基于GPRS的印染企業(yè)污水處理

李秀忠 鐘造勝 陳思濤

摘 要：針對目前印染企業(yè)污水處理監(jiān)控系統(tǒng)存在的投資成本大，布線復(fù)雜，監(jiān)控不及時有效等不足之處，采用GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)設(shè)計出印染企業(yè)污水處理遠程監(jiān)控系統(tǒng)。將分布在不同地點的多個印染工廠的現(xiàn)場污水處理監(jiān)控參數(shù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)狡髽I(yè)總部監(jiān)控中心和環(huán)保部門監(jiān)控中心，使得監(jiān)控數(shù)據(jù)及時、真實有效，同時減輕了企業(yè)的投資成本和運營成本。污水處理現(xiàn)場儀表的檢測數(shù)據(jù)通過RS-485總線傳輸?shù)絾纹瑱C控制器，提高了信號傳輸?shù)挠行浴?/p>

關(guān)鍵詞：遠程監(jiān)控系統(tǒng)；GPRS網(wǎng)絡(luò)；污水處理；印染企業(yè)

1 前言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，環(huán)境污染問題是當(dāng)前面臨的主要社會問題之一，日趨嚴(yán)重的水污染，已成為人類健康、經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重大障礙，為世界性的頭號環(huán)境治理課題[1]。水污染正在由淺層向深層發(fā)展，地下水和近海域海水也正在受到污染。工業(yè)廢水是水污染的主要源頭[2-3]，造成水污染不斷惡化的其中主要原因之一是監(jiān)控技術(shù)手段落后，企業(yè)排放廢水的監(jiān)測數(shù)據(jù)不能在線實時傳送到環(huán)保部門，造成監(jiān)管不及時或不到位。針對這一情況，本文研究一種基于GPRS的印染企業(yè)污水處理遠程監(jiān)控系統(tǒng)，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)在移動終端和計算機之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，企業(yè)排放廢水的監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)江h(huán)保部門和企業(yè)總部監(jiān)控中心計算機，實現(xiàn)了遠程無線實時集中監(jiān)控。該系統(tǒng)用無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，污水處理現(xiàn)場到監(jiān)控中心之間無需布線，現(xiàn)場無人值守，按傳輸流量計費，節(jié)約了企業(yè)投資和運營成本，數(shù)據(jù)傳輸實時，監(jiān)管及時[4]。

2 遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 GPRS網(wǎng)絡(luò)

GPRS（General Packet Radio Service）通用分組無線服務(wù)技術(shù)，具有傳輸速率高、實時在線、按流量計費、覆蓋范圍廣等特點。GPRS 是在GSM的基礎(chǔ)上建立的移動網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在傳統(tǒng)的GSM 網(wǎng)絡(luò)中引入了3 個新的組件：PCU（ Packet Control Unit，分組控制單元） 、SGSN（ Serving GPRS Support Node，服務(wù)支持節(jié)點） 和GGSN （ Gateway GPRS Support Node，網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點） ，支持IP協(xié)議和X. 25協(xié)議，使得GPRS能提供Internet和其它分組網(wǎng)絡(luò)的全球性無線接入。GPRS通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由GPRS監(jiān)控終端（應(yīng)用電路和GPRS DTU）、GPRS網(wǎng)絡(luò)（基站、服務(wù)支持節(jié)點、網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點）、Internet網(wǎng)、監(jiān)控中心計算機等組成。應(yīng)用電路采集和處理后的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到GPRS DTU，經(jīng)GPRS DTU處理后的分組數(shù)據(jù)發(fā)送到GSM基站，分組數(shù)據(jù)再經(jīng)SGSN封裝和GGSN協(xié)議轉(zhuǎn)換后，發(fā)送到Internet網(wǎng)絡(luò)，最終數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控中心計算機。在本文中監(jiān)控中心計算機采用公網(wǎng)固定IP地址方式接入Internet[5-6]。在監(jiān)控中心計算機上運行監(jiān)控軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)、顯示、存儲、查詢和輸出打印。監(jiān)控中心的控制信息亦通過此通信鏈路下達至GPRS DTU和應(yīng)用電路，來自Internet標(biāo)識有GPRS DTU地址的數(shù)據(jù)包，由GGSN接收，再轉(zhuǎn)發(fā)SGSN，繼而通過基站傳送到GPRS DTU，再通過串口傳送至應(yīng)用電路。

2.2 遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

某印染集團企業(yè)有4個設(shè)在不同地方相距較遠的印染工廠，若采用有線方式，監(jiān)控數(shù)據(jù)點多，布線復(fù)雜，4個工廠不能實現(xiàn)統(tǒng)一集中監(jiān)控，每個工廠都要建立一套監(jiān)控系統(tǒng)，投資成本大[7]，運營成本高，并且不能將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)江h(huán)保部門。本文研究的基于GPRS的印染企業(yè)污水處理遠程監(jiān)控系統(tǒng)如圖2所示，由4個污水處理現(xiàn)場控制器、GPRS模塊、觸摸屏、污水處理裝置、GPRS網(wǎng)絡(luò)、Internet網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)集團總部監(jiān)控中心計算機、環(huán)保部門監(jiān)控中心計算機等組成。污水處理現(xiàn)場控制器用單片機作處理器，現(xiàn)場檢測儀表通過RS-485總線Modbus協(xié)議與單片機之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過單片機處理后經(jīng)GPRS模塊發(fā)送至GPRS網(wǎng)絡(luò)，再通過GPRS網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)絀nternet網(wǎng)絡(luò)，最后監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)江h(huán)保部門和企業(yè)集團總部監(jiān)控中心計算機，同時企業(yè)監(jiān)控中心計算機也可向污水處理現(xiàn)場控制器發(fā)出控制指令，控制現(xiàn)場設(shè)備運行。觸摸屏用于污水處理現(xiàn)場設(shè)備操作控制、參數(shù)設(shè)置、監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示、趨勢曲線、報表輸出、歷史數(shù)據(jù)查詢等。本文在實際應(yīng)用中單片機選擇宏晶STC15F60S2單片機，GPRS模塊選擇西門子MC55模塊，觸摸屏選擇威綸通TK6070觸摸屏。

2.3 污水處理控制器設(shè)計

污水處理控制器由單片機、檢測儀表、泵、鼓風(fēng)機、GPRS模塊、觸摸屏等組成，如圖3所示。單片機作為處理器，采集現(xiàn)場各種檢測儀表信號[8]，通過編程實現(xiàn)對整個污水處理系統(tǒng)的控制。現(xiàn)場檢測儀表提升泵流量計用于控制進入混凝沉淀池的污水量，加約泵流量計用于控制混凝沉淀池的混凝劑加藥量，鼓風(fēng)機流量計用于控制接觸氧化池的曝氣量，排污口流量計用于計量污水排放量，污泥泵流量計用于控制和計量進入壓濾機的污泥量。CODcr檢測儀、BOD5檢測儀、SS檢測儀、色度檢測儀、pH檢測儀用于檢測進水口、調(diào)節(jié)池、混凝沉淀池、水解酸化池、接觸氧化池、二沉池等各監(jiān)測點的CODcr、BOD5、SS、色度、pH值。由于現(xiàn)場檢測儀表多，并且安裝較分散，與控制器相距甚遠，所以本系統(tǒng)檢測儀表采用RS-485總線通信方式，各檢測儀表掛接在RS-485總線上，這樣避免了長距離傳輸造成信號衰減，同時也避免了復(fù)雜的布線，信號傳輸更穩(wěn)定可靠。所以檢測儀表選擇帶RS-485 Modbus RTU通信協(xié)議接口的儀表，如不帶RS-485接口，則選擇加裝一個4-20mA模擬量信號轉(zhuǎn)RS-485數(shù)字信號轉(zhuǎn)換模塊。提升泵用于將污水從調(diào)節(jié)池提升至混凝沉淀池，加藥泵用于添加混凝劑，污泥泵用于將污泥池中的污泥抽取到脫泥車間。觸摸屏通過RS-232串口與單片機相連，用于現(xiàn)場監(jiān)控。GPRS模塊通過RS-232串口與單片機相連，用于將單片機檢測得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心計算機，同時接收監(jiān)控中心發(fā)送來的指令并傳送給單片機。

2.4 系統(tǒng)程序設(shè)計

系統(tǒng)程序由污水處理現(xiàn)場單片機控制程序和遠程監(jiān)控程序組成。單片機控制程序主要完成系統(tǒng)初始化、現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場控制設(shè)備驅(qū)動、GPRS通信、觸摸屏通信等功能。單片機采集現(xiàn)場各污水處理池的參數(shù)，按設(shè)定的處理工藝自動控制各泵、閥、風(fēng)機等的起停，實現(xiàn)污水達標(biāo)排放。其中的GPRS通信程序主要完成GPRS初始化、網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)通信、關(guān)閉連接等功能，將現(xiàn)場污水處理參數(shù)無線發(fā)送到環(huán)保部門和企業(yè)總部的監(jiān)控中心計算機，同時接收監(jiān)控中心發(fā)送來的控制指令。觸摸屏通信程序主要完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)起?？刂?、監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲及顯示、報表輸出、歷史數(shù)據(jù)查詢等本地監(jiān)控功能。遠程監(jiān)控程序主要通過GPRS網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)污水處理遠程監(jiān)視、故障診斷、遠程維護等功能。

3 污水處理工藝

印染企業(yè)污水是一種水量大、色度高、組分復(fù)雜、水質(zhì)變動范圍大、溫度高的較難處理有機污水[9-12]，針對這些特點本文采用調(diào)節(jié)、混凝沉淀、水解酸化、接觸氧化、二沉的處理工藝，如圖4所示。印染企業(yè)車間廢水經(jīng)過格柵將廢水中含有大量的布毛、線頭、纖維碎屑等懸浮物去除后，經(jīng)調(diào)節(jié)池對水質(zhì)、水量進行調(diào)節(jié)，同時進行預(yù)沉淀、預(yù)曝氣、降溫處理。調(diào)節(jié)池中的廢水經(jīng)提升泵抽取到混凝沉淀池，在混凝沉淀池中投加鐵鹽、鋁鹽等無機混凝劑，混凝劑在水中先發(fā)生水解、聚合等化學(xué)反應(yīng)，生成的水解、聚合產(chǎn)物再與水中的顆粒發(fā)生靜電中和、粒間加橋、粘附卷掃等作用，生成粗大的混凝體再經(jīng)沉淀除去。本文選擇聚合氯化鋁鐵（PAFC）作為混凝劑，PAFC具有絮凝速度快、礬花大、沉降性能好等特點，并具有良好的除濁、脫色和去除COD性能，原料來源廣泛，成本低廉，廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水處理中。混凝沉淀有效減少對后續(xù)生化處理的沖擊負荷，提高了廢水的可生化性。

經(jīng)混凝沉淀處理后的廢水進入水解酸化池，在厭氧條件下，通過厭氧菌的水解胞外酶作用，使長鏈大分子有機物降解為短鏈小分子有機物，不溶性有機物水解為溶解性有機物，提高廢水的可生化性，使污水在后續(xù)的好氧池以較小的能耗和較短的停留時間得到處理，從而提高了污水的處理效率，并減少了污泥生成量。布水均勻與攪拌充分是水解酸化處理的關(guān)鍵，在水解酸化池底采用多點脈沖布水，通過攪拌使污泥和廢水充分混合，提高了廢水的水解酸化處理效果。經(jīng)水解酸化處理后的廢水進入接觸氧化池，通過鼓風(fēng)機曝氣，向水體充氧，在有氧條件下，污水中的有機物不斷被生物膜中的微生物吸附、氧化分解。曝氣的目的一是供給微生物新陳代所需的氧量，二是使污泥與廢水充分混合，達到攪拌的目的。曝氣量控制是關(guān)鍵，本文中根據(jù)接觸氧化池中溶解氧量自動調(diào)節(jié)曝氣強度。污水經(jīng)過接觸氧化處理后，流入二沉池，經(jīng)泥水分離后的上清液達標(biāo)排放。物化污泥和生化污泥經(jīng)濃縮后，通過污泥泵進入帶式壓濾機進行污泥脫水處理，泥餅定期清運處理。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用GPRS網(wǎng)絡(luò)對一個企業(yè)集團分布在不同地方的多家印染工廠進行污水處理遠程無線集中監(jiān)控，同時將監(jiān)控數(shù)據(jù)實時傳送到環(huán)保部門，使得監(jiān)控及時、真實、有效，減輕了企業(yè)污水處理監(jiān)控系統(tǒng)的投資成本和運營成本。現(xiàn)場單片機采用RS-485總線方式進行數(shù)據(jù)采集，避免了現(xiàn)場檢測儀表因長距離的復(fù)雜布線而造成信號的衰減，提高了信號傳輸?shù)挠行?。?jīng)實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，可廣泛應(yīng)用于印染企業(yè)實現(xiàn)對污水處理的遠程無線集中監(jiān)控。

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作者簡介：李秀忠（1970—），男，四川達州人，碩士，副教授，主要研究方向為自動控制技術(shù)。