一种重金属废水的水质监测系统装置及水质监测方法与流程

1.本发明属于废水处理领域，涉及一种水质监测方法，尤其涉及一种重金属废水的水质监测系统装置及水质监测方法。


背景技术：

2.随着我国城镇化进程的逐步加快，工业园区在城市的经济发展中起到了积极的作用。工业园区重金属废水主要来自园区内电镀、线路板等企业在生产过程中产生的污水和废液。多数企业对重金属废水进行预处理后，排放至园区配套的污水集中处理设施，经统一处理后达标排放。但由于各企业产品差别较大，生产规模、原料、辅料和工艺水平不同，导致废水水量、水质及特征差异也较大，污染物成分复杂。
3.常规的水质监测方法是对水体采样，送到实验室进行水质分析，这种方法费时费力，成本较高，结果往往有延时性，若超标废水进入废水处理系统中将给后续处理工艺造成不良影响，可能会导致出水不达标。而且在人工取样过程中容易对样品造成二次污染，使得检测结果存在较大误差。
4.cn 112730784a公开了一种工业废水处理水质监测系统，包括清洁供能模块、监控摄像头、现场管理服务器、电磁阀、环境监测模块、水体监测箱、监测模块、供液泵、潜水泵、水箱和水位传感器；清洁供能模块用于清洁供能，清洁供能模块与现场管理服务器和控制室电性连接；监控摄像头安装在废水处理处，监控摄像头与现场管理服务器通讯连接；用于对现场画面进行采集，并发送至现场管理服务器中。所述发明通过设有水体监测，并采取供液泵对水体监测箱内部进行注水，以对水体监测箱进行清洁处理，提高检测时结果的准确性；通过清洁功能模块，进而进行清洁功能。然而所述发明并不能实现对超标废水的自动引导功能，需要凭借人工根据实时监测数据进行控制，进而无法及时制止超标废水进入后续的污水处理系统，最终导致出水不达标。此外，检测模块需要使用昂贵的精密仪器，提升了水质监测成本。
5.因此，如何对废水的进水浓度进行管控，规范工业园区企业的排污行为，最大限度地降低重金属生产企业污染物排放浓度超标现象发生的概率，提高废水处理效率，降低水质监测成本，是工业园区集中处理设施面临的关键问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种重金属废水的水质监测系统装置及水质监测方法，所述水质监测方法最大限度地降低了重金属生产企业污染物排放浓度超标现象发生的概率，提高了废水处理效率，降低了水质监测成本，克服了工业园区集中处理设施面临的关键问题。
7.为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
8.第一方面，本发明提供一种重金属废水的水质监测系统装置，所述水质监测系统装置包括自动取样装置、图像采集装置、数据分析与计算装置、控制装置、阀门装置、报警装
置和云平台。
9.所述自动取样装置用于暂存重金属废水的水样。
10.所述图像采集装置用于对自动取样装置中的水样进行图像采集。
11.所述数据分析与计算装置和图像采集装置通讯连接。
12.所述控制装置和云平台分别独立地与数据分析与计算装置通讯连接。
13.所述自动取样装置、阀门装置和报警装置分别独立地与控制装置通讯连接。
14.本发明提供的水质监测系统装置通过多个特定功能的装置之间相互配合，实现了物联网与图像分析技术相集合，达到了快速确定重金属废水进水中不同重金属含量的目的，并对超标进水启动报警状态，最大限度地降低了重金属生产企业污染物排放浓度超标现象发生的概率，提高了工艺运行的稳定性，规范了工业园区企业的排污行为，提高了废水处理效率，克服了工业园区集中处理设施面临的关键问题。
15.优选地，所述自动取样装置包括至少2个水样暂存槽，例如可以是2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个或10个，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
16.优选地，所述至少2个水样暂存槽之间采用隔板相互隔开。
17.优选地，所述至少2个水样暂存槽均设置有顶盖。
18.优选地，所述至少2个水样暂存槽的内壁、隔板和顶盖分别独立地采用不透光白色材料。
19.本发明中，所述水样暂存槽的内壁、隔板和顶盖分别独立地采用不透光白色材料，且设置了顶盖以构建封闭环境，有效避免了日光或其他光线对图像采集过程的影响，使得监测结果更为准确。所述不透光白色材料只要能够满足不透光且颜色为白色的特性即可，在此并不对所用材料的具体种类做特别限定，例如所述不透光白色材料可以为聚苯乙烯或聚丙烯。
20.优选地，所述图像采集装置包括图像采集器和led灯。
21.优选地，所述图像采集器包括摄像头或高光谱仪。
22.优选地，所述图像采集装置悬设于自动取样装置的正上方。
23.优选地，所述图像采集装置在图像采集过程中沿x轴、y轴或z轴移动。
24.本发明中，所述图像采集装置悬设于自动取样装置的正上方，且在图像采集过程中沿x轴、y轴或z轴移动，便于根据实际需要对自动取样装置中的水样进行图像采集，可定时或设置一定的时间周期进行周期往复移动采集水样图像。
25.优选地，所述控制装置包括plc控制器。
26.本发明通过plc控制器来控制阀门装置和报警装置的开闭，节省了人工操作的时间，有效提高了水处理效率。
27.优选地，所述云平台用于存储水质监测数据，并生成历史数据曲线。
28.第二方面，本发明提供一种采用如第一方面所述水质监测系统装置对重金属废水进行水质监测的方法，所述方法包括以下步骤：
29.(1)暂存重金属废水的水样，并对所述水样进行图像采集，得到水样图像；
30.(2)对步骤(1)所得水样图像进行图像处理，得到图像信息；
31.(3)对步骤(2)所得图像信息进行分析计算，得到水样中的重金属含量；
32.(4)将步骤(3)所得重金属含量与相应重金属的含量指标范围进行对比，存储对比结果，并依据所述对比结果控制重金属废水的后续流向。
33.其中，所述重金属废水的重金属元素包括铜、镍、铬、锰、铁、镉或钴中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括铜与镍的组合，镍与铬的组合，铬与锰的组合，锰与铁的组合，铁与镉的组合，镉与钴的组合，铜、镍与铬的组合，镍、铬与锰的组合，铬、锰与铁的组合，锰、铁与镉的组合，或铁、镉与钴的组合。
34.本发明中，所述重金属废水含有的重金属元素既可以是有颜色的，也可以是无颜色的，当监测的重金属元素为无颜色元素时，通过加入相应的化学试剂，使其与待监测金属离子发生显色反应，再进行图像采集。
35.本发明提供的水质监测方法利用图像分析技术快速确定重金属废水进水中不同重金属的含量，这种非接触式自动水质监测方法防止了重金属水样对人体的危害，且避免了人工检测的误差，提升了监测的安全性和准确性。此外，这种方法通过物联网与图像分析技术相集合，相较于传统采用的传感器，无需使用昂贵的精密仪器，降低了水质监测成本。
36.优选地，步骤(3)所述分析计算基于数字图像比色原理或高光谱技术。
37.本发明中，基于数字图像比色原理的分析计算需要借助摄像头和led灯构成的图像采集装置，采用图像处理软件中的rgb模型对采集的图像进行处理，将可视化的颜色转化为可处理的数据。前期采集大量不同种类、不同浓度的重金属废水样品的照片，利用图像处理软件选取rgb模式对图像读取r、g、b三通道的数据，进行数据处理，建立数据处理模型。在水质监测过程中，将样品照片的rgb模式数据代入数据处理模型即可获得水样中相应的重金属含量。
38.本发明中，基于高光谱技术的分析计算需要借助高光谱仪和led灯构成的图像采集装置，前期利用高光谱仪对大量废水样品的光谱进行采集，得到光谱曲线，然后对高光谱数据进行预处理，对水体光谱特征进行分析，选取特征波段，构建最优水体重金属含量的反演模型。在水质监测过程中，将水样的高光谱数据代入该反演模型中即可得到水样中相应的重金属含量。
39.优选地，步骤(4)所述对比结果分为“水质未超标”和“水质超标”。
40.当对比结果为“水质未超标”时，控制重金属废水后续流向调节池。
41.当对比结果为“水质超标”时，控制重金属废水后续流向事故池，并启动报警状态。
42.本发明中，重金属废水的后续流向通过控制装置实现，当水质监测数据在相应指标允许范围内，即对比结果为“水质未超标”时，plc控制水样暂存槽将水样排空，同时控制该废水进入相应调节池的管道阀门打开，进入事故池的管道阀门关闭，使废水进入相应调节池；若超过允许范围值，即对比结果为“水质超标”时，plc控制废水进入相应调节池的管道阀门关闭，进入事故池的管道阀门打开，使废水进入事故池，同时控制报警装置启动报警状态，以提示管理人员进行相应的处理。
43.优选地，步骤(4)所述对比结果存储至云平台，用户通过pc端或移动端登录查看。
44.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
45.(1)本发明提供的水质监测系统装置通过多个特定功能的装置之间相互配合，实现了物联网与图像分析技术相集合，达到了快速确定重金属废水进水中不同重金属含量的目的，并对超标进水启动报警状态，最大限度地降低了重金属生产企业污染物排放浓度超
标现象发生的概率，提高了工艺运行的稳定性，规范了工业园区企业的排污行为，提高了废水处理效率，克服了工业园区集中处理设施面临的关键问题；
46.(2)本发明提供的非接触式自动水质监测方法防止了重金属水样对人体的危害，且避免了人工检测的误差，提升了监测的安全性和准确性；相较于传统采用的传感器，这种方法无需使用昂贵的精密仪器，降低了水质监测成本。
附图说明
47.图1是实施例1提供的重金属废水的水质监测系统装置示意图；
48.图2是对比例1提供的重金属废水的水质监测系统装置示意图。
49.其中：1
‑
自动取样装置；2
‑
图像采集装置；3
‑
数据分析与计算装置；4
‑
控制装置；5
‑
云平台；6
‑
阀门装置；7
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报警装置；8
‑
调节池；9
‑
废水处理系统；10
‑
事故池；11
‑
重金属离子检测器。
具体实施方式
50.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
51.实施例1
52.本实施例提供一种重金属废水的水质监测系统装置，如图1所示，所述水质监测系统装置包括自动取样装置1、图像采集装置2、数据分析与计算装置3、控制装置4、阀门装置6、报警装置7和云平台5。
53.本实施例中，所述自动取样装置1用于暂存重金属废水的水样；所述图像采集装置2用于对自动取样装置1中的水样进行图像采集；所述数据分析与计算装置3和图像采集装置2通讯连接；所述控制装置4和云平台5分别独立地与数据分析与计算装置3通讯连接；所述自动取样装置1、阀门装置6和报警装置7分别独立地与控制装置4通讯连接。
54.本实施例中，所述图像采集装置2悬设于自动取样装置1的正上方，且在图像采集过程中沿x轴、y轴或z轴移动；所述控制装置4包括plc控制器；所述云平台5用于存储水质监测数据，并生成历史数据曲线。
55.实施例2
56.本实施例提供一种采用如图1所示水质监测系统装置对重金属废水进行水质监测的方法，所述方法包括以下步骤：
57.(1)利用自动取样装置1暂存重金属废水的水样，并利用图像采集装置2对所述水样进行图像采集，得到水样图像；所述自动取样装置1包括3个水样暂存槽，水样暂存槽之间采用隔板相互隔开，且均设置有顶盖，水样暂存槽的内壁、隔板和顶盖分别独立地采用不透光白色聚苯乙烯材料；所述图像采集装置2包括摄像头和led灯；
58.(2)利用数据分析与计算装置3对步骤(1)所得水样图像进行图像处理，得到图像信息；
59.(3)基于数字图像比色原理对步骤(2)所得图像信息进行分析计算，得到水样中的重金属含量；
60.(4)将步骤(3)所得重金属含量与相应重金属的含量指标范围进行对比，存储对比
结果，并依据所述对比结果控制重金属废水的后续流向；所述对比结果分为“水质未超标”和“水质超标”；当对比结果为“水质未超标”时，控制重金属废水后续流向调节池8，后续进入废水处理系统9；当对比结果为“水质超标”时，控制重金属废水后续流向事故池10，并启动报警状态。所述对比结果存储至云平台5，用户通过pc端或移动端登录查看。
61.本实施例中，所述重金属废水的重金属元素包括铜、镍和铬。
62.实施例3
63.本实施例提供一种采用如图1所示水质监测系统装置对重金属废水进行水质监测的方法，所述方法包括以下步骤：
64.(1)利用自动取样装置1暂存重金属废水的水样，并利用图像采集装置2对所述水样进行图像采集，得到水样图像；所述自动取样装置1包括4个水样暂存槽，水样暂存槽之间采用隔板相互隔开，且均设置有顶盖，水样暂存槽的内壁、隔板和顶盖分别独立地采用不透光白色聚丙烯材料；所述图像采集装置2包括高光谱仪和led灯；
65.(2)利用数据分析与计算装置3对步骤(1)所得水样图像进行图像处理，得到图像信息；
66.(3)基于高光谱技术对步骤(2)所得图像信息进行分析计算，得到水样中的重金属含量；
67.(4)将步骤(3)所得重金属含量与相应重金属的含量指标范围进行对比，存储对比结果，并依据所述对比结果控制重金属废水的后续流向；所述对比结果分为“水质未超标”和“水质超标”；当对比结果为“水质未超标”时，控制重金属废水后续流向调节池8，后续进入废水处理系统9；当对比结果为“水质超标”时，控制重金属废水后续流向事故池10，并启动报警状态。所述对比结果存储至云平台5，用户通过pc端或移动端登录查看。
68.本实施例中，所述重金属废水的重金属元素包括锰、铁、镉与钴。
69.实施例4
70.本实施例提供一种采用如图1所示水质监测系统装置对重金属废水进行水质监测的方法，所述方法包括以下步骤：
71.(1)利用自动取样装置1暂存重金属废水的水样，并利用图像采集装置2对所述水样进行图像采集，得到水样图像；所述自动取样装置1包括2个水样暂存槽，水样暂存槽之间采用隔板相互隔开，且均设置有顶盖，水样暂存槽的内壁、隔板和顶盖分别独立地采用不透光白色聚苯乙烯材料；所述图像采集装置2包括高光谱仪和led灯；
72.(2)利用数据分析与计算装置3对步骤(1)所得水样图像进行图像处理，得到图像信息；
73.(3)基于高光谱技术对步骤(2)所得图像信息进行分析计算，得到水样中的重金属含量；
74.(4)将步骤(3)所得重金属含量与相应重金属的含量指标范围进行对比，存储对比结果，并依据所述对比结果控制重金属废水的后续流向；所述对比结果分为“水质未超标”和“水质超标”；当对比结果为“水质未超标”时，控制重金属废水后续流向调节池8，后续进入废水处理系统9；当对比结果为“水质超标”时，控制重金属废水后续流向事故池10，并启动报警状态。所述对比结果存储至云平台5，用户通过pc端或移动端登录查看。
75.本实施例中，所述重金属废水的重金属元素包括铜与钴。
76.对比例1
77.本对比例提供一种重金属废水的水质监测系统装置，如图2所示，所述水质监测系统装置包括自动取样装置1、重金属离子检测器11、控制装置4、阀门装置6、报警装置7和云平台5。
78.本对比例中，所述自动取样装置1用于暂存重金属废水的水样；所述重金属离子检测器11用于对自动取样装置1中的水样进行重金属离子在线检测；所述控制装置4和云平台5分别独立地与重金属离子检测器11通讯连接；所述自动取样装置1、阀门装置6和报警装置7分别独立地与控制装置4通讯连接。
79.相较于实施例1，本对比例提供的水质监测系统装置需要利用重金属离子检测器11，一方面重金属离子在监测过程中，易受到其他离子的干扰，导致监测结果不准确，另一方面这种精密仪器价格昂贵，提升了水质监测成本。
80.由此可见，本发明提供的水质监测系统装置通过多个特定功能的装置之间相互配合，实现了物联网与图像分析技术相集合，达到了快速确定重金属废水进水中不同重金属含量的目的，并对超标进水启动报警状态，最大限度地降低了重金属生产企业污染物排放浓度超标现象发生的概率，提高了工艺运行的稳定性，规范了工业园区企业的排污行为，提高了废水处理效率，克服了工业园区集中处理设施面临的关键问题；此外，本发明提供的非接触式自动水质监测方法防止了重金属水样对人体的危害，且避免了人工检测的误差，提升了监测的安全性和准确性；相较于传统采用的传感器，这种方法无需使用昂贵的精密仪器，降低了水质监测成本。
81.申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。