基于GPRS的印染企業污水處理

李秀忠 鐘造勝 陳思濤

摘 要：針對目前印染企業污水處理監控系統存在的投資成本大，布線復雜，監控不及時有效等不足之處，采用GPRS網絡技術開發設計出印染企業污水處理遠程監控系統。將分布在不同地點的多個印染工廠的現場污水處理監控參數通過GPRS網絡和Internet網絡傳輸到企業總部監控中心和環保部門監控中心，使得監控數據及時、真實有效，同時減輕了企業的投資成本和運營成本。污水處理現場儀表的檢測數據通過RS-485總線傳輸到單片機控制器，提高了信號傳輸的有效性。

關鍵詞：遠程監控系統；GPRS網絡；污水處理；印染企業

1 前言

隨著現代工業的迅速發展，環境污染問題是當前面臨的主要社會問題之一，日趨嚴重的水污染，已成為人類健康、經濟和社會可持續發展的重大障礙，為世界性的頭號環境治理課題[1]。水污染正在由淺層向深層發展，地下水和近海域海水也正在受到污染。工業廢水是水污染的主要源頭[2-3]，造成水污染不斷惡化的其中主要原因之一是監控技術手段落后，企業排放廢水的監測數據不能在線實時傳送到環保部門，造成監管不及時或不到位。針對這一情況，本文研究一種基于GPRS的印染企業污水處理遠程監控系統，利用GPRS網絡和Internet網絡在移動終端和計算機之間實現數據的雙向傳輸，企業排放廢水的監測數據實時傳輸到環保部門和企業總部監控中心計算機，實現了遠程無線實時集中監控。該系統用無線網絡進行數據傳輸，污水處理現場到監控中心之間無需布線，現場無人值守，按傳輸流量計費，節約了企業投資和運營成本，數據傳輸實時，監管及時[4]。

2 遠程監控系統設計

2.1 GPRS網絡

GPRS（General Packet Radio Service）通用分組無線服務技術，具有傳輸速率高、實時在線、按流量計費、覆蓋范圍廣等特點。GPRS 是在GSM的基礎上建立的移動網絡系統，在傳統的GSM 網絡中引入了3 個新的組件：PCU（ Packet Control Unit，分組控制單元） 、SGSN（ Serving GPRS Support Node，服務支持節點） 和GGSN （ Gateway GPRS Support Node，網關支持節點） ，支持IP協議和X. 25協議，使得GPRS能提供Internet和其它分組網絡的全球性無線接入。GPRS通信系統結構如圖1所示，主要由GPRS監控終端（應用電路和GPRS DTU）、GPRS網絡（基站、服務支持節點、網關支持節點）、Internet網、監控中心計算機等組成。應用電路采集和處理后的數據通過串口發送到GPRS DTU，經GPRS DTU處理后的分組數據發送到GSM基站，分組數據再經SGSN封裝和GGSN協議轉換后，發送到Internet網絡，最終數據傳送至監控中心計算機。在本文中監控中心計算機采用公網固定IP地址方式接入Internet[5-6]。在監控中心計算機上運行監控軟件實現數據收發、顯示、存儲、查詢和輸出打印。監控中心的控制信息亦通過此通信鏈路下達至GPRS DTU和應用電路，來自Internet標識有GPRS DTU地址的數據包，由GGSN接收，再轉發SGSN，繼而通過基站傳送到GPRS DTU，再通過串口傳送至應用電路。

2.2 遠程監控系統設計

某印染集團企業有4個設在不同地方相距較遠的印染工廠，若采用有線方式，監控數據點多，布線復雜，4個工廠不能實現統一集中監控，每個工廠都要建立一套監控系統，投資成本大[7]，運營成本高，并且不能將監測數據實時傳輸到環保部門。本文研究的基于GPRS的印染企業污水處理遠程監控系統如圖2所示，由4個污水處理現場控制器、GPRS模塊、觸摸屏、污水處理裝置、GPRS網絡、Internet網絡、企業集團總部監控中心計算機、環保部門監控中心計算機等組成。污水處理現場控制器用單片機作處理器，現場檢測儀表通過RS-485總線Modbus協議與單片機之間實現數據傳輸，監測數據通過單片機處理后經GPRS模塊發送至GPRS網絡，再通過GPRS網關傳輸到Internet網絡，最后監測數據傳輸到環保部門和企業集團總部監控中心計算機，同時企業監控中心計算機也可向污水處理現場控制器發出控制指令，控制現場設備運行。觸摸屏用于污水處理現場設備操作控制、參數設置、監測數據顯示、趨勢曲線、報表輸出、歷史數據查詢等。本文在實際應用中單片機選擇宏晶STC15F60S2單片機，GPRS模塊選擇西門子MC55模塊，觸摸屏選擇威綸通TK6070觸摸屏。

2.3 污水處理控制器設計

污水處理控制器由單片機、檢測儀表、泵、鼓風機、GPRS模塊、觸摸屏等組成，如圖3所示。單片機作為處理器，采集現場各種檢測儀表信號[8]，通過編程實現對整個污水處理系統的控制。現場檢測儀表提升泵流量計用于控制進入混凝沉淀池的污水量，加約泵流量計用于控制混凝沉淀池的混凝劑加藥量，鼓風機流量計用于控制接觸氧化池的曝氣量，排污口流量計用于計量污水排放量，污泥泵流量計用于控制和計量進入壓濾機的污泥量。CODcr檢測儀、BOD5檢測儀、SS檢測儀、色度檢測儀、pH檢測儀用于檢測進水口、調節池、混凝沉淀池、水解酸化池、接觸氧化池、二沉池等各監測點的CODcr、BOD5、SS、色度、pH值。由于現場檢測儀表多，并且安裝較分散，與控制器相距甚遠，所以本系統檢測儀表采用RS-485總線通信方式，各檢測儀表掛接在RS-485總線上，這樣避免了長距離傳輸造成信號衰減，同時也避免了復雜的布線，信號傳輸更穩定可靠。所以檢測儀表選擇帶RS-485 Modbus RTU通信協議接口的儀表，如不帶RS-485接口，則選擇加裝一個4-20mA模擬量信號轉RS-485數字信號轉換模塊。提升泵用于將污水從調節池提升至混凝沉淀池，加藥泵用于添加混凝劑，污泥泵用于將污泥池中的污泥抽取到脫泥車間。觸摸屏通過RS-232串口與單片機相連，用于現場監控。GPRS模塊通過RS-232串口與單片機相連，用于將單片機檢測得到的監測數據發送到監控中心計算機，同時接收監控中心發送來的指令并傳送給單片機。

2.4 系統程序設計

系統程序由污水處理現場單片機控制程序和遠程監控程序組成。單片機控制程序主要完成系統初始化、現場監控數據采集、現場控制設備驅動、GPRS通信、觸摸屏通信等功能。單片機采集現場各污水處理池的參數，按設定的處理工藝自動控制各泵、閥、風機等的起停，實現污水達標排放。其中的GPRS通信程序主要完成GPRS初始化、網絡連接、數據通信、關閉連接等功能，將現場污水處理參數無線發送到環保部門和企業總部的監控中心計算機，同時接收監控中心發送來的控制指令。觸摸屏通信程序主要完成系統參數設置、系統起停控制、監控數據存儲及顯示、報表輸出、歷史數據查詢等本地監控功能。遠程監控程序主要通過GPRS網絡通信實現污水處理遠程監視、故障診斷、遠程維護等功能。

3 污水處理工藝

印染企業污水是一種水量大、色度高、組分復雜、水質變動范圍大、溫度高的較難處理有機污水[9-12]，針對這些特點本文采用調節、混凝沉淀、水解酸化、接觸氧化、二沉的處理工藝，如圖4所示。印染企業車間廢水經過格柵將廢水中含有大量的布毛、線頭、纖維碎屑等懸浮物去除后，經調節池對水質、水量進行調節，同時進行預沉淀、預曝氣、降溫處理。調節池中的廢水經提升泵抽取到混凝沉淀池，在混凝沉淀池中投加鐵鹽、鋁鹽等無機混凝劑，混凝劑在水中先發生水解、聚合等化學反應，生成的水解、聚合產物再與水中的顆粒發生靜電中和、粒間加橋、粘附卷掃等作用，生成粗大的混凝體再經沉淀除去。本文選擇聚合氯化鋁鐵（PAFC）作為混凝劑，PAFC具有絮凝速度快、礬花大、沉降性能好等特點，并具有良好的除濁、脫色和去除COD性能，原料來源廣泛，成本低廉，廣泛應用于工業廢水處理中。混凝沉淀有效減少對后續生化處理的沖擊負荷，提高了廢水的可生化性。

經混凝沉淀處理后的廢水進入水解酸化池，在厭氧條件下，通過厭氧菌的水解胞外酶作用，使長鏈大分子有機物降解為短鏈小分子有機物，不溶性有機物水解為溶解性有機物，提高廢水的可生化性，使污水在后續的好氧池以較小的能耗和較短的停留時間得到處理，從而提高了污水的處理效率，并減少了污泥生成量。布水均勻與攪拌充分是水解酸化處理的關鍵，在水解酸化池底采用多點脈沖布水，通過攪拌使污泥和廢水充分混合，提高了廢水的水解酸化處理效果。經水解酸化處理后的廢水進入接觸氧化池，通過鼓風機曝氣，向水體充氧，在有氧條件下，污水中的有機物不斷被生物膜中的微生物吸附、氧化分解。曝氣的目的一是供給微生物新陳代所需的氧量，二是使污泥與廢水充分混合，達到攪拌的目的。曝氣量控制是關鍵，本文中根據接觸氧化池中溶解氧量自動調節曝氣強度。污水經過接觸氧化處理后，流入二沉池，經泥水分離后的上清液達標排放。物化污泥和生化污泥經濃縮后，通過污泥泵進入帶式壓濾機進行污泥脫水處理，泥餅定期清運處理。

4 結束語

本系統采用GPRS網絡對一個企業集團分布在不同地方的多家印染工廠進行污水處理遠程無線集中監控，同時將監控數據實時傳送到環保部門，使得監控及時、真實、有效，減輕了企業污水處理監控系統的投資成本和運營成本。現場單片機采用RS-485總線方式進行數據采集，避免了現場檢測儀表因長距離的復雜布線而造成信號的衰減，提高了信號傳輸的有效性。經實際應用表明，該系統運行穩定可靠，可廣泛應用于印染企業實現對污水處理的遠程無線集中監控。

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作者簡介：李秀忠（1970—），男，四川達州人，碩士，副教授，主要研究方向為自動控制技術。