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(yè)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(zhì)。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(zhì)監(jiān)測，根據(jù)污水水質(zhì)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(guān)鍵詞】成都市；城市污水；在線監(jiān)測；“私人定制”

成都市主城區(qū)每天產(chǎn)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(qū)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(fā)展速度，2020年之后成都市主城區(qū)污水的產(chǎn)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(tài)。據(jù)中國污水處理工程網(wǎng)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(biāo)，可見成都市的污水處理現(xiàn)狀不容樂觀，各個污水處理廠的負(fù)荷較大，要想較好的解決成都市污水處理的現(xiàn)狀，除了擴建現(xiàn)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(xiàn)。如何解決這一個矛盾，這就需要建立一個污水水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過溶解氧傳感器、PH傳感器等監(jiān)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(guān)數(shù)據(jù)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦終端，電腦通過分析這些數(shù)據(jù)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(yǎng)的最少時間。通過這個實時污水在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，我們可以根據(jù)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(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的目標(biāo)

1.1 通過安裝污水水質(zhì)監(jiān)測傳感器可以準(zhǔn)確的獲取污水中氧氣含量、氮磷含量、大腸桿菌數(shù)量、PH值、有機物的含量、重金屬含量等相關(guān)數(shù)據(jù)，而且傳感器能夠穩(wěn)定的工作，快速的響應(yīng)，能為后續(xù)計算機處理提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

1.2 傳感器定時的采集數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GSM網(wǎng)絡(luò)及時的傳輸?shù)接嬎銠C服務(wù)器上，根據(jù)成都市污水廠所劃分的不同區(qū)域，實時監(jiān)測污水的水質(zhì)狀況，并且實現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)投資費用少、運行費用低、適應(yīng)性強、維修簡單和具有一定的靈活性。

1.3 數(shù)據(jù)處理中心能夠根據(jù)傳感器的所收集的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)分析轉(zhuǎn)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(yǎng)池等不同階段的處理時間進行準(zhǔn)確的計算，使污染物含量不盡相同的污水能夠被處理達(dá)到國家排放的標(biāo)準(zhǔn)，跟以前采用的傳統(tǒng)活性污泥曝氣池的6～8個小時相比，這種根據(jù)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(jù)污水中氮磷的具體含量確定加入生物處理劑的量，節(jié)省運行成本。

1.4 對成都市污水所處的不同區(qū)域進行有目的的分析，找出區(qū)域污染的重點項目，從而做出有針對性的治理。當(dāng)某些區(qū)域污水水質(zhì)的一些指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)的時候，我們可以第一時間知道，第一時間做出相應(yīng)的動作，通過水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，一步一步的找到污染物的源頭，將污染控制在我們?nèi)藶榭煽氐姆秶畠?nèi)。針對某些企業(yè)的亂排亂放的不道德行為，我們可以及時知道，并通知相應(yīng)部門對不法企業(yè)進行整改，不至于對我們的環(huán)境造成更大的危害。

2、成都市污水水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 污水水質(zhì)監(jiān)測傳感器的選擇。對于傳感器的選擇，基本要求就是能夠準(zhǔn)確的測量，并且可以實現(xiàn)連續(xù)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(xiàn)溶解氧濃度的連續(xù)測量，而且OOS61熒光法溶解氧傳感器在準(zhǔn)確性方面表現(xiàn)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(jiān)測點設(shè)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(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇偟膮R集節(jié)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(shù)據(jù)要求準(zhǔn)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(jù)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(qū)域的水質(zhì)準(zhǔn)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(qū)域污水的水質(zhì)較為全面、準(zhǔn)確的反映給計算機，為后續(xù)計算機分析處理數(shù)據(jù)，提出污水處理方案提供有效的數(shù)據(jù)支持。

2.3 污水水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計?？紤]到成本和功耗的因素，我們采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GSM網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式，GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、性能完善，并且本身就具體有較強的數(shù)據(jù)糾錯能力，ZigBee技術(shù)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低，滿足我們的設(shè)計要求。體結(jié)構(gòu)設(shè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加適合我們的污水水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)，而且考慮到后期可能有新的污水處理廠的新建，樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以很方便的擴展，使后期系統(tǒng)設(shè)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(wǎng)絡(luò)的通用路由協(xié)議，因此我們這里采用楊陽提出的一種改進過的路由協(xié)議——ZiCL算法，即基于ZigBee技術(shù)和分簇路由的思想的一種路由協(xié)議。組網(wǎng)的時候，先用ZigBee協(xié)調(diào)器建立一個簇首，再將簇首分為幾個簇的節(jié)點，由這個節(jié)點在分管一片區(qū)域。計算機監(jiān)測中心的軟件系統(tǒng)我們采用朱曉舒等人ZigBee技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)中用的QT編寫的場景顯示模式軟件，將檢測系統(tǒng)的界面分為實時數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、網(wǎng)絡(luò)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(shè)置一個中央節(jié)點，再將斷面三個位置的污水信息匯總到中央節(jié)點上，最后將中央節(jié)點的信息匯總到一個總的匯聚節(jié)點，通過GSM網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸?shù)接嬎銠C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(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。計算機服務(wù)終端在接收到匯聚節(jié)點發(fā)送過來的水質(zhì)狀況的相關(guān)數(shù)據(jù)后，在以前的污水處理的相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)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(yōu)的污水處理系統(tǒng)的進水量，根據(jù)楊岸明等人的研究發(fā)現(xiàn)，過多或者過少水量都會使污水處理設(shè)施的負(fù)荷產(chǎn)生影響，從而使污水處理的及結(jié)果達(dá)不到理想的效果。例如，我們通過城市污水水質(zhì)監(jiān)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(jīng)驗上，得出這時刻水中的有機物在達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(jù)計算機分析的數(shù)據(jù)，確定一個最優(yōu)的水力停留時間，最適合的進水量，加入污泥的濃度、數(shù)量及污泥齡等，使硝化和反硝化的時間和效果達(dá)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(zhì)檢測總是在污水處理之后，沒有達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)又繼續(xù)處理這種反復(fù)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(jié)語

成都市的污水處理現(xiàn)狀令人堪憂，污水產(chǎn)生的量每年都在以較快的速度增加，現(xiàn)有的污水處理廠對污水的處理能力有限，現(xiàn)在大多數(shù)的解決方式采用的是對現(xiàn)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(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)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(chǎn)生量和污水處理量之間的矛盾。同時對于突發(fā)性污染事件，在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)還可以及時的監(jiān)測到污染，及時發(fā)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(nèi)。

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