（市政工程专业论文）广州市污水处理厂水质在线监测系统应用研究.pdf

摘要 摘要 随着我国经济建设的飞速发展和人们环保意识的增强，在线监测技术开始应 用于污水处理厂的水质监溅 本文首先对国内外水质在线监测系统的应用现状进行了介绍，并以广州市污 水处理厂水质在线监测系统为例，对其系统组成、原理、技术要点及各部分功能 如何实现进行了深入的探讨。 然后本文进行了对比实验( 自动在线监测和实验室手工检测) ，并运用数理 统计的方法对实验结果进行分析。结果表昵在线监测系统监测数据真实可靠，能 够应用于污水处理厂的监督和运行管理。 本文最后以猎德污水处理厂二期工艺( u m 髓n 目为研究对象，对如何应用 在线监测系统对污水处理过程进彳亍优化，实现经济运行进行了研究和探讨。重点 研究了在不影响有机物和氮氮去除效果的情况下，实现对曝气量的优化控制研 究分析表明，应用水质在线监测系统可以实现对曝气量的优化控制，获得较好的 经济效益。 关键词：污水处理厂水质在线监测系统、对比实验、曝气量、优化控制 广卅大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t o u rc o u n t r y se c o n o m i cc o n s t r u c t i o ni sr a p i d l yd e v e l o p i n ga n dt h e p e o p l e se n v i r o n m o n t a lp r o t e c t i o nc o n s c i o u s n e s si sd a i l ye n h a n c i n g ， s ot h et e c h n i q u eo fo n - ii n em o n i t o r i n gb e g i n st ob eu s e di nw a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n go fs e w a g et r e a t m e n tp l a n t s f i r s t ，t h ea r t i c l ea n a l y z e sw a t e rq u a l i t yo n - l i n em o n i t o r i n ga p p l i c a t i o ns t a t u sa th o m ea n da b r o a d 罾a k et h ew a t e rq u a l i t yo n l i n ei o l l i t o r i n gs y s t e mo fs e w a g et r e a t m e n tp l a n t si ng u a n g z h e uf o ri n s t a n c e ， t h ea r t i c l ei n v e s t i g a t e sc o m p o n e n t 、p r i n c i p a l 、m a i nt e c h n i c a li s s u e s a n df u n c t i o no ft h es y s t e mi nd e p t h s e c o n d ，t h ea r t i c l ed o e st h ec o m p e t i t i v ee x p e r i m o n t ( o n - l i n e m o n i t o r i n ga n dh a n dt e s t i n g ) ，a n da p p l i e st h em e t h o do fm a t h e m a t i c a l s t a t i s t i c so nt h er e s u l t t h er e s u l te x p r e s s e st h a tt h ed a t am o n i t o r e d b yo n - i i n em o n i t o r i n gs y s t e mi st r u e ，c a nb eu s e di nw a s t ew a t e rp l a n t s s u p e r v i s i o na n do p e r a t i o m a tl a s t ，t h ea r t i c l es t u d i e so fl i e d e ss e c o n dp h a s e ( u n i t a n k ) ，a n d r e s e a r c h e sa n dd i s c u s s e st h a th o wt oa p p l yo f f l i n em o n i t o r i n gs y s t e mi n w a s t ew a t e rp l a n t so p t i m a lo p e r a t i o n p o i n ti st os t u d yh o wt oa p p l y o n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e mt oe c o n o m i c a l l yc o n t r o la i rf l u xw i t h o u t i n f l u e n c et h er e m o v a lr a t i oo fo r g a n i cs u b s t a n c ea n dn f k n t h er e s u l t e x p r e s s e st h a ta p p l y i n go n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mc a ne c o n o m i c a l l y c o n t r o la i rf l u x ，a n do b t a i n sb e t t e re c o n o m i cb e n e f i t k e yw o r d s ：o n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e mi ns e w a g et r e a t m e n tp l a n t s 、 c o m p e t i t i v ee x p e r i m e n t 、a i rf l u x 、o p t i m a l l yc o n t r o l 广州大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 后果由本人承担。 学位论文作者签名：誊岩，日期：) u o 年 月彳日 广州大学学位论文版权使用授权书 本人授权广州大学有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 广州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：痞? 蕴 翩撇。獬 日期：) 。0 7 年岁月2 细 日期：2 。0 7 年f 月衫日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 水质在线监测系统国内外发展现状 水质在线自动监测系统( o n - l i n ew a t e rq u a l i t ya u t o - m o n i t o r i n gs y s t e m ) 目前在国外的地表水、污水及水厂的水质监测中得到广泛的应用，它是把多个指 标的分析仪器组合起来，从采样、分析记录、数据统计到远程数据传输等几个部 分组成一个系统，实现在线监铡美国、日本、英国、德国和法国是将水质自动 监测系统应用于江、河、湖、库水质监测较早的国家早期( 7 0 年代) 的自动 监测项目只局限于几个参数( 水温、踯值、溶解氧、电导、浊度、俗称。老五 项”) ，随着电化学的发展，监测项目不断增加，如氨氮、硝酸盐氮、氯离子、氟 离子、氧化还原电位等的自动监测变得非常容易，又随着分析仪器及计算机技术 的发展，增加了磷酸盐、u y 值、t o c 、h c 碳氢化合物、基于发光菌的综合毒性测 试、重金属( c u ，p b ，g n ，c r ，c d ) 等。九十年代末，随着电子技术和自动控制 技术的进一步发展，法国、澳大利亚、德国、荷兰、美国等国自动控制技术有辊 常迅速的发展，水质自动监测仪器功能更加完备，监测项目得到进一步的拓展， 如石油类、酚、总磷、总氮、总硬度、高锰酸盐指数、b 0 风、大肠菌群等，使在 线监测系统的应用更加广泛，如法国巴黎塞纳河水质自动监测网、英国易北河多 个水质自动监测站、澳大利亚布里斯班河的水质自动监测系统、日本大阪城市水 质自动监测系统等。自动监测除应用于地表水质监测外，在废水处理的过程监溅、 水厂、水产养殖场、天然泳场、水库及沼泽地等的水质监测中得到广泛应用 在我国，北京、天津、上海、广东和江苏等是将在线监测系统应用于源水水 质监测的较早的地区。上海环境监测中心于1 9 8 1 年开始部分引进水质自动监测 仪器，并自行设计自动监测系统，使用的仪器包括美国、英国、日本的进口仪器 和国产的仪器设备。但是该系统缺乏配套性和完整性，运行过程中问题较多，所 以目前仍在不断完善该系统，并建设部分新的系统代替老系统，不断增加监测子 站的数目，自动监测项目也有所扩展。天津环保监测中心于1 9 8 8 年6 月建成了 一套水质自动监测系统，该系统是从瑞士b s c 公司及英国k e n t 公司引进的，该 系统主要服务于引滦工程，对监控海河水质发挥过重要作用。天津的这套系统包 括一个控制中心及七个子站，一个流动站，由于系统庞大，维护颇费人力、财力， 到现在只剩下两个子站在运转，国家环保总局为了监控海河的水质状况，于2 0 0 0 第1 页 第一章绪论 年在原有部分站点重新建立了自动站。1 9 9 4 年北京水文总站水质监测中心从英 国p h o x 公司成套引进了3 个自动监测子站，一个移动站和中心站，监测项目为 水温、p i 、溶解氧、电导、浊度、氨氮、硝酸盐氮、氟化物、氧化还原电位，以 及水深、流速等参数，系统运行维护量非常大，几经完善和不断更新分析仪器后， 运行效果才较好，才有效地解决了北京地区饮用水源的水质监控及调配问题。鉴 于其对建站有了一定经验，1 9 9 7 年在北京密云水库再次建立了一个子站，其设 备由p h o x 公司及法国s e r e s 公司提供，软件由国内的公司完成，但系统不是很 完善，远程控制与诊断功能不强。在广东省，东江流域的河源子站、惠州子站和 东莞子站最早建设了水质自动监测站，在建设这些自动监测系统之前，对国内外 自动监测技术的运用进行了充分的调查研究，并对建站的可行性进行了论证：根 据国内外考察调研及大量相关资料分析研究表明，地表水的自动监铡系统在技术 上基本成熟，发达国家乃至不少发展中国家均己普遍建立了水质自动监测系统， 为有效地管理水资源，发挥了良好的社会效益和环境效益。因此，广东省环保局 委托省中心站结合东江水质特性及管理的需要，选择技术上成熟的监测项目，弓l 进性能可靠的设备，进行了东江水质自动监测系统的建设之后广东省还相继建 成了小东江水质自动监测站、顺德羊额水质自动监测站。这些站的建立为广东省 乃至全国同类系统今后的建设积累了十分有益的经验。 我国从八十年代中期开始了水污染在线监测方面的研究和探索但真正在全 国范围内开展此项工作则始予“九五”期间，国家环保总局在全国选择了一些省、 市作为试点，对水污染的在线监测进行了管理和技术方面的有益探索从全国来 看，我国大部分省、市开展在线监测的水平不一，水污染以规范排污口、安装污 水流量计居多。在所调查的城市中，北京、上海、南京、苏州、哈尔滨、大连等 城市率先出台了污染源在线监测管理方而的措施与办法，南方城市安装不同类型 的c o d 在线监测设备的企业较多。在污水处理厂进、出水口安装水质在线监测 系统在我国起步较晚，还属于初步的探索阶段，香港和广州的城市污水厂部分安 装了在线监测系统1 1 1 。 1 2 水质在线监测系统组成和技术要点 1 2 1 水质在线监测系统的组成嘲 水质在线监测系统是一套含水质自动分析仪及水样预处理、数据采集、控制、 第2 页 第一章绪论 远程监控予一体的在线全自动监控系统，一般由一个中心站和几个监测子站组 成水质自动监测中心是整个自动监测系统的指挥中心，它由功能强大的计算机 系统组成，它的任务是：通过通讯网络向子站发布工作指令，管理子站工作，按 期地采集子站监测数据，并将其处理，并建立监测数据库监涌子站系统则主要 由采水单元、配水单元、水质自动监测分析仪器、控制单元、予站站房及配套设 旋等部分组成，它的主要任务是现场采集水样，进行监测分析后通过通讯网络将 数据传送给中心站，并执行中心站下达的工作指令。通讯网络是中心站与予站之 甸进行数据交换和传达指令的桥梁，它包括组网和接入两个方面。 1 2 2 水质在线监测系统的技术要点 1 2 2 1 水质自动监测分析仪器 水质自动监测仪器在发展之中，目前比较成熟的常规监测项目有：水温、 雕、电导率、浊度、0 r p 、流速和水位等。常用的监测项目有：c 、高锰酸 盐指数、总有机碳( t 0 c ) 、氨氮、总氮、总磷其他还有氟化物、氯化物、硝酸 盐、亚硝酸盐、氰化物、硫酸盐、磷酸盐、活性氯、t o e ) 、b o d 、u v 、油类、叶绿 素、金属离子( 如六价铬) 等。 目前水质自动分析仪一般具有如下功能：自动量程转换、遥控、标准输出接 口和数字显示，自动清洗( 在清洗时具有数据镇定功能) 、状态自检和报警系统 ( 如：液体泄漏、管路堵塞、超出量程、仪器内部温度过高、试剂用尽、高低 浓度、断点等) ，干运转和断点保护，来电自动恢复等。c o d 、氨氮、t o c 、总磷、 总氮等仪器具有自动校订校正功能 常规五参数分析仪 水温为温度传感器法，p h 为玻璃或锑电极法，d o 为金银膜电极法、电导 率为电极法( 交流阻抗法) 、浊度为光学法( 透射原理或红外散射原理) 。 2 c o o 分析仪 c 0 1 ) 在线自动分析仪的主要技术原理有六种：重铬酸钾消解一光度测量法； 重铬酸钾消解一库伦滴定法；重铬酸钾消解一氧化还原滴定法；u v 计 ( 2 4 5 n m ) ；氢氧基及臭氧( 混合氧化剂) 氧化一电化学测量法；臭氧氧化一 电化学测量法。 从原理上讲，方法更接近国标方法，方法也是推荐的统一方法。方法 在快速c o d 测定仪器上已经采用。方法和方法虽然不属于国际或推荐方法， 第3 页 第一章绪论 但由于其所有的运行可靠等特点，在实际应用中，只需将其分析结果与国际方法 进行校正后，即予以认可。 从分析性能上讲，在线c o d 仪的测量范围一般在l o 2 0 0 0 唱l ，另外与采 用电化学原理的仪器相比，采用消解氧化还原滴定法、消解光度法的仪器分 子周期一般更长一些( 1 0 m i n 2 h ) ，前者一般为2 - - , 8 分钟。 从仪器结构上讲，采用电化学原理或u v 计的在线c o d 仪的结构一般比采用 消解氧化还原滴定法、消解光度法的仪器结构简单，并且由于前者的进样和 试剂加入系统简便( 泵、管更少) ，所以不仅在操作上更方便，而且其运行可靠 性更好。 从维护的难易程度上讲，由于消解氧化还原滴定法、消解光度法所采用 的试剂种类较多，泵管系统较复杂，因此在试剂的更换以及泵管的更换维护方面 较繁锁，维护周期比采用电化学原理的仪器要短，维护工作量大。 3 氨氮和总氮分析仪 氨氮在线自动分析仪的技术原理主要有三种：氨气敏电极电位法( p h 电 极法) ；分光光度法；傅立叶变换光谱法。 总氮在线自动分析仪的主要技术原理有两种：过硫酸盐消解光度法； 密闭燃烧氧化化学发光分析法。 4 总磷分析仪 总磷在线自动分析仪的主要技术原理为光度法。总磷在线自动分析仪的主要 技术原理有：过硫酸盐消解光度法；紫外线照射一铝催化加热消解，f i h 光度法。 从原理上讲，过硫酸盐消解一光度法是在线总氮和总磷的主选方法，是各国 的法定方法。基于密闭燃烧氧化一化学发光分析法的在线总氮仪和基于紫外线照 射一钼催化加热消解，f i 一光度法的在线总磷仪主要限于日本。前者是日本工 业规格协会认可的方法之一。 采用化学发光法、f i 一光度法的仪器的分析周期一般更短一些( 1 0 3 0 m i n ) ， 前者一般为3 0 6 0 m i n 从仪器结构上讲，采用化学发光法和f i a 一光度法的在线 总磷、总氮仪的结构更简单一些。 1 2 2 2 水质在线监测系统现场r i g 娜 远程测控系统r t u ( 远程测控单元) 可以有多种不同的监控设备，i p c ，p l c ， 第4 页 第一章绪论 i p c + p l c ，单板机或其他专用设备较常用的是r n 卜_ 专用测控单元和i p c + p l c 两种，见表1 - 1 1 盯l 卜专用测控单元 它专门用于水质在线监测分析，监测多种水质参数这种装置是以水质自动 监测技术为基础，在线自动分析仪表为核心，综合运用自动控制、计算机、通讯 等先进技术，结合一些专用软件，选用高性能的管道阀件，独特设计成一体户的 产品，类似于组合式仪表。法国的s e r e s 公司、德国的k u n t z e 公司都在使用这 种产品。 r n 卜专用测控单元的特点： ( 1 ) 采用开放式平价结构，自由组合，扩展方便； ( 2 ) 工厂制作，经过了严格测试，质量可靠； ( 3 ) 现场安装方便，缩短安装调试时间； ( 4 ) 系统充分考虑防腐蚀，防雷电。抗干扰 ( 5 ) 将仪表和测控系统合为一体，但当某一种设备出故障时，它将影响到监测 装置的运行，维护保养也有一定难度 2 盯u - - i p o + p l c 工控机( i p c ) ，可编程控制器( p l c ) 为当今世界自动化控制设备的主流产 品，适用于所有的工业制造和过程管理平台p l c 具有数据采集、现场设备监控 以及数据通讯控制功能。i p c 一方面主要充当用户界面及实现数据库建立和维 护，另外配备相关的辅助设备完成数据采集、数据通讯控制以及现场设备监控。 i p c + p l c 具有以下特点： ( 1 ) 系统的数据处理能力、规模、结构的选择灵活多样，根据现场需要可选择 不同的配置。 ( 2 ) p l c 所有的f o 模块的配置及组态通过软件实现，无跳级及d i p 开关，且 每个槽位都是通用的，模块不存在对槽位的依赖。组态方便、维护简单、扩展便 捷。 ( 3 ) p l c 采用先进的i e c 方式编程，可重复使用程序，具有强有力的搜索功能， 自由格式图形编程和在线帮助功能。 ( 4 ) 1 p c 和p i c 为标准工业化生产，质量可靠，可在恶劣的环境下工作，具 有强腐蚀、抗电磁场干扰的能力。在工业现场，p l c 的m t b f 也能达到5 万小 第5 页 第一章绪论 时以上。监测基站的k i i j 均支持多种网络，工业以太网、现场总线等 ( 5 ) i p c 基于w m d o w s 操作系统，操作界面友好；数据处理能力强大，可以运 行通用工业监控软件和维护现场站点的实时数据库 表l - l 专用测控单元与i p c + p l c 的比较 t a b l e1 - 1c 乃m p a d s o nb e t w e e nt h es p e c i a lt r a c k i n ga a dc o m m a n de l e m e n tw i t hi p c + p l c 专用测控一般针对某较好一般较差 单元一应用 i p c + p l c 较高适用各 较好方便很好 类工业 和过程 控制 品种单 一，价 格受到 限制 品种很 多，价 格从低 到高都 有 两点少 技术支 持少 生产规 模化， 技术支 持好 专用结 构扩展 性较差 模块化 开放式 扩展性 很好 1 2 2 3 水质在线监测系统的通讯网络 现场监测子站与监测中心站之间的信息交换将通过通讯网络进行。通讯网络 主要包括组网和接入两个方面。 i 组网方式 组网方式主要分为采用专线技术及v p n ( 虚拟专用网) 技术两种类型，见表 i - 2 专线组网主要是通过向电信运营商租用d d n 或帧中继等租用专用线路建网 保障网络通讯的可靠性及安全性。 v p n 啪i ( 虚拟专用网络，v i r t u a lp r i v a t en e t w o r k ) ，虚拟专用网络不是真 的专用网络，但却能够实现专用网络的功能。虚拟专用网指的是依靠 i s p ( i n t e r n e t 服务提供商) 和其他n s p ( n e t w o r ks e r v i c ep r o v i d e r 网络服务提 供商) ，在公用网络中建立专用的数据通讯网络技术。在虚拟专用网中，任意两 个节点之间的连接没有传统专网所需的端到端的物理链路，而是利用某种公众网 的资源动态组成的。 第6 页 第一章绪论 表l - 2v 雕与专线技术的比较 ：! 些! ：! 墅唑墅堕塑型型! ! ! ! i ! ! ! ! ! 唑! 婴 、r p n 技术专线技术 表l qg p , p 3 及a d s l 的技术经济比较 t a b l e1 - 3t c c h n o - c c o n o n i i c 呻瑚 s b c t 叭蛐g r p sa n d 略l 2 接入方式 第7 页 第一章绪论 网络接入方式主要有p s t n 、g r p s 、c d m a 、 i ) s l 、微波和无线数字通讯常 用的有g r p s 和a i ) s l 两种方式嗍町，见表卜3 。 1 3 本课题的研究内容 污水处理厂水质在线监测系统在我国属于试验和初期应用阶段，广州市污水 处理厂水质在线监测系统于2 0 0 5 年5 月开始项目建设，2 0 0 6 年5 月大坦沙( 1 、 2 、3 期) 、猎德( 1 期、2 期) 、沥滔( 1 期) 和西朗污永处理厂的在线监测系统 全部验收完成，本文作者参与了整个项目的建设实越过程本文就是以广州市污 水处理厂水质在线监测系统为研究对象，对系统构建及其应用进行了以下几方面 的研究和探讨： 1 本文以广州市污水处理厂水质在线监测系统为研究对象，对在线监测系统 的组成、原理，及各部分功能如何实现进行了深入的研究和全面的总结。 2 进行实际水样对比实验，并应用数理统计原理对实验结果进行分析，研究 及确定污水处理厂水质在线监测系统测得的数据是否真实可靠。 3 在已建成水质在线监测系统的污水处理厂中，该系统仅发挥了监督的功 能。如何应用水质在线监测系统对污水处理过程进行经济优化，是本文的另一研 究重点。本文以猎德污水处理厂二期工艺( u l 盯i a n k ) 为研究对象，对不同曝 气量下污染物的去除率进行分析，研究去除率与曝气量大小的关系，进而确定是 否可以根据进水浓度的变化实时调整曝气量，并找出经济控制点。 第8 页 第二章广州市污水处理厂水质在线监测系统 第二章广州市污水处理厂水质在线监测系统 广州市城市污水处理厂在线监测项目是依据穗计城 2 0 0 4 1 9 6 号文精神立项 的，其主要宗旨是要加强对建成的大型城市污水处理厂的运行情况实施动态的监 督管理，保证政府的监督管理不存虚位，使政府的投资产生最大的环境效益、社 会效益和经济效益。项目的实施对象是大坦沙( 1 、2 、3 期) 、猎德( 1 期、2 期) 、 沥浯( 1 期) 和西朗污水处理厂，在线监测的参数设置有：t i p 、t l q 、c o d 、朋彳，一 和s s l 4 1 2 1 水质在线监测系统工作流程 水质在线监测系统的工作流程为：取水源一水样预处理一测试周期开始一仪 器配水一水样处理一仪器自动监测一采集监测结果一远程数据传输一测试周期 开始 2 2 水质在线监测系统总体结构 在线监测系统由污水处理厂监测基站、厂级监测中心、全市监测中心和通 讯网络组成，具体如图2 - 1 所示 1 监测基站：根据现场实际情况，在每个污水厂各期工程的进出水口设立若干 仪表房。每个仪表房内均设有水样采集和预处理设备，各种水质在线监测仪， 及负责监控取样、预处理过程，采集水质参数和设备状态的r t u 。 2 厂级监测中心：厂级监测中心设有在线监测系统的厂级管理机( 砰c ) 。它负 责采集来自各进出水口监测基站的实时过程数据，实现显示、存储，建立本 地水质数据库，并通过统一远程通讯接口与市监测中心进行数据交换。 3 市监测中心：即城市排水监测站的数据处理及发布中心。中心数据服务器采 集来自各厂级监测中心上传时的过程数据，存储，并经过w e b 服务器将各 捧水口水质数据实时向环保局、市政局及各污水厂进行发布。 4 通讯网络：监测基站与厂级监铡中心、市监测中心进行数据交换以及向外发 布数据的通道。 第9 页 第二章广州市污水处理厂水质在线监测系统 图2 1 污水处理厂在线监溯系统拓扑结构图 f i 9 2 - 1 t h e t o p o l o g y 凼a g l a m o f o n - l i n e m o n i t o r i n g s y s t e m i n w a s t e w a l e r p l a n t 2 3 监测基站的组成 2 3 1 监测基站建设原则 ( 1 ) 实时、连续监控监测点的水质、水量状况 ( 2 ) 强化监测效果和效能 c 3 ) 支持预警功能 ( 4 ) 具有超标报警和留样功能 ( 5 ) 扩展性 ( 6 ) 兼容性 ( 7 ) 具有远程操作和控制的功能 2 3 2 监测基站的组成 第1 0 页 第二章广州市污水处理厂水质在线监测系统 监测基站是水质在线监测系统的基础部分，所有后续功能的实现全部依赖于 监测基站的监测数据，监测基站的集成与建设是核心和关键。监测基站的自动运 行是以现场p l c 为控制中枢。以装有基站管理系统软件的工业控制计算机为管 理核心，配以所需单元组成监测基站有以下单元组成；r t u 现场测控单元、 水样采集单元、水样预处理单元、监测仪器、清洗除藻单元、自动留样系统、电 力保障单元、防雷设计单元、基站控制和管理系统、组网和远程通讯监测基站 布局如图2 - 2 所示： 图2 - 2 监测基站布局图 s i s 2 - 1 t h e l a y o u t 黼o f a m i 咄b l | c u a l i o a 2 3 2 1 现场刚 本项目监测基站的r t u 单元采用i i c + p l c 组成。 2 3 2 2 水样采集单元 1 现场水样采集点的选择 水质自动监测站第一个重点考虑的技术要素就是采到被测断面有代表性的水 样，并保证水样在传输的管路中物理化学性质不发生变化。取水点的选择决定了 实际监测水样是否具有代表性，影响监测数据的真实性和有效性。一般的选择是 进水口的监测站点取水位置在细格栅的出口位置，出水口的取水位置在排口巴歇 尔槽的进水位置。 2 水样采集单元的组成和特点 水样采集单元由取水泵组、采样头、隔离栅、压力流量监控及采水管道等部 分组成。 第l l 页 第二章广卅市污水处理厂水质在线监测系统 水样采集单元的主要特点： 水样吸入口距水面保持0 5 一l j 0 l ，采样头哩周安装隔离橱阻挡水面漂浮物 采用自吸式取水泵，为保证温度、溶解氧等参数的不变，通过取水泵和管道内 径的选择配合，保证采样管中水样流速控镪在0 踮1 ，2 m s , 使水样在管路中保持稳 流状态。 可以采用连续或间歇式取样两种方式选择。 取水泵的量程必须满足五参数及室内增压泵的泵量要求，一般为二者之和的 2 0 - 3 5 倍。自吸泵配置相关部件，保证在自吸泵停止工作时水不会流失，下次 工作时不会影响自吸泵的正常运转。采样泵的扬程根据取水点到站房高度差和取 水管路的压降选定，站房内预处理第一级入口处的水压应大于1 5 公斤砰方厘 来。 取水单元进行双管路配置设计，并在取水管道设有压力和液位监控装置，控制 系统( p l c ) 可以通过该装置实时监控取水单元的运行状态。当液位装置监测到 捧水点没有排水时，系统会自动的关闭基站系统的运行，当捧水恢复时启动基站 系统正常运行，同时上报到中心系统。当压力和液位所提供的信息说明取水泵不 能打水时，控制系统会及时切断该水泵的电源。并启动另外一台备用泵工作。同 时监控系统通过手机短信等多种方式将故障类型传送到指定地点，以便维护人员 在第一时间排除故障。 管道采用不锈钢材料，对水样不会产生物理、化学反应，并具有强的抗撞击能 力 配水管道配置相关的调解阙，能调节各管道的压力和流量 采水管道的设计安装考虑可以拆卸，以便每年进行一次人工彻底的清洗。 取水管路配以空气清洗单元和除藻单元，能够实现水样采集单元的自动反吹清 洗和化学除藻清洗，最大限度防止泥沙沉积和藻类滋生，保证水样的代表性，即 使长期运行后产生轻度沉积，也可通过基站现场管理软件进行定期裹强度的清 洗。 总悬浮物和出口c o d 探头使用单一管路，水样不经过任何处理，不会影响测试 的准确性和真实性。 第1 2 页 第二章广，h 市污水处理厂水质在线监测系统 图2 q 取水单元 f 9 2 - 1 t k 锄蛔血咖嗍 2 3 2 3 水样预处理单元 污水处理厂被处理水样是生活废水，水样内含有大量的固体悬浮物和丰富的 营养藻类物质，这些物质如果不进行处理，直接进入一起进行测试，受水体中其 他固体物质等的影响，仪器检测出的值不是实际水体的参数含量，这样得到的仪 器读数，数据不能作为分析统计的依据和职能部门的执法依据水样的预处理就 是为了保证监测仪器的监测需要，既要保证能够除去水中较大颗粒杂质和泥沙， 又要保证进入分析仪器的水样中被测成分不变，因此水样预处理的时间不宜过长 ( 一般也不应少于3 0 分钟) 1 水样预处理单元的特点： 预处理单元的自动运行和自动清洗由基站控制管理软件控制，也可由中心站通 过指令由子站控制管理系统实施实时监测 总悬浮物和出口c o d 探头使用单一的一路管道，水样不经过任何处理，不会影 响测试的准确性和真实性。 设置的相关控制阀体采用高可靠性的不锈钢电动球阀，可以避免产生电磁阀的 关不严打不开的现象。 预处理单元配置有相关的液位检测装置和压力传感装置，保证在特殊情况下的 系统自我保护和及时发出相关警报。 2 本系统水样预处理单元组成 ( 1 ) 一级水样处理 一级水样处理主要进行粗过滤，主要部件包括隔离栅、取水头和管道过滤器 第1 3 页 第二章广州市污水处理厂水质在线监澍系i 毙 等，保障大的杂物不会进入管道，造成集成管路系统和仪器的非常规故障 ( 2 ) 固液分离器和速流沉降_ 渔 本系统采用如图所示的平缓沉降与过流水箱结合的方式对原水进行处理，固 液分离器采用旋流除砂器，如图2 4 所示，旋流除砂嚣主要是通过旋流作用将被 测水样的固体颗粒物清除掉。速流沉降池参考了污水处理的某些结构设计，速流 沉降池( 图2 5 ) 分为两部分，前一池是要保证水样能够平稳的沉降，沉降后的 上清液能够溢流到后面一池中，再经过后一池中的二次沉降后由增压泵泵入到监 铡站的检测水样的管路。 ( 3 ) 免维护高效过滤装置 免维护穿滤器采用大流量旁通式管状过滤设计，水样从不锈钢滤芯的轴向进 入，在自身的压力作用下，水样通过滤芯的不锈钢滤网，进入仪器的采样池或流 通池。反清洗在p l c 的控制下完成。 2 3 2 4 清洗除藻单元 1 清洗除藻的目的 藻类的大量繁殖会改变水样的形状，严重使水样失去代表性，因此必须定期 对管道进行除藻处理。特别是污水处理厂的相关废水主要的来源是城市生活污 水，这种废水中含有大量的藻类等微生物，同时水体所含的营养丰富，特别适合 藻类等微生物的生长。如果来对水样进行相关处理，直接进入仪器会影响仪器设 备的正常运行和监测数据的准确性。一方面缩短仪器的寿命、增加仪器的故障频 率，大大增加仪器设备的维护工作量。同时除藻和清洗时要保证不会对水质产生 变化和二次污染。 2 清洗除藻功能的实现和特点 采用加热水箱、自动加药装置、空气平衡搅拌装置。在一定的体积清水内自动 加入一定灭藻试剂，经过空气搅拌均匀，并加热到7 0 - 8 0 度，然后通过加压注入 管道内。从而达到清洗和除藻的目的。 可以实现高压气、高压水、高压水气混合相结合的方式达到最佳的除藻效果。 通过管路的切换可以实现市内和室外的管路除藻。 管道的切换通过控制系统对相关的电磁阀和电动球阀的控制来实现。 配属相关的液位装置，保证除藻药剂的比例及一致性，并能通过相关的判断来 第1 4 页 第二章广，h 市污水处理厂衣质在线监测系统 图2 4 旋流除砂器图2 - 6 免维护高效过滤器 2 - 4h y & oc y c l o n e f g2 - 6t h eh i g h l ye f f e c t i v el i l 竹f r o mm a i n t e n a n c e 图2 - 5 速流沉降池结构图和实物图 f g2 - 5t h es t r u c t u r ea n dp r a c t i c a l i t yc h a r to ff a s ts e t t l i n gb a s i n 识别运转状态，特殊状态时能自我保护和及时上报相关信息。 除藻的周期和除藻时长可以通过子站控制系统根据实际情况来设定 清洗和除藻的实现方式基本一致，只是未经加热和加入药剂，通过清洗的实现 可以减少除藻的周期，同时可以节约运行成本。 清洗和除藻配置相关的液位、开关量、压力传感装置，对运行状态进行识别， 第1 5 页 第二章广州市污水处理厂水质在线监测系统 并进行相关处理 图2 - 6 清洗除藻单元 f i g2 - 6t h eu n i tf o r e l i m i n a t i n gt h ca l g a e 2 3 2 5 在线监测仪表 在线监测仪表包括t 乳t n 、c o d 、朋吼一n 和豁自动分析仪，仪器具体 型号和监测原理将在第三章中详细介绍。 2 3 2 6 电力保证单元 电力保证单元是直接为基站提供符合要求的电力，包括总配电箱、电源稳压 及停电保证( u p s 电源) 等部分 2 3 2 7 防雷设计 由于水质自动监测站是一个涉及到高科技精密仪器及远程数据传输等方面， 因此必须考虑采取防雷措旌以避免造成系统仪器或线路损坏，本工程的防雷措旅 共分为三种：系统电源防雷、通讯线路防雷、仪器本身防雷。 2 3 2 8 自动留样系统： 1 超标自动留样；当监测站点出现监测参数测试数据超标时。基站管理系统自 动留样系统自动留样备查，作为人工测试复查的依据，为人工复查提供实际的实 物依据。 2 常规自动留样：可设置为仪器监测自动留样，作为对f 1 常手工测试验证的实际 水样 3 设备校准：根据自动留样水样的手工数据定期对设备仪器进行校准。 2 3 3 9 基站控制和管理系统 第1 6 页 第二章广州市污水处理厂水质在线监测系统 基站控制和管理系统将在z 4 节中进行概述并详细分析 2 3 3 1 0 组网和远程通讯 基站的组网和远程通讯将在2 _ 5 节中进行概述并详细分析 2 4 各级控制和管理系统 2 4 1 基站控制系统 2 4 1 1 概述 基站控制系统即p l c 控制系统，p l c 控制系统是整个控制和管理系统中最基 层的控制系统，它负责控制基站集成系统各项功能的实现。现场控制系统内部采 用著名的“消息循环”机制，系统初始化后所有内部产生的信息都必须要进入。消 息队列”捧队等待任务调度进程进行调度执行 p l c 主要由a d 0 8 1 模块、i d 2 1 1 模块、0 c 2 1 1 模块、电源模块等部件构成 各模块在系统中的功能以及在本系统中的用途如下表2 - 1 所示： 表2 - 1p l c 控制系统主要部件及功能 t a b l e2 - 1t h em a i np a r t sa n df a c t i o n so fp l c 2 4 1 2 控制系统原理( 如图2 - 7 ) 2 4 2 基站管理系统 2 4 2 1 概述 水质在线监测系统基站管理系统是整个在线监测系统中一个极其重要的环 节。它的控制和管理对象包括：现场自动控制系统的数据和状态、基站分析仪器 第1 7 页 第二章广州市污水处理厂术质在线监涮系统 系统控制原理 图2 - 7 系统控制原理图 f i g2 - 7s c h e m a t i cd i a g r a mo fs y s t e m sc o n t r o l 自动控制( 校准时问、采集数据、仪器复位，远程标定和远程校准等) 主要实现方式有： 与仪器通讯；控制所有仪器的运行，查询各台仪器的状态数据等 与p l c 通讯：控制基站的其他运行设施，如空压机、抽水泵等，保证系统正 常运行 与远程通讯：通过所有选择的通讯方式与远程中心管理端进行通讯。让系统的 状态实时反馈到远程中心站 第1 8 页。 第二章广州市污水处理厂承质在线监测系统 系统管理：自动维护系统的运行，完成数据整理 2 4 2 2 功能概述 系统控制：进入管理模式后，可以对系统进行手工控制 数据查询：以表的方式查询当前、历史的监测数据 日志查询：查询基站运行的日志记录 监测参数选择：根据实际情况，选择监测参数 环境参数选择：根据实际情况，指定需要传送的环境参数项目 通讯参数设置：根据现场情况，配置通讯信息 参数信息设置：为每种监测参数指定相关的信息 运行参数设置；系统正常运行时的参数设置 仪器单独控制：对仪器可进行复位、校准等操作 现场设备控制：对p l c 进行控制 远程通讯设置：与中心站进行通讯、传送相关数据 现场仪器控制：只会现场仪器的运转 2 4 2 3 系统功能设计 1 主界面： 图2 - 8 基站管理系统主界面 f i g2 - 8m a i nc o n l a c ls u r f a c eo f b a s es t a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m 2 系统控制 非管理模式进入者只能进行有关查看的操作，而不能变更系统的运行设 置。默认进入 管理模式通过授权密码登录后进入管理模式，可对系统进行查询、设置、 第1 9 页 第二章广州市污水处理厂水质在线监测系统 控制等操作 启动紧急监测：这是为中心站在收到异常数据或发生紧急情况时，需要马上 起动基站现场的所有仪器和设备所设计的紧急监测功能。基站的工控机在收到中 心站发来的紧急监测命令后，即启动所有的仪器设备，得到监铡结果后马上发送 到中心站。 开始停止监测；开始监测时，系统按照设置的启动时问和监测频次自动进 行监测当选择停止监测时，只能进行手动操作，系统地自动功能全部停止 3 数据查询 ( 1 ) 历史数据查询 历史数据查询窗口将整个基站系统的历史监测数据显示出来，方便使用者对 当前的水质情况做出正确的判断。 ( 2 ) 日志信息查询 运行日志较为详细地记录了整个基站系统的运行状态，以及系统运行过程 中所发生的各种异常现象，是系统管理人员了解系统运行情况的重要依据。 ( 3 脯规参数查询 基站系统能自动记录下运行过程中的常规参数的数据，通过相关的设置，能 很好的保护系统按要求正常的运行 ( 1 ) 流量信息查询 主要是单独对流量进行专门的查询，里面包括当时的总流量和与上一次记录 之闻的处理量，用户可以根据实际情况在“运行参数设置”里面更改记录流量的 间隔时间。 基站系统能够自动记录运行过程中的瞬时累计流量以及时隔六辆( 通过对保 存流量的时间间隔设置，能够保存某一时间内的累积流量值) 。 4 管理设置 ( 1 ) 监测参数选择 在基站系统的实际安装过程中，各个站均有各自的监测项目，环境参数也各 不相同，为此，系统提供了参数选择的功能，当系统监测项目发生变动时也能够 轻松的处理。 ( 2 ) 通讯参数设置 基站系统是一个通讯集中营，它不但负责与现场控制设备、各个厂家的监测 第2 0 页 第二章广州市污承处理厂水质在缱监测系统 仪器进行通讯，而且负责与厂级中心站之间的信息交换，由此可见，通讯是整个 水质系统中非常重要的环节 ( 3 ) 参数信息设置 在详细信息中，最重要的几项有： 制造厂商：所选择参数仪器的生产厂家( 根据仪器生产厂) 协议类型：工控机与当前所选参数仪器之间的通讯方式( 目前包括：4 8 5 通 讯方式、2 3 2 通讯方式、4 2 2 通讯方式、t e l 通讯方式、模拟信号方式等) 地址编码：指当前所选择参数仪器的内部地址( 工控机通过此地址与仪器通 信) ( 4 燧行参数设置 模块主要是实现水样采集、预处理、系统来电自动恢复、监测方式、监测频 次、流量以及常规参数保存时闯、进样方式等功能，用户诸可通过本模块的软件 界面对其进行设置。系统根据设定的参数自动将命令发给现场自动控制系统和憷 器，由现场自动控制系统指挥相应的设备来完成具体的执行动作 5 仪器单独控制 仪器单独控制是为维护人员提供的快捷操作方法，主要是保证仪器与基站管 理系统之间的通讯问题，主要有如下三项操作： 时间校准：在系统运行一段时间后，可能出现仪器的时间与基站工控机的系 统时间不一致的情况，我们可以通过这条指令来完成所有仪器的时问校准操作。 仪器校准：校准操作可以更好的保障仪器的测试精度，默认情况下，仪器会 自动执行 仪器复位：为了保障系统更加稳定可靠的运行，系统将进行定期的复位操作， 复位操作执行时，工控机先复位所有仪器，继而自身也会完成复位。 6 远程通讯设置 ( 1 ) 数据自动上报 如选中此项功能，当仪器本次测试结束时，系统在保存数据到数据库的同时， 也自动把最新测试数据上报到远程中心站。 ( 2 ) 状态自动上报： 如选中此项功能，当基站系统或者仪器发生状态变化时，则系统自动上报最 新基站系统或仪器状态。 第2 1 页 第二章