水處理中環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)及污染防治

王 偉

山東省濱州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心

隨著我國(guó)工業(yè)化生產(chǎn)的快速發(fā)展，加大了水的污染程度[1]，水的污染已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。伴隨當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，國(guó)家加大了環(huán)境治理工作力度，相關(guān)部門針對(duì)涉及排污的企業(yè)加強(qiáng)監(jiān)控，制定相應(yīng)的治理措施。但從水污染治理整體情況來(lái)看，仍存在不足之處，還需不斷優(yōu)化水環(huán)境監(jiān)測(cè)及水污染防治技術(shù)的應(yīng)用，以更好地推動(dòng)水環(huán)境的科學(xué)化研究。

1 水處理中環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)

為保障水環(huán)境安全，水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，主要包括地表水監(jiān)測(cè)、地下水監(jiān)測(cè)、采樣監(jiān)測(cè)、遙感監(jiān)測(cè)等[2]，一般情況下往往根據(jù)水環(huán)境所處的位置選擇不同的監(jiān)測(cè)技術(shù)[3]。地表水監(jiān)測(cè)技術(shù)可以監(jiān)測(cè)地表水的污染程度，確定造成其污染的元素；地下水監(jiān)測(cè)可以使用抽樣法動(dòng)態(tài)分析地下水質(zhì)特點(diǎn)；采樣監(jiān)測(cè)可以定量采集水體樣本[4]，排除污染干擾物；遙感監(jiān)測(cè)則可以分析水污染物對(duì)光的反射能力，監(jiān)測(cè)水體的污染狀態(tài)。

水處理主要包括兩種處理形式，一種是物理處理，一種是化學(xué)處理。物理處理可以利用各種各樣的濾材吸附水中的污染物[5]，或通過(guò)沉淀法來(lái)祛除水中的污染雜質(zhì)；化學(xué)處理主要利用各種化學(xué)藥品進(jìn)行雜質(zhì)轉(zhuǎn)換，以此達(dá)到凈化水體的目標(biāo)。

1.1 設(shè)計(jì)多傳感器水環(huán)境監(jiān)測(cè)儀

為提高水處理中環(huán)境監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，必須使用敏感性較高的多傳感器水環(huán)境監(jiān)測(cè)儀，本文根據(jù)水環(huán)境監(jiān)測(cè)選項(xiàng)對(duì)該監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行研究，其主要組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水環(huán)境監(jiān)測(cè)儀組成結(jié)構(gòu)

該多傳感器水環(huán)境監(jiān)測(cè)儀主要由主控MCU模塊、CDMA通訊模塊以及LED液晶顯示模塊組成，主要通過(guò)水環(huán)境監(jiān)測(cè)儀可以放大信號(hào)，再將其轉(zhuǎn)換成AD數(shù)字信號(hào)，完成信號(hào)濾波處理之后，以此獲取準(zhǔn)確的水環(huán)境監(jiān)測(cè)信息。除此之外，該水環(huán)境監(jiān)測(cè)儀可以直接讀取來(lái)自數(shù)據(jù)采集中心的水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并與RS232連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信與交互。

影響水環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果的參數(shù)非常多，因此設(shè)計(jì)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)儀必須同時(shí)滿足多種參數(shù)的測(cè)量條件，即必須能進(jìn)行微量測(cè)量、遠(yuǎn)距離測(cè)量，且能實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，基于上述測(cè)量條件，本文選取C-201電極作為水環(huán)境監(jiān)測(cè)儀的核心電極，如圖2所示。

圖2 水環(huán)境監(jiān)測(cè)儀核心電極

該核心電機(jī)具有較高的靈敏性，能根據(jù)溶液的酸堿度產(chǎn)生不同程度的直流電位變化，再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)完成水環(huán)境污染信息的采集，保證數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。

1.2 采集水環(huán)境數(shù)據(jù)

為提高水環(huán)境監(jiān)測(cè)治理效果，需要以真實(shí)可用的水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為研究基礎(chǔ)。本文使用WSN無(wú)線傳感器來(lái)采集水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其實(shí)時(shí)性較高，使用成本較低，可在各種不同范圍的水環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。WSN無(wú)線傳感器組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 無(wú)線傳感器組成結(jié)構(gòu)

該無(wú)線傳感器具有三種不同類型的節(jié)點(diǎn)，即匯聚節(jié)點(diǎn)、用戶節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)均隨機(jī)部署在水環(huán)境監(jiān)測(cè)區(qū)域中[8]，并通過(guò)相互合作完成數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理，再將處理好的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心。

各個(gè)水環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)均相似，可同時(shí)進(jìn)行感知、處理、通信，部分節(jié)點(diǎn)還添加了定位功能，以無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)為例，其組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)由定位模塊、移動(dòng)管理模塊、感知模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線通信模塊 以及功能模塊組成。感知模塊可以感知監(jiān)測(cè)區(qū)域的信息，完成信息采集，數(shù)據(jù)處理模塊則實(shí)時(shí)將采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的通信信號(hào)完成數(shù)據(jù)交換。

本文所采集到的水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括相關(guān)的pH值、溫度等，還包括一些復(fù)雜的化學(xué)指標(biāo)。根據(jù)所采集到的數(shù)據(jù)，分析研究區(qū)域的水質(zhì)特點(diǎn)，制定水質(zhì)檢測(cè)樣本數(shù)據(jù)集。為了提高采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，便于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的管理，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗。首先使用Navicat for MySQL與本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)連接，再進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)命名，選取字符及utf8_general_ci排序規(guī)則。其次新建水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表格，對(duì)其命名，去除原始數(shù)據(jù)。最后利用MySQL對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行除雜處理，剔除數(shù)據(jù)噪聲，完成數(shù)據(jù)清洗。

清洗完畢的水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)可能還存在微小誤差，本文使用Pikard迭代法對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行賦值，劃分?jǐn)?shù)據(jù)集中的條件選項(xiàng)，生成隸屬度函數(shù)μij

公式（1）中，μX代表樣本隸屬度函數(shù)，XJ代表子集特征值，該函數(shù)可以側(cè)面反映水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特征，根據(jù)該數(shù)據(jù)特征可以設(shè)計(jì)特征函數(shù)g（x）。

公式（2）中，cr代表樣本特征向量，不同的監(jiān)測(cè)區(qū)域存在不同的特征空間，還可以根據(jù)Ruspini模糊集原理計(jì)算模糊劃分空間M。

公式（3）中，CC代表劃分矩陣，I代表水環(huán)境數(shù)據(jù)類別，根據(jù)上述模糊劃分空間可以構(gòu)建合理的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理矢量模型J。

公式（4）中，xi代表加權(quán)特征值，wi代表歐氏距離，使用上述公式可以有效地完成水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集處理。

1.3 構(gòu)建水環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)

根據(jù)上述所獲取的數(shù)據(jù)構(gòu)建水處理環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)，該水環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)可以同時(shí)完成數(shù)據(jù)采集與分析，并進(jìn)行信息匯聚，得到精準(zhǔn)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果，該水處理環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)的框架如圖5所示。

圖5 水環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)

水環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)在處理信息采集后可借助中心服務(wù)器完成信息統(tǒng)計(jì)與分析。為提高監(jiān)測(cè)平臺(tái)的監(jiān)測(cè)有效性，使用Zigbee作為本文構(gòu)建平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞闹饕獌?yōu)點(diǎn)如下：

第一，該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢愿淖儌鞲衅鞯纳鏁r(shí)間，有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和信息定位，提高傳感器的穩(wěn)定性；第二，該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢詮母旧咸岣呔W(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信效率，避免環(huán)境因素對(duì)傳感器造成的干擾；第三，該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢詫?shí)時(shí)識(shí)別網(wǎng)絡(luò)協(xié)議內(nèi)部的控制數(shù)據(jù)，保障信息的傳輸有效性。

使用上述的水處理環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)可以最大程度上保證水環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量的有效監(jiān)測(cè)。

2 水處理中污染防治對(duì)策

2.1 完善防治機(jī)制

研究表明，現(xiàn)有的水環(huán)境污染防治機(jī)制的防治效果較差，因此急需完善現(xiàn)有的防治機(jī)制，提高水環(huán)境污染的防治效果?？筛鶕?jù)水環(huán)境污染現(xiàn)狀制定相關(guān)的防治體系，再結(jié)合治理過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題對(duì)其不斷優(yōu)化。除此之外，還應(yīng)該積極進(jìn)行精細(xì)化管理，從各個(gè)方面進(jìn)行水環(huán)境污染防治，實(shí)現(xiàn)環(huán)境污染防治的科學(xué)化和精細(xì)化。

根據(jù)各個(gè)區(qū)域的水污染現(xiàn)狀制定相關(guān)的污染防治計(jì)劃，切實(shí)提高水生態(tài)環(huán)境管控水平，避免出現(xiàn)新的水環(huán)境污染問(wèn)題。

2.2 優(yōu)化防治技術(shù)

為提高水處理的效率，改善水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，必須要優(yōu)化現(xiàn)有的水環(huán)境防治技術(shù)。積極引入新型信息化技術(shù)，對(duì)水環(huán)境污染數(shù)據(jù)進(jìn)行快速智能分析與處理，提取環(huán)境污染特征，從而制定有針對(duì)性的解決方案，提高水環(huán)境污染的處理效果。除此之外，還應(yīng)將傳統(tǒng)的水環(huán)境防治技術(shù)與新型防治技術(shù)有效融合，最大程度上提高水環(huán)境防治的有效性。水污染控制應(yīng)以防范為主，從污染程度較低的水體著手，防止污染程度較低的水體污染程度加重，對(duì)污染嚴(yán)重的水環(huán)境進(jìn)行整治，要從源頭上遏制污染源頭，清除腐敗底泥，恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)，增加水環(huán)境的流動(dòng)，以解決污染水環(huán)境問(wèn)題；以推進(jìn)區(qū)域的潔凈生產(chǎn)為輔，用潔凈的資源取代傳統(tǒng)的礦物資源，以降低企業(yè)的能耗。

2.3 減少污染物排放

水環(huán)境污染防治的核心就是減少污染物的排放量，因此在后續(xù)水環(huán)境污染治理時(shí)，需要了解重點(diǎn)工程的污染物排放量，而現(xiàn)今大部分水環(huán)境污染的污染源均來(lái)自城市居民，因此在進(jìn)行水污染治理時(shí)應(yīng)對(duì)污染源所在的區(qū)域?qū)嵤┳粉櫣芾?，?duì)污染源較多的區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)督，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)污染物的排放量，避免污染物超標(biāo)導(dǎo)致的水生態(tài)環(huán)境遭到破壞，一旦發(fā)現(xiàn)污染物超標(biāo)問(wèn)題需要立即采取有效的處理措施，避免形成二次污染。不僅如此，還應(yīng)該使用先進(jìn)的污染水體處理工藝，減少污染物的排放總量。使用循環(huán)用水系統(tǒng)，對(duì)廢水進(jìn)行循環(huán)再利用，降低污染物總量。通過(guò)節(jié)約生產(chǎn)廢水、規(guī)定用水定額、改善生產(chǎn)工藝，提高廢水的重復(fù)利用率和采用無(wú)污染或少污染的新工藝；通過(guò)減少企業(yè)的廢氣、廢水和固廢總量，并使其對(duì)大氣的污染水平有所下降；通過(guò)強(qiáng)化非點(diǎn)源污染治理，規(guī)范農(nóng)藥和化肥使用，降低農(nóng)藥和化肥使用過(guò)量，促進(jìn)綠色農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，降低對(duì)水體的影響，從而最大程度地降低污染物的排放量。

2.4 構(gòu)建跨區(qū)域協(xié)同治理機(jī)制

行政劃分也是進(jìn)行水污染綜合防治的依據(jù)，而不同區(qū)域的污染程度不同，因此可以通過(guò)加強(qiáng)區(qū)域治理來(lái)達(dá)到污染防治的目的，所以需要構(gòu)建跨區(qū)域協(xié)同治理機(jī)制，構(gòu)建該機(jī)制具體包括以下多個(gè)方面的內(nèi)容：

首先，從物力控制上，主要應(yīng)用截污分流技術(shù)和疏浚技術(shù)。截污分流技術(shù)是針對(duì)城市污水的污染控制技術(shù)，利用這種技術(shù)對(duì)城市廢水進(jìn)行科學(xué)、合理的控制，同時(shí)也可以有效地改善城市的水質(zhì)狀況。但在實(shí)踐中，仍需對(duì)污水管道、泵站等設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑欤?duì)其進(jìn)行定時(shí)維護(hù)，以保證截污、分流技術(shù)的效能最大化，提高污水的最終處置效率；而淤渣淤積技術(shù)則是一種處理淤渣淤積的技術(shù)，能夠清除污染程度比較高的淤渣，從而減輕沉積層的內(nèi)力，達(dá)到控制水質(zhì)的目的。其次，在化學(xué)控制上，可以采用化學(xué)除藻技術(shù)和重金屬固定技術(shù)，比如，對(duì)于水體中越來(lái)越多的營(yíng)養(yǎng)成分，可以采用化學(xué)除藻技術(shù)，并結(jié)合不同的水質(zhì)條件，選用適當(dāng)?shù)牧蛩徙~和檸檬酸，再加入適當(dāng)?shù)乃幬飦?lái)控制細(xì)菌的繁殖；而重金屬的固定技術(shù)，就是用來(lái)處理一些被酸性和重金屬污染的水域，然后加入一些堿類，比如石灰石，與水中的酸液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到一定的pH值，從而達(dá)到穩(wěn)定的效果。再次，在生物控制上，可以通過(guò)對(duì)水中的植物進(jìn)行生物修復(fù)，使其達(dá)到對(duì)環(huán)境的吸收和新陳代謝，消除水中的污染，從而達(dá)到改善水質(zhì)的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于設(shè)計(jì)水處理環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)，要基于此技術(shù)進(jìn)行防止措施設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高水環(huán)境監(jiān)測(cè)的有效性，通過(guò)完善防治機(jī)制、優(yōu)化防治技術(shù)、減少污染物排放、加強(qiáng)區(qū)域治理等各方面工作防治水環(huán)境污染。