基于物聯(lián)網(wǎng)的污水處理監(jiān)測技術研究

陳婧 楊小令 丁梓恒 鐘書凝 彭星凱

【摘 要】本文以注射流動分析技術（FIA）為基礎，采用先進的單通道順序注射技術，全部使用注射泵和電磁閥，同時將物聯(lián)網(wǎng)技術應用到污水自動化處理系統(tǒng)中去，檢測處理污水包括PH值、色度、化學需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、氨氮、總氮、總磷、懸浮物（SS）、陰離子表面活性劑、石油類、烷基汞、總汞、總鎘、六價鉻、總鉻、總砷、總鉛、糞大腸菌群數(shù)等18項指標，構造一套基于物聯(lián)網(wǎng)的在線式污水處理監(jiān)測系統(tǒng)。

【關鍵詞】污水處理；物聯(lián)網(wǎng)；檢測技術；流動注射分析

中圖分類號： TN929.5；TP391.44；X84 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）16-0022-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.009

【Abstract】Based on injection flow analysis technology （FIA），this wastewater automation system adopts advanced single-channel sequential injection technology，equipped with injection pumps and solenoid valves，by application of the Internet of Things technology to detect and to calculate totally 18 indicators including PH values，Chroma，chemical oxygen demand（COD），biochemical oxygen demand （BOD），ammonia nitrogen，total nitrogen，total phosphorus，suspended solids（SS），anionic surfactants，petroleum，alkyl mercury，total mercury，total cadmium，hexavalent chromium，total chromium， total arsenic，total lead，and fecal coliforms.An online sewage treatment monitoring system can be carried out relied on the Internet of Things.

【Key words】Sewage treatment；Internet of Things；Testing Technology；Flow Injection Analysis

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，水污染問題對經(jīng)濟、生產(chǎn)和人民生活水平造成的損害更加凸顯[1]。在實際工作中發(fā)現(xiàn)，污水處理廠污水處理的監(jiān)測采用傳統(tǒng)手工操作，存在處理繁瑣、檢測效率低、分析周期長、試劑毒性強、對人工具有較強的依賴等缺點。在發(fā)生緊急突發(fā)事件時，不能實時、快速地提供監(jiān)測結果，可能會對水環(huán)境造成難以挽回的損失[2]。因此，在污水處理監(jiān)測時，采用自動監(jiān)測的愿望是迫切的。

1 自動監(jiān)測的意義及難度

自動檢測省去了人工操作繁瑣的操作步驟，集成化、系列化、自動化，且實驗過程處于封閉系統(tǒng)中，減少對外界環(huán)境的污染，分析速率高。樣品在線處理極大地提高了整個分析過程的效率、可靠性和分析速度，可以節(jié)省大量人力、物力的消耗，降低樣品及試劑消耗量以及實驗廢液產(chǎn)量，能夠在較長的時間內(nèi)提供良好的分析性能[3]。

2 總體設計

以提高污水處理監(jiān)測系統(tǒng)的性能價格比為目標。依據(jù)國家標準，確定18項監(jiān)測指標，篩選國內(nèi)品牌的電化學傳感器、光學傳感器、單片機、GPRS模塊、服務器，自主研發(fā)在線式水質(zhì)分析儀。以物聯(lián)網(wǎng)架構，集成相關軟硬件，實現(xiàn)對城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放的在線監(jiān)測。

2.1 順序注射分析技術

1975年之后，流動注射分析（FIA）迅猛發(fā)展[4]，但是其缺點限制了此技術在過程控制分析方面的應用[5]。因此，Ruzicka 和 Marshall于1990年提出了順序注射分析技術[6]（Sequential Injection Analysis，SIA）。

SIA儀器裝置是由溶液驅(qū)動裝置、閥門裝置、儲液管、流通監(jiān)測裝置和帶接口的計算機組合而成[7]。SIA 系統(tǒng)運轉時，泵首先逆向運轉使洗液或載液吸入儲液管，將旋轉閥轉到與試劑通道相連接的位置，吸入試劑。當閥轉動時，泵應停止工作，以防產(chǎn)生壓力波動，樣品以同樣的方式吸入。試劑和樣品按順序注入到儲液管形成堆型區(qū)帶，最后閥轉到檢測器通道，泵正向轉動使流向改變，把堆型區(qū)帶推向檢測器。

溶液驅(qū)動系統(tǒng)中，本文采用注射泵作為驅(qū)動單元，可實現(xiàn)液體流向和流速可變換、抽吸或推動微體積液體準確度高等優(yōu)點；閥門裝置，本文采用電磁閥，出于價格性能高的考慮，此換向閥結構簡單、不易堵塞；同時，裝置中紫外-可見光光度、電化學和原子吸收等檢測器可與不同類型的檢測器相連。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)架構

順序注射分析技術結合先進的物聯(lián)網(wǎng)技術，通過聯(lián)合傳感器，可以對特定的物理、化學環(huán)境進行有效地實現(xiàn)監(jiān)測監(jiān)控，水質(zhì)信息可以自動進行收集。無線傳感器內(nèi)基本存在兩種節(jié)點[8]，首先是采集結點，其次是匯聚節(jié)點。采集節(jié)點利用多跳接力的方法把數(shù)據(jù)聚集進匯聚節(jié)點上，采集結點不僅屬于采集信息的終端節(jié)點，也屬于傳遞信息的中級傳輸節(jié)點。而匯集節(jié)點把整個范圍內(nèi)采集結點獲取的數(shù)據(jù)信息傳輸給遠程的數(shù)據(jù)監(jiān)控人員，用戶也可以對無線節(jié)點進行實時控制。

3 詳細設計

在線式水質(zhì)分析儀配備了系列化試劑，根據(jù)國家標準《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002），可以檢測PH值、色度、化學需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、氨氮、總氮、總磷、懸浮物（SS）、陰離子表面活性劑、石油類、烷基汞、總汞、總鎘、六價鉻、總鉻、總砷、總鉛、糞大腸菌群數(shù)等18項指標。同時，借助光學傳感器和電化學傳感器采集18項指標數(shù)據(jù)。

3.1 各項指標測定方法及試劑

測定色度指標時，本文采用稀釋倍數(shù)法，通過裝置光學傳感器進行轉換，記錄下此時的稀釋倍數(shù)值。測定PH值時，本文采用玻璃電極法?？芍苯咏尤腚娀瘜W傳感器接收PH值，溫度差異在儀器上有補償裝置。測定化學需氧量（COD）時，本文采用重鉻酸鹽法，順序注射重鉻酸鉀溶液，儀器反映指標數(shù)據(jù)。測定生化需氧量（BOD）時，本文采用稀釋與接種法。

測定氨氮時，本文采用蒸餾和滴定法，以甲基紅-亞甲藍為指示劑，用酸標準溶液滴定餾出液中的銨。此含量使用電化學傳感器來測量。測定總氮時，本文采用堿性過硫酸鉀-消解紫外分光光度法。順序注射60℃以上的過硫酸鉀溶液，可使水樣中含氯化合物的氮元素轉化為硝酸鹽，用紫外分光光度法于波長220nm和275nm處測出吸光度，計算出總氮含量。測定總磷時，本文采用鉬酸銨分光光度法。順序注射硫酸鉀使水樣消解，在酸性介質(zhì)中，正磷酸鹽與鉬酸銨反應，生成藍色的絡合物。測定懸浮物（SS）時，本文采用重量法。用光學傳感器測定截留在濾膜上并于103～105℃烘干至恒重的物質(zhì)。

測定陰離子表面活性劑時，采用亞甲藍分光光度法。順序注射亞甲藍溶液，生成物用氯仿萃取，用分光光度計在波長652nm處測量氯仿層的吸光度。測定石油類時，本文采用紅外光度法。將硅酸鎂吸附后的萃取液轉移至比色皿中，以四氯化碳作參比溶液，利用光學傳感器，在固定位置測量相應吸光度，即可計算得到石油類的濃度。

測定烷基汞時，采用氣相色譜法。用帶電子捕獲檢測器的氣相色譜儀測定。測定總汞時，采用冷原子吸收分光光度法。在硫酸-硝酸介質(zhì)及加熱條件下，順序注射高錳酸鉀和過硫酸鉀將試樣消解，再經(jīng)過還原反應后成金屬汞，汽化后載入冷原子吸收測汞儀并測量其吸收值。測定總鎘時，采用原子吸收分光光度法。將水樣直接吸入火焰，在火焰中形成的原子對特征電磁輻射產(chǎn)生吸收，通過光學傳感器比較吸收光度來確定濃度。測定六價鉻時，采用二苯碳酰二肼分光光度法。在酸性水樣中順序注射二苯碳酰二肼，反應生成紫紅色化合物，于波長540nm處進進行分光光度，查得六價鉻含量。

測定總鉻時，采用原子吸收分光光度法。水樣中的鉻離子在火焰溫度下轉變?yōu)榛鶓B(tài)鉻原子蒸氣，對357.9 nm的光輻射產(chǎn)生吸收。測定總砷時，采用二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法。二乙基二硫代氨基甲酸銀-三乙醇胺的氯仿液吸收砷化氫（胂），生成紅色膠體銀，利用光學傳感器在波長530nm處，測量吸收液的吸光度，從而測定總砷含量。測定總鉛時，采用原子吸收分光光度法。測定大腸菌群數(shù)時，采用多管發(fā)酵法測定。糞大腸菌群菌落在M？FC培養(yǎng)基上呈藍色或藍綠色。利用光學傳感器，計數(shù)呈藍或藍綠色的菌落。

3.2 傳感器

基于物聯(lián)網(wǎng)的污水處理監(jiān)測技術設計了無線傳感器網(wǎng)絡，實現(xiàn)對水樣18項指標數(shù)據(jù)的實時采集、處理和傳輸。順序注射技術區(qū)域內(nèi)布設多個觀測點，建立傳感器節(jié)點與匯聚節(jié)點的優(yōu)化部署。

光學傳感器是將被水樣被測量的變化轉換成光信號，測定色度、懸浮物、石油類、總鎘、總砷和大腸菌群數(shù)的量，借助光電元件進一步轉換成電信號表示出來，從而能夠得到監(jiān)測水樣的指標。

4 結語

基于物聯(lián)網(wǎng)架構，本文采用先進的單通道順序注射技術，使用注射泵和電磁閥，設計一套基于物聯(lián)網(wǎng)的在線式污水處理監(jiān)測系統(tǒng)。采用單片機采集檢測數(shù)據(jù)，通過GPRS模塊，發(fā)送到服務器。在服務器內(nèi)，數(shù)據(jù)經(jīng)過存儲、計算、處理、融合，再存儲到數(shù)據(jù)庫中。環(huán)境監(jiān)測部門，通過計算機能夠及時掌握污水處理過程和效果，確保城鎮(zhèn)污水處理達到排放標準。因此，該項技術能在未來污水處理監(jiān)測過程中得到廣泛應用，解決中國的水污染問題。

【參考文獻】

[1]敖旭平，徐斌，金凡，趙佰楓，鄭展望.智慧水務在農(nóng)村生活污水處理中的應用研究[J].2015，31（8）：34-36.

[2]孔忠祥.物聯(lián)網(wǎng)技術在農(nóng)村生活污水治理設施智能監(jiān)管中的應用[J].2015，中國有線電視2015（10），1162-1166.

[3]王軍.智慧水務在污水處理中的設計與應用[J].2015，科技創(chuàng)新導報，2015（30）：166-167.