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水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)與在線自動監(jiān)測儀器的發(fā)展現(xiàn)狀
閱讀：2585 發(fā)布時間：2018-6-5
1前言
水質(zhì)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)是一套以在線自動分析儀器為核心,，運(yùn)用現(xiàn)代傳感器技術(shù),、自動測量技術(shù),，自動控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)以及相關(guān)的分析軟件和通訊網(wǎng)絡(luò)所組成的一個綜合性的在線自動監(jiān)測數(shù)據(jù),，統(tǒng)計(jì),、處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，可打印輸出日,、周,、月、季,、年平勻數(shù)據(jù)以及日,、周,、月、季,、年zui大值,、zui小值等各種監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)報(bào)告及圖表（棒狀圖,、曲線圖多軌跡圖,、對比圖等），并可輸入中心數(shù)據(jù)庫或上網(wǎng),。收集并可長期存儲的監(jiān)測數(shù)據(jù)及各種運(yùn)行資料,、環(huán)境資料備檢索。系統(tǒng)具有監(jiān)測項(xiàng)目超標(biāo)及子站狀態(tài)信號顯示,、報(bào)警功能,；自動運(yùn)行、停電保護(hù),、來電自動恢復(fù)功能,；維護(hù)檢柞狀態(tài)測試，便于例行維修和應(yīng)急故障處理等功能,。
實(shí)施水質(zhì)自動監(jiān)測,，可以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的實(shí)時連續(xù)監(jiān)測和遠(yuǎn)程監(jiān)控，達(dá)到及掌握主要流域重點(diǎn)斷面水體的水質(zhì)狀況,、預(yù)警預(yù)報(bào)重大或流域性水質(zhì)污染事故,、解決跨行政區(qū)域的水污染事故糾紛,、監(jiān)督總量控制制度落實(shí)情況,、排放達(dá)標(biāo)情況等目的。
2水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)
2.1水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成
在水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中,，中心站通過衛(wèi)星和撥叼兩種通訊方式實(shí)現(xiàn)對各子站的實(shí)時監(jiān)視,、遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)傳輸功能， 托管站也可以通過撥號方式實(shí)現(xiàn)對所托管子站的實(shí)時監(jiān)視,、遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)傳輸功能,，其他經(jīng)*的相關(guān)部門可通過撥號方式產(chǎn)現(xiàn)對相關(guān)子站的實(shí)時監(jiān)視和數(shù)據(jù)傳輸或能。?
每個子站是一個獨(dú)立完整的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng),，一般由6個主要子系統(tǒng)構(gòu)成,，包括：采樣系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng),、監(jiān)測儀器系統(tǒng),、PLC控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集,、處理與傳輸子系統(tǒng)及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理中心,、監(jiān)測站房或監(jiān)測小屋,。目前，水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)中的子系統(tǒng)及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理中心,、監(jiān)測站房或監(jiān)測小屋,。目前，水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)中的子站的構(gòu)成方式大致有三種：?
?。?）由一臺或多臺小型的多參數(shù)水質(zhì)自動分析儀（如：YS1公司和HYDROLAB公司的常規(guī)五參數(shù)分析儀）組成的子站（多臺組合可用于測量不同水深的水質(zhì)）,。其特點(diǎn)是儀器可直接放于水中測量，系統(tǒng)構(gòu)成靈活方便,。
?。?）固定式子站：為較傳統(tǒng)的系統(tǒng)組成方式。其特點(diǎn)是監(jiān)測項(xiàng)目的選擇范圍寬,。
?。?）流動式子站：一種為固定式子站儀器設(shè)備全部裝于一輛拖車（監(jiān)測小屋）上，可根據(jù)需要遷移場所,，也可認(rèn)為是半固定式子站,。其特點(diǎn)是組成成本較高。?
各單元通過水樣輸送管路系統(tǒng),、信號傳輸系統(tǒng),、壓縮空氣輸送管路系統(tǒng)、純水輸送管路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相互,。
一個可靠性很高的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng),，必須同時具備4個要素，即（1）高質(zhì)量的系統(tǒng)設(shè)備,；（2）完備的系統(tǒng)設(shè)計(jì),；（3）嚴(yán)格的施工管理；（4）負(fù)責(zé)的運(yùn)行管理,。
2.2水質(zhì)自動監(jiān)測的技術(shù)關(guān)鍵?
2.2.1采水單元
包括水泵,、管路、供電及安裝結(jié)構(gòu)部分,。在設(shè)計(jì)上必須對各種氣候,、地形、水位變化及水中泥沙等提出相應(yīng)解決措施,，能夠自動連續(xù)地與整個系統(tǒng)同步工作,，向系統(tǒng)提供可靠、有效水樣,。
2.2.2配水單元
包括水樣預(yù)處理裝置,、自動清洗裝置及輔助部分。配水單元直接向自動監(jiān)測儀器供水,，具有在線除泥沙和在線過濾,，手動和自動管道反沖洗和除藻裝置,；其水質(zhì)、水壓和水量應(yīng)滿足自動監(jiān)測儀器的需要,。
2.2.3分析單元
由一系列水質(zhì)自動分析和測量儀器組成,，包括：水溫、PH,、溶解氧（DO）,、電導(dǎo)率、濁度,、氨氮,、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù),、總有機(jī)碳（TOC）,、總氮、總磷,、硝酸鹽,、磷酸鹽、氰化物,、氟化物,、氯化物、酚類,、油類,、金屬離子、水位計(jì),、流量/流量/流向計(jì)及自動采樣器等組成,。各主要在線自動分析儀器的發(fā)展現(xiàn)狀將第3節(jié)詳述。
2.2.4控制單元
包括：（1）系統(tǒng)控制柜和系統(tǒng)控制軟件,；（2）數(shù)據(jù)采集,、處理與存儲及其應(yīng)用軟件；（3）有線通訊和衛(wèi)星通訊設(shè)備,。
2.2.5子站站房及配套設(shè)施
包括：（1）站房主體；（2）配套設(shè)施
3在線自動分析儀器的發(fā)展?
3.1概述
水質(zhì)自動監(jiān)測儀器仍在發(fā)展之中,，歐,、美、日本,、澳大利亞等國均有一些專業(yè)廠商生產(chǎn),。目前，經(jīng)較成熟的常規(guī)項(xiàng)目有：水溫,、PH,、溶解氧（DO）,、電導(dǎo)率、濁度,、氧化還原電位（ORP）,、流速和水位等。常用的監(jiān)測項(xiàng)目有：COD,、高錳酸鹽指數(shù),、TOC、氨氮,、總氮,、總磷。其他還有：氟化物,、氯化物,、硝酸鹽、亞硝酸鹽,、氰化物,、硫酸鹽、磷酸鹽,、活性氯,、TOD、BOD,、UV,、油類、酚,、葉綠素,、金屬離子（如六價鉻）等。
目前的自動分析儀一般具有如下功能：自動量程轉(zhuǎn)換,，遙控,、標(biāo)準(zhǔn)輸出接口和數(shù)字顯示，自動清洗（在清洗時具有數(shù)據(jù)鎖定功能）,、狀態(tài)自檢和報(bào)警功能（如：液體泄漏,、管路堵塞、超出量程,、儀器內(nèi)部溫度過高,、試劑用尺、高/低濃度,、斷電等）,，干運(yùn)轉(zhuǎn)和斷電保護(hù)，來電自動恢復(fù)，COD,、氨氮,、TOC、總磷,、總氮等儀器具有自動標(biāo)定校正功能,。?
3.2常規(guī)五參數(shù)分析儀
常規(guī)五參數(shù)分析儀經(jīng)常采用流通式多傳感器測量池結(jié)構(gòu)，無零點(diǎn)漂移,，無需基線校正,，具有一體化生物清洗及壓縮空氣清洗裝置。如：英國ABB公司生產(chǎn)的EIL7976型多參數(shù)分析儀,、法國Polymetron公司生產(chǎn)的常規(guī)五參數(shù)分析儀,、澳大利亞GREENSPAN公司生產(chǎn)的Aqualab型多參數(shù)分析儀（包括常規(guī)五參數(shù)、氨氮,、磷酸鹽
）,。另一種類型（“4+1”型）常規(guī)五參數(shù)自動分析儀的代表是法國SERES公司生產(chǎn)的MP2000型多參數(shù)在線不質(zhì)分析儀，其特點(diǎn)是儀器結(jié)構(gòu)緊湊,。
常規(guī)五參數(shù)的測量原理分別為：水溫為溫度傳感器法（Platinum?RTD）,、PH為玻璃或銻電極法、DO為金-銀膜電極法（Galvanic）,、電導(dǎo)率為電極法（交流阻抗法）,、濁度為光學(xué)法（透射原理或紅外散射原理）。
3.3化學(xué)需氧量（COD）分析儀
COD在線自動分析儀的主要技術(shù)原理有六種：（1）重鉻酸鉀消解-光度測量法,；（2）重鉻酸鉀消解-庫侖滴定法,；（3）重鉻酸鉀消解-氧化還原滴定法；（4）UV計(jì)（254nm）,；（5）氫氧基及臭氧（混和氧化劑）氧化-電化學(xué)測量法,；（6）臭氧氧化-電化學(xué)測量法。
從原理上講,，方法（3）更接近國標(biāo)方法,，方法（2）也是推薦的統(tǒng)一方法。方法（1）在快速COD測定儀器上已經(jīng)采用,。方法（5）和方法（6）雖然不屬于國標(biāo)或推薦方法,，但鑒于其所具有的運(yùn)行可靠等特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中,，只需將其分析結(jié)果與國標(biāo)方法進(jìn)行比對試驗(yàn)并進(jìn)行適當(dāng)?shù)男Ｕ?，即可予以認(rèn)可。但方法（4）用于表片水質(zhì)COD,，雖然在日本已得到較廣泛的應(yīng)用，但歐美各國尚未應(yīng)用（未得到行政主客部門的認(rèn)可）,，在我國尚需開展相關(guān)的研究,。
從分析性能上講,，在線COD儀的測量范圍一般在10（或30）~2000mg/l,因此，目前的在線COD儀僅能滿足污染源在線自動監(jiān)測的需要,，難以應(yīng)用于地表水的自動監(jiān)測,。另外，與采用電化學(xué)原理的儀器相比,，采用消解-氧化還原滴定法,、消解-光度法的儀器的分周期一般更長一些（10min~2h），前者一般為2~8min,。
從儀器結(jié)構(gòu)上講,， 采用電化學(xué)原理或UV計(jì)的在線COD儀的一般比采用消解-氧化還原滴定法、消解-光度法的儀器結(jié)構(gòu)簡單,，并且由于前者的進(jìn)樣及試劑加入系統(tǒng)簡便（泵,、管更少），所以不僅在操作上更方便,，而且其運(yùn)行可靠性也更好,。
從維護(hù)的難易程度上講，由于消解-氧化還原滴定法,、消解-光度法所采用的試劑種類較多,，泵管系統(tǒng)較復(fù)雜，因此在試劑的更換以及泵管的更換維護(hù)方面較煩瑣,，維護(hù)周期比采用電化學(xué)原理的儀器要短,，維護(hù)工作量大。
從對環(huán)境的影響方面講,，重鉻酸鉀消解-氧化還原滴定法（或光度法,、或庫侖滴定法）均有鉻、汞的二次污染問題,，廢液需要特別的處理,。而UV計(jì)法和電化學(xué)法（不包括庫侖滴定法）則不存在此類問題。?
3.4高錳酸鹽指數(shù)分析儀
高錳酸鹽指數(shù)在線自動分析儀的主要技術(shù)原理有三種：（1）高錳酸鹽氧化-化學(xué)測量法,；（2）高錳酸鹽氧化-電流/電位滴定法,；（3）UV計(jì)法（與在線COD儀類似）。
從原理上講,，方法（1）和方法（2）并無本質(zhì)的區(qū)別（只是終點(diǎn)指示方式的差異而已）,，在歐美和日本等國是法定方法，與我國的標(biāo)準(zhǔn)方法也是一致的,。將方法（3）用于表征水質(zhì)高錳酸鹽指數(shù)的方法,，在日本已得到較廣泛的應(yīng)用，但在我國尚未推廣應(yīng)用，也未得到行政主客部門的認(rèn)可,。?
從分析性能上講,，目前的高錳酸鹽指數(shù)在線自動分析儀已能夠滿足地表水在線自動監(jiān)測的需要。另外,，與彩和化學(xué)方法的儀器相比,，采用氧化還原滴定法的儀器的分析周期一般更長一些（2h）,前者一般為15~60min。
從儀器結(jié)構(gòu)上講,，兩種儀器的結(jié)構(gòu)均比較復(fù)雜,。
3.5總有機(jī)碳（TOC）分析儀
TOC自動分析儀在歐美、日本和澳大利亞等國的應(yīng)用較廣泛,，其主要技術(shù)原理有四種：（1）（催化）燃燒氧化-非分散紅外光度法（NDIR法）,；（2）UV催化-過硫酸鹽氧化-NDIR法；（3）UV-過硫酸鹽氧化-離子選擇電極法（ISE）法,；（4）加熱-過硫酸鹽氧化-NDIR法,；（5）UV-TOC分析計(jì)法。
從原理上講,，方示（1）更接近國標(biāo)方法,，但方法（2）~方法（4）在歐美等國也是法定方法。將方法（5）用于表征水質(zhì)TOC,，雖然在日本已得到較廣泛的應(yīng)用,，但在歐美各國尚未得到行政主管部門的認(rèn)可。
從分析性能上講,，目前的在線TOC儀完夠滿足污染源在線自動監(jiān)測的需要,，并且由于其檢測限較低，應(yīng)用于地表水?
的自動監(jiān)測也是可行的,。另外,，在線TOC儀的分析周期一般較短（3~10min）。
從儀器結(jié)構(gòu)上講,，除了增加無機(jī)碳去除單元外,，各類在線TOC儀的結(jié)構(gòu)一般比在線COD儀簡單一些。
3.6氨氮和總氮分析儀
氨氮在線自動分析儀的技術(shù)原理主要有三種：（1）氨氣敏電極電位法（PH電極法）,；（2）分光光度法,；（3）傅立葉變換光譜法。在線氨氮儀等需要連續(xù)和間斷測量方式,，在經(jīng)過在線過濾裝置后,，水樣測定值相對偏差較大。
總氮在線自動分儀的主要技術(shù)原理有兩種：（1）過硫酸鹽消解-光度法,；（2）密閉燃燒氧化-化學(xué)發(fā)光分析法,。
3.7磷酸鹽和總磷分析儀
?。ǚ磻?yīng)性）磷酸鹽自動分析儀主要的技術(shù)原理為光度法?？偭自诰€自動分析儀的主要技術(shù)原理有：（1）過硫酸鹽消解-光度法,；（2）紫外線照射-鉬催化加熱消解,，F(xiàn)LA-光度法,。
從原理上講，過硫酸鹽消解-光度法是在線總氮和總磷儀的主選方法,，也是各國的法定方法,。基于密閉燃燒氧化-化學(xué)發(fā)光分析法的在線總氮儀以及基于紫外線照射-鉬催化加熱消解,，F(xiàn)IA-光度法的在線總磷儀主要局限于日本,。前者是日本工業(yè)規(guī)格協(xié)會（JIS）認(rèn)可的方法之一。
從分析性能上講,，目前的在線總氮,、總磷儀已能滿足污染源和地表水自動監(jiān)測的需要，但靈敏度尚難以滿足評價一類,、二類地表水（標(biāo)準(zhǔn)值分別為0.04mg/l和0.02mg/l）水質(zhì)的需要,。另外，采用化學(xué)發(fā)光法,、FIA-光度法的儀器的分析周期一般更短一些（10~30min）,，前者一般為30~60min。
從儀器結(jié)構(gòu)上講,，采用化不發(fā)光法或FIA-光度法的在線總氮,、總磷儀的結(jié)構(gòu)更簡單一些。
3.8其他在線分析儀器
TOD自動分析儀：技術(shù)原理一般為燃燒氧化-電極法,。
油類自動分析儀：技術(shù)原理一般為熒光光度法,。
酚類自動分析儀：技術(shù)原理一般為比色法。
UV自動分析儀：技術(shù)原理為比色法（254nm）,。具有簡單,、快捷、價格低的特點(diǎn),。不適于地表水的自動在線監(jiān)測,，國外一般是用于污染源的自動監(jiān)測，并經(jīng)常經(jīng)換算表示成COD,、TOC值,。應(yīng)用的前提條件是水質(zhì)較穩(wěn)定，在UV吸收信號與COD或TOC值之間有較確定的線性相關(guān)關(guān)系,。
硝酸鹽和氰化物自動分析儀：技術(shù)原理主要有：（1）離子選擇電極法,；（2）光度法,。
氟化物和氯化物自動分析儀：技術(shù)原理一般為離子選擇電極法。