GPRS和UWB定點(diǎn)、定位精度高，測控?cái)?shù)傳通信質(zhì)量好，但成本投入較高，不適合中小電鍍企業(yè)實(shí)際應(yīng)用需求；ZigBee主要面向自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)的傳輸設(shè)計(jì)，通信距離適中、傳輸質(zhì)量和效率高，適于電鍍廢水測控網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。

2. 1. 2 廢水處理終端RTU的設(shè)計(jì)

從站RTU對采集變送過程參數(shù)、控制試劑投放有重要的作用，為適應(yīng)電鍍生產(chǎn)和廢水處理工藝需要，其設(shè)計(jì)既要考慮開發(fā)成本，又要顧及系統(tǒng)的兼容性。因此，主控芯片選用ISM頻段的微控制器nRF24E1，該控制器包含獨(dú)立的nRF2401 ZigBee收發(fā)模塊和增強(qiáng)型的8051CPU，見圖3。采用HART協(xié)議的傳感器監(jiān)測廢水pH和ORP，利用HART調(diào)制解調(diào)芯片采集二者信號(hào)到8051內(nèi)核。由流量和各廢水處理環(huán)節(jié)標(biāo)定試劑的添加并反饋控制電磁閥。以pH控制為例，選擇流量為輔環(huán)，pH為主環(huán)，采集廢水pH，估計(jì)所需試劑(H2SO4)流量，控制電磁閥打開并投放試劑。同時(shí)，監(jiān)控pH和注入試劑流量，若pH滿足工藝要求，關(guān)閉電磁閥；若流量達(dá)到估算設(shè)定而pH未滿足要求，則適度減小電磁閥開度，以控制試劑的加入量。

圖3 廢水處理系統(tǒng)Figure 3 Wastewater treatment system

2. 1. 3 遠(yuǎn)程監(jiān)控主站的設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控主站利用8051內(nèi)核開發(fā)的RS232總線將nRF24E1作為ZigBee通信的收發(fā)控制模塊。鍍件制造完成后，廢鍍液和清洗后的含鉻廢水進(jìn)入廢水處理流程，主站PC啟動(dòng)廢水處理系統(tǒng)，利用RS232連接的nRF24E1“喚醒”廢水處理終端RTU。然后RTU初始化終端節(jié)點(diǎn)，校驗(yàn)相關(guān)參數(shù)，并加入到主站PC組建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)主-從站的無線連接。選用遠(yuǎn)距離工業(yè)相機(jī)進(jìn)行六價(jià)鉻的比色，按照廢水處理流程檢測六價(jià)鉻后，由工業(yè)相機(jī)將試劑加入位置的畫面幀通過流媒體上傳到主站PC，并根據(jù)開源的視覺庫分析(基于數(shù)據(jù)庫的Web應(yīng)用)判斷廢水中是否含有六價(jià)鉻。

2. 2 軟件開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

按電鍍廢水的處理過程，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)由終端RTU、PC端轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)等部分組成。其中，終端RTU和PC端轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)功能由C語言編程實(shí)現(xiàn)[3]，利用C#和數(shù)據(jù)庫開發(fā)了上位機(jī)面向廢水處理的Web應(yīng)用。

2. 2. 1 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)(Sink)的網(wǎng)絡(luò)控制

系統(tǒng)初始化完畢，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)nRF2401建立1個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，RTU節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)加入該網(wǎng)絡(luò)。然后按實(shí)際的廢水處理過程設(shè)置中斷位置，若轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)控制器檢測到中斷信號(hào)，8051內(nèi)核控制nRF2401進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，上傳RTU采集的廢水處理信息，并轉(zhuǎn)發(fā)遠(yuǎn)端PC的控制指令，如圖4所示。

2. 2. 2 RTU和視覺功能的實(shí)現(xiàn)

終端RTU被喚醒，經(jīng)校驗(yàn)后加入主站轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)組建的ZigBee網(wǎng)路。當(dāng)遠(yuǎn)端PC要監(jiān)控廢水處理過程時(shí)，RTU采集過程參數(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)試劑加入，并經(jīng)Sink節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)以供上位機(jī)監(jiān)控。廢水處理結(jié)束后，上位機(jī)發(fā)出指令，RTU控制二苯碳酰二肼的加入，經(jīng)工業(yè)相機(jī)和流媒體傳輸，檢測是否含有六價(jià)鉻，如圖5所示。

圖4 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)控制Figure 4 Network control of sink node

圖5 RTU和視覺功能實(shí)現(xiàn)Figure 5 RTU and visual function realization

2. 2. 3 上位機(jī)監(jiān)控Web應(yīng)用

將Sink節(jié)點(diǎn)和ZigBee通信所得監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫，根據(jù)廢水處理流程和要求，開發(fā)了一系列Web應(yīng)用來分析、處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)Figure 6 PC monitoring system

通過ADO.NET連接數(shù)據(jù)庫與包含了許多針對廢水處理的應(yīng)用的Web服務(wù)器。通過Web瀏覽器，選擇所要監(jiān)測的過程和RTU地址，向目的站點(diǎn)發(fā)出應(yīng)用請求，站點(diǎn)按監(jiān)控需要，在Web界面實(shí)時(shí)顯示廢水處理過程。

2. 3 無線組網(wǎng)測試

2. 3. 1 材料與設(shè)備

試劑(碳酸飲料、自來水和洗衣皂溶液)，帶pH電極的ZigBee監(jiān)測節(jié)點(diǎn)3個(gè)，帶pH電極的收發(fā)終端1個(gè)，其中pH電極的電位精度為0.01 mV，而常溫下1.00 mV對應(yīng)的標(biāo)稱pH約為0.017。

2. 3. 2 試驗(yàn)步驟

先用收發(fā)終端的pH電極(有線)依次測出3份試劑稀釋前后的pH電位，記錄為實(shí)際值，而ZigBee監(jiān)測節(jié)點(diǎn)(無線)獲得的pH電位作為測量值。通過比較有線和無線監(jiān)測電位，從而評價(jià)無線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測精度。

2. 3. 3 情況說明

(1) 未喚醒時(shí)，節(jié)點(diǎn)工作電流約為0.9 μA；節(jié)點(diǎn)收數(shù)據(jù)時(shí)，最大耗電24 mA；在線轉(zhuǎn)發(fā)pH電位時(shí)，耗電保持約為38 mA，滿足廢水監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)低耗電的要求。

(2) 該監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的造價(jià)合理，所需硬件投入不足千元，而節(jié)點(diǎn)的供電也完全可由普通干電池提供，服役周期能達(dá)1個(gè)季度。

(3) 監(jiān)測結(jié)果見表1。由表1可知，稀釋前后pH電位波動(dòng)最大為4.81 mV，常溫下pH精度變化約為0.081，相比酸化過程控制的pH寬度(?pH = 0.5)，該系統(tǒng)具有較高的控制和監(jiān)測精度。

表1 組網(wǎng)監(jiān)測結(jié)果Table 1 Network monitoring results

3 結(jié)語

(1) 結(jié)合含鉻廢水的還原-沉淀治理和檢測工藝，創(chuàng)新性給出一種電鍍廢水處理的新思路：配置廢水處理終端RTU、Sink節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)PC，利用ZigBee無線通信和Web服務(wù)，開發(fā)了電鍍廢水智能處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可監(jiān)控電鍍廢水處理過程，通信質(zhì)量好，RTU和Sink節(jié)點(diǎn)在距離150 m時(shí)數(shù)傳能力仍較強(qiáng)。

(2) 系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，各組成投入成本低，檢測精度高，耗電低，適于中小電鍍企業(yè)治理廢水需求，并能達(dá)到精細(xì)控制和管理廢水的目的。

[1] 石泰山. 電鍍廢水治理方案淺談[J]. 電鍍與精飾, 2014, 36 (12)： 41-46.

[2] 李文仲, 段朝玉. ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)[M]. 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社, 2007： 5-13.

[3] 丁恩杰, 蹤曉志. 基于nRF24E1和DS18B20的無線測溫系統(tǒng)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2010 (11)： 60-62.

[ 編輯：杜娟娟 ]

Design of an intelligent system for treatment of chromium-containing electroplating wastewater

TAN Yan-mei*,LI Li-fang, JIANG Chao-ning

Adjustment of pH, oxidation reduction potential (ORP) control, and colorimetric determinations are the typical approaches for treating wastewater containing chromium by reduction/precipitation method. A wireless monitoring network for electroplating wastewater treatment was established based on a ZigBee network by configuring RTU treatment terminals, sink nodes, and PC systems, for realizing remote monitoring and intelligent treatment. This system is reliable in communication, with which the remote monitoring in wastewater treatment process can be achieved, raising the level of refined management greatly.

electroplating wastewater; treatment; wireless sensor network; remote monitoring; intelligent control

X781.1; TP29

A

1004 - 227X (2015) 15 - 0864 - 04

2015-03-25

2015-05-14

譚艷梅（1977-），女，廣西河池人，碩士，副教授，主要從事電子信息與通信工程應(yīng)用研究與開發(fā)。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) t_yanmei@126.com。