成都市污水水質在線監測系統應用分析

張振宇 何鑫 李華麗 周兵奇

【摘要】城市污水的處理對一個城市來說是一項非常必要的工程，城市污水包括生活污水和工業污水，而這些污水中包括各種生物病毒、固體顆粒、有機物、重金屬等有毒有害物質。對于一個城市來說，污水的處理格外重要，而對于污水處理來說，水中污染物的種類和含量就顯得格外重要，因此，加強水質監測，根據污水水質具體情況進行“私人定制式”的污水處理方案可以大大減少污水處理的時間，提高污水處理的效率。

【關鍵詞】成都市；城市污水；在線監測；“私人定制”

成都市主城區每天產生的污水約有170萬噸，而且還在以每年10%的速度遞增，而主城區的只有十座污水處理廠，總的日處理污水的能力只有234萬噸，以這樣的發展速度，2020年之后成都市主城區污水的產生量將超過這十座污水處理廠的處理能力范圍，污水處理廠進入飽和狀態。據中國污水處理工程網上的資料，成都市還在進行三、四、五、八污水處理廠的擴能招標，可見成都市的污水處理現狀不容樂觀，各個污水處理廠的負荷較大，要想較好的解決成都市污水處理的現狀，除了擴建現有污水處理廠和新建污水處理廠之外，我們還可以在不影響污水處理效果的前提之下，通過減少污水處理時間來實現。如何解決這一個矛盾，這就需要建立一個污水水質在線監測系統，通過溶解氧傳感器、PH傳感器等監測污水中氧氣含量、酸堿度、氮磷含量和重金屬含量等污水相關數據，通過ZigBee網絡將數據發送到電腦終端，電腦通過分析這些數據得出污水在曝氣池中所停留的最少的時間，在活性污泥池中培養的最少時間。通過這個實時污水在線水質監測系統，我們可以根據進入污水處理廠污水的具體情況，為這些污水提供專門的解決方案，以便減少污水處理時間和提高污水處理的效率。

1、水質監測系統的目標

1.1 通過安裝污水水質監測傳感器可以準確的獲取污水中氧氣含量、氮磷含量、大腸桿菌數量、PH值、有機物的含量、重金屬含量等相關數據，而且傳感器能夠穩定的工作，快速的響應，能為后續計算機處理提供可靠的數據支持。

1.2 傳感器定時的采集數據，并且將數據通過ZigBee網絡和GSM網絡及時的傳輸到計算機服務器上，根據成都市污水廠所劃分的不同區域，實時監測污水的水質狀況，并且實現水質監測系統投資費用少、運行費用低、適應性強、維修簡單和具有一定的靈活性。

1.3 數據處理中心能夠根據傳感器的所收集的數據，將這些數據分析轉換成為針對污水的具體處理方案，將污水在曝氣池、接觸氧化池和污泥培養池等不同階段的處理時間進行準確的計算，使污染物含量不盡相同的污水能夠被處理達到國家排放的標準，跟以前采用的傳統活性污泥曝氣池的6～8個小時相比，這種根據污水具體的情況制定的曝氣時間顯然更加合理有效。與此同時，在三級處理的時候，也可以根據污水中氮磷的具體含量確定加入生物處理劑的量，節省運行成本。

1.4 對成都市污水所處的不同區域進行有目的的分析，找出區域污染的重點項目，從而做出有針對性的治理。當某些區域污水水質的一些指標嚴重超標的時候，我們可以第一時間知道，第一時間做出相應的動作，通過水質監測系統的數據，一步一步的找到污染物的源頭，將污染控制在我們人為可控的范圍之內。針對某些企業的亂排亂放的不道德行為，我們可以及時知道，并通知相應部門對不法企業進行整改，不至于對我們的環境造成更大的危害。

2、成都市污水水質監測系統的設計

2.1 污水水質監測傳感器的選擇。對于傳感器的選擇，基本要求就是能夠準確的測量，并且可以實現連續的測量。水中溶解氧的含量，我們可以采用OOS61熒光法溶解氧傳感器進行檢測，實現溶解氧濃度的連續測量，而且OOS61熒光法溶解氧傳感器在準確性方面表現的也較好；對于氮磷這種無法用傳感器直接測量的污染物含量，我們可以在監測點設立簡單的采樣點，用儀器進行自動化的分析，之后再通過ZigBee網絡傳輸到總的匯集節點上。PH值的測量可以直接采用PH傳感器。

2.2 污水處理傳感器的布置。污水處理的傳感器所采集到的數據要求準確、全面，這就對污水傳感器的布置提出了一定的要求，我們根據同一水流斷面污染物的分布不均的特點，采用立體式布置采集信息的傳感器的方式，即在污水的表層、中層、底層各布置一個傳感器，對水流斷面的三個位置的氧氣含量、氮磷含量、大腸桿菌含量、PH值、有機物含量、重金屬含量等進行測量，綜合分析；為了將污水處理廠所管轄的污水區域的水質準確的反映出來，我們還將在幾個污水管道匯集地方都布置立體式傳感器，從而將這片區域污水的水質較為全面、準確的反映給計算機，為后續計算機分析處理數據，提出污水處理方案提供有效的數據支持。

2.3 污水水質在線監測系統結構設計。考慮到成本和功耗的因素，我們采用ZigBee網絡和GSM網絡相結合的方式，GSM網絡覆蓋范圍廣、性能完善，并且本身就具體有較強的數據糾錯能力，ZigBee技術組成的無線傳感器網絡的結構簡單、體積小、成本低，滿足我們的設計要求。體結構設計如圖一所示。

針對我們采用的立體式布置污水傳感器的特點，樹型拓撲結構更加適合我們的污水水質在線監測系統，而且考慮到后期可能有新的污水處理廠的新建，樹型拓撲結構還可以很方便的擴展，使后期系統設計的成本減少。由于沒有一種適合所有場景的無線傳感器網絡的通用路由協議，因此我們這里采用楊陽提出的一種改進過的路由協議——ZiCL算法，即基于ZigBee技術和分簇路由的思想的一種路由協議。組網的時候，先用ZigBee協調器建立一個簇首，再將簇首分為幾個簇的節點，由這個節點在分管一片區域。計算機監測中心的軟件系統我們采用朱曉舒等人ZigBee技術的水質監測系統的設計與實現中用的QT編寫的場景顯示模式軟件，將檢測系統的界面分為實時數據顯示模塊、數據庫模塊、網絡通訊模塊和控制命令模塊，控制人員可以通過這個界面和計算機進行交互。具體傳感器的布置我們可以在每一個斷面設置一個中央節點，再將斷面三個位置的污水信息匯總到中央節點上，最后將中央節點的信息匯總到一個總的匯聚節點，通過GSM網絡將信息傳輸到計算機終端，計算機將收集到的信息進行分類分析，針對污水的具體情況，得出“私人定制式”的污水處理方案，將有效的縮短污水的處理時間和提高污水處理的效果。

2.4 污水水質在線監測系統功能的實現。計算機服務終端在接收到匯聚節點發送過來的水質狀況的相關數據后，在以前的污水處理的相關數據的基礎上，計算得出一個污水處理的方案，將污水在曝氣沉砂池、初沉池、A/O池、二沉池、接觸池所呆的時間計算出來，以便于減少污水處理的周期，除此之外，計算機還可以得出一個最優的污水處理系統的進水量，根據楊岸明等人的研究發現，過多或者過少水量都會使污水處理設施的負荷產生影響，從而使污水處理的及結果達不到理想的效果。例如，我們通過城市污水水質監測傳感器得到污水中有機物的含量，計算機在以前污水處理的經驗上，得出這時刻水中的有機物在達到排放標準的情況之下，需要在曝氣生物池中曝氣多長時間，這時候只要達到這個曝氣時間我們就可以排放污水。同樣的，若采用AO工藝來處理污水的話，我們可以根據計算機分析的數據，確定一個最優的水力停留時間，最適合的進水量，加入污泥的濃度、數量及污泥齡等，使硝化和反硝化的時間和效果達到最佳，這樣我們可以將污水處理的時間縮短，污泥添加量的確定，就避免了以前污水處理廠水質檢測總是在污水處理之后，沒有達到排放標準又繼續處理這種反復的模式，將污水處理后檢測這一步驟省略，大大簡化工作程序。

3、結語

成都市的污水處理現狀令人堪憂，污水產生的量每年都在以較快的速度增加，現有的污水處理廠對污水的處理能力有限，現在大多數的解決方式采用的是對現有的污水處理進行擴容或者新建一些污水處理廠，這樣就會增加污水處理的投資，而采用在線水質監測系統加上計算機分析得出的最佳處理方案對污水進行處理，可以大大縮短污水處理的周期，將各個污水處理階段的處理時間縮減到最合理的水平，從而可以增加污水處理廠的日處理量，從一定程度上緩解了污水產生量和污水處理量之間的矛盾。同時對于突發性污染事件，在線水質監測系統還可以及時的監測到污染，及時發出警報，讓人能夠及時采取措施，使事件在一個可控的范圍之內。

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