何為 欒輝 馬琳

（中國石油安全環(huán)保技術(shù)研究院H SE檢測中心）

水污染在線監(jiān)測系統(tǒng)的探究

何為 欒輝 馬琳

（中國石油安全環(huán)保技術(shù)研究院H SE檢測中心）

針對石油系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測點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)。污染源實時在線監(jiān)控系統(tǒng)可以在“無人值守”的狀態(tài)下，使企業(yè)的環(huán)境工作者更細致地了解廢水排放的污染情況。

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

0 引 言

隨著國家對環(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歷史遺留問題，想要徹底根治需要經(jīng)歷很長的過程。改善水體質(zhì)量根治水污染在很長一段時間都將是關(guān)注的重點［1-2］。

在這樣嚴峻的環(huán)境下，國家環(huán)保部門、各生產(chǎn)企業(yè)對水質(zhì)的實時監(jiān)測越來越重視。以中國石油天然氣氣集團公司（以下簡稱集團公司）為例，在全國39家企業(yè)設(shè)置了80個廢水監(jiān)測點，監(jiān)測指標包含：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)測點無線3 G網(wǎng)絡(luò)進行實時測量數(shù)據(jù)的傳輸?shù)郊瘓F公司污染源在線監(jiān)測系統(tǒng)中，由集團公司環(huán)境監(jiān)測總站根據(jù)各監(jiān)測點的實時數(shù)據(jù)制作日報、周報、月報以及年報，使各企業(yè)環(huán)保部門可以及時掌握生產(chǎn)過程中污水處理情況以及污染物排放的變化趨勢。

集團公司污染源在線監(jiān)控項目不僅有利于相關(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公司對污染源超標的生產(chǎn)企業(yè)進行管理，有利于對環(huán)境污染事故及時采取預(yù)防和制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。該項目對污水監(jiān)測涉及污水實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、自動控制原理、電子與通信、計算機數(shù)據(jù)庫和信息系統(tǒng)建設(shè)多領(lǐng)域的技術(shù)。簡單的說，該系統(tǒng)可以分為兩個部分：第一部分是各監(jiān)測點實時的搜集污染物指標；第二部分是通過電子科學技術(shù)將這些指標實時的信息在系統(tǒng)中呈現(xiàn)出來。

1 污水監(jiān)測分析方法

污水在線自動檢測技術(shù)以自動分析儀器為核心，利用現(xiàn)代傳感器技術(shù)和自動測量技術(shù)對污水中的污染物指標進行測量，下面針對中國石油集團污染源在線監(jiān)測的水污染指標的分析做簡單的說明。

1.1 C O D指標分析方法

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

程序式C O D檢測設(shè)備主要性能指標如下：

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

1.2 氨氮指標分析方法

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、有機氮，它們之間是可以相互轉(zhuǎn)換的［4］。在實際生產(chǎn)中的氨氮監(jiān)測時，采用納氏比色法氨氮全自動在線分析設(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)測出與該色度相對應(yīng)的電壓，用運算放大器放大后將這個模擬信號傳送給數(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檢測設(shè)備原理

圖2 氨氮指標測量設(shè)備工作原理

其中，納氏比色法氨氮全自動在線分析設(shè)備主要性能指標如下所示。

測量范圍：N H3-N，0～120 m g/L；測量下限：0.2 m g/L；循環(huán)時間：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值的測定是水分析中最經(jīng)常也是最重要的分析項目之一，是評價水質(zhì)非常重要的指標參數(shù)，可以反映水質(zhì)的酸堿性［6］。采用玻璃電極法測量廢水的p H值，其儀器結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 pH值測量儀器結(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機對數(shù)據(jù)進行存儲、分析以及顯示。數(shù)據(jù)采集技術(shù)融合了傳感器技術(shù)、信號測量的多種技術(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，也可以在信號較好的情況下上傳分鐘和小時數(shù)據(jù)，相對經(jīng)濟便捷。整個數(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，實時數(shù)據(jù)存儲模塊、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，將污染物指標的模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號，并將信號傳送到A R M處理器中，將數(shù)據(jù)進行封裝。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)測系統(tǒng)上。事實上，就是C/S架構(gòu)，每一個數(shù)據(jù)采集終端就是一個客戶端，在線監(jiān)測系統(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)存儲模塊、時鐘模塊、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)計中，為了更高效的利用硬件設(shè)備資源，為后續(xù)功能擴展留有空間，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行程序，執(zhí)行采集和傳輸命令，增加了整個系統(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)測系統(tǒng)，是一種無人值守的實時監(jiān)測采集水污染源指標，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)，實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場的水污染源監(jiān)測傳感器定時采集數(shù)據(jù)，并及時與控制中心實時通信。使企業(yè)的環(huán)境工作者可以“足不出戶”的細致了解生產(chǎn)企業(yè)的廢水排放的污染情況，有實用價值和推廣意義。

［1］ 徐麗.淺談環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展［J］.環(huán)境科學導刊，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.

［3］ Regan Murray.Water and Homeland Security：An Introduction［J］.Joural of Contemporary water Research and Education，2004，10（129）：1-2.

［4］ William H VanderSchalie，Tommy R Shedd.Using Higher Organisms in Biological Early Warning Systems for Real-time Toxicity［J］.Biosensors&Bioelectronics，2001（16）：457-465.

［5］ Jost Borcherding.Ten Years of Practical Experience with the Dreissena—M onitor，A biological Early Warning System for Continuous Water Quality M onitoring［J］. Hydiobiologia，2006，556：368-374.

［6］ McCormick P V.Algae as Indicators of Environ mental Change［J］.A pplied Phycol，1994，6（5）：509-526.

（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電子工程學院電子與通信工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)在中國石油安全環(huán)保技術(shù)研究院H SE檢測中心從事環(huán)境檢測工作。通信地址：北京市昌平區(qū)沙河鎮(zhèn)西沙橋西中國石油創(chuàng)新基地A座，102206