一种含铬电镀废水智能处理系统设计

谭艳梅*，李丽芳，蒋朝宁

（1.广西机电职业技术学院电气工程系，广西 南宁 530007；2.桂林电子科技大学计算机科学与工程学院，广西 桂林 541004）

【环境保护】

一种含铬电镀废水智能处理系统设计

谭艳梅1,*，李丽芳2，蒋朝宁1

（1.广西机电职业技术学院电气工程系，广西 南宁 530007；2.桂林电子科技大学计算机科学与工程学院，广西 桂林 541004）

pH调节、氧化还原电位(ORP)控制和比色测定是含铬废水还原-沉淀处理的典型方法。为实现远程监控和智能处理，配置处理终端RTU、Sink节点和上位机系统，利用ZigBee网络建立了面向电镀废水处理的无线监测网。该系统通信可靠，能实现废水处理过程的远程监控，且大幅提高了精细化管理水平。

电镀废水；处理；无线传感网络；远程监控；智能处理

First-author’s address:Department of Electrical Engineering, Guangxi Technological College of Machinery and Electricity, Nanning 530007, China

在电镀生产中，镀件及设备的清洗水、排放的废镀液中都可能带有较多的重金属离子，处理不当或直接排放都会危害环境及人体健康。常用物理沉淀法、氧化-还原法、离子交换法、电解法、吸附法、膜分离法(超滤、纳滤或反渗透)等[1]处理电镀废水。但在工厂化的废水处理环节中，要想取得满意的治理效果且投入成本最低，较理想的思路是定时采样，精细控制和管理氧化-还原反应的程度以及沉淀剂的投放。

pH/氧化还原电位(ORP)在线检测技术的应用为智能处理电镀废水迎来新的发展契机。以含铬废水为例，建立面向废水治理的无线监控网络(WSNs)，废水处理终端(RTU)——监控处理节点和工业相机，通过在线检测pH和ORP来自动控制试剂投放，利用计算机(PC)远程监控终端状态，可实现电镀废水处理的智能监控和管理。

1 电镀含铬废水监控原理

含铬废水中含有毒性较大的六价铬(104 ～ 374 mg/L Cr2O72-)，常利用还原-沉淀法使之排放达标(总铬≤1 mg/L，六价铬≤0.2 mg/L[1])。基本思路为：用稀H2SO4调整废水pH为2.5 ～ 3.0；投放NaHSO3并控制氧化还原电位(300 mV)，以便在短时间内将六价铬还原为三价铬；加微量二苯碳酰二肼并利用视觉比色测定六价铬含量；投入石灰使三价铬沉淀，整个处理流程见图1。根据该流程，设计了图2所示的主-从无线监控拓扑网络。主站为监控计算机，通过USB连接无线模块实现远程收发控制；从站为监控处理节点，检测废水pH和ORP，并根据工艺流程控制试剂投放。集水池端配置多点监控终端，采集废水pH和ORP，并将此类信号转发到监控计算机。采用工业相机、流媒体传输和二苯碳酰二肼比色监测六价铬。

图1 含铬废水处理流程Figure 1 Process flow for treating chromium-containing wastewater

图2 含铬废水处理无线拓扑Figure 2 Wireless topology for chromiumcontaining wastewater treatment

2 废水智能处理系统设计

2. 1 硬件设计

2. 1. 1 无线网络配置

工业无线测控常用的网络连接技术有ZigBee、WiFi、GPRS和UWB等[2]。WiFi测控传输效率高，但安全性差，作为电镀测控网络容易受到干扰；GPRS和UWB定点、定位精度高，测控数传通信质量好，但成本投入较高，不适合中小电镀企业实际应用需求；ZigBee主要面向自动化控制数据的传输设计，通信距离适中、传输质量和效率高，适于电镀废水测控网络的建设。

2. 1. 2 废水处理终端RTU的设计

从站RTU对采集变送过程参数、控制试剂投放有重要的作用，为适应电镀生产和废水处理工艺需要，其设计既要考虑开发成本，又要顾及系统的兼容性。因此，主控芯片选用ISM频段的微控制器nRF24E1，该控制器包含独立的nRF2401 ZigBee收发模块和增强型的8051CPU，见图3。采用HART协议的传感器监测废水pH和ORP，利用HART调制解调芯片采集二者信号到8051内核。由流量和各废水处理环节标定试剂的添加并反馈控制电磁阀。以pH控制为例，选择流量为辅环，pH为主环，采集废水pH，估计所需试剂(H2SO4)流量，控制电磁阀打开并投放试剂。同时，监控pH和注入试剂流量，若pH满足工艺要求，关闭电磁阀；若流量达到估算设定而pH未满足要求，则适度减小电磁阀开度，以控制试剂的加入量。

图3 废水处理系统Figure 3 Wastewater treatment system

2. 1. 3 远程监控主站的设计

远程监控主站利用8051内核开发的RS232总线将nRF24E1作为ZigBee通信的收发控制模块。镀件制造完成后，废镀液和清洗后的含铬废水进入废水处理流程，主站PC启动废水处理系统，利用RS232连接的nRF24E1“唤醒”废水处理终端RTU。然后RTU初始化终端节点，校验相关参数，并加入到主站PC组建的ZigBee网络，实现主-从站的无线连接。选用远距离工业相机进行六价铬的比色，按照废水处理流程检测六价铬后，由工业相机将试剂加入位置的画面帧通过流媒体上传到主站PC，并根据开源的视觉库分析(基于数据库的Web应用)判断废水中是否含有六价铬。

2. 2 软件开发与实现

按电镀废水的处理过程，监控网络由终端RTU、PC端转发节点、上位机等部分组成。其中，终端RTU和PC端转发节点功能由C语言编程实现[3]，利用C#和数据库开发了上位机面向废水处理的Web应用。

2. 2. 1 转发节点(Sink)的网络控制

系统初始化完毕，转发节点nRF2401建立1个ZigBee网络，RTU节点发送信号加入该网络。然后按实际的废水处理过程设置中断位置，若转发节点控制器检测到中断信号，8051内核控制nRF2401进行网络通信，上传RTU采集的废水处理信息，并转发远端PC的控制指令，如图4所示。

2. 2. 2 RTU和视觉功能的实现

终端RTU被唤醒，经校验后加入主站转发节点组建的ZigBee网路。当远端PC要监控废水处理过程时，RTU采集过程参数，动态调节试剂加入，并经Sink节点转发以供上位机监控。废水处理结束后，上位机发出指令，RTU控制二苯碳酰二肼的加入，经工业相机和流媒体传输，检测是否含有六价铬，如图5所示。

图4 转发节点的网络控制Figure 4 Network control of sink node

图5 RTU和视觉功能实现Figure 5 RTU and visual function realization

2. 2. 3 上位机监控Web应用

将Sink节点和ZigBee通信所得监测数据存储到数据库，根据废水处理流程和要求，开发了一系列Web应用来分析、处理监测数据，如图6所示。

图6 上位机监控系统Figure 6 PC monitoring system

通过ADO.NET连接数据库与包含了许多针对废水处理的应用的Web服务器。通过Web浏览器，选择所要监测的过程和RTU地址，向目的站点发出应用请求，站点按监控需要，在Web界面实时显示废水处理过程。

2. 3 无线组网测试

2. 3. 1 材料与设备

试剂(碳酸饮料、自来水和洗衣皂溶液)，带pH电极的ZigBee监测节点3个，带pH电极的收发终端1个，其中pH电极的电位精度为0.01 mV，而常温下1.00 mV对应的标称pH约为0.017。

2. 3. 2 试验步骤

先用收发终端的pH电极(有线)依次测出3份试剂稀释前后的pH电位，记录为实际值，而ZigBee监测节点(无线)获得的pH电位作为测量值。通过比较有线和无线监测电位，从而评价无线网络的监测精度。

2. 3. 3 情况说明

(1) 未唤醒时，节点工作电流约为0.9 μA；节点收数据时，最大耗电24 mA；在线转发pH电位时，耗电保持约为38 mA，满足废水监控网络低耗电的要求。

(2) 该监控网络的造价合理，所需硬件投入不足千元，而节点的供电也完全可由普通干电池提供，服役周期能达1个季度。

(3) 监测结果见表1。由表1可知，稀释前后pH电位波动最大为4.81 mV，常温下pH精度变化约为0.081，相比酸化过程控制的pH宽度(∆pH = 0.5)，该系统具有较高的控制和监测精度。

表1 组网监测结果Table 1 Network monitoring results

3 结语

(1) 结合含铬废水的还原-沉淀治理和检测工艺，创新性给出一种电镀废水处理的新思路：配置废水处理终端RTU、Sink节点和上位机PC，利用ZigBee无线通信和Web服务，开发了电镀废水智能处理系统。该系统可监控电镀废水处理过程，通信质量好，RTU和Sink节点在距离150 m时数传能力仍较强。

(2) 系统采用模块化结构，各组成投入成本低，检测精度高，耗电低，适于中小电镀企业治理废水需求，并能达到精细控制和管理废水的目的。

[1] 石泰山. 电镀废水治理方案浅谈[J]. 电镀与精饰, 2014, 36 (12)： 41-46.

[2] 李文仲, 段朝玉. ZigBee无线网络技术入门与实战[M]. 北京： 北京航空航天大学出版社, 2007： 5-13.

[3] 丁恩杰, 踪晓志. 基于nRF24E1和DS18B20的无线测温系统[J]. 仪表技术与传感器, 2010 (11)： 60-62.

[ 编辑：杜娟娟 ]

Design of an intelligent system for treatment of chromium-containing electroplating wastewater

TAN Yan-mei*,LI Li-fang, JIANG Chao-ning

Adjustment of pH, oxidation reduction potential (ORP) control, and colorimetric determinations are the typical approaches for treating wastewater containing chromium by reduction/precipitation method. A wireless monitoring network for electroplating wastewater treatment was established based on a ZigBee network by configuring RTU treatment terminals, sink nodes, and PC systems, for realizing remote monitoring and intelligent treatment. This system is reliable in communication, with which the remote monitoring in wastewater treatment process can be achieved, raising the level of refined management greatly.

electroplating wastewater; treatment; wireless sensor network; remote monitoring; intelligent control

X781.1; TP29

A

1004 - 227X (2015) 15 - 0864 - 04

2015-03-25

2015-05-14

谭艳梅（1977-），女，广西河池人，硕士，副教授，主要从事电子信息与通信工程应用研究与开发。

作者联系方式：(E-mail) t_yanmei@126.com。