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工程硕上学位论文 城市污水水样自动采集和监控系统的研究 摘要 随着我国社会和经济的高速发展，城市环境污染特别是水环境的污染问题日趋严 重，已成为社会关注的焦点。大力加强水环境监控力度势在必行，然而由于种种原因， 水环境监控的监控效果差强人意，对污染源的控制力度仍然较弱。本文从水环境监控 设备的角度出发，分析了我国现有落后的水环境监控设备对进一步加强水环境监控力 度带来的负面影响。冈此高效多功能的水环境监控设备的研究及开发是水环境监控力 度进一步加强的必要条件。文中详细分析了现有水环境监控设备的缺点并参考国外同 类产品，提出了城市污水自动采集和监控系统的研究与初步设计。 该系统使用覆盖全市范围的g p r s 无线网络技术使一套主系统同时监控多套现 场子系统，实现了在低投入的情况下及时准确采样和水质在线蛉控的功能。现场子系 统具有较好的便捷性和广泛的现场适应能力，可在大多数场所实现取样和水质监控任 务，因此可以有效的提高水质监控效率，加强对污染源的控制力度。 本文完成了系统整体的初步设计，解决了该系统的两个关键技术水样准确性 和远程无线通讯，并对现场采集子系统和主控系统进行了设计，同时也提出了将来进 一步完善的方向。 关键字：水环境、城市污水、污水取样、污水监控 工稗硕上学位论文 城市污水水样自动采集和监控系统的研究 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m i c si nc h i n a ，t h ep o l l u t i o n o fu r b a nl i v i n gi sg r a d u a l l ys e r i o u s ，e s p e c i a l l yw a t e rp o l l u t i o n w a t e rp o l l u t i o nh a sb e e n t h ef o c u so fa r e n t i o ni nt h es o c i e t y ；t h i si si n e v i t a b l eo fe n h a n c i n gm o n i t o r i n gi nw a t e r e n v i r o n m e n t h o w e v e r ，t h ee f f e c t so fm o n i t o r i n gi nw a t e rp o l l u t i o ni sj u s tp a s s a b l ed u et o d i f f e r e n tr e a s o n s ，t h ee o n t r o l m e n tf o rp o l l u t i o ns o u r c ei ss t i l lw e a k t h i se s s a ya n a l y z e st h e n e g a t i v ee f f e c t s ，w h i c hb a c k w a r de q u i p m e n t so fw a t e rp o l l u t i o ne x i s t e db r o u g h t ，f o r e n h a n c i n gm o n i t o r i n gi nt h ev i e wo fm o n i t o re q u i p m e n t s h e n c e ，t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fe f f e c t i v ea n dm u l t i - f u n c t i o n a lm o n i t o re q u i p m e n t so fw a t e re n v i r o n m e n t a r et h en e c e s s a r yc o n d i t i o n sf o rq u a l i f y i n gm o n i t o r t h ed e f e c t so fe x i s t i n ge q u i p m e n t sa r e e m p h a s i z e di n t h i sa r t i c l e r e f e rt os i m i l a rp r o d u c t so v e r s e a s ，t h eb a s i ca n a l y s i sa n d r e s e a r c ho ft h es y s t e m ，w h i c hc o u l da u t o m a t i c a l l yg a t h e ra n dm o n i t o rs e w a g e ，w i l lb e d e s i g n e d t h i ss y s t e mi n t e n d st oa c h i e v et h et a s k ，w h i c ht h em a i ns y s t e mm o n i t o r sm a n y s u b - s y s t e m ss i m u l t a n e o u s l yb yc o u n t r y w i d eg p r sw i r e l e s sn e t w o r k s ，i nt h ep u r p o s eo f m o n i t o r i n go n l i n ea n ds a m p l i n ga c c u r a t e l yi nl o wc o s t l i v es u b - s y s t e mi se x c e l l e n t c o n v e n i e n c ea n dg i v e nw i d e l ys e l l f - c o n t r o la b i l i t y t h e ym i g h ti m p l e m e n tt h em i s s i o no f s a m p l i n ga n dm o n i t o r i n gi nm o s tl o c a t i o n sa n ds t r e n g t h e nt h ee f f i c i e n c yo ft r a c k i n gw a t e r q u a l i t ya n dp o l l u t i o ns o u r c e s t h i sa s s i g n m e n ta c c o m p l i s h e st h eb a s i ca n a l y s i so ft h es y s t e ma n ds o l v e ss o m ek e y p r o b l e m s t h ea c c u r a c yo fw a t e rs a m p l e ，t h ew i r e l e s sr e m o t ec o m m u n i c a t i o n a n dt h ed e s i g n o fm a i ns y s t e ma n dl i v es u b - s y s t e m l a s t l y , t h ee s s a yp o i n to u tt h ep r o b l e m sl e f ti nt h i s r e s e a r c ha n dd i r e c t i o nt h a tw o u l dm o d i f i e di nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：s a m p l i n go fs e w a g e ，s e w a g em o n i t o r i n g ，w a t e re n v i r o n m e n t ，u r b a ns e w a g e i i 工程硕上学位论文城市污水水样自动采集和监控系统的研究 声明尸i 刃 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除y , d i j 以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 房形年易月印同 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名乡肋年乙月幽口 工程硕士学位论文城市污水水样自动采集和监控系统的研究 1 绪论 1 1 我国水环境污染状况 中国水环境污染形势己十分严峻。2 0 0 0 年全国污水排放量为6 2 0x1 0 8 3 m ，其中近 8 0 未经处理直接排入江、河、湖库水域。受污染的河水也逐年增加，全国水资源质 量评价的约6 1 0 1 0 4 k m 河水中受污染的河水占4 6 5 。全国9 0 以上的城市水域受到 不同程度的污染，著名的京杭大运河，经历1 0 0 0 多年，世世代代养育了无数人。然 而，自2 0 世纪5 0 年代，两岸大大小小工厂排放的污水就已经使运河面日全非。运河 的许多河段都散发着臭气，鱼虾绝迹，除了航运以外，运河的其他功能已基本丧失殆 尽。云贵高原上的滇池，原来是著名的风景旅游区，被称为“高原明珠”，水域宽广， 水中及水下生活、栖息着大量珍惜物种，目前由于沿岸工农业生产及生活废弃物的大 量排放，滇池水体无法自净，其原有的水产养殖功能和工农业用水功能也完全消失。 昆明市的饮用水水源也不得不改道滇池的上游河段。淮河是中国七大水系之一，淮 河两岸曾是富饶的鱼米之乡。然而随着淮河两岸工业经济的发展，大量废水流入淮河， 淮河干流大部分时间的水质都处于重污染状态。淮河流域自1 9 1 条支流，有1 2 以上 的支流都已变黑发臭。近年来淮河流域曾发生多次重大的污染事故，一些工厂将大量 未经处理的废水储存在淮河岸边的池塘里，每到洪水季：i 了池塘漫水、决堤或开闸放水， 造成下游河段水质急剧下降，大量鱼虾死亡，居民饮水无法供给。据报道，淮河沿岸 居民的癌症发病率特别高，有的地区比正常值高出十几倍甚至上百倍心1 。 长江水污染及造成的问题也不容忽视。长江发源于中国两部的青海，绵延上万公 里，由西向东流入东海。自长江中游开始，依次分布着攀枝花、宜宾、泸州、重庆、 涪陵、万县、宜昌、沙市、岳阳、武汉、鄂州、黄石、九江、安庆、铜陵、芜湖、马 鞍山、南京、镇江、南通、上海等2 1 个城市。这些城市集中了大量的人口，城市生 产与生活对长江沿岸水体的污染是明显的，几乎每个城市的长江岸边都有j l - t 。到一百 多公里的污染带，各种污染物包括悬浮物、有机质、石油、挥发酚、氰化物、硫化物、 汞、镉、六价铬、铜、铅、锌和砷等。上海、重庆等市由于饮用水源遭破坏，水中的 病原微生物的传播使一些恶性疾病的发病率有所上升。用未经处理的工业废水进行农 业灌溉，导致地表水与地下水体污染，土壤污染和农产品产量与品质下降，进而影响 健康。上海、江西、湖北和湖南的一些地区都出现过“隔米”。长江中的鱼类不仅由 于污染产量急剧下降，有些鱼类的形体甚至发生了变异，反映体内积累了较高含量的 有毒物质，人若使用了这样的鱼类，对健康的不利影响是不言而喻的b 1 。 第1 章绪论工程硕上学位论文 1 2 水环境治理国内外发展状况 环境保护是我国的基本国策。国家不断出台各种水环境保护法律法规，以加强水 环境保护力度。1 9 9 9 年出台c j 0 8 2 - 1 9 9 9 污水排入城市下水道水质标准；2 0 0 0 年 已在全同范围内推广应用排放许可证制度；2 0 0 2 年出台g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 城镇污水处 理厂污染物排放标准：太湖蓝藻事件后，在2 0 0 8 年出台江苏省太湖污染防治条例 和d b 3 2 太湖地区城镇污水厂及重点工业主要水污染物排放限值：在2 0 0 8 年2 月 又对中华人民共和国水污染防治法做了修改。南此可见国家对水环境保护的重视。 世界经济发展的实践证明，为实现经济的持续稳定发展，必须解决好发展与环境 保护的矛盾。随着我国社会和经济的高速发展，城市环境污染特别是水环境污染问题 日趋严重。城镇生活污水的排放量逐年增加，2 0 0 2 年全国工业和城镇生活废水排放 总量为4 3 9 5 亿吨，比上年增加1 5 。其中工业废水排放量2 0 7 2 亿吨，比上年增 加2 3 ；城镇生活污水排放量2 3 2 3 亿吨，比上年增加0 9 ，其中仅有1 0 得到处 理【3 1 。生活污水中含有较高的氮、磷等营养物质，未经处理直接排入江河湖海是导致 水域富营养化污染的主要原因。2 0 0 2 年监测数据显示，辽河、海河水系污染严重， 劣v 类水体占6 0 以上；淮河干流水质以i i i - v 类水体为主，支流及省界河段水质仍 然较差；黄河水系总体水质较差，干流水质以i i i i v 类水体为主，支流污染普遍严 重；松花江水系以i i i - i v 类水体为主；珠江水系水质总体良好，以i i 类水体为主； 长江干流及主要一级支流水质良好，以i i 类水体为主。由于“污染性”造成的水资 源短缺，已成为严重制约我国社会经济持续发展的突出问题，亟待解决。目前我国水 污染控制的重点已从以工j 【k 点源为主，逐步转变为以城市污水污染为主的控制。根据 预测，到2 0 1 0 年我国城市污水排放总量为1 0 5 0 亿m 3 ，城市污水处理率要达到5 0 ， 预计需新建污水处理厂1 0 0 0 余座h 3 。 城市生活污水处理自2 0 0 年前工业革命以来，越来越受到人们的重视。城市污水 处理率已成为一个地区文明与_ 否的一个重要标志。近2 0 0 年来，城市污水处理已从原 始的自然处理、简单的一级处理发展到利用各种先进技术、深度处理污水，并回用。 处理工艺也从传统活性污泥法、氧化沟工艺发展到a o 、a 2 o 、a b 、s b r ( 包括c c a s 工艺) 等多种工艺，以达到不同的出水要求。我国城市污水处理相对于国外发达国家 起步较晚。目前，国内外城市污水处理厂处理工艺大都采用一级处理和二级处理。一 级处理是采用物理方法，主要通过格栅拦截、沉淀等手段去除废水中大块悬浮物和砂 粒等物质。这一处理工艺国内外都已成熟，差别不大。二级处理则是采用生化方法， 2 工程硕士学化论文城巾污水水样自动采集和监控系统的研究 主要通过微生物的生命运动等手段来去除废水中的悬浮性，溶解性有机物以及氮、磷 等营养盐。目前，这一处理工艺有多种方法，归结起来，有代表性的工艺主要有传统 活性污泥、氧化沟、a o 或a 2 o 工艺、s b r 及c c a s 工艺等。a o 或a 2 o 工艺在我国 得到了广泛的应用h 1 。 1 3 国内外水环境监控发展状况 1 3 1 我国水环境监控现状及系统研究的意义 1 ) 水环境监控薄弱 为了达到最全面的水环境监控，最佳方案是在每个污水排放口安装在线监测设 备，但由于资金不足等实际因素，现大多数污水排放口没有安装存线监测设备，日常 监测都需要人工定期采样，由于人力有限，污水排放口众多等原因，人工采样周期长， 准确性差，监控效果低下。即使安装了在线监控设备的企业，其在线监控设备也是由 企j i k 出资，属于企n p 资产，其日常管理、维护、校准都由企j 止完成，在这种情况下， 在线设备提供数据的真实性和准确性与企业的维护工作存在直接联系，监控的有效性 大打折扣。因此总体而言，无论是没有安装监控设备的小排放口，还是已安装了监控 设备的重点排放口，水环境监控部门对这些污染源的控制力度非常薄弱。 2 ) 水环境监控响应速度慢 根据中华人民共和国城镇建设行业标准污水排入城市f 水道水质标准 ( c j 3 0 8 2 - 1 9 9 9 ) 规定( 见表2 1 ) ，所有水质数据必须以城市排水监测部门的检验数 据为准n 3 。所以水环境监控部门必须采集到排放口的超标水样并送至城市排水监测部 门检验，才能依此为据进行执法。这就涉及到采样响应速度的问题。在没有在线监测 的地区，环保监测响应速度慢是可想而知的，往往非法企业进行了大量的排放后才会 被发现。但是在一些发达地区，重点排污企业安装了在线监测设备后，环保监测响应 速度仍然达不到要求，从监测发现超标排放到采集超标排放点水样，一般都要一天以 上时问，最快也要好几个小时。这样的响应速度完全无法第一时问取到超标水样的平 行样，也就无法对超标排放的企业依法处罚，因此偷排、超排现象屡禁不止。 3 ) 系统研究的意义 导致水环境监控薄弱的主要原因在于没有合适的适合我国水环境现状的监控设 备。我国是一个发展中国家，虽然水环境保护工作得到了国家的高度重视，国家的投 资力度也不断加大，但是现国内水质在线监控设备精度差，无法满足大多数排放口监 第1 章绪论 工程硕士学位论文 控的需要，而高精度的进口产品价格昂贵，并且所有产品均为固定安装，因此相对于 昂贵的固定安装的水质在线虢控设备，水环境监控部门资金严重不足，甚至无法在所 有重点排污点安装监控设备。因此水环境监控部门只能采用让大型企业自行购买监控 设备并由水环境部门监控在线数据的折中方法实现监控。然而，若存在一种移动式的 在线监控设备，水环境监控部门可以根据需要及时的将设备派遣到监控点进行临时在 线监控，那么水环境监控部门完全可以实现在拥有少量移动式监控设备的情况下，对 大量监控点进行不定期的临时监控，可以有效的改善被动监控的现状，加强监控力度。 导致水环境监控响应速度慢的主要原因在于没有适当的现场自动采样系统，采样 完全依赖人工完成。如果存现场有自动采样系统，则响应时间可以缩短到几分钟。然 而，国内的自动采样系统采样准确性差，水样被污染的可能性高，所采集水样与原样 误差较大，国外设备虽然采样误差小，准确性高，但是仍然较为笨重，移动性差，不 适合作为移动式自动采样机。 因此综上所述，若能开发出具有在线监控和自动采样双重功能的移动式平台，上 述问题将迎刃而解。并且由于具有采样功能，在线监控功能的精度要求大为降低，可 以采用廉价的国产监控设备，制作成为大为降低。将其大规模装备水环境监控部门成 为可能，因此水环境监控现状将得到有效改善。 1 3 2 国内外同类产品发展情况及存在的问题 自动取样机在国际和国内都有所研究，也有+ 一些产晶上市，如e + h 公司的a s p 2 0 0 0 自动取样机就是成功设计的典范，该系统设计精巧，取样准确，水样被污染的可能性 大为降低，但其为固定安装无法移动，并且价格昂贵，因此也没有在我国得到大量应 用。我围闷内自行研制的自动取样机成功甚少。 自动水质监控设备国内外产品较多，由于国内产品精度差，不能满足直接排入河 道的水质监控要求，因此大多使用进口产品。有的国外产品也可以实现无线通讯功能， 无需铺设电缆，但都具有严格的通讯范围，作用有限，因此没有在我国得到大量应用。 分析原因，主要如下： 1 ) 相对于低廉的劳动力设备过于昂贵 现国内外自动取样机其主要定位为替代人工取样，并且都为固定安装，因此只能 应用在污水处理厂、河道监测等定点取样单位。然而，相比昂贵的自动取样设备，廉 价的人工取样更为经济。大型污水处理厂运行较为稳定，不需要经常严格取2 4 小时 水样，更不需要为了不经常的2 4 小时水样购置昂贵的设备。河道监测部门一般都在 4 工程硕士学位论文城i f f 污水水样自动采集和监控系统的研究 取水样点附近建有大型的同定取样站，有的取样站甚至建在河流中间，所以自动取样 机根本不适应他们的需要。而水质在线豁控设备价格更甚t - 自动取样机，在资金有限 的情况下根本无法大规模应用。 2 ) 设备功能单一 传统的自动取样设备都只能完成在固定地点的单一取样工作，灵活性差，因此无 法应用于灵活度要求高的污水监测、源头管理等部门，而自动取样设备在这些部门中 的应用价值比污水处理和水利部门高得多。而在线监控设备只能实现在固定点对单一 指标的监控，对于个别重点企业甚至需要安装多个在线监控设备才能满足要求。 因此，若能开发出具有在线监控和自动采样双重功能的移动式价格相对低廉的平 台将具有广泛的市场竞争力，市场潜力巨大。在此基础上，论文提出了城市污水水样 自动采集和豁控系统的设想，该系统具有自动取样和豁控的功能，可以在监控时随时 取样，并采用中央集成控制的方法有效的降低的整体成本和提高了使用灵活性，具有 较高的研究价值。 1 4 论文的研究内容及结构 1 ) 论文的研究内容 笫一章绪论：丰要分析了我国水环境现状，并阐述了我国水环境治理及污水处理 行业的国内外发展状况，通过对比分析，发现并阐述了我国水环境治理的主要问题， 从而阐明了本系统的研究价值之所在。 第二章系统整体性能分析：该部分从我国国情出发结合水环境监控所需要满足的 要求，主要分析了取样、监控及无线传输方面应具备的性能，并提出了本系统应该具 备的优势和特点。根据初步设计，本系统的主要特点为：便携性、监控取样双功能性、 广泛的通讯能力、水样采集的保真性和操作使用的灵活性。 第三章系统整体设计：该部分主要分析了系统总体结构、工作原理和系统整体技 术性能要求，介绍了系统整体性能和大致的运行方式并初步设计了系统各部分的总体 流程。 第四章子机的设计：该部分给出了子机的具体设计方案，并对子机内部的主要流 程和设备做了较为详细的性能定位和选型。子机的设计主要包括：子机外回路、内回 路、取样、监控等流程的设计和子机外置水泵、格栅系统、内置气泵、水样池、水样 定容器、水样定位器、水样密封装置及水样瓶的设计和选型。子机的设计是本系统的 核心之一，其中包括如何确保水样真实性的关键技术。 气 第1 章绪论 工程硕上学位论文 第五章系统的数据传输：该部分主要介绍了系统丰机和现场子机之间的远距离无 线通讯的实现原理和具体的实现方法。本系统使用g p r s 无线通讯技术实现主机和子 机的无线通讯，因此该部分简单介绍了g p r s 技术原理并详细阐述了g p r s 技术在本 系统中的应用。 第六章主机的设计：该部分主要阐述了主机的设计思路和应达到的功能，详细列 出了数据传输的内容、格式和主机g p r s 程序部分的应用，简单描述和介绍了主程序 的设计方法和主要界面。 第七章结论：该部分主要阐述了通过上述分析和研究，解决了哪些关键技术以及 本系统的特点和将来的市场空间。另外该部分也分析了本文尚未解决的问题以及该系 统可进一步发展的方向。 2 ) 论文体系结构 本论文的体系结构如图1 1 所示。 6 图1 1 论文结构图 工稗硕士学化论文城市污水水样自动采集和监控系统的研究 2 城市污水水样自动采集和监控系统整体性能分析 2 1 水样采集性能分析 污水水样采集即取样是系统的主要功能之一，该功能将污水从污水采样点提升到 采样子机，经格栅系统、水样防污染措施、水样定容等步骤后进入水样瓶，最终冷藏 表2 1 污水排入城市下水道水质标准及水质监测要求曲。 序最高允序最高允许 号 项目名称嗨位项目名称瞥位 许浓度号浓度 lp h 值6 0 9 01 9总铅 m g l 1 0 2 悬浮物m g l 15 0 ( 4 0 0 )2 0 总铜m g l 2 0 3 易沉同体m g l 1 5 m i n 1 02 l总锌 m g l 5 o 4油脂 m g l 1 0 02 2总镍m g l 1 0 5 矿物油类m g l 2 0 o2 3 总锰m g l2 0 ( 5 0 1 6 笨系物 m e , l 2 5 2 4 总铁 m g l 1 0 o 7 氰化物m g l o 52 5 总锑m g l 1 0 8硫化物 m g l 1 02 6人价铬m , g l0 5 9 挥发性酚m g l 1 o2 7 总铬m g l 1 5 1 0温度3 52 8总硒 m g l 2 0 l l 生化需氧量 m g l 10 0 ( 3 0 0 )2 9 总砷 m g l o 5 ( b o d 5 ) 1 2化学需氧量 m g l 15 0 ( 5 0 0 )3 0 硫酸盐 m g l 6 0 0 ( c o d c r ) 1 3 溶解r l 固体m g l 2 0 0 03 l硝琏苯类 m g l 5 0 1 4 有机磷 m g l 0 53 2 阴离子表面 m g l 10 0 ( 2 0 0 1 活件剂( l s a ) 1 5 苯胺 m g l 5 o3 3 氨氮m g l2 5 0 ( 3 5 0 0 1 6 氟化物m g l 2 0 03 4磷酸盐 m l1 0 ( 8 0 1 1 7总汞 m g l 0 0 53 5 色度m g l 8 0 1 8 总磷m g l o 1 注：括号内数值使用于有城市污水处理厂的城市下水道系统 水质监测要求： l 、总汞、总镉、六价铬、总砷、总铅，以车间或处理设备排水口抽检浓度为准。其他控 制项目，以排水户排水口的抽检浓度为准。 2 、所自排水单位的排水口应设有榆测井，以便于采集，并在井内设置污水水量计量装置。 3 、水质数据，以城市排水监测部fj 的枪验数据为准。 保存。进入水样瓶冷藏的水样必须满足以下条件： 1 ) 水样中没有大颗粒物质，也不能存在大量沉淀和漂浮物。因此，水样必须首 先被过滤，通过过滤系统将且仅将大颗粒物质和漂浮物去除。 2 ) 水样必须确保在提升和处理过程中不被污染而改变污水性质，从而导致污水 水样失真。表2 1 污水排入城市下水道水质标准中列出了所有监控指标，在实际工作 中常用的监控指标有：p h 值、悬浮物、生化需氧量、化学需氧量、总磷、氨氮、总 7 第2 章城i l j 污水水样自动采集和监控系统系统的特点和市场定位 工程硕上学位论文 氮等，因此在污水输送、过滤、处理的过程中，都不能影响到上述污水指标。 3 ) 子机在外工作一般为2 4 小时且无人职守，因此系统必须可以容纳2 4 小时的 取水量，一般为每小时一次，每次2 5 0 m l ，- - - 5 0 0 m l 。由于水样必须保存2 4 小时，因此 根据水样保存的有关规定，水样必须冷藏，控制温度在4 c ，对于特殊的水样还需要 在设置子机时预先放入相应的水样稳定剂( 常用水样保存方法见表3 2 ) 。 2 2 监控性能分析 监控功能是系统所具有的一套辅助功能，即系统以自动采集水样为主要功能，在 线连续监控功能作为采样功能的一个补充。由于并非主要功能，所以系统对在线监控 的要求为： 1 ) 满足即时检测项目的需要 表2 1 污水排入城市下水道水质标准中p h 值和温度是两个特殊的检测项目，无 论用何种方式保存水样都会对污水p h 值和温度产生较大的影响，因此有关规定要求 p h 值和温度的测量必须在现场测量为准，见表3 2 水样常用保存方法所示。因此系 统子机在线监控设备的安装位上，p h 值和温度在线测量设备必须成为标准配置，任 何子机都必须配有。 2 ) 配合主机完成条件性取样功能 所谓条件性取样功能即当采集点污水的某个指标达到预设值上限时，立刻取样， 这一功能在水质监控和采集超标水样时特别有效。为了实现这一功能，去除上述两个 标准配置的监控设备外，还需要子机能够安装化学需氧量、总磷、总氮等指标的在线 监控设备。由于监控功能并非主要功能，并考虑到子机的体积和安装条件，系统仅额 外预留一个在线仪表的安装位置，但是和p h 值和温度的在线监控设备不同，这一安 装位的设备是可以拆卸更换的，因此可以实现同一予机在不同任务中安装不同的监控 设备已满足特殊的需要，因而每个子机的任务是相当明确的，不存在全能性监控子机。 由第三个监摔装置所监控的指标都能在水样进一步分析后获得准确的数据，并且 由于在线仪表获得的数据不具备法律约束力，因此有别于p h 值和温度监控设备，第 三个j l i 控装置在精度要求上较差。p h 值和温度由于只能在本地现场测量，实验室水 样分析中无法获得准确数据，因此测量该指标的在线仪表应尽可能准确，即该在线仪 表所提供的数据均为“定量”。相对而言，第三个监控装置所获得的数据仪用来“定 性”，即对污水水质做简单初步判断，以确定是否对该时刻污水进行自动取样，若取 样，则实验室水样分析的数据将作为数据依据。因此，第三个监控装备只需满足水质 g 工程硕上学化论文城i l ，污水水样自动采集和监控系统的研究 定性要求即可，这样可以为用户在在线仪表采购方面节省大量资金。另外也为用户提 供了采购仪表的测量范围依据，表2 1 污水排入城市下水道水质标准中提供的指标上 限即为测量范围，其中化学需氧量5 0 0 m g 1 、磷酸盐s m g 1 、氨氮3 5 m g 1 ，即在线仪 表只需要在该数值附近满足使用要求，而在其他区间并没有太高的要求。 2 3 无线通讯性能分析 有别于一般的自动采样系统，本系统完成取样和监控功能的部分称为予机，完成 命令发布、数据接受和处理的部分称为主机，子机和主机完全独立，各成系统。主机 一般固定安装，而子机可以分布在全市的各个污水收集点，并且根据需要可以随时更 改子机执行的命令，也可以转移子机去其他污水收集点完成任务。而主机和子机之间 的通讯采用g p r s 无线通讯技术，只要手机可以使用的地方，本系统均可以正常运行， 而污水排放口。般都不可能为信号屏蔽空间，因此，本系统可以应用于几乎所有的污 水采集和监控地点。 2 4 整体工作模式和控制方式 由于子机和主机分别独立设计，采用g p r s 无线通讯以后，主机可以网定安装。 因此，即时配备多台子机，并且多台子机在不同的采样点同时工作都只需要一台主机 来进行控制，主机即为中央控制系统，该系统控制所有工作中的子机。这种工作模式 完全有别于以往的一台自动采样机一个控制系统的传统模式。不仅降低了制造成本， 同时由于主机功能强大，可以实现更为复杂的命令发布方式和数据分析，并且还可以 监控各个工作子机的工作状态，随时更改子机命令。因此可以实现在适当的时候监控， 在适当的时候取样，监控和取样极具针对性。由于子机采用外接电源的工作方式，虽 然这种方式有一定的局限性，但是同样具有一定的优势，在外接电源的情况下，子机 可以在取样点连续工作很长时问，并没有任何时间限制，工作人员只需要在子机已采 集水样的情况下，在2 4 小时内将水样送到实验室即可。 2 5 系统应具有的优势 根据上述分析，本系统应具备如下优势及特点： 1 ) 子机和主机分别独立设计 子机和主机分别独立设计使得“手臂”和“大脑 工作分开，各司其职。这样设 计可以降低“手臂”的设计和制造成本，大大降低子机大规模应用时的初期投资金额； 9 第2 章城f r 污水水样自动采集和监控系统系统的特点和市场定位工程顾上学位论文 也可以使丰机在降低设计成本的同时，具有更加强大的功能。这是因为我们在设计主 机时根本彳i 需要受到子机空间和重量上的限制，也不需要受到子机设计成本的影响。 我们完全可以使用一台普通工控机通过应用软件来实现强大的编程、运算、数据储存 和控制功能，再通过无限网络把命令传给子机即可，子机无需配置“大脑”，只需要 执行命令。 2 ) 主机控制功能灵活多变 主机的控制功能完全可以按照用户的需要自行设定，可以实现定时间间隔、定时 间点、定量、随机等取样方式，若结合子机在线监测功能还可以实现单条件、多条件、 条件突变和半人工监测取样等高级取样功能。 3 ) 子机适用范围广 子机本身材料选择合理，防腐防锈，并且具有低电压适应能力，因此可以适用与 大多数污水采集点。子机体积和重量适中，运输和使用方便，广阔的无限通讯范围可 以覆盖全市，使用者可以根据实现情况将子机设置在需要的地方并且可以随时更换地 点。 4 ) 子机水样采集准确 予机水样采集时，对水样做了初步处理，滤去在污水处理过程中会被机械格栅及 初沉池过滤和沉淀的大颗粒及絮状物。同时充分考虑水样被其他因素污染的可能性， 如水样被上次取样所留下的残液污染、和途径的设备材质发生化学反应而变质等，为 此每次取样都要对取样池和取样管道进行反复冲洗，并且水样途径的所有管路和设备 都选用化学性质稳定的材料，以保证水样的准确性。 5 ) 相对的低投入 由于子机的便捷性和远程无线通讯能力，使用单位只需要购置一台主机和少量子 机就可以对大量排污单位进行灵活的水样监控和采集，相对于固定式取样设备和固定 式在线监测设备可以节省大量资金。 2 6 系统的应用场合 本系统由于功能多样化、具备便携性和广泛的远程通讯范围，决定了其有如下应 用领域： 1 ) 在排水监测或环保管理部门的应用 本系统的主要应用在于各污水排放监测站或环境管理部门，实现自动水样监控采 集或在中央控制室指挥取样，取样及时有效，为环保管理部门提供有力的水样依据， 1 0 工程硕- 上学似论文 城l l f 污水水样自动采集和监控系统的研究 大大加大执法力度，提高t 作效率。 2 ) 污水处理厂正常运行管理中的应用 本系统可应用在各污水处理厂正常运行的水质监控中，作为无人职守泵站水样采 集设备，也可安设在重要的水样采样点自动监控及采样。采用本系统可以完全排除人 工采样的人为i 大l 素，保证了水样的准确性，为污水处理厂运行调整提供可靠的数据分 析来源。 3 ) 污水处理厂源头管理和监督中的应用 本系统作为污水处理厂正常运行水质监控的同时也可作为污水处理厂源头管理 的有效工具，可有效的对可疑排放点进行2 4 小时采样或汇报实时水质数据，大大简 化了污水处理厂源头管理- t 作。 4 ) 在各院校、研究机构和实验室的应用 由于本系统的便携性和灵活性，使得在广大高校、研究机构和实验室的应用成为 可能。这些机构完全有能力、有必要拥有一套灵活性较高的自动取样监控设备，可以 方便的使用在不同地点和不同环境进行长期的监控和取样工作，从而减少这些机构在 取样工作方面的人力、物力的支出，提高工作效率。 第3 章城市污水水样自动采集系统整体设计r 力案工程硕士学位论文 3 城市污水水样自动采集和监控系统整体方案设计 本系统分为中央控制主机和分散在各地的自动取样和监控子机两部分，也称为主 机和子机。主机以程序控制为主，起到“大脑”的作用，负责命令发布，数据接受和 处理以及数据库管理等工作，主机一般固定安装于“中央控制室”等无线通讯良好的 场所。子机以机械结构和执行机构为主，起到“手臂”的作用，负责命令的执行。子 机可安装于任何无线通讯良好的监控点，一般不做固定安装。 3 1 系统总体结构和技术要求 3 1 1 系统总体结构和工作原理 系统在总体上可分为三部分：主机部分( 中央控制系统) 、无线通讯部分( g p r s 无线通讯) 、现场予机系统。主机部分由工控电脑配合软件实现控制和监控功能。主 控程序分为g p r s 控制部分和主功能控制部分。g p r s 控制程序负责所有的g p r s 信 息的接收、发送以及对所有g p r s 通讯情况的监控。主功能控制程序负责对所有子机 的命令发布，水质监控数据的后续处理以及对所有子机运行状态的监控并完成各类台 帐的输出等功能。g p r s 无线通讯部分可分为三个层次：存在与主机中的控制程序、 空中的无线传输以及i n t e r n e t 网络传输部分和子机内嵌的g p r s 通讯模块部分。 子机内嵌的g p r s 通讯模块完全负责子机和主机的通讯连接，而模块与子机内部p l c 的衔接通过模块的标准接口实现。现场子机是本系统的执行机构，也是核心技术之所 在，负责完成现场的取样和监控任务，可分为两部分：外置设备和内置设备。外置设 备只有外置潜水泵，其与子机主体脱离，其任务是将污水提升到子机主体，子机主体 将污水过滤后再进行在线监控，最后由子机主体内部的气泵( 内置气泵) 将污水水样 送至水样容积确定装置后进入取样瓶，完成取样过程。 如图3 i 所示为模拟的江苏省水环境检测部门使用该系统的示意图，根据实际监 控的需要，该监控部门将7 台子机分别放在常州某纺织厂排空口、无锡某污水处理厂 排放口、苏州某化工厂排放口、南京某食品厂排放口、镇江某雨水溢流口、镇江某工 业阔区排放口、旬容某垃圾焚烧场排放口等监控地点，当各子机全部启动后，都与主 机建立了g p r s 无线连接，此时，监控部门工作人员在南京的中央控制室主机中利用 命令发布界面给每个子机分别制定了不同的工作任务。主机根据工作人员设定的各子 工程硕士学位论文城市污水水样自动采集和监控系统的研究 机工作任务在预定的时间给每个子机发送预制的命令，命令按照规定的格式通过 黧孥 业园区排放f 歹。翟翌銎 u 弋= 6 # 子机 雾絮 水溢流排放r 夕7 翟篓銎 u1 j 5 # 子机 雾絮 圾焚烧场排厂| 歹翟竺2 放u 气“ l ，r 7 # 子机i g p r s 无线网络 p r s 通讯 块连接 p r s 通讯 块连矮 常州某个纺 易 厂排放i - 1 1 # 子机 无锡某个 水处理j 。 = 放u 2 # 子机 跫弦尊k 銎炎竺乡渺铋峭”岁 4 # 子机 扩 3 # 子机 i n t e r n e t 网络传输到g p r s 对应的基站，再通过基站向子机装配的g p r s 模块发送g p r s 无线数据包，g p r s 模块接收到数据包经过处理后利用通用接口传输至了机内置p l c 控制器，内置p l c 根据预置的程序完成相应的任务。当子机需要将在线监控的数据传 输至主机时，与主机发送命令的过程相反，主机接收到子机的监控数据后，经过数据 处理生成在线监控曲线及台帐等反馈给监控人员。如若1 # 子机所在常州某纺织厂排 放口需要在凌晨2 点到4 点之间每隔半小时取样一次，则主机会在0 2 ：0 0 、0 2 ：3 0 、 0 3 ：0 0 、0 3 ：3 0 、0 4 ：0 0 这五个时间点发送取样命令给1 # 子机，而l # 予机每接收到 一条取样命令便执行取样动作一次，并发送完成信号给主机，主机接收到完成信号后 反映在对应的界面中；若2 # 子机所在的无锡某个污水处理厂排放口需要在7 点、8 点、l l 点和1 6 点取样，则主机会在这四个时间点上向2 # 子机发送取样命令，2 # 子机 接收到取样命令后与1 # 子机一致；若3 # 子机所在的苏州某化工厂排放口需要在下午 2 点到4 点连续监控，则主机将在1 4 ：o o 向子机发送监控命令，子机接收到监控命 令后执行连续监控程序，并持续发送监控数据至主机，主机接收到监控数据后生成在 1 3 第3 章城市污水水样自动采集系统整体设计方案 工程硕上学位论文 线j l 【控曲线，直到1 6 ：0 0 接收到丰机发送的停止监控命令后子机停止监控；若4 # 子 机所在的南京某个食品厂排放口需要在下午2 点到4 点进行连续监控，并且当c o d 值大于f i o o m g l 时取样，则如同3 # 子机一样，4 # 子机将在1 4 ：0 0 开始连续监控，并 发送监控数据到主机，主机接收到数据后除了生成在线监控曲线外还将每个c o d 值与 5 0 0 m g l 进行比较，若发现监控值大于5 0 0 m g l ，则立即发送监控中取样命令，子机 接收到监控中取样命令后完成一次取样任务后继续监控，直到1 6 ：0 0 接收到停止监 控命令后予机停止。 3 1 2 系统整体技术要求 1 ) 整体性技术要求 系统的无线通讯至少达到覆盖一个城市的要求，最好能覆盖全省。无线通讯质 量上，必须能实现实时在线的及时性和数据的安全性。无线通讯是本系统的重要关键 技术之一。 不可排除系统在运行过程中会经常出现故障，由于子机属于无人值守设备，附 近不会有工作人员，因此要求系统具有一定的自检排障功能和远程排障能力。当出现 故障时，无论子机还是主机都可以使用自检的方式对故障做初步判断，工作人员可以 通过自榆结果对主机进行预设的简单重启或复位以排除故障，子机更应具有特殊的命 令进行复位、断电续上或重新建立g p r s 连接、清堵等功能，员工可以通过该命令实 现对子机进行远程排障操作以解决常见简单故障，提高无人值守子机的运行可靠性。 由于在常规性水质检测中最常使用的是2 5 0 m l - - 一5 0 0 m l 水样，而最大需要使用 的是1 0 0 0 m l 水样，因此系统具有能实现每次采集2 4 个水样，每个水样5 0 0 m l 或1 2 个水样，每个水样1 0 0 0 m l 的取样能力便可完成大多数取样任务。 系统对不稳定电源的适应能力。由于子机将工作在各种污水排放口，其工作场 所可能足城市、郊区或农村，接入的电源可能是市电、农电、临时用电、路灯照明等 各类电源，因此要求子机具有广泛的电压适应能力，由于我国农电的电压波动范围为 1 6 0 v - - 一2 3 0 v ，冈此将子机的电压适应能力设定为1 6 0 v 2 3 0 v 。主机除了需要配备净 化电源外，由于其工作的重要性，并且主机电耗低，为了防_ f e 由于中央控制室缺时间 停电导致所有子机运行瘫痪，要求主机配置大容量电池组，保证主机续航能力达8 小时。 任务时间的控制。根据现有经验及采样和监控的及时性，要求常规性取样命令 的整个执行过程不得超过7 分钟，最佳为5 分钟，在线监控启动时间不得超过2 分钟， 1 4 工程硕上学位论文城i l ，污水水样自动采集和监控系统的研究 最佳为1 分钟。 2 ) 子机技术要求 子机设计的关键性技术 子机设计的关键性技术即为确保水样采集的准确性，减少采样误差。 表3 1 主要t i k 部门废水中的污染物6 部门工业主要污染物 黑色冶金( 选矿、烧结、炼焦、炼钢、悬浮物、酸度、芬、氰化物、油类、化学需氧物质、 轧钢)生化需氧物质、色度、硫化物、多环芳烃 冶金工业 有色冶金( 选矿、烧结、冶炼、电解、悬浮物、铜、锌、铅、汞、砷、镉、氟化物、化学需 精炼)氧物质 基础化学工业( 碱、酸、无机和有机原汞、砷、铬、酚、氰、硫化物、苯、醛、醇类、油类、 料) 悬浮物、酸、碱、化学需氧物质 化学需氧物质、溶解性固体、总有机碳、生化需氧物 化学纤维工业 质、酸、碱、