水污染在線監測系統的探究

何為 欒輝 馬琳

（中國石油安全環保技術研究院H SE檢測中心）

水污染在線監測系統的探究

何為 欒輝 馬琳

（中國石油安全環保技術研究院H SE檢測中心）

針對石油系統環境監測點分布較廣且處于野外，基于傳統有線網絡的數據采集系統應用受到限制的情況，在研究了3 G網絡原理和數據采集系統基礎上，設計了適合在廣闊地域或野外作業的水污染無線數據采集系統。污染源實時在線監控系統可以在“無人值守”的狀態下，使企業的環境工作者更細致地了解廢水排放的污染情況。

環境監測；數據采集；3 G網絡

0 引 言

隨著國家對環保重視程度的與日俱增，污水處理和水環境的整治取得了豐碩的成果，很多水源的水質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歷很長的過程。改善水體質量根治水污染在很長一段時間都將是關注的重點［1-2］。

在這樣嚴峻的環境下，國家環保部門、各生產企業對水質的實時監測越來越重視。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家企業設置了80個廢水監測點，監測指標包含：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，各廢水監測點無線3 G網絡進行實時測量數據的傳輸到集團公司污染源在線監測系統中，由集團公司環境監測總站根據各監測點的實時數據制作日報、周報、月報以及年報，使各企業環保部門可以及時掌握生產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控項目不僅有利于相關環保部門可以得到第一手的有效數據，更重要的是方便集團公司對污染源超標的生產企業進行管理，有利于對環境污染事故及時采取預防和制定相應的應急預案。該項目對污水監測涉及污水實時數據監測、自動控制原理、電子與通信、計算機數據庫和信息系統建設多領域的技術。簡單的說，該系統可以分為兩個部分：第一部分是各監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將這些指標實時的信息在系統中呈現出來。

1 污水監測分析方法

污水在線自動檢測技術以自動分析儀器為核心，利用現代傳感器技術和自動測量技術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自動檢測設備，工作原理如圖1所示。

程序式C O D檢測設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換的［4］。在實際生產中的氨氮監測時，采用納氏比色法氨氮全自動在線分析設備，其原理見圖1。

將污水樣本采集至反應室中，將經過掩蔽除去干擾的氨或銨離子與反應液充分反應，得到棕黃色的絡合物，絡合物的色度與氨氮含量成正比例，通過光電比色法監測出與該色度相對應的電壓，用運算放大器放大后將這個模擬信號傳送給數據采集設備。具體工作原理如圖2所示［5］。

圖1 程序式C O D檢測設備原理

圖2 氨氮指標測量設備工作原理

其中，納氏比色法氨氮全自動在線分析設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常也是最重要的分析項目之一，是評價水質非常重要的指標參數，可以反映水質的酸堿性［6］。采用玻璃電極法測量廢水的p H值，其儀器結構原理如圖3所示。

圖3 pH值測量儀器結構

2 數據采集系統分析

在污染源在線檢測系統發中，數據采集是指用傳感器將廢水中的污染物指標轉換為4～20 m A電流或1～5 V電壓模擬量，然后通過模數轉換器（A/D）將其轉換為數字量，再由P C機對數據進行存儲、分析以及顯示。數據采集技術融合了傳感器技術、信號測量的多種技術，在工業生產監視、控制以及管理中扮演著非常重要的角色。

通過比較各種數據傳輸網絡，選擇3 G網絡作為該系統的傳輸網絡。不僅可以滿足在分布廣闊的野外完成數據采集的傳輸，也可以在信號較好的情況下上傳分鐘和小時數據，相對經濟便捷。整個數據采集系統，選擇低功耗高效處理能力的A R M處理器作為數據采集處理系統的核心C P U，實時數據存儲模塊、3 G網絡傳輸模塊、系統電源等模塊配合A R M處理器完成數據采集功能。

2.1 基于3 G網絡的數據采集系統工作流程

首先，將污染物指標的模擬信號通過A/D轉換器變為數字信號，并將信號傳送到A R M處理器中，將數據進行封裝。然后，通過串口通信，將數據傳送給3 G網絡傳輸模塊，該模塊自帶T C P/IP協議，將數據在適合3 G網絡傳輸的模式下進行分包打包，并根據網絡傳輸協議將數據發送至Internet，數據通過Internet傳輸到污染源在線監測系統上。事實上，就是C/S架構，每一個數據采集終端就是一個客戶端，在線監測系統就是服務器端，在服務器端和客戶端之間建立了基于3 G網絡的T C P/IP傳輸通道。

2.2 數據采集硬件結構

所使用的數據采集終端是基于A R M內核的處理器，主要包含：A R M微處理器、A/D轉換模塊、數據存儲模塊、時鐘模塊、3 G網路傳輸模塊以及系統供電模塊。硬件結構如圖4所示。

圖4 硬件結構框示意

2.3 系統軟件結構

在軟件設計中，為了更高效的利用硬件設備資源，為后續功能擴展留有空間，在嵌入式操作系統中編寫了數據采集和數據傳輸的程序，使得A R M微處理器可以直接運行程序，執行采集和傳輸命令，增加了整個系統的可靠性，具體軟件架構如圖5所示。

圖5 硬件結構

3 結束語

本文研究的水污染在線監測系統，是一種無人值守的實時監測采集水污染源指標，連續監控的監管系統。用高效的A R M處理器作為控制核心，充分利用3 G網絡，實現對生產現場的水污染源監測傳感器定時采集數據，并及時與控制中心實時通信。使企業的環境工作者可以“足不出戶”的細致了解生產企業的廢水排放的污染情況，有實用價值和推廣意義。

［1］ 徐麗.淺談環境監測技術的現狀和發展［J］.環境科學導刊，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年畢業于西安電子科技大學電子工程學院電子與通信工程專業，碩士，現在中國石油安全環保技術研究院H SE檢測中心從事環境檢測工作。通信地址：北京市昌平區沙河鎮西沙橋西中國石油創新基地A座，102206