CN102156183B - 多参数综合cod水质监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多参数综合的COD水质监测系统，包括无线传输系统(2)、位于远离待测水域且位于监控室内的监测终端(3)和至少一个的放置于待测水域的多参数传感终端(1)；每个多参数传感终端(1)均与无线传输系统(2)的进口端无线相连，无线传输系统(2)的出口端与监测终端(3)无线相连。本发明还同时提供了利用上述监测系统进行的多参数综合COD水质监测方法，包括以下步骤：1)多参数传感终端(1)负责监测待测水域的紫外吸收、浊度、温度和pH值这4个参数；2)多参数传感终端(1)将上述4个参数通过无线传输系统(2)传递给监测终端(3)，由监测终端(3)负责进行计算。

Description

多参数综合COD水质监测方法

技术领域

本发明涉及水质有机物污染的监测系统及相应的监测方法，可广泛应用于各种企业排污、生活污水、地表水、地下水等水质有机物污染的领域。 

背景技术

化学需氧量(COD)是对水中的有机物和无机氧化物浓度的测量，反映了水体受还原性物质污染的程度，是水质评价的重要指标。水体受到有机物污染非常普遍，因此COD常被作为反映有机物污染程度的指标之一。 

紫外吸光度(UVA)作为一项有机污染的综合指标已问世多年，它是一项纯物理光学指标，测定过程中不使用化学试剂，无二次污染，与传统的化学氧化法的测定有着本质上的区别，能够实现小型化的在线监测，目前在国内外出现了部分产品，得到了一些应用。UVA基本的原理是根据引起水质污染的有机物在紫外波段有吸收(典型的是在254nm波段)，将测得的吸收系数通过计算公式转换为COD数据。UVA方法测量COD，需要将UVA测得的吸收系数通过计算公式转换为COD数据。目前，国内外在计算公式上，通常是将254nm和546nm两个波段(也有用其他近似波段的情况)的吸收系数取差值后，利用和COD含量的线性关系形成如下计算公式： 

COD＝k(A₂₅₄-A₅₄₆)+d                (1) 

其中A₂₅₄为254nm波长紫外光的吸光系数；A₅₄₆为546nm波长可见光的吸光系数。其中利用546nm波长可见光的吸光系数进行浊度补偿。 

但是，单一使用紫外吸收法测量的方法是非常粗略而不严谨的，也是在单一参数测量的传感系统中常见的，导致了在污染物主体成分变化不大的情况下，测得数据与化学方法测得的COD数据非常接近，而在污染成分变化比较大的场合，则有比较大的偏离，从而使该方法的使用受限。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种多参数综合的COD水质监测系统及相应的监测方法；本发明以UVA法测量为基础，利用影响COD实际测量数值的浊度、温度、pH值等 其他参数校正，通过更加精确的多参数综合的计算方法，使得该测量系统更具有实用性。 

为了解决上述技术问题，本发明提供一种多参数综合的COD水质监测系统，包括无线传输系统、位于远离待测水域且位于监控室内的监测终端和至少一个的放置于待测水域的多参数传感终端； 

每个多参数传感终端均与无线传输系统的进口端相连，无线传输系统的出口端与监测终端相连。 

作为本发明的多参数综合的COD水质监测系统的改进：多参数传感终端为用于采集紫外吸收、浊度、温度、pH值四个参数的传感终端。 

作为本发明的多参数综合的COD水质监测系统的进一步改进：多参数传感终端包括分别与传感器太阳能电池板相连的传感探头、A/D转换模块、数据采集模块、传感器微处理器和传感器无线收发模块，传感探头、A/D转换模块、数据采集模块、传感器微处理器和传感器无线收发模块依次相连，传感器无线收发模块与传感探头相连； 

无线传输系统包括GPRS远程网中继站和至少一个的ZigBee局域网中继站； 

每个ZigBee局域网中继站包括分别与太阳能电池板Ⅰ相连的微处理器Ⅰ、存储器Ⅰ和无线收发模块Ⅰ，微处理器Ⅰ分别与无线收发模块Ⅰ和存储器Ⅰ相连； 

GPRS远程网中继站包括分别与太阳能电池板Ⅱ相连的微处理器Ⅱ、存储器Ⅱ和无线收发模块Ⅱ，微处理器Ⅱ分别与存储器Ⅱ和无线收发模块Ⅱ相连； 

监测终端包括显示器、工控机和终端无线收发模块，工控机分别与显示器和终端无线收发模块相连； 

每个传感器无线收发模块与一个无线收发模块Ⅰ无线相连，每个无线收发模块Ⅰ与无线收发模块Ⅱ无线相连；无线收发模块Ⅱ与终端无线收发模块无线相连。 

作为本发明的多参数综合的COD水质监测系统的进一步改进：传感探头包括紫外吸收传感探头、浊度传感探头、温度传感探头和pH值传感探头。 

本发明还同时提供了利用上述监测系统进行的多参数综合COD水质监测方法，依次进行以下步骤： 

1)、多参数传感终端负责监测待测水域的紫外吸收、浊度、温度和pH值这4个参数； 

2)、多参数传感终端将上述4个参数通过无线传输系统传递给监测终端，由监测终端根据以下公式进行计算： 

COD＝aT²+b₁(A₂₅₄-A₅₄₆)+b₂pH+b₃T+c 

式中，COD代表待测水域的化学需氧量，a为二阶比例系数，b₁、b₂、b₃均为一阶比 例系数，c为补偿系数，上述系数可以通过对待测水域的水质进行试验而确定；T为温度，pH为pH值，A₂₅₄为254nm紫外光的吸收系数，A₅₄₆为通过546nm可见光的吸收系数测得的浊度。 

发明人在实际的发明过程中发现：在UVA法的COD测定中有各种干扰COD测定的因素，除了最常见的浊度外，UVA方法测得的吸光系数还与水体的温度和pH值两个参数有密切关系。因此设置了本发明的监测系统及其监测方法。 

在本发明中，多参数传感终端由传感探头(为多参数传感探头)、电源(传感器太阳能电池板)、A/D转换模块、数据采集模块、传感器微处理器等部分组成，负责待测水域中各种参数的传感、数据采集等功能。 

在本发明中，无线传输系统责将各个多参数传感终端的数据传输至监测终端，同时将监测终端的指令传输至各个多参数传感终端。 

在本发明中，监测终端由工控机、显示器等组成，工控机负责将收集到的传感数据进行多参数综合分析处理，计算得出准确的体现水质有机物污染的COD数据。 

本发明的工作机理是： 

位于待测水域的多个多参数传感终端，将采集到的UVA、温度、浊度、pH值等参数信号初步处理后，通过无线传输系统将数据进行无线发射，最终被位于监测终端的终端无线收发模块接收，并在监测终端(具体在工控机内)进行多参数综合的数据分析处理。 

本发明中，多参数传感终端，是指至少能够探测待测水域中UVA、温度、浊度、pH值四个参数的一体化综合传感装置，包括各种具体实现的结构和类型。 

本发明中，多参数综合分析处理，是指在监测终端中，以采集到的UVA、温度、浊度、pH值四个参数作为自变量进行的综合公式计算，以优化传统的只基于UVA或者只基于UVA和浊度的计算方法，包括因为待测水域不同而引入的各种比例系统和补偿系数。 

与已有技术相比，本发明具有以下优点： 

1.多参数测量。本发明除了测量待测水域的COD数据外，还可同时获得浊度、温度、pH值等其他水质数据以供参考。 

2.多参数计算。本发明采用UVA、温度、浊度、pH值四个参数综合的计算方法，与只基于UVA或者只基于UVA和浊度的传统计算方法相比，测得的COD数据具有更高的精度。 

3.无线远程传输。本发明采用无线传输的方式进行数据传输，可实现对大面积水域的分布式、远距离实时监测。 

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。 

图1是本发明的多参数综合的COD水质监测系统的连接关系示意图。 

具体实施方式

实施例1、图1给出了一种多参数综合的COD水质监测系统，包括无线传输系统2、位于远离待测水域且位于监控室内的监测终端3和至少一个的放置于待测水域的多参数传感终端1。 

每个多参数传感终端1包括分别与传感器太阳能电池板11相连的传感探头12、A/D转换模块13、数据采集模块14、传感器微处理器15和传感器无线收发模块16，由传感器太阳能电池板11负责提供能源。传感探头12、A/D转换模块13、数据采集模块14、传感器微处理器15和传感器无线收发模块16依次相连，传感器无线收发模块16与传感探头12相连。传感探头12由紫外吸收传感探头、浊度传感探头、温度传感探头和pH值传感探头这4种探头组成，即，多参数传感终端1为用于采集紫外吸收、浊度、温度、pH值四个参数的传感终端。 

无线传输系统2包括一个GPRS远程网中继站和至少一个的ZigBee局域网中继站。 

每个ZigBee局域网中继站包括分别与太阳能电池板Ⅰ21相连的微处理器Ⅰ22、存储器Ⅰ23和无线收发模块Ⅰ24，即，太阳能电池板Ⅰ21负责供电，从而使整个ZigBee局域网中继站可在野外离网长期独立运行。存储器Ⅰ23和无线收发模块Ⅰ24分别与微处理器Ⅰ22相连。该ZigBee局域网中继站通过ZigBee相关协议进行数据的无线收发。

GPRS远程网中继站包括分别与太阳能电池板Ⅱ25相连的微处理器Ⅱ26、存储器Ⅱ27和无线收发模块Ⅱ28，即，太阳能电池板Ⅱ25负责供电，从而使整个GPRS远程网中继站可在野外离网长期独立运行。存储器Ⅱ27和无线收发模块Ⅱ28分别与微处理器Ⅱ26相连。该GPRS远程网中继站通过GPRS协议进行数据的无线收发。 

监测终端3包括显示器31、工控机32和终端无线收发模块33，工控机32分别与显示器31和终端无线收发模块33相连； 

每个传感器无线收发模块16均与一个无线收发模块Ⅰ24无线相连，每个无线收发模块Ⅰ24均与一个无线收发模块Ⅱ28无线相连；无线收发模块Ⅱ28和终端无线收发模块33无线相连。 

实施例2、利用上述实施例1所述的监测系统进行的多参数综合COD水质监测方法，事先在工控机32内保存有以下信息：每个参数传感终端1所对应的编号，一个待测区域有多少个子区域组成，每个子区域内设置的参数传感终端1的编号；然后依次进行以下步骤： 

1、一个待测区域对应一个GPRS远程网中继站和多个ZigBee局域网中继站。首先根据ZigBee局域网的覆盖范围，将待测水域划分为多个子区域，每个子区域内设置一个ZigBee局域网中继站和若干个的多参数传感终端1(最多可为255个)。 

2、多参数传感终端1负责监测待测水域的紫外吸收、浊度、温度和pH值这4个参数；具体如下： 

1)、将传感探头12放置于待测水域，传感探头12负责采集待测水域的紫外吸光度(UVA)、浊度、温度和pH值这4种数据；每个传感探头12发送的上述数据上均附带有该多参数传感终端1所对应的编号值； 

2)、传感探头12将上述4种数据传递给A/D转换模块13，A/D转换模块13负责对该4种数据分别进行各自的模数转换；即，将模拟电信号转换成数字信号； 

3)、数据采集模块14负责采集上述信息，并传递至传感器微处理器15，传感器微处理器15将上述接收到的信息传递至传感器无线收发模块16、并命令传感器无线收发模块16向外发送。 

3、多参数传感终端1将上述4个参数通过无线传输系统2传递给监测终端3，具体如下： 

1)、每个传感器无线收发模块16将上述信息传递给该子区域内所对应的无线收发模块Ⅰ24，根据ZigBee局域网中继站的设置原则，每个ZigBee局域网中继站内的无线收发模块Ⅰ24只接收该子区域内的参数传感终端1所发送的信号。 

无线收发模块Ⅰ24将上述信息传递给微处理器Ⅰ22； 

2)、微处理器Ⅰ22一方面将上述信息传递至存储器Ⅰ23进行进行数据归类性质的存储，具体为：将每个参数传感终端1监测到的内容存储在各自名下(根据参数传感终端1的编号进行设定保存)，从而使每个参数传感终端1监测到的内容进行分别保存。 

微处理器Ⅰ22另一方面将上述信息传递至无线收发模块Ⅰ24，并命令无线收发模块Ⅰ24向外无线传递至无线收发模块Ⅱ28； 

3)、每个子区域内的无线收发模块Ⅰ24均将其所收到的每个多参数传感终端1监测到的信息传递给无线收发模块Ⅱ28，无线收发模块Ⅱ28将上述信息传递给微处理器Ⅱ26； 

4)、微处理器Ⅱ26内事先设定了每个子区域所对应的参数传感终端1的编号。 

微处理器Ⅱ26一方面将每个子区域的参数传感终端1检测到的内容存储在存储器Ⅱ27内的每个子区域所对应的名下，从而使每个子区域监测到的内容能分别进行保存。

另一方面，微处理器Ⅱ26还将上述信息通过无线收发模块Ⅱ28无线传递至终端无线收 发模块33。 

4、监测终端3将接收到的数据进行以下处理： 

1)、终端无线收发模块33将接收到的信息传递给工控机32，工控机32根据以下公式进行计算出COD。： 

COD＝aT²+b₁(A₂₅₄-A₅₄₆)+b₂pH+b₃T+c    (2) 

式(2)中，COD代表待测水域的化学需氧量，a为二阶比例系数，b₁、b₂、b₃均为一阶比例系数，c为补偿系数，T为温度，pH为pH值，A₂₅₄为254nm紫外光的吸收系数，A₅₄₆为通过546nm可见光的吸收系数测得的浊度； 

公式(2)中a、b₁、b₂、b₃、c均为加权系数，可事先通过在使用前对系统进行标定的方法获得(此为本行业的常规技术)： 

(1)、取得待测水域较高浓度的水样，然后依次改变L次水样的浓度(例如每次稀释一倍)、M次水样的温度(例如每次降低或增加0.1℃)和N次水样的pH值(例如每次增加或降低0.01)，在每次改变水样的情况下，利用多参数传感终端获得一套关于A₂₅₄、A₅₄₆、T、pH自变量的数值；并同时利用标准COD仪器测量得到相对应的COD标准值。这样一共获得L*M*N个(A₂₅₄、A₅₄₆、T、pH、COD标准值)的数组。 

(2)将每个(A₂₅₄、A₅₄₆、T、pH、COD标准值)数组代入公式(2)，求得可以使公式成立的O个加权系数组(a、b₁、b₂、b₃、c)。这样一共获得L*M*N*O个(a、b₁、b₂、b₃、c)加权系数组。 

(3)将L*M*N*O个(a、b₁、b₂、b₃、c)加权系数组分别代入公式(2)，再将L*M*N个水样测得的(A₂₅₄、A₅₄₆、T、pH)也代入公式(2)，计算共可得到L*M*N*O*L*M*N个COD计算值。将每个(a、b₁、b₂、b₃、c)加权系数组求得的L*M*N个COD计算值代入到式(3)中求得L*M*N*O个相关系数r。 

$r=\frac{\mathrm{\Σ}(\mathrm{cod}-\stackrel{\‾}{\mathrm{cod}})(\mathrm{co}{d}^{\′}-{\stackrel{\‾}{\mathrm{cod}}}^{\′})}{\sqrt{\mathrm{\Σ}{(\mathrm{cod}-\stackrel{\‾}{\mathrm{cod}})}^2{(\mathrm{co}{d}^{\′}-{\stackrel{\‾}{\mathrm{cod}}}^{\′})}^2}}$

式(3)子中cod为COD标准值， 

为COD标准值的平均值，cod′为COD计算值， 

为COD计算值的平均值。 

(4)选取使得L*M*N*O个相关系数r中获得最大值的加权系数组(a、b₁、b₂、b₃、c)作为式(2)中的加权系数。在计算允许的情况下，亦可通过其他方法预设更多的(a、b₁、b₂、b₃、c)加权系数组，以及增加水样的组数，来选择更加精确的加权系数，提高测量精度。 

将获得的a、b₁、b₂、b₃、c数值代入公式(2)，从而获得a、b₁、b₂、b₃、c为已知值的公式(2)。 

上述所得的为每个多参数传感终端1的COD值。 

2)、工控机32将每个子区域内的多参数传感终端1的COD值进行平均处理，从而得到每个待测子区域的平均值；工控机32还将一个区域内的多参数传感终端1的COD值进行平均处理，从而得到一个待测区域的平均值。工控机32将上述每个待测子区域的平均值和一个待测区域的平均值均在显示器31进行显示。 

从而使用户能清晰的得知检测结果，即，所有的用户都可以通过监控终端3的查阅结果。 

5)、在工控机32内预先设有每个多参数传感终端1的监测时间间隔(可依据多参数传感终端1各自的编号进行区分)；每当设定的监测时间到后，工控机32就依次通过终端无线收发模块33、无线收发模块Ⅱ28、无线收发模块Ⅰ24和传感器无线收发模块16向特定的多参数传感终端1发送工作指令；从而控制相应的多参数传感终端1进行检测。多参数传感终端1每次检测完成后，就自动停止检测。直至再次收到工控机32发来的检测命令才再次启动工作。 

为了证明本发明的检测效果，发明人进行了如下的对比实验： 

实验1、以某造纸厂排放的处理后的污水为例。在24小时内每间隔1小时进行测试，分别利用本发明中公式(2)的计算方法、不考虑温度和pH值的公式(1)计算方法、和利用标准COD仪器，测试的对比数据如下表1所示(单位mg/L)。由表1可见，在污水成分基本确定并且变化不大的情况下，虽然两种方法测得的COD值均有较高的精度，都可以符合误差小于10％的使用要求，但是本发明的方法精度更高一些。 

表1 

时间(小时)	本发明公式(2)方法	现有公式(1)方法	标准值
				1	55.76	52.92	57.2
2	59.62	53.54	57.2
				3	57.97	55.98	57.2
4	58.64	63.56	57.4
				5	53.81	64.55	57.5
6	57.84	60.34	57.5
				7	59.98	55.87	57.5
8	60.73	51.99	57.9

[0079] 

9	60.48	61.75	57.8
				10	57.73	61.78	58.2
11	56.99	62.26	58.1
				12	58.74	64.11	58.0
13	59.31	60.53	58.0
				14	57.21	52.72	57.8
15	57.08	50.85	57.8
				16	55.72	54.68	57.8
17	60.17	58.71	57.7
				18	58.37	59.39	57.5
19	58.73	59.61	57.9
				20	56.85	52.69	57.7
21	55.52	54.72	57.7
				22	57.99	60.83	57.7
23	55.86	63.67	57.6
				24	58.49	62.10	57.9
均值	57.89	58.21	57.69

实验2、以某小区排放的生活污水为例。在24小时内每间隔1小时进行测试，分别利用本发明中公式(2)的计算方法、不考虑温度和pH值的公式(1)计算方法、和利用标准COD仪器，测试的对比数据如下表2所示(单位mg/L)。由表2可见，在污水成分难以确定且有机物浓度较高的情况下，本发明有较大的优势，误差基本保持在10％以内。 

表2 

时间(小时)	本发明公式(2)方法	公式(1)方法	标准值
				1	269.66	299.31	289.3
2	288.51	231.76	282.1
				3	304.63	354.87	302.6
4	279.91	389.03	300.5
				5	321.90	348.93	319.3
6	328.78	267.93	307.2
				7	303.75	378.74	311.8
8	337.68	369.01	304.3
				9	329.70	401.64	299.4

[0083] 

10	341.78	397.83	306.1
				11	347.66	386.06	311.5
12	308.76	349.31	315.7
				13	288.46	277.61	318.0
14	297.24	299.58	323.1
				15	319.79	362.77	319.9
16	333.63	371.07	310.2
				17	301.44	403.75	318.4
18	307.60	359.78	321.1
				19	321.49	380.21	309.4
20	283.95	389.74	304.1
				21	311.76	402.77	319.1
22	336.49	279.65	311.4
				23	309.78	399.78	308.6
24	288.54	277.69	308.1
				均值	310.95	349.12	309.22

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。 

Claims (4)

1.利用监测系统进行的多参数综合COD水质监测方法，其特征是依次进行以下步骤：

1）、多参数传感终端（1）负责监测待测水域的紫外吸收、浊度、温度和pH值这4个参数；

2）、多参数传感终端（1）将上述4个参数通过无线传输系统（2）传递给监测终端（3），由监测终端（3）根据以下公式进行计算： 

式中，COD代表待测水域的化学需氧量，a为二阶比例系数，b₁、b₂、b₃均为一阶比例系数，c为补偿系数，上述系数可以通过对待测水域的水质进行试验而确定； T为温度，pH为pH值，A₂₅₄为254nm紫外光的吸收系数，A₅₄₆为通过546nm可见光的吸收系数测得的浊度；

所述COD的单位为mg/L；

监测系统包括无线传输系统（2）、位于远离待测水域且位于监控室内的监测终端（3）和至少一个的放置于待测水域的多参数传感终端（1）；

所述每个多参数传感终端（1）均与无线传输系统（2）的进口端无线相连，所述无线传输系统（2）的出口端与监测终端（3）无线相连。

2.根据权利要求1所述的多参数综合COD水质监测方法，其特征是：所述多参数传感终端（1）为用于采集紫外吸收、浊度、温度、pH值四个参数的传感终端。

3.根据权利要求2所述的多参数综合COD水质监测方法，其特征是：所述每个多参数传感终端（1）包括分别与传感器太阳能电池板（11）相连的传感探头（12）、A/D转换模块（13）、数据采集模块（14）、传感器微处理器（15）和传感器无线收发模块（16），传感探头（12）、A/D转换模块（13）、数据采集模块（14）、传感器微处理器（15）和传感器无线收发模块（16）依次相连，传感器无线收发模块（16）与传感探头（12）相连；

所述无线传输系统（2）包括GPRS远程网中继站和至少一个的ZigBee局域网中继站；

所述每个ZigBee局域网中继站包括分别与太阳能电池板Ⅰ（21）相连的微处理器Ⅰ（22）、存储器Ⅰ（23）和无线收发模块Ⅰ（24），所述微处理器Ⅰ（22）分别与无线收发模块Ⅰ（24）和存储器Ⅰ（23）相连；

所述GPRS远程网中继站包括分别与太阳能电池板Ⅱ（25）相连的微处理器Ⅱ（26）、存储器Ⅱ（27）和无线收发模块Ⅱ（28），所述微处理器Ⅱ（26）分别与存储器Ⅱ（27）和无线收发模块Ⅱ（28）相连；

所述监测终端（3）包括显示器（31）、工控机（32）和终端无线收发模块（33），所述工控机（32）分别与显示器（31）和终端无线收发模块（33）相连；

每个传感器无线收发模块（16）与一个无线收发模块Ⅰ（24）无线相连，所述每个无线收发模块Ⅰ（24）与无线收发模块Ⅱ（28）无线相连；无线收发模块Ⅱ（28）与终端无线收发模块（33）无线相连。

4. 根据权利要求3所述的多参数综合COD水质监测方法，其特征是：所述传感探头（12）包括紫外吸收传感探头、浊度传感探头、温度传感探头和pH值传感探头。

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