污水在線監(jiān)測設(shè)備中電氣自動化的應(yīng)用

關(guān)偉坤

（肇慶市鵬凱環(huán)保裝備有限公司，廣東 肇慶 526000）

目前，我國水污染問題依然十分嚴(yán)重，水污染問題制約了我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，污水處理變得尤為重要。近年來，污水處理行業(yè)蓬勃發(fā)展，為了發(fā)展污水治理行業(yè)，就必須依靠現(xiàn)代信息化技術(shù)建立污水在線監(jiān)測系統(tǒng)。污水在線監(jiān)測系統(tǒng)通過綜合利用傳感、通信、計(jì)算機(jī)等電氣自動化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對污水的在線監(jiān)控管理。部分發(fā)達(dá)國家早在10年前就已經(jīng)建立自己的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，我國在這方面的起步較晚，存在較大的發(fā)展空間。在線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以大大節(jié)省人力、物力，下面將對污水處理中的在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行解析，并提出了監(jiān)測過程中應(yīng)注意的事項(xiàng)。

1 電氣自動化技術(shù)概況

電氣自動化技術(shù)是指通過電氣設(shè)備對生產(chǎn)過程、設(shè)備進(jìn)行自動控制的技術(shù)，能大大節(jié)省人力。20世紀(jì)60年代，電氣自動化技術(shù)得到了迅速發(fā)展。電力自動化技術(shù)在我國污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代。電氣自動化技術(shù)內(nèi)涵豐富，涵蓋了電力、電子等多門學(xué)科的技術(shù)內(nèi)容，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為普遍，具有廣闊的發(fā)展前景。該技術(shù)生產(chǎn)要求很高，需要專業(yè)、系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，而且由于材料的預(yù)設(shè)計(jì)方案，需要與各個行業(yè)、生產(chǎn)地區(qū)相結(jié)合，適合當(dāng)?shù)貤l件，同時(shí)需要與電子技術(shù)有效結(jié)合。

2 污水處理廠指標(biāo)監(jiān)控

2.1 污水在線監(jiān)測的必要性

廢水質(zhì)量監(jiān)測的主要目的是檢測物質(zhì)濃度是否低于臨界值，這一監(jiān)測程序更多使用自動取樣-實(shí)驗(yàn)室分析方案。流量測量通常與廢水質(zhì)量測量相結(jié)合，不僅用于輔助取樣，還用于日常負(fù)荷計(jì)算。除此之外，廢水質(zhì)量監(jiān)測還有三個目的。一是進(jìn)行過程控制，特別是污水處理廠，分析器和傳感器通常與物理、化學(xué)或生物反應(yīng)器等一起使用。其間，在線監(jiān)測系統(tǒng)更為可取。二是預(yù)防危險(xiǎn)，部分工業(yè)環(huán)境可能出現(xiàn)有毒污染物，要防止水體受到有毒物質(zhì)影響。在這種情況下，在線監(jiān)測系統(tǒng)顯然更適合發(fā)出實(shí)時(shí)警告。三是提高對廢水質(zhì)量的科學(xué)認(rèn)識，水作為一種基礎(chǔ)資源，雖然人們已經(jīng)對水進(jìn)行了大量研究，但廢水研究依然需要深入推進(jìn)。人們必須持續(xù)開展廢水質(zhì)量研究，并制定科學(xué)的現(xiàn)場測量程序。

2.2 污水監(jiān)測參數(shù)

廢水成分復(fù)雜，處理期間，人們需要關(guān)注BOD、COD、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度燈參數(shù)，它們直接決定廢水處理是否能達(dá)到國家相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)并影響后續(xù)處理過程。目前，廢水處理要關(guān)注氮、磷、有機(jī)物（酚類、碳?xì)浠衔铮┖椭亟饘俸俊Ａ硗猓藗円紤]表面活性劑、內(nèi)分泌干擾物、殺蟲劑、其他工業(yè)有機(jī)物（PAH、芳香胺）、無機(jī)物（硫化物、砷）、微生物指標(biāo)（病原體）等新因素。目前，新型污染指標(biāo)的監(jiān)測越來越受到關(guān)注。

3 電氣自動化設(shè)計(jì)

3.1 污水在線監(jiān)測自動化系統(tǒng)組成

污水在線監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)傳輸裝置、信息管理裝置、輔助監(jiān)測裝置等組成。污水參數(shù)通過在線監(jiān)測裝置與操作中心連接，然后參數(shù)被傳送到電腦管理系統(tǒng)中，污水處理廠的工作人員可以對污水參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。操作中心的上位機(jī)軟件管理系統(tǒng)是整個污水在線監(jiān)測裝置的控制中心，它主要用來查詢數(shù)據(jù)、設(shè)備使用狀況和數(shù)據(jù)儲存狀態(tài)[1-3]。污水處理期間，人們需要采集多種參數(shù)，污水在線監(jiān)測系統(tǒng)的采集裝置要達(dá)到采集多種參數(shù)的要求。

3.2 軟件傳感器在污水處理中的應(yīng)用

軟件傳感器在污水處理中也有應(yīng)用，可用于在線估計(jì)無法測量的變量、模型參數(shù)或克服測量延遲。軟件傳感器的開發(fā)主要是為了監(jiān)測生物過程，因?yàn)樯锓磻?yīng)器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)并不簡單，原因是模型不確定、缺乏可靠的在線傳感器、系統(tǒng)的非線性和時(shí)變性或過程的緩慢響應(yīng)[4-6]。軟件傳感器通過數(shù)學(xué)模型將系統(tǒng)的理論知識與測量系統(tǒng)的實(shí)際工作結(jié)合起來，如果系統(tǒng)上的輸入是已知的（并滿足理論條件），該模型是真實(shí)系統(tǒng)的充分近似，人們可以利用軟件傳感器估計(jì)系統(tǒng)的整體狀態(tài)。開發(fā)軟件傳感器有兩種方法，一是根據(jù)確定性模型估計(jì)所需的參數(shù)，二是僅根據(jù)觀測值來估計(jì)黑箱法。現(xiàn)有的主要技術(shù)有：用一個整體化學(xué)反應(yīng)來表示底物對細(xì)胞質(zhì)量的生物守恒，然后利用化學(xué)計(jì)量關(guān)系計(jì)算各種速率，如細(xì)胞質(zhì)量濃度。前一種方法假定完全了解系統(tǒng)，依賴測量質(zhì)量（誤差、可用性），嚴(yán)重影響在線估計(jì)的準(zhǔn)確性，因此應(yīng)采用一種良好的噪聲過濾算法（如卡爾曼濾波或?qū)?shù)）來提高估計(jì)值的可靠性。

4 污水在線監(jiān)測系統(tǒng)工作

4.1 污水在線監(jiān)測工作流程

污水排放現(xiàn)場安裝的流量計(jì)和各水質(zhì)監(jiān)測儀對污水管網(wǎng)入口處的污水樣品進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析，獲取水樣信息，并通過現(xiàn)場傳輸終端傳輸水樣。水樣信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦I(yè)園區(qū)污水處理監(jiān)控中心。監(jiān)控中心上位機(jī)軟件對監(jiān)測點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，并根據(jù)污染程度計(jì)算各入口相應(yīng)的應(yīng)有成本。對于嚴(yán)重污染的水質(zhì)，上位機(jī)會自動報(bào)警，并提醒應(yīng)選擇的污水處理工藝。同時(shí)，上位機(jī)軟件將讀取、整理、存儲每個傳感器收集的數(shù)據(jù)，形成日表和月表。監(jiān)控中心可以通過上位機(jī)軟件向各污水端口檢測傳感器發(fā)出指令，設(shè)置儀表讀取時(shí)間間隔和監(jiān)測報(bào)警閾值等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心與現(xiàn)場設(shè)備之間的遠(yuǎn)程控制[7-9]。

4.2 PLC控制過程

PLC控制系統(tǒng)控制污水管道和采樣管道上的電磁閥打開，并關(guān)閉清水管道和排水口上的電磁閥，污水池內(nèi)的污水在采樣泵的抽取下經(jīng)過污水管道、采樣管道進(jìn)入儲存池中。在儲存池注滿后，關(guān)閉污水管道的電磁閥，打開儲存池與監(jiān)測池之間采樣管道的電磁閥，由于監(jiān)測池的容積小于儲存池，地勢低于儲存池，污水經(jīng)過采樣管道緩慢注滿監(jiān)測池，在監(jiān)測池內(nèi)形成一個穩(wěn)定的、類似于污水池內(nèi)的液體環(huán)境，并由安裝在監(jiān)測池內(nèi)的在線監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最后通過電纜將采集得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC控制系統(tǒng)進(jìn)行整合分析。完成整個工作過程后，打開排水口處的電磁閥，將儲存池和監(jiān)測池內(nèi)的污水排出。

5 在線監(jiān)測系統(tǒng)注意事項(xiàng)

5.1 抽樣與現(xiàn)場測量

污水在線監(jiān)測必須從兩個主要步驟中選擇一個程序。一是根據(jù)抽樣和實(shí)驗(yàn)室分析，在監(jiān)管監(jiān)測的正式文本中遵循經(jīng)典程序，包括采樣和分析之間的幾個步驟：調(diào)理、儲存、運(yùn)輸和預(yù)處理：二是基于在線測量系統(tǒng)，使用現(xiàn)場便攜式設(shè)備或測試套件。考慮到在線監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)用性，這兩種方法通常結(jié)合使用。這兩種程序的測量目的并不相同，如果只采用經(jīng)典程序，沒有在線監(jiān)測，人們難以做好處理過程的有關(guān)控制，事實(shí)上，這兩種程序可被認(rèn)為是大多數(shù)應(yīng)用程序的補(bǔ)充。

5.2 樣品保護(hù)

監(jiān)測期間要防止樣品老化，取樣后廢水成分難以保持穩(wěn)定[10-11]。由于物化或生物轉(zhuǎn)化，即使采樣后保持低溫，樣品老化也很難防止。發(fā)生物理化學(xué)老化時(shí)，表面活性劑在聚集/吸附現(xiàn)象中起主要作用。在低溫狀態(tài)下，由于吸附生物降解作用，城市原水的組成會出現(xiàn)很大的變化。這取決于廢水性質(zhì)，但在取樣分析期間，許多物質(zhì)可能會從溶解態(tài)轉(zhuǎn)移到膠體固相中[12-13]。金屬化合物有吸附絡(luò)合釋放的風(fēng)險(xiǎn)，會被降解為有機(jī)物的副產(chǎn)物，導(dǎo)致現(xiàn)場監(jiān)測難度增加。

5.3 在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)際問題

近年來，污水在線監(jiān)測設(shè)備在我國城市污水處理廠得到廣泛應(yīng)用，以保證污水監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性[14-15]。但是，這些設(shè)備大多沒有與上級監(jiān)管部門聯(lián)網(wǎng)，以至于監(jiān)測到的數(shù)據(jù)不能及時(shí)反饋到上級監(jiān)管部門，不利于生態(tài)環(huán)境部門實(shí)時(shí)掌握轄區(qū)污水處理企業(yè)的污水處理情況。

目前，我國污水處理廠安裝的污水在線監(jiān)測系統(tǒng)參差不齊。污水在線監(jiān)測系統(tǒng)大多安裝在工業(yè)污水處理企業(yè)的末端，參數(shù)采集方面以化學(xué)需氧量為主，其他參數(shù)的采集不夠。污水在線監(jiān)測系統(tǒng)尚屬于新型技術(shù)，相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)欠缺，需要工作人員在實(shí)際工作中摸索出相關(guān)使用規(guī)范，以推動我國環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展。

6 結(jié)論

污水處理企業(yè)要積極采用電氣自動化技術(shù)，在線實(shí)時(shí)監(jiān)測水量、水溫、水質(zhì)等污水參數(shù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，以便污水處理人員全面把控污水處理流程，提高工作效率，節(jié)省人力、物力和財(cái)力。但是，污水在線監(jiān)測設(shè)備的自動化應(yīng)用呈現(xiàn)多學(xué)科交叉的特性，人們需要繼續(xù)開展研究，以實(shí)現(xiàn)電氣自動化技術(shù)在污水處理中的廣泛應(yīng)用。