基于嵌入式的污水多参数监测系统研究与设计.docx

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基于嵌入式的污水多参数监测系统研究与设计

分类号：

密级：

UDC：

学号：

405812808019

南昌大学硕士研究生

学位论文

基于嵌入式的污水多参数监测系统研究与设计

TheDesignandResearchofSewageMultiparameterMonitoringSystemBasedonEmbedded

陈伟慧

培养单位（院、系）：

环境与化学工程学院

指导教师姓名、职称：

衷卫声副教授

申请学位的学科门类：

工学

学科专业名称：

测试计量技术及仪器

论文答辩日期：

年月日

答辩委员会主席：

评阅人：

年月日

学位论文独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签名（手写）：

签字日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。

本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。

同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。

（保密的学位论文在解密后适用本授权书）

学位论文作者签名（手写）：

导师签名（手写）：

签字日期：

年月日签字日期：

年月日

摘要

环境污染问题是当今社会主要面临的问题之一。

在我国，由于人口的快速增长和工业化步伐的不断加快，使环境污染不断严重，环境污染问题已经成为当今社会重要的问题之一。

水体污染是环境污染的重要组成部分，国家和各地政府都非常重视污水的合理排放和综合治理。

污水化学需氧量是污水监测的重要指标之一，因此对污水的化学需氧量实现在线监测是十分必要的。

虽然现在市场上污水化学需氧量的监测仪器很多，但是大部分国内监测仪器都存在监测精度不高、测量耗时较长、无法实现在线监测和存在二次污染等问题。

国外的仪器虽然在监测精度、监测时间和二次污染上做了很大的改进，但是国外仪器价格昂贵，不适宜在国内普及和推广。

本课题采用全新的监测原理——电化学原理来测量污水的化学需氧量，不仅解决了监测时间过长和二次污染等问题，而且仪器制造成本较低，同时还具有智能化、网络化、微型化的优点，是一款比较理想的污水化学需氧量的监测仪表。

在本课题中我们主要完成了污水化学需氧量监测原理的选择、监测仪器的硬件设计和监测仪器的软件设计，并在论文的最后提出了仪器进一步改进的方法。

在监测原理的选择中，由于传统的污水化学需氧量监测原理测量时间较长，无法满足在线测量和实时测量的要求，并且传统的污水化学需氧量监测过程还存在二次污染。

在本课题中选用电化学的监测方法，由三电极系统电解产生羟基自由基，氧化水中的有机物，通过消耗的电量来监测污水的化学需氧量，很好的克服了以上的缺点。

在监测仪表硬件设计中，本课题完成了现场控制模块的电路设计和中心控制模块的电路设计，其中现场控制模块由AT89C51控制，中心控制模块由S3C44B0控制。

同时还完成了显示模块、报警模块、存储模块等辅助模块的电路设计。

在本课题中还设计了网络模块，使监测数据可以实现网上共享，极大的方便了行政监督部门对污水排放情况的监督。

在监测仪表软件设计中，本课题完成了对现场控制模块和中心控制模块的软件设计，现场控制模块采用Keilc编程，中心控制模块采用uClinux操作系统，在RedHat2.4上编程，完成了S3C44B0的底层驱动的设计和应用程序的开发。

关键字：

污水化学需氧量；电化学；三电极；uClinux；PH

ABSTRACT

Environmentalproblemsoneofthemajorsocialproblems.inthesociety.InChina,duetotherapidpopulationgrowthandtheacceleratingpaceofindustrialization,theenvironmentalpollutionkeepserious,Environmentalpollutionhasbecomeoneoftheimportantissuesintoday'ssociety.Waterpollutionisanimportantcomponentofenvironmentalpollution,thestateandlocalgovernmentshaveattachedgreatimportancetothereasonabledischargeofsewageandcomprehensivetreatment.Monitoringofchemicaloxygendemandofsewageisanimportantindicatorofsewage,andthereforeachievechemicaloxygendemandofsewagelinemonitoringisessential.Althonghinthemarket,therealotofmonitoringequipmenttogetthechemicaloxygendemandofsewage.butmostoftheinstrumentswithlittlehighprecisionmonitoring,measurementtakesalongtime,cannotachievedonlinesurveillanceandsecondarypollution.Althoughthemonitoringofforeignequipmentdoalotofimprovementontheaccuracy,themonitroringtimeandthesecondaypollution,foreignequipmentisexpensive,notsuitableforpopularizationandpromotioninourcountry.Thisprojectusethenewprinciple-theelectrochemicaltheorytomeasurethechemicaloxygendemandofsewage.Notonlytosolvethelongtimemonitoringtimeprobleomandthesecondarypollutionproblem,andequipmentmanufacturingcostsarelower,butalsowithintelligentnetwork,theadvantagesofminiaturization,isamoreidealinstrumentformonitoringchemicaloxygendemandofsewage.

Inthisproject,wecompletedthechoiceoftheprinciplesofthewastewaterchemicaloxygendemandotthemonitoring,thehardwaredesignofthemonitoringequipment,thesoftwaredesign,andintheendofthepaperpresentedtheinstrumenttofurtherimprovethemethod.

Duringthechoiceoftheprincipleofthemonitoring,duetothetraditionalprinciplesofwastewaterCODmeasurementsneedalongtimetomonitor,unabletomeettheonlinerequirementsofmeasurementandthereal-timemeasurement,themonitoringofchemicaloxygendemandofthetraditionalprocessofthesewagewouldbringthesecondarypollution.Inthisissueofelectrochemicalmonitoringmethodsusedbythethree-electrodesystem,hydroxylradicalsproducedbyelectrolysis,oxidationoforganicmatterinwater,throughtheconsumptionofelectricitytomonitortheeffluentchemicaloxygendemand,verygoodtoovercometheabovedisadvantages.

Inthehardwaredesignofthemonitoringinstrument,thisprojectcompletedthedesignofthefieldcontrlomoduleandthecircuitdesigncenter,thefieldcontroliscongtroledbytheAT89C51,thecentralcontrolmoduleiscontroledbytheS3C44B0.Alsothisprojectcompletedadisplaymodule,alarmmodule,memorymoduleandotherauxiliarymodulecircuitdesign.Inthisissueofthenetworkmodulesarealsodesignedtoenableonlinesharingofmonitoringdatacanbeachieved,greatlyfacilitatesthedischargeofadministrativesupervisiondepartmentsofthesupervision.

Inthesoftwaredesignofthemonitoringinstrument,theprojectcompletedthefieldcontrolmoduleandthecentralcontrolmodule,thefieldcontrolmoduleprogrammingusetheKeilc,centralcontrolmoduleusetheuClinuxoperatingsystem,programmingontheRedHat2.4completedthebottom-drivendesignandapplicationdevelopment.oftheS3C44B0.

Keywords:

wastewaterchemicaloxygendemand;electrochemistry;three-electrode;uClinux;PH

第1章引言

1.1概述

1.1.1论文选题背景

由于人口的快速增加，工业化步伐的不断加快以及国民经济的迅速发展，使我国城市生活污水和工业废水的排放量也日趋增加，导致水体污染严重，进而使水资源紧张。

近20年来，我国污水的排放量正逐年上升，并且上升的速度呈现有增无减的趋势。

我国人均水量少，只有世界平均水量的1/4，加上污染严重，水资源问题已成为目前制约我国经济社会可持续发展的最突出问题之一。

于此同时，我国在保护水资源和治理污水等方面做的都很不够。

我国排入水体的总污染量，目前还没有得到有效控制，85%以上的污水未经处理就直接排入水体。

目前，我国污水处理还存在很多问题，主要表现在以下几个方面：

一．我国现有的污水处理厂数目比较少。

在全国684个城市中我国仅有200余座在建和建成的城市污水处理厂，并且大部分集中在七八十个城市中，全国大约有600个城市还没有污水处理厂[1]。

二．建成的污水处理厂运行状况不理想

根据前几年国家环境保护总局对我国55个城市的5000多套工业废水处理设施进行了调查的结果显示，运行效果好或较好的仅占24％，而建成后没有运行或处理能力还达不到设计能力一半的设施却占63．8％[2]，这样的结果令我们担忧。

针对我国污水处理存在的问题，我国制定了污水处理“十一五”的目标：

重点省会城市污水处理率须达到80%;一般城市要达到60%到70%;县级城市则要达到60%。

能增加污水处理能力4500万吨[2]。

与此同时，国家和各级政府正在大力建设城市污水处理工程，据报道目前正在工程设计和建设中的污水处理厂有数百座，等到这些污水处理厂建成以后，我国的污水处理能力将大大增强[2]。

当然仅仅靠大规模的建污水处理厂是远远不够的，最主要的还应该在污水处理技术和污水处理工艺上多下功夫。

建设自动化水平高，污水处理能力强的污水处理厂，才能更有效的改变我国污水处理的现状。

因此，研制具有智能化，网络化，微型化和自动化的污水监测设备显得尤为重要。

化学需氧量（COD）是地表水、生活污水及工业废水监测的主要项目之一，是水质监测的一个重要参数。

需要排放的工业废水和生活污水必须先经过相应的处理，使其污水中化学需氧量达到环境排污标准的要求才可以排放。

根据“重点工业污染源监测技术要求”暂行的规定，污水化学需氧量（COD）已经被列为大多数工矿企业的必测项目之一[3]。

同时，在我国实施的污染物排放总量控制工程中，化学需氧量作为8种废水污染物指标之一，实现排放总量控制。

[3]。

化学需氧量（chemicaloxygenDemand，COD）是指在一定条件下用强氧化剂处理水样时所消耗氧化剂的量，结果折算成氧的含量，以mg/L计。

虽然各种有机物、硫化物、亚铁盐、亚硝酸盐等组成了水中的还原性物质，但有机物是主要的还原性物质。

水中的氧气含量随着有机物分解而减少，从而会影响水中的生物和微生物。

因此化学需氧量被用来衡量水体有机物相对含量，用来表证污水受有机物污染的程度，是水质监测的一个重要项目，如果水体受有机物的污染越严重，那么化学需氧量就越大。

为了对COD总量实现有效的控制和监测，在九五期间，我国把污水COD在线监测系统的开发研制及COD总量控制监测列为国家重点攻关项目。

为了满足控制和监测的需求，目前我国迫切需要大量具有现代化功能的环境监测分析仪器，特别是污染源连续在线实时监测系统和应用于大气和水质监测的自动监测分析系统。

1.1.2国内外污水化学需氧量监测现状分析

先进的西方发达国家早在上个世纪八十年代已经相继研制了污水化学需氧量监测仪。

如德国WTW公司，美国ISCO公司，日本岛津公司以及法国SERES公司等主要通过监测重铬酸钾消耗量来间接监测污水化学需氧量的产品相继推出，并逐渐占领了世界的绝大部分市场。

为了满足企业污染物排放总量的连续监测与地表水质自动监测站中监测的需要，我国主要通过引进不同国家的污水化学需氧量监测仪[4]。

德国的LAR公司和WTW公司、美国的哈希公司、日本TDA公司等是目前国际上比较有名的生产污水化学需氧量监测仪的公司[5][6]。

目前我国污水化学需氧量监测仪的需求很大，但是几乎全部靠进口。

每年我国都需要进口几百台这样的设备，用以安装在国家级重点流域的地表水水质监测站中。

但是国外的监测仪价格昂贵，大部分要几十万元。

因此为了节省监测成本和满足社会的需要，我们必须尽快开发具有自主知识产的具有智能化、小微型化、网络化特点的，满足污水监测市场需求的在线COD监测仪器。

许多科研单位和技术部门在上个世纪90年代开始根据GBll914—89标准规定的重铬酸钾消解方法在吸收国外产品的先进技术基础上研制了我国国产的污水化学需氧量在线监测仪。

这种在线监测仪是把测定COD的实验室方法与先进的计算机技术相结合，以实现监测过程的自动化[7]。

但是这种监测仪存在以下缺点：

（1）、存在二次污染。

（2）、监测速度相对较慢、监测时间长。

（3）、使用成本高，存在氯离子干扰，仪器故障率高等。

（4）、重现性相对较差。

近几年由于环境保护的监督与管理的强化和环境检测仪器科研开发投资力度的增加，环保仪器产业作为一个新鲜的产业得到了快速的发展。

主要表现在采用流动注射分析技术（简称FIA）取代了传统的蠕动泵，克服了蠕动泵的寿命短、耐腐性差等缺点；采用新的管连接技术和反应管均热性恒流加热器等装置提高了测量速度等。

目前，在国内以北京普析仪器公司、广州怡文公司和江苏电分分析仪器厂等为代表的30多家企业和公司相继推出了水质COD参数在线测量仪[4]。

1.2常见污水化学需氧量监测方法介绍及选择

1.2.1污水化学需氧量监测方法的分类

由于污水化学需氧量受加入氧化剂的浓度、种类、反应液的酸碱度、反应的时间、温度以及所用催化剂的种类和数量等条件的影响，因此我们把污水化学需氧量称为条件性指标。

化学需氧量测量方法由Adeney和Dawson提出，经Muers和Moore的改良之后，建立了目前国内广泛应用的化学标准法。

目前国内把重铬酸钾回流法（CODcr）和高锰酸钾指数法（CODMn）作为化学需氧量测量的经典方法。

而且我国把重铬酸钾硫酸回流法作为国家水质监测规定的标准方法（GB11914-89）。

两种测量方法的适用条件有所区别，地下水和较干净的地表水、饮用水的分析,包括海水的监测常用高锰酸钾指数法，工业废水和生活污水的分析常用重铬酸钾回流法[8][9]。

COD测量的方法有六种：

（1）、重铬酸钾消解－氧化还原滴定法。

（2）、重铬酸钾消解－库仑滴定法。

（3）、羟基自由基氧化－电化学测量法。

（4）、重铬酸钾消解－光度测量法。

（5）、UV计（254nm）。

（6）、臭氧氧化—电化学测量法。

1.2.2各种化学需氧量测量方法简介

（1）重铬酸钾消解-氧化还原滴定法

此方法为国家标准方法。

其测量原理如下：

在酸性条件下，用硫酸银为催化剂，用重铬酸钾氧化待测污水中的有机物，过量的重铬酸钾用硫酸亚铁铵滴定，用硫酸贡为去干扰剂，由消耗的硫酸亚铁铵的量推算出消耗氧的质量浓度[10]。

重铬酸钾与水中还原性物质反应的方程式如下：

Cr2O72-+14H++6e→2Cr3++7H2O

过量的重铬酸钾以亚铁灵为指示剂用硫酸亚铁铵滴定，反应式如下：

Cr2O72-+14H++6Fe2+→6Fe3++2Cr3++7H2O

根据硫酸亚铁铵的消耗量可以计算出过量的重铬酸钾的量，进而计算出与污水中有机物反应消耗的重铬酸钾的量。

其计算公式为：

式中，m水样——水样中还原性物质还原重铬酸钾的质量

m总——加入水样中总的重铬酸钾的质量

m硫酸亚铁铵——被硫酸亚铁铵所还原的重铬酸钾的质量

由氧化还原反应中电子的转移与守恒原理，可以根据水样中还原性物质还原重铬酸钾的质量，可以计算出氧气的消耗量。

因为1摩尔重铬酸钾被还原，有6摩尔电子发生转移，而1摩尔氧气被还原，则有4摩尔电子发生转移。

所以氧气质量的计算公式为：

式中，m氧——氧化水样中有机物所消耗的氧气的质量

m水样——水样中还原性物质还原重铬酸钾的质量

M1——重铬酸钾的摩尔质量

M2——氧的摩尔质量

计算出相对应的氧气的质量以后，再除以待测水样的体积就可以计算出化学需氧量的值。

因此总的计算公式如下所示：

式中，c——硫酸亚铁铵标准溶液的浓度（mol/L）

V0——滴定空白时硫酸亚铁铵标准溶液用量（ml）

V1——滴定水样时硫酸亚铁铵标准溶液的用量（ml

）

V——水样的体积（ml）

8——氧（1/2O）摩尔质量（g/mol）

此方法应用广泛，但是也存在很多不足，如测量所需时间长，难以满足实时监测的要求，存在二次污染，试剂用量大，不能同时对大批量数据进行分析。

（2）重铬酸钾消解-库仑滴定

库仑滴定是我国的试行方法。

其原理为：

在酸性介质中，用重铬酸钾氧化污水中的还原性物质，过量的重铬酸钾用电解产生亚铁离子滴定。

根据消耗的电量就可以算出过量的重铬酸钾的量，进而就可以知道与污水中还原性物质反应所消耗的重铬酸钾的量，最终求出污水化学需氧量。

重铬酸根离子在强酸介质中所发生的氧化还原反应离子方程式如下：

Cr2O72-+14H++6e→2Cr3++7H20

电生滴定剂Fe2+的过程如下：

Fe3++e→Fe2+

由电解产生的滴定剂Fe2+滴定反应液中过量的重铬酸根离子方程式如下：

Cr2O72++6Fe2++14H+→2Cr3++6Fe3++7H2O

根据以上所述就可以推算出污水中还原性物质的质量

式中，Q——电量，以库仑计

M——预测物质摩尔质量

n——滴定过程中被测离子、电子转移数

W——预测物质重量，以克为单位

因此化学需氧量的计算公式如下所示：

式中，V——水样体积

8——氧的摩尔质量

库仑滴定是用滴定剂的方法滴定多余的重铬酸钾，由于滴定剂亚铁离子是由电极电解产生，产生的亚铁离子马上与溶液中过量的重铬酸钾反应，亚铁离子在溶液中存在的时间很短，因此不存在滴定过程中滴定试剂的不稳定[7]。

这种方法与重铬酸钾消解——氧化还原滴定法相比有很多优点，如快速、简便、试剂用量少，用标准溶液标定的步骤被减化，回流时间被缩短[11]。

同时这种方法一般不需要标准溶液和基准物质，由于滴定过程检测的是电量，因此相对比较稳定，不易受到外界环境因素的影响，所以测量结果的准确度相对较高，一般分析误差为0.5%左右，如果反应的终点由计算机程序来控制，那么测量结果可以进一步提供，分析误差可控制在0.01%。

与重铬酸钾消解——氧化还原滴定法相比，此方法更容易实现自动化监测[7]。

当然此方法也有自身的一些缺点和不足，比如容易受到干扰，也不适合较复杂溶液体系的测量[12]。

何德文、陈志军等通过对滴定法中测量数据稳定性，滴定终点的判断等问题的分析，提出了一系列的相应的解决方法。

刘伯健讨论了不同的取样方式对COD测量的影响[8]。

（3）羟基自由基氧化——电化学测量方法

由于羟基自由基具有很高的氧化电位，可以氧化很难被氧化的物质，如烟酸，尼克酸等。

正因为如此，我们可以用羟基自由基作为氧化剂，氧化污水中的有机物，通过计算羟基自由基的消耗量就可以计算出污水中的化学需氧量。

其原理为由三电极系统在恒定电压下电解产生羟基自由基，直接氧化水中有机物，由于电解消耗的电量与电解产生的羟基自由基的量存在一定的关系，而污水化学需氧量又与羟基