基于物联网的污水处理监测技术研究

陈婧 杨小令 丁梓恒 钟书凝 彭星凯

【摘 要】本文以注射流动分析技术（FIA）为基础，采用先进的单通道顺序注射技术，全部使用注射泵和电磁阀，同时将物联网技术应用到污水自动化处理系统中去，检测处理污水包括PH值、色度、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、氨氮、总氮、总磷、悬浮物（SS）、阴离子表面活性剂、石油类、烷基汞、总汞、总镉、六价铬、总铬、总砷、总铅、粪大肠菌群数等18项指标，构造一套基于物联网的在线式污水处理监测系统。

【关键词】污水处理；物联网；检测技术；流动注射分析

中图分类号： TN929.5；TP391.44；X84 文献标识码： A 文章编号： 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

随着经济的发展，水污染问题对经济、生产和人民生活水平造成的损害更加凸显[1]。在实际工作中发现，污水处理厂污水处理的监测采用传统手工操作，存在处理繁琐、检测效率低、分析周期长、试剂毒性强、对人工具有较强的依赖等缺点。在发生紧急突发事件时，不能实时、快速地提供监测结果，可能会对水环境造成难以挽回的损失[2]。因此，在污水处理监测时，采用自动监测的愿望是迫切的。

1 自动监测的意义及难度

自动检测省去了人工操作繁琐的操作步骤，集成化、系列化、自动化，且实验过程处于封闭系统中，减少对外界环境的污染，分析速率高。样品在线处理极大地提高了整个分析过程的效率、可靠性和分析速度，可以节省大量人力、物力的消耗，降低样品及试剂消耗量以及实验废液产量，能够在较长的时间内提供良好的分析性能[3]。

2 总体设计

以提高污水处理监测系统的性能价格比为目标。依据国家标准，确定18项监测指标，筛选国内品牌的电化學传感器、光学传感器、单片机、GPRS模块、服务器，自主研发在线式水质分析仪。以物联网架构，集成相关软硬件，实现对城镇污水处理厂污染物排放的在线监测。

2.1 顺序注射分析技术

1975年之后，流动注射分析（FIA）迅猛发展[4]，但是其缺点限制了此技术在过程控制分析方面的应用[5]。因此，Ruzicka 和 Marshall于1990年提出了顺序注射分析技术[6]（Sequential Injection Analysis，SIA）。

SIA仪器装置是由溶液驱动装置、阀门装置、储液管、流通监测装置和带接口的计算机组合而成[7]。SIA 系统运转时，泵首先逆向运转使洗液或载液吸入储液管，将旋转阀转到与试剂通道相连接的位置，吸入试剂。当阀转动时，泵应停止工作，以防产生压力波动，样品以同样的方式吸入。试剂和样品按顺序注入到储液管形成堆型区带，最后阀转到检测器通道，泵正向转动使流向改变，把堆型区带推向检测器。

溶液驱动系统中，本文采用注射泵作为驱动单元，可实现液体流向和流速可变换、抽吸或推动微体积液体准确度高等优点；阀门装置，本文采用电磁阀，出于价格性能高的考虑，此换向阀结构简单、不易堵塞；同时，装置中紫外-可见光光度、电化学和原子吸收等检测器可与不同类型的检测器相连。

2.2 物联网架构

顺序注射分析技术结合先进的物联网技术，通过联合传感器，可以对特定的物理、化学环境进行有效地实现监测监控，水质信息可以自动进行收集。无线传感器内基本存在两种节点[8]，首先是采集结点，其次是汇聚节点。采集节点利用多跳接力的方法把数据聚集进汇聚节点上，采集结点不仅属于采集信息的终端节点，也属于传递信息的中级传输节点。而汇集节点把整个范围内采集结点获取的数据信息传输给远程的数据监控人员，用户也可以对无线节点进行实时控制。

3 详细设计

在线式水质分析仪配备了系列化试剂，根据国家标准《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002），可以检测PH值、色度、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、氨氮、总氮、总磷、悬浮物（SS）、阴离子表面活性剂、石油类、烷基汞、总汞、总镉、六价铬、总铬、总砷、总铅、粪大肠菌群数等18项指标。同时，借助光学传感器和电化学传感器采集18项指标数据。

3.1 各项指标测定方法及试剂

测定色度指标时，本文采用稀释倍数法，通过装置光学传感器进行转换，记录下此时的稀释倍数值。测定PH值时，本文采用玻璃电极法。可直接接入电化学传感器接收PH值，温度差异在仪器上有补偿装置。测定化学需氧量（COD）时，本文采用重铬酸盐法，顺序注射重铬酸钾溶液，仪器反映指标数据。测定生化需氧量（BOD）时，本文采用稀释与接种法。

测定氨氮时，本文采用蒸馏和滴定法，以甲基红-亚甲蓝为指示剂，用酸标准溶液滴定馏出液中的铵。此含量使用电化学传感器来测量。测定总氮时，本文采用碱性过硫酸钾-消解紫外分光光度法。顺序注射60℃以上的过硫酸钾溶液，可使水样中含氯化合物的氮元素转化为硝酸盐，用紫外分光光度法于波长220nm和275nm处测出吸光度，计算出总氮含量。测定总磷时，本文采用钼酸铵分光光度法。顺序注射硫酸钾使水样消解，在酸性介质中，正磷酸盐与钼酸铵反应，生成蓝色的络合物。测定悬浮物（SS）时，本文采用重量法。用光学传感器测定截留在滤膜上并于103～105℃烘干至恒重的物质。

测定阴离子表面活性剂时，采用亚甲蓝分光光度法。顺序注射亚甲蓝溶液，生成物用氯仿萃取，用分光光度计在波长652nm处测量氯仿层的吸光度。测定石油类时，本文采用红外光度法。将硅酸镁吸附后的萃取液转移至比色皿中，以四氯化碳作参比溶液，利用光学传感器，在固定位置测量相应吸光度，即可计算得到石油类的浓度。

测定烷基汞时，采用气相色谱法。用带电子捕获检测器的气相色谱仪测定。测定总汞时，采用冷原子吸收分光光度法。在硫酸-硝酸介质及加热条件下，顺序注射高锰酸钾和过硫酸钾将试样消解，再经过还原反应后成金属汞，汽化后载入冷原子吸收测汞仪并测量其吸收值。测定总镉时，采用原子吸收分光光度法。将水样直接吸入火焰，在火焰中形成的原子对特征电磁辐射产生吸收，通过光学传感器比较吸收光度来确定浓度。测定六价铬时，采用二苯碳酰二肼分光光度法。在酸性水样中顺序注射二苯碳酰二肼，反应生成紫红色化合物，于波长540nm处进进行分光光度，查得六价铬含量。

测定总铬时，采用原子吸收分光光度法。水样中的铬离子在火焰温度下转变为基态铬原子蒸气，对357.9 nm的光辐射产生吸收。测定总砷时，采用二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法。二乙基二硫代氨基甲酸银-三乙醇胺的氯仿液吸收砷化氢（胂），生成红色胶体银，利用光学传感器在波长530nm处，测量吸收液的吸光度，从而测定总砷含量。测定总铅时，采用原子吸收分光光度法。测定大肠菌群数时，采用多管发酵法测定。粪大肠菌群菌落在M？FC培养基上呈蓝色或蓝绿色。利用光学传感器，计数呈蓝或蓝绿色的菌落。

3.2 传感器

基于物联网的污水处理监测技术设计了无线传感器网络，实现对水样18项指标数据的实时采集、处理和传输。顺序注射技术区域内布设多个观测点，建立传感器节点与汇聚节点的优化部署。

光学传感器是将被水样被测量的变化转换成光信号，测定色度、悬浮物、石油类、总镉、总砷和大肠菌群数的量，借助光电元件进一步转换成电信号表示出来，从而能够得到监测水样的指标。

4 结语

基于物联网架构，本文采用先进的单通道顺序注射技术，使用注射泵和电磁阀，设计一套基于物联网的在线式污水处理监测系统。采用单片机采集检测数据，通过GPRS模块，发送到服务器。在服务器内，数据经过存储、计算、处理、融合，再存储到数据库中。环境监测部门，通过计算机能够及时掌握污水处理过程和效果，确保城镇污水处理达到排放标准。因此，该项技术能在未来污水处理监测过程中得到广泛应用，解决中国的水污染问题。

【参考文献】

[1]敖旭平，徐斌，金凡，赵佰枫，郑展望.智慧水务在农村生活污水处理中的应用研究[J].2015，31（8）：34-36.

[2]孔忠祥.物联网技术在农村生活污水治理设施智能监管中的应用[J].2015，中国有线电视2015（10），1162-1166.

[3]王军.智慧水务在污水处理中的設计与应用[J].2015，科技创新导报，2015（30）：166-167.