造纸企业的污水外排监控预警系统研发

摘要

　　随着国民经济的飞速发展，环境污染问题日趋严重，人类越来越关注自身及后代的生存环境。造纸工业污染物排放威胁着我国脆弱的水环境，造纸企业的可持续发展必须严格遵守环保法律法规，实时管控排水水质，采取必要措施防止水环境污染，因此，开发与设计针对造纸企业的水质检测及预警管理系统显得尤为重要。

　　根据造纸行业污水处理工艺的特点及污水检测的参数需要，设计了"水质检测传感器+单片机+管理软件"的监控管理系统，建立了智能化的管理平台，实施对造纸企业污水的有效监控和管理。该系统能够实现对造纸污水数据检测，排污监控，排污预警的一系列操作控制。根据生产需求，设计开发了企业信息管理模块，水质数据采集功能模块，水质数据查询模块，水质数据分析模块，数据库备份模块，预警管理决策模块等功能模块，并在功能模块实现的基础上利用 B/S、SQL 数据库等技术对功能模块完成了实现。

　　应用造纸污水检测及预警管理系统实现了造纸企业污水水质实时检测，监控，预警功能。避免了造纸企业在污水外排监控预警方面的缺陷，该系统具有操作管理简单方便和信息传递快捷准确的优点，减少了用工数量，很大程度上杜绝了污水外排，有益于企业的长期、稳定和绿色发展。

　　关键词：管理系统；造纸企业；污水检测；传感器

ABSTRACT

　　With the rapid development of national economy, the problem of environmental pollution is becoming more and more serious, and the discharge of pollutants from papermaking industry threatens the fragile water environment of our country. The sustainable development of papermaking enterprises must strictly abide by the laws and regulations of environmental protection, control the water quality of drainage in real time, and take necessary measures to prevent water environment pollution. Therefore, it is very important to develop and design the water quality monitoring and precaution management system for papermaking enterprises.

　　According to the characteristics of wastewater treatment process and the requirements of wastewater monitoring parameters in papermakingindustry, a monitoring and management system of water quality detection sensor + single chip microcomputer + management software is designed, and an intelligent management platform is established to effectively monitor and manage the wastewater in papermaking industry. The system can realize a series of operation and control of papermaking wastewater data detection, pollution monitoring and pollution precuation. According to the production demands, several modules are established, including the design and development of enterprise information management module, water quality data collection function module, water quality data query module, water quality data analysis module, database backup module, precuation management decision-making module and other functional modules. The above functions are realized by using B/S, SQL database and other technologies.

　　The wastewater monitoring and precaution management system is applied to realize the functions of real-time detection, monitoring and precaution of wastewater quality in papermaking enterprises. The system has the advantages of simple operation and management, fast and accurate information transmission, is able to reduce the number of workers and largely eliminate the sewage discharge, which is beneficial to the long-term, stable and green development of the papermaking enterprises.

　　Key words: Management system; The papermaking enterprises; Environmentmonitoring; The sensor

目录

　　第一章 绪论

　　随着中国成为世界上第二大经济体，社会各个行业都在快速地发展着，但是某些行业的发展也给环境带来了巨大的影响。例如造纸行业，工厂的废水排放量较大，产生环境污染的情况在加剧，污水不容易处理，使环境破坏严重。

　　这也给环境保护工作带来了巨大的压力，如果相关部门不加大管理力度，对于环境而言会造成不可挽回的损失，这就需要设计一个企业污水监控管理系统，用来监督工厂的相关行为，更重要的是监控污水的排放情况，对所有可能出现的污染源头进行一系列的监控。

　　1.1 选题的依据和意义

　　水污染治理涉及到很多方面，致使污染监控的工作量比较大，关注的范围比较多，大多数的工作都需要人工 24 小时全天进行，这样用人力的方式进行监控耗时耗力而且检测数据不完整，不能更好的完成监控工作。随着物联网技术的发展成熟，水环境参数的实时自动检测已经成为可行，污水检测处理及预警管理变得至关重要。

　　我国的污水处置当前还居于成长过程，对污水处理的探索，尤其是自动化处理的研究比不上欧美大国。水污染会对环境保护和人类健康生活产生巨大的影响，针对这样的情况，就有必要采用自动化的管理系统进行具体的监控工作，系统的主要任务就是检测污水源，从而精确的体现污水的相关内容，展示整个水污染监察的状态，具体为相关部门后续的监管提供及时、有力、并有效的帮助，使得排放企业能够遵守相关法律法规，提高整体环境监控的质量。

　　另外，经过水污染监管系统的完善，增强对管理层的约束性，增大其犯法的本钱，从而提升环境保障的水准。水污染监管系统的发展，可以将普通的监管和人员的勘测进行改变，并令其转换为高度计算机化的监管方法。

　　管理系统可以完成大量业务，有效监控和管理大量的污染源，建立计算机化管理平台，提高相关服务的管理效率，更好的达到保护的目的，实现环境保护的最大化。

　　1.2 国内外研究现状

　　西方欧美较发达的国家优先落实了产业化，对于环境保护的认识也早于我国，尤其是将水污染的严重问题揭示给后人。多年以来，发达国家的很多的科研人员探寻解决的方案，兴建厂房并发明了很多对污水进行分解的设备。这些历史经验表现出改造污水处理厂对改便污水的状况很重要，同时也重视污水环境检测及预警管理系统的研究。大多数的国家通过自身的不断努力，处置水污染成功的比例在逐年增高。造纸产业是国家重要的经济财富，造纸污水处理已经变成权衡国家知识水平和文化水平的标示[1].

　　为保障欧洲大陆范围内水量的可持续发展和水质的安全，欧盟陆续协商制定了多部保护自然资源的基础法规，尤其加大了对水体的保护。2015 年颁布的欧盟水框架指令更为严苛，规定了废水处理的后的达标指数，欧盟各国为达成排放指标做出了细致的研究。其中德国在污水处理方面领先于欧洲各国，在一百多年前德国就开始进行污水治理，在六十年代末就已经开始研究污水处理的自动化建设，在七十年代已经投入试运营，八十年代开始推广。目前在欧洲德国的污水自动化处理技术处于世界先进水平。德国的污水处理厂大量使用自动化检测设备，大大提高了检测效率，节省了大量人力物力。

　　美国是世界上第一经济强国，科技发达，工业体系完备，在制造了丰富商品的同时也产生了大量的工业废水。同时美国也是世界第一大纸浆生产国，产生了大量的造纸废水。美国为了解决污水问题很早以前就兴建了多座污水处理厂，并且在六十年代创造性的提出了"二十一世纪水厂"理念，将污水处理标准提升到可供人类饮用的标准。在提高处理率的同时，美国也在研究污水处理自动化技术，在经过几十年的研究、运行，其自动化技术十分成熟，不仅新投产的污水处理厂大量使用自动化技术，还对投产多年的老污水处理厂进行改造升级，解决了老旧污水处理厂操作费时费力误差大的问题，实现了污水处理自动化，同时运用智能报警设备，防止潜在故障。

　　日本作为亚洲发达国家，人口数量大，土地面积小，人均纸消费量远远高于我国。虽然日本大部分用纸采用进口方式，将污染源头转嫁纸制造国。但日本国内也有大量造纸企业存在，也面临着造纸废水的处理问题。日本凭借国内电子产品先进的优势，在污水处理厂中大量使用自动化设备，提高了生产效率，节约了运营成本。

　　中国人口众多，但是每个人拥有的水比整个地球人平均拥有水的一半还少，如果要处置污水源，需要对污水实行处置和回收使用。相关数据结果显示，目前中国水污染程度很高，总体趋势日趋严重。80%的城市排放的废水没有经过任何的处理直接排放到邻近的河流流域，严重的水质污染状况使水资源呈现出匮乏的形式，严重危害身体。农村污水垃圾处理量大面广，由于农村分布较为分散，因而投资成本和运营成本普遍较高[2].

　　另外，中国大部分工业部门仍处于扩大生产的模式。废水处理的程度和效率非常低，相当数量的污染物被排放进入江河，这意味着释放的污染物总量将进一步增加，水资源的污染状况将越来越严重。

　　我国污水处理起步较早，上个世纪二十年代在上海市兴建了我国第一座污水处理厂，但由于我国经历了抗日战争、解放战争、十年浩劫等，严重制约了工业发展，致使污水处理工作陷入停顿。我国 1982 年组建了城乡建设环境保护部，部内设环境保护局，环境保护工作才出现专业管理部门。随着经济发展八十年代环境保护局改为国家环境保护局（副部级），九十年代国家环境保护局升格为国家环境保护总局（正部级），是国务院主管环境保护工作的直属机构。

　　去年十三届全国人大一次会议决定组建生态环境部，不再保留环境保护部。我国环境管理部门的发展见证我国经济的飞速发展，也促进了我国污水处理事业的腾飞。

　　随着国家相关法规的完善，人民环保意识的提高，造纸企业作为污染大户，承担越来越大的社会责任。而采用一套污水检测与预警管理系统很大程度上提高了污水处理效率，降低了污水外排风险。在我国一些大型污水处理工厂污水检测管理设备已经开始投入运行，并取得很好的效果[3].我国污水处理自动化建设目前还处于落后水平，大量污水厂仍然采用人工采样--实验室化验的方法来测定污水水质。但这样的检测方法费时费力，存在人为干扰的可能性，并且采集的污水数据不连续，存在空窗期，存在安全隐患，不能确保污水数据的即时性、准确性，不方便污水处理部门对生产过程的监督与检查。

　　1.3 研究内容与方法

　　目前，我国对污水的处置得到巨大的发展，各个市区都认识到了水资源的重要性，于是兴建了大量的处置工厂，期望用自己的行动去减少环境污染的情况，效果较明显。

　　自从 1980 年我国开始执行环境资源主动检测方式后，其它种类的环境主动检测方式也在各个市区内逐渐推行使用。此技术既提高了市区天气质量，又督促了其他环保自主检测技术的进步。日前，污水自主检测手段、噪音掌控自主检测手段、水污染自主检测手段等各类环保检测技术，已经在中国各个市区发 展壮大，进步的形势很猛烈，对于保护环境而言很重要[4].随着环境自主检测手段的发展、网络的智能化和计算机技术的发达，环境检测系统现处于日渐改善的情况。相关的环境部门已经开始着手制定对环境保护的政策，可以通过法律的约束，提高人们保护自然的法律意识，让国人的法律意识不再淡薄。由于仪器种类多，各个市区之间存在着明显的差别，数据之间的差异性也导致问题的不同。大多数的人对产生的数据都会产生怀疑，一些人觉得数据存在着造假的行为，另一部分的人认为，如果在继续这样下去，可能会造成更大的环境污染。

　　若想要保护环境，只需每人付诸行动就可为保护环境做出贡献，奉献出自己的一份力量。需从周围的各种的小事做起，及时关闭水龙头，珍惜稀少资源，动员身边的人去做环保的事情，个人的发展和环境息息相关，保护环境迫在眉睫，要用动身行动去保护和珍惜它，不做不利环境的事情[5].由此看来，研发污水检测系统至关重要，完善系统的相关功能，让用户有良好的体验。

　　论文就造纸企业污水检测及预警管理系统给出了设计方案，该系统主要分两大子系统，环境检测子系统和环境管理及预警子系统，全文总计有五章的内容：

　　第一章绪论，主要体现国内外目前对水资源污染治理的现状及解决方案，给出了论文研究的主要内容；第二章系统需求分析，在对秦皇岛市抚宁区相关造纸企业详细调研的基础上，给出了造纸企业污水检测及预警管理系统的功能及性能需求；第三章环境检测系统的硬件设计，给出了检测系统的框架结构，检测模块中的处理器、传感器及其他硬件设备的选型及参数配置；第四章环境管理及预警系统的设计，给出了系统的运行环境，设计了数据库及详细说明预警管理系统中的参数管理、阈值及决策支持；第五章系统实现与应用，给出了系统软件实现的用户登录界面、水质数据查询界面、水质数据分析界面、水质数据采集功能界面等主要的系统界面及设计实现方法。

　　第二章 系统需求分析
　　2.1 业务流程
　　2.2 目标及功能分析
　　2.3 系统性能分析

　　第三章 环境检测系统的硬件设计
　　3.1 检测系统框架结构
　　3.2 检测平台硬件结构设计
　　3.3 数据采集传感器

　　3.4 单片机系统设计
　　3.4.1 单片机及接口设计
　　3.4.2 控制电路设计
　　3.5 其他资源配置
　　3.5.1 接触器选型
　　3.5.2 变频器的选择及配置

　　第四章 环境管理及预警系统的设计
　　4.1 造纸企业污水检测主要参数分析
　　4.2 系统的功能结构
　　4.3 数据库概念设计
　　4.4 数据库物理设计
　　4.5 功能模块的详细设计
　　4.5.1 检测数据采集模块
　　4.5.2 污水预警决策管理模块设计

　　第五章 系统实现及应用
　　5.1 系统登录用户界面
　　5.2 水质数据采集功能
　　5.3 水质数据查询界面
　　5.4 水质数据分析界面

结论与展望

　　造纸企业污水检测及预警管理系统的设计方便了企业相关员工的操作工作，提高管理人员工作效率，将水体的污染整治经过管理系统的检测以及人工辅助的预警管理得到更大的改善。

　　论文完成的主要工作有：

　　（1）对造纸企业污水检测及预警管理系统设计相关的内容做了详细调研，给出了相应的需求分析（功能、性能、环境等）；

　　（2）设计了系统的硬件结构并对软件体系做了构建，该系统包括两大子系统，环境检测子系统和环境管理及预警子系统。整个系统按功能结构分为六个子模块：企业信息管理模块、水质数据采集功能模块、水质数据查询模块、数据分析功能模块、数据库备份功能模块、预警决策功能模块；

　　（3）完成了用户系统的实现，重点完成了系统中的环境检测及预警管理决策，包括企业在预警管理中的阈值确定和系统管理中的决策建议。

　　论文完成了系统的基本功能，能够对企业污水的排放和污染情况进行监控和查询。但是该系统也存在着一些不足，主要体现在以下两方面：一是系统开发是按照调查资料做出的需求分析并进行程序设计，但是开发管理的过程中要求的内容还不够严谨，一些问题的考虑不够全面，系统的一些功能还不够完善；二是在系统的管理方面还有点繁琐，需要进一步的改进相关的管理措施，有些程序设计方面和管理也没有形成很好的配合。

　　手机移动端开发是目前系统开发潮流的趋势，后期的企业管理及应用中可以将造纸企业污水检测及预警管理系统开发成相应的手机 APP,使得数据查询更加的方便快捷，不仅成本较低，它还可以打造完美的用户体验，还可以设计出重要事情的提醒，管理人员可以方便的使用手机随时随地的查看相关的数据，对污水进行监控，这样管理人员可以方便进行实时监控数据，降低水源污染事件的发生率，提升信息安全保障能力。

　　参考文献
　　[1]陈庆建。废纸造纸废水处理技术分析[J].科技风，2019（25）：136.
　　[2]王静。我国农村环境污染现状原因及对策的研究[J].环境与发展，2018,30（10）：76+78.
　　[3]王双飞。造纸废水资源化和超低排放[J].中华纸业，2017,38（13）：40-44.
　　[4]张慧，贾宝良，罗熠。基于 STM32 的水质数据采集系统[J].电子世界，2018（07）：156-157.
　　[5]造纸业格局或将迎来变革[J].中国包装，2019,39（02）：57.
　　[6]于鲁冀，吕晓燕，宋思远，梁静，王小青。河流水生态修复阈值界定指标体系初步构建[J].生态环境学报，2013,22（01）：170-175.
　　[7]金菊良，陈梦璐，郦建强，张礼兵，吴成国。水资源承载力预警研究进展[J].水科学进展，2018,29（04）：583-596.
　　[8]Xin shuai Che, Dong Nie, Ping Tian, et al.Alarmsystem for Greenhouse temperaturemanagement.2010 2nd International Conference on Signal Processing Systms （ICSPS）[9]张权。英国纸业联合会表示：低质量废纸正在伤害英国造纸厂[J].造纸信息，2017（02）：76.
　　[10] 刘天龙 , 沈 文 浩 . 污 水 处 理 过 程 中 故 障 诊 断 专 家 系 统 的 应 用 [J]. 造 纸 科 学 与 技术，2011,30（02）：75-81.
　　[11]刘耀东。造纸厂水气污染现状分析[J].南方农机，2015,46（11）：79-80.
　　[12]杨美荣，李树慧，肖振华。河道整治中的水污染治理方法分析[J].城市建设理论研究（电子版），2018（36）：167.
　　[13]王宝义。 中国农业生态化发展的评价分析与对策选择[D].山东农业大学，2018.
　　[14]王军霞，张守斌，刘通浩，杨勇，吕卓，董文福，谷萍。不同规模造纸企业主要水污染物排放特征对比研究[J].中国环境监测，2016,32（06）：135-140.
　　[15]徐夷，邓进，蔡建辉。城镇生活污水集中处理厂环境污染分析与治理思考[J].资源节约与环保，2016（05）：167.
　　[16]Bakr, E. M. A new software for measuring leaf area, and area damaged by Tetranychus urticaeKoch[J]. Journal of applied Entomology, 2005:173-175.
　　[17]杨先伟。造纸废水低排放处理工艺及综合利用方法研究[J].化工设计通讯，2017,43（10）：201.
　　[18] 王海刚 , 曹 丹 . 低 碳 视 角 下 我 国 造 纸 产 业 国 际 竞 争 力 实 例 分 析 [J]. 中 国 造 纸 ,2017,36（10）：74-78.
　　[19] Teixido M, Font D, Palleja T, et al. An Embedded Real-Time Red Peach Detection SystemBased on an OV7670 Camera, ARM Cortex-M4 Processor and 3D Look-Up Tables[J].Sensors, 2012,12（10）： 14129-14143.
　　[20]梁建祺。废纸造纸建设项目的环境影响评价研究[J].广东化工，2019,46（11）：160-161.
　　[21]邓梓枫。环境检测技术存在的问题及对策研究[J].广东化工，2016,43（13）：204-205.
　　[22]马煜超。环境检测技术的研究和生态可持续发展的分析[J].科技风，2018（29）：130-131.
　　[23]沈剑峰，丁金华，董宇。基于 STM32 的互联网数据中心环境检测系统[J].电子技术应用，2012,38（06）：76-78+81.
　　[24]郝小罗。 城市规划区污水处理厂设计及工艺优化[D].西安建筑科技大学，2015.
　　[25] Ai Wei,Chen Cifa. Green house environment monitor technology implementation base onandroid mobile platform [C]// Proceedings of the 2nd International Conference on ArtificialIntelligence, Management Science and Electronic Commerce. Piscataway IEEE, 2011:5584-5587.
　　[26]顾霖， 吴德礼， 樊金红 .农村生活 污染综合治理 模式与技术路 线 探讨 [J].环境 工程，2016,34（10）：113-117.
　　[27]邵巧霞。合流制下的北方中小型污水厂的运行管理[J].山西建筑，2018,44（02）：122-123.
　　[28]马威，陈海清。小城镇污水处理设施建设与运行问题分析[J].智能城市，2019,5（08）：123-124.
　　[29] 范 思 思 . 全 天 候 企 业 污 水 产 生 与 处 理 的 自 动 监 测 系 统 研 究 [J]. 资 源 节 约 与 环保，2016（11）：105+107.
　　[30]黄书恒。自动控制系统在污水处理中的应用探讨[J].企业科技与发展，2019（04）：135-136

致谢

　　光阴荏苒，日月如梭，转眼间三年的研究生学习生涯即将进入尾声，回头看这三年的研究生学习生活，有困难、也有喜悦；有坎坷、也有收获，这些都是我人生宝贵的经验收获。在论文写作过程中，全部都是琐细而耐心的工作，体现在每一处细节，每一处寻行数墨，原本以为写作过程会顺利简单的我，却没想到在完成论文的过程中如此的艰苦。在此，我对三年以来给我帮助的老师同学表示深深的感谢。

　　首先，要特别感谢我的导师李密生教授，从我硕士论文的开题到定稿都伴随着李教授的悉心指导。每一次按照李老师提出的修改建议进行的修改都能使我的论文更加完善，导师的多次指导修改使我的论文通过了毕业答辩。李密生教授有非常渊博的专业知识，这使我在向其请教问题时获益匪浅，他的严谨的治学态度与精益求精的工作作风都是我所需要学习的，在此向我的导师李密生教授表示诚挚的感谢。

　　我还要感谢河北科技师范学院数学与信息科技学院对我的培养，数学与信息科技学院严谨的治学态度，优良的学习风气深深的感染了我，在此即将毕业之际感谢学院各位老师对我的教育和培养。

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