水污染在线监测系统的探究

何为 栾辉 马琳

（中国石油安全环保技术研究院H SE检测中心）

水污染在线监测系统的探究

何为 栾辉 马琳

（中国石油安全环保技术研究院H SE检测中心）

针对石油系统环境监测点分布较广且处于野外，基于传统有线网络的数据采集系统应用受到限制的情况，在研究了3 G网络原理和数据采集系统基础上，设计了适合在广阔地域或野外作业的水污染无线数据采集系统。污染源实时在线监控系统可以在“无人值守”的状态下，使企业的环境工作者更细致地了解废水排放的污染情况。

环境监测；数据采集；3 G网络

0 引 言

随着国家对环保重视程度的与日俱增，污水处理和水环境的整治取得了丰硕的成果，很多水源的水质都有了一定程度的改善。然而水资源污染是一个历史遗留问题，想要彻底根治需要经历很长的过程。改善水体质量根治水污染在很长一段时间都将是关注的重点［1-2］。

在这样严峻的环境下，国家环保部门、各生产企业对水质的实时监测越来越重视。以中国石油天然气气集团公司（以下简称集团公司）为例，在全国39家企业设置了80个废水监测点，监测指标包含：流量、C O D浓度及排放量、氨氮浓度及排放量、p H值等。目前，各废水监测点无线3 G网络进行实时测量数据的传输到集团公司污染源在线监测系统中，由集团公司环境监测总站根据各监测点的实时数据制作日报、周报、月报以及年报，使各企业环保部门可以及时掌握生产过程中污水处理情况以及污染物排放的变化趋势。

集团公司污染源在线监控项目不仅有利于相关环保部门可以得到第一手的有效数据，更重要的是方便集团公司对污染源超标的生产企业进行管理，有利于对环境污染事故及时采取预防和制定相应的应急预案。该项目对污水监测涉及污水实时数据监测、自动控制原理、电子与通信、计算机数据库和信息系统建设多领域的技术。简单的说，该系统可以分为两个部分：第一部分是各监测点实时的搜集污染物指标；第二部分是通过电子科学技术将这些指标实时的信息在系统中呈现出来。

1 污水监测分析方法

污水在线自动检测技术以自动分析仪器为核心，利用现代传感器技术和自动测量技术对污水中的污染物指标进行测量，下面针对中国石油集团污染源在线监测的水污染指标的分析做简单的说明。

1.1 C O D指标分析方法

在强酸性和加热的条件下，用K2Cr2O7（重铬酸钾）将水中的有机物和无机还原物氧化，通过测K2Cr2O7的消耗量来计算废水中的C O D值，在整个测量过程中，为避免氯离子干扰，采用了H gSO4溶液，并且采用Ag2SO4溶液作为测量反映的催化剂［3］。程序式C O D自动检测设备，工作原理如图1所示。

程序式C O D检测设备主要性能指标如下：

可选量程10～200，10～500，10～1 000，10～2 000，10～5 000，10～5 000 m g/L。测量误差±5%，重现性误差±3%，最小测量周期30 min。

1.2 氨氮指标分析方法

水溶液中的氨氮是以游离氨（N H3）或离子氨（N H4+）形态存在的有：氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、有机氮，它们之间是可以相互转换的［4］。在实际生产中的氨氮监测时，采用纳氏比色法氨氮全自动在线分析设备，其原理见图1。

将污水样本采集至反应室中，将经过掩蔽除去干扰的氨或铵离子与反应液充分反应，得到棕黄色的络合物，络合物的色度与氨氮含量成正比例，通过光电比色法监测出与该色度相对应的电压，用运算放大器放大后将这个模拟信号传送给数据采集设备。具体工作原理如图2所示［5］。

图1 程序式C O D检测设备原理

图2 氨氮指标测量设备工作原理

其中，纳氏比色法氨氮全自动在线分析设备主要性能指标如下所示。

测量范围：N H3-N，0～120 m g/L；测量下限：0.2 m g/L；循环时间：13，15，20或30 min（可选）；校正：每8，12或者24 h（可选）。

1.3 p H值分析方法

p H值的测定是水分析中最经常也是最重要的分析项目之一，是评价水质非常重要的指标参数，可以反映水质的酸碱性［6］。采用玻璃电极法测量废水的p H值，其仪器结构原理如图3所示。

图3 pH值测量仪器结构

2 数据采集系统分析

在污染源在线检测系统发中，数据采集是指用传感器将废水中的污染物指标转换为4～20 m A电流或1～5 V电压模拟量，然后通过模数转换器（A/D）将其转换为数字量，再由P C机对数据进行存储、分析以及显示。数据采集技术融合了传感器技术、信号测量的多种技术，在工业生产监视、控制以及管理中扮演着非常重要的角色。

通过比较各种数据传输网络，选择3 G网络作为该系统的传输网络。不仅可以满足在分布广阔的野外完成数据采集的传输，也可以在信号较好的情况下上传分钟和小时数据，相对经济便捷。整个数据采集系统，选择低功耗高效处理能力的A R M处理器作为数据采集处理系统的核心C P U，实时数据存储模块、3 G网络传输模块、系统电源等模块配合A R M处理器完成数据采集功能。

2.1 基于3 G网络的数据采集系统工作流程

首先，将污染物指标的模拟信号通过A/D转换器变为数字信号，并将信号传送到A R M处理器中，将数据进行封装。然后，通过串口通信，将数据传送给3 G网络传输模块，该模块自带T C P/IP协议，将数据在适合3 G网络传输的模式下进行分包打包，并根据网络传输协议将数据发送至Internet，数据通过Internet传输到污染源在线监测系统上。事实上，就是C/S架构，每一个数据采集终端就是一个客户端，在线监测系统就是服务器端，在服务器端和客户端之间建立了基于3 G网络的T C P/IP传输通道。

2.2 数据采集硬件结构

所使用的数据采集终端是基于A R M内核的处理器，主要包含：A R M微处理器、A/D转换模块、数据存储模块、时钟模块、3 G网路传输模块以及系统供电模块。硬件结构如图4所示。

图4 硬件结构框示意

2.3 系统软件结构

在软件设计中，为了更高效的利用硬件设备资源，为后续功能扩展留有空间，在嵌入式操作系统中编写了数据采集和数据传输的程序，使得A R M微处理器可以直接运行程序，执行采集和传输命令，增加了整个系统的可靠性，具体软件架构如图5所示。

图5 硬件结构

3 结束语

本文研究的水污染在线监测系统，是一种无人值守的实时监测采集水污染源指标，连续监控的监管系统。用高效的A R M处理器作为控制核心，充分利用3 G网络，实现对生产现场的水污染源监测传感器定时采集数据，并及时与控制中心实时通信。使企业的环境工作者可以“足不出户”的细致了解生产企业的废水排放的污染情况，有实用价值和推广意义。

［1］ 徐丽.浅谈环境监测技术的现状和发展［J］.环境科学导刊，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.

（编辑 李娟）

10.3969/j.issn.1005-3158.2015.05.021

1005-3158（2015）05-0071-03

2015-02-22）

何为，2015年毕业于西安电子科技大学电子工程学院电子与通信工程专业，硕士，现在中国石油安全环保技术研究院H SE检测中心从事环境检测工作。通信地址：北京市昌平区沙河镇西沙桥西中国石油创新基地A座，102206