陳婧 楊小令 丁梓恒 鐘書凝 彭星凱

【摘 要】本文以注射流動(dòng)分析技術(shù)（FIA）為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)的單通道順序注射技術(shù)，全部使用注射泵和電磁閥，同時(shí)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到污水自動(dòng)化處理系統(tǒng)中去，檢測(cè)處理污水包括PH值、色度、化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、氨氮、總氮、總磷、懸浮物（SS）、陰離子表面活性劑、石油類、烷基汞、總汞、總鎘、六價(jià)鉻、總鉻、總砷、總鉛、糞大腸菌群數(shù)等18項(xiàng)指標(biāo)，構(gòu)造一套基于物聯(lián)網(wǎng)的在線式污水處理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】污水處理；物聯(lián)網(wǎng)；檢測(cè)技術(shù)；流動(dòng)注射分析

中圖分類號(hào)： TN929.5；TP391.44；X84 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）16-0022-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.009

【Abstract】Based on injection flow analysis technology （FIA），this wastewater automation system adopts advanced single-channel sequential injection technology，equipped with injection pumps and solenoid valves，by application of the Internet of Things technology to detect and to calculate totally 18 indicators including PH values，Chroma，chemical oxygen demand（COD），biochemical oxygen demand （BOD），ammonia nitrogen，total nitrogen，total phosphorus，suspended solids（SS），anionic surfactants，petroleum，alkyl mercury，total mercury，total cadmium，hexavalent chromium，total chromium， total arsenic，total lead，and fecal coliforms.An online sewage treatment monitoring system can be carried out relied on the Internet of Things.

【Key words】Sewage treatment；Internet of Things；Testing Technology；Flow Injection Analysis

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水污染問(wèn)題對(duì)經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)和人民生活水平造成的損害更加凸顯[1]。在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，污水處理廠污水處理的監(jiān)測(cè)采用傳統(tǒng)手工操作，存在處理繁瑣、檢測(cè)效率低、分析周期長(zhǎng)、試劑毒性強(qiáng)、對(duì)人工具有較強(qiáng)的依賴等缺點(diǎn)。在發(fā)生緊急突發(fā)事件時(shí)，不能實(shí)時(shí)、快速地提供監(jiān)測(cè)結(jié)果，可能會(huì)對(duì)水環(huán)境造成難以挽回的損失[2]。因此，在污水處理監(jiān)測(cè)時(shí)，采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)的愿望是迫切的。

1 自動(dòng)監(jiān)測(cè)的意義及難度

自動(dòng)檢測(cè)省去了人工操作繁瑣的操作步驟，集成化、系列化、自動(dòng)化，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程處于封閉系統(tǒng)中，減少對(duì)外界環(huán)境的污染，分析速率高。樣品在線處理極大地提高了整個(gè)分析過(guò)程的效率、可靠性和分析速度，可以節(jié)省大量人力、物力的消耗，降低樣品及試劑消耗量以及實(shí)驗(yàn)廢液產(chǎn)量，能夠在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)提供良好的分析性能[3]。

2 總體設(shè)計(jì)

以提高污水處理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能價(jià)格比為目標(biāo)。依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，確定18項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，篩選國(guó)內(nèi)品牌的電化學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器、單片機(jī)、GPRS模塊、服務(wù)器，自主研發(fā)在線式水質(zhì)分析儀。以物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，集成相關(guān)軟硬件，實(shí)現(xiàn)對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放的在線監(jiān)測(cè)。

2.1 順序注射分析技術(shù)

1975年之后，流動(dòng)注射分析（FIA）迅猛發(fā)展[4]，但是其缺點(diǎn)限制了此技術(shù)在過(guò)程控制分析方面的應(yīng)用[5]。因此，Ruzicka 和 Marshall于1990年提出了順序注射分析技術(shù)[6]（Sequential Injection Analysis，SIA）。

SIA儀器裝置是由溶液驅(qū)動(dòng)裝置、閥門裝置、儲(chǔ)液管、流通監(jiān)測(cè)裝置和帶接口的計(jì)算機(jī)組合而成[7]。SIA 系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，泵首先逆向運(yùn)轉(zhuǎn)使洗液或載液吸入儲(chǔ)液管，將旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)到與試劑通道相連接的位置，吸入試劑。當(dāng)閥轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，泵應(yīng)停止工作，以防產(chǎn)生壓力波動(dòng)，樣品以同樣的方式吸入。試劑和樣品按順序注入到儲(chǔ)液管形成堆型區(qū)帶，最后閥轉(zhuǎn)到檢測(cè)器通道，泵正向轉(zhuǎn)動(dòng)使流向改變，把堆型區(qū)帶推向檢測(cè)器。

溶液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，本文采用注射泵作為驅(qū)動(dòng)單元，可實(shí)現(xiàn)液體流向和流速可變換、抽吸或推動(dòng)微體積液體準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)；閥門裝置，本文采用電磁閥，出于價(jià)格性能高的考慮，此換向閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不易堵塞；同時(shí)，裝置中紫外-可見光光度、電化學(xué)和原子吸收等檢測(cè)器可與不同類型的檢測(cè)器相連。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

順序注射分析技術(shù)結(jié)合先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)聯(lián)合傳感器，可以對(duì)特定的物理、化學(xué)環(huán)境進(jìn)行有效地實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，水質(zhì)信息可以自動(dòng)進(jìn)行收集。無(wú)線傳感器內(nèi)基本存在兩種節(jié)點(diǎn)[8]，首先是采集結(jié)點(diǎn)，其次是匯聚節(jié)點(diǎn)。采集節(jié)點(diǎn)利用多跳接力的方法把數(shù)據(jù)聚集進(jìn)匯聚節(jié)點(diǎn)上，采集結(jié)點(diǎn)不僅屬于采集信息的終端節(jié)點(diǎn)，也屬于傳遞信息的中級(jí)傳輸節(jié)點(diǎn)。而匯集節(jié)點(diǎn)把整個(gè)范圍內(nèi)采集結(jié)點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)信息傳輸給遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)監(jiān)控人員，用戶也可以對(duì)無(wú)線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

在線式水質(zhì)分析儀配備了系列化試劑，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002），可以檢測(cè)PH值、色度、化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、氨氮、總氮、總磷、懸浮物（SS）、陰離子表面活性劑、石油類、烷基汞、總汞、總鎘、六價(jià)鉻、總鉻、總砷、總鉛、糞大腸菌群數(shù)等18項(xiàng)指標(biāo)。同時(shí)，借助光學(xué)傳感器和電化學(xué)傳感器采集18項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)。

3.1 各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定方法及試劑

測(cè)定色度指標(biāo)時(shí)，本文采用稀釋倍數(shù)法，通過(guò)裝置光學(xué)傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，記錄下此時(shí)的稀釋倍數(shù)值。測(cè)定PH值時(shí)，本文采用玻璃電極法。可直接接入電化學(xué)傳感器接收PH值，溫度差異在儀器上有補(bǔ)償裝置。測(cè)定化學(xué)需氧量（COD）時(shí)，本文采用重鉻酸鹽法，順序注射重鉻酸鉀溶液，儀器反映指標(biāo)數(shù)據(jù)。測(cè)定生化需氧量（BOD）時(shí)，本文采用稀釋與接種法。

測(cè)定氨氮時(shí)，本文采用蒸餾和滴定法，以甲基紅-亞甲藍(lán)為指示劑，用酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定餾出液中的銨。此含量使用電化學(xué)傳感器來(lái)測(cè)量。測(cè)定總氮時(shí)，本文采用堿性過(guò)硫酸鉀-消解紫外分光光度法。順序注射60℃以上的過(guò)硫酸鉀溶液，可使水樣中含氯化合物的氮元素轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，用紫外分光光度法于波長(zhǎng)220nm和275nm處測(cè)出吸光度，計(jì)算出總氮含量。測(cè)定總磷時(shí)，本文采用鉬酸銨分光光度法。順序注射硫酸鉀使水樣消解，在酸性介質(zhì)中，正磷酸鹽與鉬酸銨反應(yīng)，生成藍(lán)色的絡(luò)合物。測(cè)定懸浮物（SS）時(shí)，本文采用重量法。用光學(xué)傳感器測(cè)定截留在濾膜上并于103～105℃烘干至恒重的物質(zhì)。

測(cè)定陰離子表面活性劑時(shí)，采用亞甲藍(lán)分光光度法。順序注射亞甲藍(lán)溶液，生成物用氯仿萃取，用分光光度計(jì)在波長(zhǎng)652nm處測(cè)量氯仿層的吸光度。測(cè)定石油類時(shí)，本文采用紅外光度法。將硅酸鎂吸附后的萃取液轉(zhuǎn)移至比色皿中，以四氯化碳作參比溶液，利用光學(xué)傳感器，在固定位置測(cè)量相應(yīng)吸光度，即可計(jì)算得到石油類的濃度。

測(cè)定烷基汞時(shí)，采用氣相色譜法。用帶電子捕獲檢測(cè)器的氣相色譜儀測(cè)定。測(cè)定總汞時(shí)，采用冷原子吸收分光光度法。在硫酸-硝酸介質(zhì)及加熱條件下，順序注射高錳酸鉀和過(guò)硫酸鉀將試樣消解，再經(jīng)過(guò)還原反應(yīng)后成金屬汞，汽化后載入冷原子吸收測(cè)汞儀并測(cè)量其吸收值。測(cè)定總鎘時(shí)，采用原子吸收分光光度法。將水樣直接吸入火焰，在火焰中形成的原子對(duì)特征電磁輻射產(chǎn)生吸收，通過(guò)光學(xué)傳感器比較吸收光度來(lái)確定濃度。測(cè)定六價(jià)鉻時(shí)，采用二苯碳酰二肼分光光度法。在酸性水樣中順序注射二苯碳酰二肼，反應(yīng)生成紫紅色化合物，于波長(zhǎng)540nm處進(jìn)進(jìn)行分光光度，查得六價(jià)鉻含量。

測(cè)定總鉻時(shí)，采用原子吸收分光光度法。水樣中的鉻離子在火焰溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶓B(tài)鉻原子蒸氣，對(duì)357.9 nm的光輻射產(chǎn)生吸收。測(cè)定總砷時(shí)，采用二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法。二乙基二硫代氨基甲酸銀-三乙醇胺的氯仿液吸收砷化氫（胂），生成紅色膠體銀，利用光學(xué)傳感器在波長(zhǎng)530nm處，測(cè)量吸收液的吸光度，從而測(cè)定總砷含量。測(cè)定總鉛時(shí)，采用原子吸收分光光度法。測(cè)定大腸菌群數(shù)時(shí)，采用多管發(fā)酵法測(cè)定。糞大腸菌群菌落在M？FC培養(yǎng)基上呈藍(lán)色或藍(lán)綠色。利用光學(xué)傳感器，計(jì)數(shù)呈藍(lán)或藍(lán)綠色的菌落。

3.2 傳感器

基于物聯(lián)網(wǎng)的污水處理監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水樣18項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理和傳輸。順序注射技術(shù)區(qū)域內(nèi)布設(shè)多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，建立傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化部署。

光學(xué)傳感器是將被水樣被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，測(cè)定色度、懸浮物、石油類、總鎘、總砷和大腸菌群數(shù)的量，借助光電元件進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電信號(hào)表示出來(lái)，從而能夠得到監(jiān)測(cè)水樣的指標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，本文采用先進(jìn)的單通道順序注射技術(shù)，使用注射泵和電磁閥，設(shè)計(jì)一套基于物聯(lián)網(wǎng)的在線式污水處理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用單片機(jī)采集檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)GPRS模塊，發(fā)送到服務(wù)器。在服務(wù)器內(nèi)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)、計(jì)算、處理、融合，再存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。環(huán)境監(jiān)測(cè)部門，通過(guò)計(jì)算機(jī)能夠及時(shí)掌握污水處理過(guò)程和效果，確保城鎮(zhèn)污水處理達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，該項(xiàng)技術(shù)能在未來(lái)污水處理監(jiān)測(cè)過(guò)程中得到廣泛應(yīng)用，解決中國(guó)的水污染問(wèn)題。

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