城市污水處理在線監(jiān)測管理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

陳傳星　康孝友

摘要：文章描述了國內(nèi)城市污水縫理現(xiàn)狀和使用在線監(jiān)測的必要性、可行性，總結(jié)了在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容與監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成。城市污水處理在線監(jiān)測管理系統(tǒng)和傳統(tǒng)監(jiān)測方式相比，具有對在線監(jiān)測設(shè)備非正常運轉(zhuǎn)情況以及對污水偷排、超標(biāo)排放、設(shè)備閑置等情況實現(xiàn)自動報警，自動生成數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表，系統(tǒng)運行費用低等優(yōu)點，因此，國內(nèi)應(yīng)建議制定統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)范城市污水處理在線監(jiān)測管理系統(tǒng)的建設(shè)、運行和使用維護，實現(xiàn)對城市污水處理廠的及時、集中管理。

關(guān)鍵詞：城市污水處理；在線監(jiān)測；管理系統(tǒng)；數(shù)據(jù)通訊；數(shù)據(jù)處理

中圖分類號：X832

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-2374(2009)14-0004-03

當(dāng)今世界水環(huán)境面臨水資源短缺和水污染加重兩大問題，造成水污染的主要原因是工業(yè)廢水、農(nóng)田排水及城鄉(xiāng)生活污水的大量排放，使地面水和地下水水質(zhì)日趨惡化，水污染的加重加劇了水資源的緊張、制約了經(jīng)濟的發(fā)展、危害著人類的健康。水環(huán)境的嚴(yán)峻迫使人類加強了對水污染控制的重視、增強了水污染治理的力度、加快了水污染治理的速度。無論是末端治理或源頭治理(清潔生產(chǎn))，都需要對處理過程中的水質(zhì)參數(shù)進行迅速、準(zhǔn)確、適時的在線監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整工藝過程，以保證裝置的效率和處理效果。

一、國內(nèi)城市污水處理現(xiàn)狀

國內(nèi)城市污水處理起步較晚，自上世紀(jì)七八十年代開始，對污水處理才開始給予重視，70年末開始在天津興建紀(jì)莊子污水處理廠標(biāo)志著國內(nèi)城市污水治理的開始。隨著改革開放大好形勢的不斷深入，尤其是國家“七五”、“八五”、“九五”期間，大量的有關(guān)污水治理的科技攻關(guān)課題的建立，我國的污水處理事業(yè)也得到了快速的發(fā)展，國內(nèi)污水處理的新技術(shù)、污泥處理的新技術(shù)、再生水回用的新技術(shù)都取得了豐碩的成果，并且某些項目達到了國際先進水平。近年來，各級地方府及有關(guān)部門對城市污水治理更加重視，將其作為當(dāng)前和今后一段時期基本建設(shè)和環(huán)境保護領(lǐng)域中重點支持的產(chǎn)業(yè)之一，城市污水處理領(lǐng)域出現(xiàn)了前所未有的發(fā)展速度，城市污水處理廠以及城市污水處理率都得到了迅猛發(fā)展，截至2005年6月底，全國還有297個城市沒有建成污水處理廠。我國政府2010的目標(biāo)是完善全國50％城市地區(qū)的污水處理設(shè)施，中等城市(縣級市)的污水處理能力至少達到60％，各省級直轄市的污水處理能力超過70％?，F(xiàn)階段國內(nèi)污水治理狀況與國外發(fā)達國家相比。還存在著處理率不高、設(shè)施相對分落后、工藝有待完善、管理還比較落后等缺點，同時還存在著污水處理廠建設(shè)有效投資利用率及處理出水率達標(biāo)低等諸多問題。

二、城市污水處理廠在線監(jiān)測的優(yōu)點、必要性與可行性

(一)在線監(jiān)測的優(yōu)點

污水處理主管部門采用傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方法，時間覆蓋率低，樣品缺乏科學(xué)性和代表性，因此對污水處理廠的實際處理水量、水質(zhì)情況不了解，缺乏監(jiān)管依據(jù)，無法核定城市污水處理廠的真實運行成本和年運行費用，出現(xiàn)了管理上的真空點。城市污水處理的在線監(jiān)測，則可以改變以往監(jiān)管技術(shù)手段落后的局面，提升了城市污水處理監(jiān)測水平，提高了監(jiān)管效率，節(jié)省了人力和財力，降低了監(jiān)管成本，有效地遏制了污水處理企業(yè)偷停、偷排等違規(guī)現(xiàn)象的發(fā)生，避免了環(huán)境的二次污染，有效發(fā)揮了財政資金的投資效用。監(jiān)測管理系統(tǒng)長期連續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)還將為適合某個地域特點的污水處理工藝、處理規(guī)模及編制區(qū)域性污水處理規(guī)劃提供依據(jù)。同時，監(jiān)測管理系統(tǒng)的應(yīng)用還將在規(guī)范污水處理企業(yè)的市場準(zhǔn)入、制定城市污水處理收費標(biāo)準(zhǔn)及加強政府監(jiān)管職能等方面起到深遠的影響。

(二)在線監(jiān)測的必要性

近年來，國內(nèi)加大了以城鎮(zhèn)污水處理廠建設(shè)為重點的環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施投入，城市污水處理廠的有效運行對于削減污染物排放量、改善水環(huán)境、促進水資源有效利用發(fā)揮了重要作用，是緩解水資源匱乏的重要舉措。要加強污水處理廠的管理、實現(xiàn)污水處理廠的自動化控制，必須有一套完整的自動化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括檢測、控制和管理。根據(jù)《城市污水處理工程項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，新建的Ｉ、Ⅱ類規(guī)模污水處理廠宜采用集中管理和監(jiān)視、分散控制的計算機控制系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)應(yīng)能夠監(jiān)視主要設(shè)備的運行工況與工藝參數(shù)，提供超限報警及制作報表等功能，對有條件的生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動控制。新建的V類、Ⅳ類規(guī)模污水處理廠宜采用微型計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或儀表檢測系統(tǒng)，在重要工藝環(huán)節(jié)應(yīng)設(shè)置檢測儀表，有條件時可實現(xiàn)單元自動控制。原有和新建的V類及以下規(guī)模的污水處理廠可根據(jù)實際情況，采用繼電器控制或手動控制。所有自動控制的設(shè)備與工藝單元均應(yīng)具備手動操作條件。實踐已經(jīng)證明。污水處理過程的自動監(jiān)測和控制，能夠在節(jié)約人力、物力、提高生產(chǎn)效率并降低能耗的前提下保證出水水質(zhì)，而且可以及時對工藝進行調(diào)整?？傊?jīng)濟、合理地配置在線監(jiān)測儀器，對整個污水廠安全、可靠、科學(xué)的運行起了重要的作用。

(三)在線監(jiān)測的可行性

水質(zhì)在線監(jiān)測管理系統(tǒng)是一套以在線自動分析儀器為核心，運用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、自動測量技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)以及通信網(wǎng)絡(luò)所組成的一個綜合性的在線自動監(jiān)測系統(tǒng)。一套完整的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)，能連續(xù)、及時、準(zhǔn)確地監(jiān)測目標(biāo)水域的水質(zhì)及其變化狀況，有效地起到環(huán)境監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)督作用。我國于1988年在天津設(shè)立了第一個水質(zhì)連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)，以后在上海、北京等地也先后建立了水質(zhì)連續(xù)自動監(jiān)測站。目前我國在松花江、遼河、海河、黃河、淮河、長江、珠江、太湖、巢湖、滇池等流域建設(shè)了82個水質(zhì)自動監(jiān)測站。我國的污水處理領(lǐng)域已逐步應(yīng)用在線監(jiān)測系統(tǒng)。

三、在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容

(一)COD及BOD

目前COD的測定方法主要是重鉻酸鉀回流法，分析一個樣品耗時2個多小時。難以滿足COD在線監(jiān)測和總量控制的要求。而最先進的COD在線檢測儀用真氧或OH基取代重鉻酸鉀作氧化劑。分解有機物的能力更強，反應(yīng)時間更短。

BOD的在線檢測，一般采用總的氧氣消耗量減去微生物自呼吸消耗的氧氣消耗量，即可得出廢水中物質(zhì)分解過程中所消耗的氧氣總量，即BOD。

(二)pH值

目前國內(nèi)pH值的測定采用電位測定法，應(yīng)用最廣泛的是玻璃電極，pH值和輸出電壓成線性關(guān)系，并且和溫度有關(guān)，當(dāng)高精度測量時需要對溫度進行補償。國際上先進的pH計采用分子蝕刻工藝的玻璃電極，可以有效的克服鋰、鉀、鈉離子引起的誤差。適當(dāng)調(diào)節(jié)測控儀的不靈敏帶寬度，可以克服中和過程中pH值變化非線性引起的問題。

(三)濁度

當(dāng)前濁度計均采用EPA認(rèn)可的散射測濁法。在濁度計的使用中，定標(biāo)是其核心內(nèi)容，比較先進的標(biāo)定方法是采用濁度玻璃。這種玻璃立方體的濁度值不會隨時間、溫度而變，無需經(jīng)常定標(biāo)，而且操作簡便，無損于操作人員的健康，解決了以往濁度標(biāo)定的困難。

(四)溫度

溫度是水質(zhì)監(jiān)測的一個基本參數(shù)，用來校正那些隨溫度而變的參數(shù)，如pH、DO等，以及監(jiān)視水的溫度。傳感元件一般采用鉑電阻溫度計。

(五)電導(dǎo)率

無電極電導(dǎo)率傳感器適用于測量污水，不易被污染，不易結(jié)垢。與智能化儀表配套使用時，不僅可以測控電導(dǎo)率。還可以測控溶液的濃度，拓寬了儀表的應(yīng)用范圍。

(六)溶解氧(DO)

常用的溶解氧傳感器是膜傳感器，然而這種膜傳感器有不夠穩(wěn)定、需經(jīng)常維護的缺點。目前世界新型的溶解氧傳感器采用的是三電極結(jié)構(gòu)，這種傳感器具有測量精度高、可進行溫度補償、能發(fā)現(xiàn)電解質(zhì)惡化的自診斷功能；選用抗污染力強的膜作為測量元件，適用于污水處理等惡劣環(huán)境，可以在具有重金屬的固體懸浮液及含有硫化氫的情況下使用；其感應(yīng)頭壽命長，調(diào)換方便，維護工作量小。

(七)氨氮

氨氮的測定方法通常有鈉氏劑比色法、苯酚一次氯酸鹽(或水楊酸一次氯酸鹽)比色法和電極法等。鈉試劑比色法具有操作簡便、靈敏等特點，水中鈣、鎂和鐵等金屬離子、硫化物、醛、酮類、顏色以及混濁等均干擾測定，需作相應(yīng)的預(yù)處理；苯酚一次氯酸鹽比色法具有靈敏和穩(wěn)定等優(yōu)點，干擾情況及消除方法同鈉氏劑比色法；氨氣敏電極法通常不需對水樣預(yù)處理，而且具有測量范圍寬等特點。

(八)磷

目前世界先進的過程在線的磷表，所用的方法為鉬蘭比色法，運行費用較高。如美國ROSE-MOUNT公司的Chempure和HACH公司的5000系列過程在線磷分析儀，均是用鉬蘭比色法的原理。

四、在線監(jiān)測管理系統(tǒng)的構(gòu)成

(一)監(jiān)測點在線儀器監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測點在線儀器監(jiān)測系統(tǒng)是指在各污水處理廠進(出)口現(xiàn)場監(jiān)測點安裝在線監(jiān)測儀器，利用其監(jiān)測探頭和傳感器，通過二次表采集水量、水質(zhì)參數(shù)。污水廠的進水在線監(jiān)測儀器一般安裝在進水泵房至沉砂池的直管段上，出水監(jiān)測儀器安裝于消毒池后。流量計的選擇應(yīng)根據(jù)不同的進出水管道(渠)型式而定。在線監(jiān)測儀器的選擇要遵循測量精度高、故障率低、使用壽命長、價格低廉和售后服務(wù)方便的原則。

(二)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)是在現(xiàn)場監(jiān)測點安裝數(shù)據(jù)采集通訊設(shè)備，實時采集在線儀表監(jiān)測儀器的輸出數(shù)據(jù)，自動對采集的數(shù)據(jù)進行初步處理、顯示、存儲，并利用通訊網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到預(yù)先設(shè)定的具有固定IP地址或者域名的監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務(wù)器端口上。

數(shù)據(jù)傳輸方式主要分為有線傳輸、無線傳輸兩大類。由于要在一定面積區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，受地形、氣候、監(jiān)測范圍等因素影響，采用何種傳輸方式?jīng)Q定了很大比例的工程建設(shè)成本和系統(tǒng)運行費用。通過比較認(rèn)為，污水處理系統(tǒng)不適合采用有線傳輸和無線電臺等數(shù)據(jù)傳輸方式，而應(yīng)用GPRS作為城市污水處理在線監(jiān)測管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸手段是可行而且科學(xué)的。由于目前中國移動GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，具有應(yīng)用廣泛、實時性強、遠程控制、建設(shè)成本低、運行費用少、監(jiān)控范圍廣、數(shù)據(jù)傳送速率高、系統(tǒng)的傳輸容量大等顯著特點。采用GPRS數(shù)據(jù)傳輸方案能保證數(shù)據(jù)傳輸快捷、可靠、準(zhǔn)確，使整個系統(tǒng)靈活性、高效性、可擴展性得到保障，適宜空間地域遼闊、地形復(fù)雜的數(shù)據(jù)遠距離傳輸，配合靈活的資費方式，具有良好的性價比優(yōu)勢。

(三)監(jiān)測中心信息管理系統(tǒng)

監(jiān)測中心信息管理系統(tǒng)是指應(yīng)用數(shù)據(jù)庫技術(shù)、GIS地理信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)等，完成對上傳數(shù)據(jù)的存儲、備份、統(tǒng)計、分析和動態(tài)管理。其主要功能有：

1.數(shù)據(jù)通訊和數(shù)據(jù)處理。監(jiān)測中心數(shù)據(jù)通訊由一臺單獨通訊服務(wù)器運行完成，實現(xiàn)以下功能：對現(xiàn)場監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行自動定時輪回數(shù)據(jù)采集、隨機數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)采集；具有接收和發(fā)送短信息，對現(xiàn)場監(jiān)測點的數(shù)據(jù)采集遠程通訊設(shè)備查詢、設(shè)定參數(shù)和遙控功能；具備并行通訊處理能力，可同時與全部監(jiān)測點通訊。

監(jiān)測中心數(shù)據(jù)處理由數(shù)據(jù)處理服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器運行完成，數(shù)據(jù)處理能力包括：數(shù)字平滑處理；設(shè)置域值——剔除異常值，計算平均值、最大值、最小值、累計值等；具有智能化的數(shù)據(jù)處理功能，對采集到的原始數(shù)據(jù)，按照擬訂好的數(shù)據(jù)修正約定、彌補規(guī)則等數(shù)據(jù)處理規(guī)則進行處理后，形成二級準(zhǔn)用數(shù)據(jù)庫，然后從二級數(shù)據(jù)庫中處理數(shù)據(jù)生成各種統(tǒng)計報表和統(tǒng)計圖形，具備對監(jiān)測數(shù)據(jù)和統(tǒng)計值的組合查詢；具有數(shù)據(jù)備份和數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出功能和手工錄入數(shù)據(jù)的功能。

2.系統(tǒng)參數(shù)配置和管理。通過服務(wù)器上的參數(shù)設(shè)置軟件，系統(tǒng)管理員可以進行用戶權(quán)限劃分，設(shè)置不同用戶的不同操作權(quán)限及相應(yīng)監(jiān)測點的控制權(quán)限；可以方便靈活地對監(jiān)測點進行增加、刪除、修改，對監(jiān)測項目進行增加、刪除、修改；建立管理日志，對系統(tǒng)參數(shù)、背景數(shù)據(jù)進行查詢和統(tǒng)計，按事先設(shè)定的條件進行查詢、保存，制成報表打印；向現(xiàn)場監(jiān)測站點發(fā)送控制命令，設(shè)置和修改數(shù)據(jù)采集設(shè)備的運行參數(shù)，并通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備控制在線監(jiān)測儀器的工作狀態(tài)，對系統(tǒng)的整體運行或前端設(shè)備的狀況進行監(jiān)測和管理。

3.信息監(jiān)測管理。監(jiān)測中心內(nèi)部通過局域網(wǎng)采用B/S方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和管理，同時利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對各級城市污水處理主管部門授予不同的訪問權(quán)限，提供實時在線監(jiān)測信息，實現(xiàn)資源共享。

五、結(jié)語

城市污水處理在線監(jiān)測管理系統(tǒng)和傳統(tǒng)監(jiān)測方式相比，具有對在線監(jiān)測設(shè)備非正常運轉(zhuǎn)情況以及對污水偷排、超標(biāo)排放、設(shè)備閑置等情況實現(xiàn)自動報警，自動生成數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表，系統(tǒng)運行費用低等優(yōu)點。因此國內(nèi)應(yīng)建議制定統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范城市污水處理在線監(jiān)測管理系統(tǒng)的建設(shè)、運行和使用維護，實現(xiàn)對城市污水處理廠的及時、集中管理。