城市排水監(jiān)測方法及在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

城市排水監(jiān)測方法及在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

1在線監(jiān)測的必要性由于各種原因的水資源短缺，國家應特別注意處理廢水問題。然而，污水處理廠的建設需要大量的投資，運營和維護需要大量的工作和資金。這些實際問題的出現(xiàn)，意味著污水處理廠的設備、設施和儀器必須受到重新保護。在線監(jiān)控系統(tǒng)越來越被用作我國的廢水處理設施和設備。在線監(jiān)測系統(tǒng)包括在線監(jiān)測儀器、數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)處理、應用設施和業(yè)務信息系統(tǒng)。這是集環(huán)境保護科學、在線監(jiān)測、自動控制和通信、現(xiàn)代網(wǎng)絡和信息系統(tǒng)于一體的新技術。對于市場化的城市污水處理廠,進行及時、準確的水質、水量監(jiān)測是十分必要的.歐洲、美國等國的城市污水處理廠,一般都有比較完善的在線監(jiān)測系統(tǒng).而國內由于污水處理廠的體制問題、歸屬問題,以及在線監(jiān)測成套設備生產(chǎn)的廠家極少,在線監(jiān)測儀器基本都是進口儀表,需要集成和配套,對應于具體的在線監(jiān)測任務,其監(jiān)測系統(tǒng)的需求也具有很大的差異性.在國外城市污水處理和排放管理實踐中,監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SupervisoryControlAndDataAcquisitionsystems,SCADA)技術和數(shù)值模擬,已經(jīng)成為城市排水在線監(jiān)測技術與管理體系的標準設施.SCADA系統(tǒng)是以計算機為基礎的生產(chǎn)過程控制與調度管理的自動化系統(tǒng),可以有效地改善城市排水系統(tǒng)的運行效果,提高排水設施的經(jīng)濟效益和社會效益.在國內,80年代中期以后,隨著計算機和通信技術的發(fā)展,以及國內設備性能、可靠性和軟件開發(fā)水平的提高,多家給排水企業(yè)開發(fā)了新一代分布式SCADA系統(tǒng).但是針對排水監(jiān)測技術和管理體系的研究較晚,SCADA系統(tǒng)應用在城市排水系統(tǒng)時,還未形成系統(tǒng)的城市排水監(jiān)測技術和管理體系.城市污水排放在線監(jiān)測與分析技術,利用現(xiàn)代檢測儀表、數(shù)據(jù)通訊和模擬技術,實現(xiàn)對城市排水系統(tǒng)的實時動態(tài)監(jiān)測和管理,達到最佳收集和處理城市污水源頭數(shù)據(jù),保護城市水體資源,整合優(yōu)化城市排水資源配置的效果.由于現(xiàn)有不少企業(yè)將經(jīng)過預處理的工業(yè)污水接入城市排水管網(wǎng)系統(tǒng),因此,對這些工業(yè)污染源而言,做好它的管理控制才能保證城市排水設施正常運轉;對污染排水戶超標偷排進行實時監(jiān)測,才能起到有效的監(jiān)管作用.在許多實際工程中,城市排水監(jiān)測技術與管理體系的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益仍未得到充分發(fā)揮,還存在諸多問題.例如,在實際工作中發(fā)現(xiàn)過未經(jīng)處理的強酸及強堿工業(yè)廢水排放,直接進入城市排水管網(wǎng)和泵站后,直接影響排水管網(wǎng)、污水處理廠的設備、設施,甚至使污水處理效果變差.現(xiàn)代很多污水廠是采用活化污泥法(ActivatedSludgeProcess)處理工藝技術,主要通過微生物的新陳代謝將污水中的大部分有機、無機污染物質從水中分離,變成CO2和H2O,使污水得到凈化.而微生物都要有它們適宜的pH值范圍,在酸性太強或堿性太強的環(huán)境中一般不能生存,也不能生長,就不能在曝氣生物濾池產(chǎn)生足夠的活化生物去處理污水了.作者認為,監(jiān)測系統(tǒng)通過對城市排水污染點源的在線控制,實時監(jiān)測排水的水量、水質,可對超標排放污染源及時采取對應措施進行處理.2在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成、原理及實現(xiàn)鎮(zhèn)江排水管理處負責主城區(qū)雨水排放處理、污水截流收集和污水處理工作.征潤洲污水處理廠于2003年投入使用,現(xiàn)污水處理能力為1.8×105t/d,采用cast生物脫氮除磷工藝,以氧化塘為輔助.由于排水的不均勻性,污水處理廠采取削峰填谷的做法,利用部分原氧化塘系統(tǒng)作為調節(jié)池,增設調節(jié)泵站,增加蓄調能力,充分發(fā)揮了cast池的作用.2008年全年完成污水處理近5×107t.排水泵站及設備安裝地理布局見圖1.根據(jù)鎮(zhèn)江市排水管網(wǎng)和污水泵站的分布情況以及監(jiān)測要求,整個系統(tǒng)由中央控制管理級(中控室)、現(xiàn)場控制級(各泵站PLC)和以太通訊網(wǎng)組成(如圖2所示).中控室由2臺上位工控機(一用一備)、數(shù)碼光路處理器(DigitalLightProcessor,DLP)控制器及大屏幕顯示屏組成,完成對系統(tǒng)的監(jiān)控、顯示和管理任務.DLP技術是美國德州儀器公司開發(fā)的一種專利技術,以DMD(DigitalMicormirrorDevice)數(shù)字微鏡作為成像器件的投影技術.每臺工控機裝有以太網(wǎng)卡,以便與中控室的以太網(wǎng)交換機連接,進而通過以太網(wǎng)與現(xiàn)場控制級組成分布式集中控制系統(tǒng).現(xiàn)場控制級以A-BPLC為控制核心,完成對各泵站的監(jiān)控與信息采集,通過PLC本身的以太網(wǎng)通信口和以太網(wǎng)交換機連接到以太網(wǎng)通信層,實現(xiàn)和中央控制管理級的高速互聯(lián)互通.在線儀表實時數(shù)據(jù)采集程序是通過底層DDE(動態(tài)數(shù)據(jù)交換)通訊技術從INTOUCH工控系統(tǒng)中獲取.本系統(tǒng)在征潤洲污水處理廠和江濱泵站全天候實時運行.在征潤洲污水處理廠和各個泵站所需的實時狀態(tài)工作點(例如氧化塘、消毒池、鼓風機,等等),均能將數(shù)據(jù)從中控室的上位機中采集到.目前設置的采集頻率為每5min更新1次,能夠及時反映各個儀表的數(shù)據(jù)及運行狀態(tài).通過在征潤洲污水處理廠及江濱泵站管理所安裝實施在線監(jiān)測系統(tǒng),在運行過程中,可以遠程在線監(jiān)測污水排放點源水質,通過數(shù)據(jù)采集、傳送、處理等控制程序的運行,能夠將整個污水處理過程(從重點排水戶排口、污水處理廠、泵站、化驗中心等生產(chǎn)運行部門)實時數(shù)據(jù)提供給管理者,深入實時地了解任何一個排水監(jiān)測和控制點的運行狀況.3管理系統(tǒng)和監(jiān)控中心的構成城市排水參數(shù)是突發(fā)和實時的.系統(tǒng)集成監(jiān)測設備、無線遠程通訊設備進入監(jiān)測數(shù)據(jù)處理中心,這也是整個監(jiān)測系統(tǒng)最基礎、最根本的部分,監(jiān)控中心內部由監(jiān)測工作站、網(wǎng)絡服務器及相應的配置應用管理軟件和數(shù)據(jù)庫組成,系統(tǒng)控制中心通過Internet和GPRS(通用分組無線業(yè)務)無線通信系統(tǒng)與排水監(jiān)測的點進行雙向數(shù)據(jù)通信.3.1數(shù)據(jù).模擬數(shù)據(jù).analogsd在線儀表實時數(shù)據(jù)發(fā)送程序是采用VB.net與SQLSERVER數(shù)據(jù)庫技術,將DDE采集到的數(shù)據(jù),傳輸?shù)椒掌鞯腄ataBase中,將各個泵站的在線實時數(shù)據(jù)及時發(fā)送出去,實現(xiàn)在總公司可以在線及時監(jiān)測各個泵站和重點排污點源運行情況的功能.數(shù)據(jù)主要有兩種類型:模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù).模擬數(shù)據(jù)(AnalogData)是由傳感器采集到的連續(xù)變化的值,例如流量、壓力、pH值等;數(shù)字數(shù)據(jù)(DigitalData)是模擬數(shù)據(jù)經(jīng)量化后得到的離散值,在計算機中用代碼表示的字符、圖形、音頻和視頻數(shù)據(jù),例如在線監(jiān)測水質檢測數(shù)據(jù)詳細結構信息(見表1).操作人員終端的基本接口是圖形用戶界面(GUI),以圖形方式顯示污水處理廠或者設備.在靜態(tài)背景上,生動的數(shù)據(jù)顯示為圖形形狀(前景).隨著數(shù)據(jù)在現(xiàn)場的變化,前景被更新.現(xiàn)場來的數(shù)據(jù)被處理,如果存在警報,將以檢測報警狀態(tài)顯示.在現(xiàn)場監(jiān)測到的任何異常條件都貯存在中央主機.當現(xiàn)場變量隨時間變化時,在線監(jiān)測系統(tǒng)可提供一個趨勢性的系統(tǒng),其中特定變量的變化行為可以在圖形用戶界面屏幕上繪出.數(shù)據(jù)的采集方式通過DDE的方式來完成.在實際應用中需要根據(jù)采集后的數(shù)據(jù)進行分析處理,并且對照經(jīng)驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實際測試數(shù)據(jù)作出誤差和數(shù)據(jù)采集取樣的調整,尋找出最佳數(shù)據(jù)處理計算方法.3.2gprs無線分組交換技術的應用在線監(jiān)測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)傳輸裝置(無線通信系統(tǒng))、污水處理監(jiān)測點(在線監(jiān)測儀表)以及監(jiān)控中心等.本系統(tǒng)采用GPRS無線通信系統(tǒng),因為在設計時考慮到采用有線傳輸數(shù)據(jù)方式的傳輸過程中會碰到線路中斷信號、信號衰減以及布線成本高等狀況.同時,GPRS無線傳輸系統(tǒng)吸納了GSM和IP技術的精華,提高了無線資源的利用率,具有永遠在線、計費靈活便宜、自由切換、傳輸速率高,系統(tǒng)易于向3G升級的優(yōu)點,應用范圍相當廣泛,尤其適用于非周期性(突發(fā))的小流量數(shù)據(jù)傳送.基于IP地址的GPRS網(wǎng)絡要求監(jiān)控中心主機具有固定IP地址,各監(jiān)測點的數(shù)據(jù)采用GPRS模塊與中心主機進行通信.GPRS采用了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務,不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡資源,允許用戶在端到端分組轉移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù).在網(wǎng)絡協(xié)商之后,開始傳送數(shù)據(jù).GPRS網(wǎng)絡支持TCP/IP協(xié)議,通過收發(fā)IP數(shù)據(jù)包傳送數(shù)據(jù),采用不可靠、面向無連接的UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)協(xié)議,不選用TCP(傳輸控制協(xié)議),省略了建立連接、保持連接和斷開連接等過程,節(jié)省了時間和數(shù)據(jù)流量,更適合于非周期性(突發(fā))的小流量數(shù)據(jù)傳送的要求.但對于UDP協(xié)議必須在數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)終端都設計重發(fā)機制.監(jiān)測點由監(jiān)測水質及流量的在線儀表、遠程GPRS無線數(shù)據(jù)終端和GPRS無線MODEM組成.現(xiàn)場的在線監(jiān)測儀表采集監(jiān)測企業(yè)至公共管網(wǎng)排水管口的水質和污水處理量的實時數(shù)據(jù),并通過遠程數(shù)據(jù)終端轉換成數(shù)字信號,從監(jiān)測儀的Serialone進入通信模塊,數(shù)據(jù)由GPRS模塊進行TCP/IP協(xié)議轉換成IP數(shù)據(jù)包,再經(jīng)Serialtwo發(fā)送給GPRS模塊,利用GPRS網(wǎng)絡的服務傳送到無線數(shù)據(jù)網(wǎng)關,最后接入到已設定的具有固定IP地址的監(jiān)控中心服務器端口上,實現(xiàn)對遠程監(jiān)測點的在線實時監(jiān)測.同時,監(jiān)控中心也會通過管理軟件,向各監(jiān)測點發(fā)送相應的控制指令數(shù)據(jù)任務,由GPRS無線Modem、遠程數(shù)據(jù)終端傳送給監(jiān)測站點及監(jiān)測儀表,可以實現(xiàn)對儀器控制、監(jiān)測點、通訊方式等的參數(shù)設置.本系統(tǒng)應用GPRS無線分組交換技術的增值服務,實現(xiàn)了系統(tǒng)中監(jiān)測點與監(jiān)測中心數(shù)據(jù)的雙向通信,實時監(jiān)測的同時能進行實時控制(需要企業(yè)終端的配合).3.3非接觸式檢測流量計的應用.因為排水系統(tǒng)是收集污水的系統(tǒng),污水中不只含有大量無機雜質,更含有許多腐蝕性的有機化學物質;水流中的各種物質交錯,情況復雜多變.靠接觸液體方式測流量的各種流量計,在排水系統(tǒng)中的適用范圍相對較窄,應用受到局限.排水系統(tǒng)中采用非接觸式測流技術,可以避免污水的腐蝕與侵害,以及情況變化對測量精度的影響.因此,根據(jù)現(xiàn)場的實際情況,選擇合適的測量設備,應用靈活方便,可以同時測量水位、水溫、水質和流量等(見表2).3.4現(xiàn)場監(jiān)測平臺的實現(xiàn)監(jiān)測中使用了現(xiàn)場儀表、工業(yè)酸度測試儀和GPRS數(shù)據(jù)終端單元.該系統(tǒng)通過GPRS數(shù)據(jù)終端單元經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸,該系統(tǒng)通過遠程GPRS無線數(shù)據(jù)Modem(DTU)與硬件終端連接,實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸.監(jiān)測點儀表通過串口直接與GPRSDTU進行透明數(shù)據(jù)傳送,GPRSDTU采用標準AT命令界面,支持TCP/IP協(xié)議.考慮到通信的成本和實時性,每個模塊在使用時需要進行基本設置并安裝SIM卡,在移動網(wǎng)中具有唯一的ID.將通信模塊集成進工業(yè)酸度測試儀,通過工業(yè)測試儀中設置的信息采集單元與GPRS網(wǎng)絡連接,實現(xiàn)現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)和監(jiān)測中心系統(tǒng)的實時在線連接,并實時接收數(shù)據(jù).利用GPRS廠商提供的開發(fā)工具包從網(wǎng)絡上收集到某區(qū)域發(fā)來的信息后,經(jīng)過軟件處理把數(shù)據(jù)存入SQL數(shù)據(jù)庫.通過與排水SCADA軟件系統(tǒng)或者排水SCADA數(shù)據(jù)庫的軟件接口,將排水流量、水質監(jiān)測信息在排水系統(tǒng)模擬界面中實時顯示,為管理人員提供決策依據(jù)(見圖3).4城市污水處理綜合監(jiān)控系統(tǒng)組成城市污水排放監(jiān)測SCADA系統(tǒng)通常由監(jiān)測控制中心、污水流量和水質測控站和數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)構成.對下,采集生產(chǎn)過程和管網(wǎng)排水的實時數(shù)據(jù);對上,將生產(chǎn)和排水的信息傳到控制管理系統(tǒng)中,供排水管理決策參考.因此,排水SCADA系統(tǒng)構成了城市污水排放在線監(jiān)測和分析的核心.對部分重點排污企業(yè)監(jiān)控點(例如硫酸廠、農(nóng)藥廠)的觀測表明,強酸強堿污水的偷排,會對城市排污管網(wǎng)、泵站以及污水處理廠的設施產(chǎn)生腐蝕危害.同時,強酸強堿污水還會影響污水處理微生物的活性,降低處理污水能力,所以必須隨時監(jiān)視pH值.如果監(jiān)測到系統(tǒng)