封闭污水处理环境下无人巡检装置开发和试验

朱俊卿，魏海娟，陈褀炜，李洋，李玥

(上海城投污水处理有限公司 白龙港污水处理厂，上海 201201)

0 引 言

随着当前我国城市规模的不断发展，城市污水处理的要求也不断提高。各大城市污水处理厂也迎来了全面的更新改造以满足污水处理的新排放标准。为满足DB31/982—2016《城镇污水处理厂大气污染物排放标准》和保障污水厂员工的个人安全，在各个污水厂纷纷加强了环境除臭，对有散发恶臭有毒有害气体的区域进行了加盖除臭处理。这一措施有效防止了恶臭气体溢散进入空气，但同时也对日常巡视造成一定的影响。以生物处理段最为明显，在未加盖前污水厂员工可以在日常巡视中通过肉眼对生物池曝气区域进行判断，确定当前生物池曝气状态是否良好，在巡视中如有异常情况可第一时间发现并进行及时干预处理。通过加盖处理后，生物池曝气区域会形成一个封闭区域，员工在巡视过程中无法通过视线直接观察到池内的曝气情况，会对生物池运行情况的把控有所减弱，若发生异常情况，及时处理的响应时间会变长，长此以往将不利于污水处理厂的日常运行。李游等[1]提出了一种基于微型红外双光云台机载热成像仪的变电站无人机巡检系统，实现无人机与红外热成像装置间的数据传输；段朝华等[2]基于新型配电线路巡检装置，通过搭载无人机，利用超声波检测配电线路的运行情况。朱长富等[3]利用先进的遥控无人潜水器(romote operated vehicle, ROV)作为平台，搭载光学摄像机和高分辨率3D探测声呐等传感器，对大坝等水下结构物进行近距离观察测量。杜红等[4]对污水处理厂运行过程中因进水水质和水量的变化而出现的问题及解决方法进行了分析。曹徐齐等[5]对国内外新型污水处理厂检测设备进行综合分析；朱俊等[6]对具有大推力、大有效载荷和能实时通信的检测用水下机器人进行了初步结构设计，该水下机器人可搭载多种传感器设备完成不同环境下的检测任务。但以上研究成果很难直接适用于污水处理厂封闭区域的智能检测，因此需要开发一套适用于污水处理厂封闭区域内能够自动检测的装置，用于满足日常的运行需求。本文研制了一套封闭环境无人巡检装置，该装置将水下机器人技术和在线监测设备进行结合，组成了封闭环境无人巡检装置。

封闭环境无人巡检装置可以在污水处理厂加盖的封闭区域内自动航行并将采集的水质数据实时传输至中控室，污水厂中控室调度员可参考这些数据进行更加合理的控制和调整。在线水质监测机器人在污水处理行业中具有较大的推广意义。

1 封闭环境水下智能巡检装置的开发

1.1 水下智能巡检平台

水下机器人是一套高性能的可靠水下系统，由水下搭载本体和地面控制系统两部分组成。由于复杂环境中的水流阻力较大，水流方向复杂多变，易形成絮流，水下机器人的搭载本体采用核心框架承重结构，方便配置深度计、姿态传感器、高清水下摄像机、水下照明和推进器等部件，结实可靠。主要材料使用高强度铝合金，主要含有铝、镁和硅金属元素，是一种热处理型的合金。主要特性如下：①成本低于不锈钢的钛合金，强度与不锈钢接近，硬度也较高；②密度为2.8 g/cm3，约为不锈钢的三分之一；③具备较强的耐腐蚀性能，能在金属表面形成一层致密的保护层，保护内部不被进一步腐蚀；④具备较好的可焊接性能，在空气中焊接时非常容易氧化，生成氧化铝，熔点高、很稳定、不易去除。水下搭载本体采用焊接和螺栓复合链接模式，可以保证结构的整体强度和稳定性。框架底部采用玻璃纤维和工程塑料结构，在保证强度的同时，减轻了设备的质量。吊点和关键受力点采用316L不锈钢材料加强，保证了设备的受力强度；内部采用多重A字形结构，保证了设备稳定性。关键受力点使用不锈钢锻件采集加工制造。

水下智能巡检平台整体结构如图1所示。本文水下智能巡检平台兼具两种功能：第一种功能是单独使用的情况下，ROV能够潜入水中对各类管道和各类蓄水池进行结构探伤和淤泥堆积检查，这些功能对于污水处理厂也是非常实用且必须的；第二种功能就是搭载水质监测单位组合成为在线封闭环境无人巡检装置，实现封闭区域内无人化自动巡检的要求。

图1 水下智能巡检平台整体结构

1.2 电子舱内结构设计

电子舱是水下智能巡检平台本体的核心，控制着ROV的运动，处理ROV的感知，接受外部部件的数据以及能源处理功能。如图2所示，电子舱内部包含有电源和核心控制板等组件。在本系统中，独立于电子舱，但与电子舱连接的部件有：6个推进器、1个摄像机、1个拖曳浮标和4个距离传感器。它们由电子舱提供电源，并受控于舱内核心单元或与舱内部件通信。

图2 电子舱总体结构

1.3 电源系统

整个装置的电源通过履带电缆进入电子舱，其工作的电源为DC300 V，此电源除直接供推进器工作外，经DC/DC电源模块300 V转24 V，供摄像机、测距传感器和外部模块工作，经24/12稳压器提供12 V给拖曳浮标使用。DC300 V经DC/DC电源模块300 V转12 V，供推进器驱动模块、通信载波模块和交换机工作。同时DC12 V转5 V供控制板OrangePi和Pixhawk工作。

2 水质传感器集成

对于污水处理厂运行控制中主要调控参数和出水主要考核指标，在本次开发中针对性地选择了CODCr、NH3-N、溶解氧几个测量参数进行测量。

(1)CODCr：化学需氧量，是指水体中易被强氧化剂氧化的还原性物质所消耗的氧化剂的量。通常作为衡量水体中有机物相对含量的标准，折算成氧的量(mg%2FL)。测定COD所用的氧化剂有重铬酸钾和高锰酸钾等。我国1989年颁布的环境水质标准中，规定用重铬酸钾，因此在COD下端注上Cr(铬)。CODCr越大，水质越差；污染有机物被活性炭吸附越多，CODCr越小。如果水体中还存在其他还原性物质，那么测定的CODCr不只是反映水中有机物的污染量，而且表示水中还原物质污染的总量。CODCr目前是污水厂出水排放指标中一项非常重要的考核参数，其重要性不言而喻。针对这个参数本次开发中使用的分析仪为光谱法COD在线分析仪。其作用原理是依据有机物对紫外光的吸收作用，采用254 nm光谱吸收系数，反映水中的可溶有机物含量的重要测量参数，并可在一定条件下换算成COD值。该方法可以实现连续监测，无需任何试剂。

(2)NH3-N：生物所需的氨、氮和磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖、水体溶氧量下降、鱼类及其他生物大量死亡的现象。大量死亡的水生生物沉积到湖底，被微生物分解，消耗大量的溶解氧，使水体溶解氧含量进一步急剧降低，水质恶化。目前这个参数作为污水处理考核指标，因此通过检测水中氨氮含量可以大致判断水质的情况，这个参数也是目前污水处理厂出水考核指标中重要的一项参数。结合污水处理厂的工况条件，分析仪采用离子选择电极法，传感器由钾离子选择电极，pH电极(参比电极)和温度电极共同组成一个一体式电极。一体式电极即传感器柱体内的几个参数可以互相修正减少干扰。分析仪可以进行灵活的在线校正，进一步提高测量的准确度。

(3)溶解氧：溶解在水中的分子态氧称为溶解氧，通常记作DO。用每升水里氧气的毫克数表示。溶解氧量受水温、气压和溶质(如盐分)的影响，随水温升高而减少，与大气中氧分压成比例增加。水中的溶解氧虽然不是污染物质，但它是衡量水体自净能力的一个指标。溶解氧值是研究水自净能力的一种依据。在一条流动的河水中，取不同地段的水样来测定溶解氧，可以帮助了解该水体在不同地点所进行的自净作用情况。一般规定水体中的溶解氧至少在4 mg/L以上，在废水生化处理过程中，溶解氧也是一项重要控制指标。在检测仪表的选择上选用了荧光法溶解氧在线分析仪，传感器顶端覆盖了一层荧光物质，当传感器发出的蓝光照射到荧光物质时，荧光物质受到激发发出红光，由于氧分子可以带走能量(猝熄效应)，因此激发红光的时间和强度与氧分子的浓度成反比，通过计算可得出水中溶解氧的浓度。

3 水质在线监测装置及系统

3.1 装置集成

集合水下机器人以及水质在线监测装置，并进行针对性改造，将检测仪表集中整合至安全舱体内，形成可适用于污水处理厂的封闭环境无人巡检装置，弥补污水处理过程中水质测量的盲区。实现机动性强、易于操作、数据可靠和实时性强等功能，可在无人封闭的生物池加盖区域内进行自动巡检。设备可以组合使用，也可以单独分离使用，单一水下机器人可以帮助污水厂进行池底、箱涵和管道探伤等作业，水质检测装置可以定点安放进行水质加强监测。组合使用则成为了灵活度高的在线监测机器人，如图3所示。

图3 检测系统与机器人本体的集成

3.2 数字化在线实时监测系统

由于封闭环境无人巡检装置运用工况环境的特殊性，其和监控中心之间主要采用无线通信模式。无线通信是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。

近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。在有中国电信、联通或移动网络覆盖的地方申请专用无线网络，在浮标系统中配置GPRS模块，只需要配置一张电话卡，即可在管理中心进行配置，从而实现数据的远程传输。在管理中心数据接收后，只要在有移动或联通信号的地方，不论是笔记本计算机、手机或其他通信工具，都可以实时查看在线数据。而且根据实际使用需要，后期可以自主定制开发浏览平台实现实时报警、数据历史记库、查询和远程操控等功能。

4 试验和应用

2021年完成了第一代封闭环境无人巡检装置的开发，如图4和图5所示，并在某处理一厂和二厂进行调试。

图4 装置实体样图

图5 下水测试

某污水处理1厂和2厂将封闭环境无人巡检装置投入到生物处理的曝气池中使用，通过巡检装置巡航多点检测水质数据，并对工艺运行进行精细化调整。通过MLSS数据调整外回流比，将生物池污泥浓度控制在合理范围内；通过硝氮数据调整内回流比及外部碳源投加量，有效地监控反硝化反应，在一定程度上达到碳源用药量的降低；通过氨氮及COD数据，有效监控生物池硝化反应状态，适当调整末端溶氧控制目标值；根据DO实时数据，将生物池末端溶解氧实时控制在合理的范围内，对过高的溶解氧区域进行适量的降低曝气减少能耗，对过低的溶解氧区域增加曝气量，保障出水指标的稳定。检测际调整结果如图6所示。

图6 检测结果分析

对于封闭环境无人巡检装置在实际应用中还有很多区域可以使用，如污水处理厂生物处理二沉出水区域，辅助测量出水指标可以让污水厂操作员更及时地进行调控管理。

5 结束语

封闭环境无人巡检装置的开发解决了当前污水处理厂除臭需求和巡检工作的矛盾点，让生物加盖封闭区域内的巡检工作更加便捷和安全，同时也满足了生产工艺的需要。对于污水处理厂来说封闭环境无人巡检装置是非常实用的设备。经现场测试，本文装置可稳定发挥以下几大功能：①在生物处理曝气池内能够稳定航运；②水质数据实时监测上传；③自动生成巡检报告并提示异常数据；④自动取样留样；⑤装置在封闭环境内实时定位；⑥巡检图像实时传输。