水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)和在線自動(dòng)監(jiān)測儀

1前言

水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)是以一套在線自動(dòng)分析儀器為核心，利用現(xiàn)代傳感器技術(shù)，自動(dòng)測量技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)以及相關(guān)的專用分析軟件和通訊網(wǎng)絡(luò)組成的，全面在線自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和處理監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，可以打印出每日，每周，每月，每季度，每年的平均數(shù)據(jù)以及各種監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)報(bào)告，如每日，每周，每月，每季度，每年的最大值和最小值。圖表（條形圖，曲線圖，多軌圖，比較圖等），可以輸入中央數(shù)據(jù)庫或在線。收集和長期存儲(chǔ)指定的監(jiān)視數(shù)據(jù)以及各種操作數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)以進(jìn)行檢索。該系統(tǒng)具有對超出標(biāo)準(zhǔn)的工程監(jiān)控和變電站狀態(tài)信號的顯示和報(bào)警功能；自動(dòng)操作，斷電保護(hù)，來電自動(dòng)恢復(fù)；維護(hù)檢查狀態(tài)測試，方便日常維護(hù)和緊急故障排除。

實(shí)施水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測，可以實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測和遠(yuǎn)程監(jiān)測，達(dá)到并掌握主流域重點(diǎn)段水質(zhì)狀況，對重大或流域水污染事故進(jìn)行預(yù)警和預(yù)報(bào)，解決行政區(qū)域內(nèi)水污染事故糾紛，旨在監(jiān)督總量控制制度的實(shí)施和排放達(dá)標(biāo)情況。

2水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)

2.1自動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的組成

在水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，中心站通過衛(wèi)星和電話撥號兩種通信方式實(shí)現(xiàn)每個(gè)子站的實(shí)時(shí)監(jiān)測，遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸功能。管理子站的實(shí)時(shí)監(jiān)控，遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸功能，其他授權(quán)相關(guān)部門可以通過電話撥號對相關(guān)子站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸。

每個(gè)變電站是一個(gè)獨(dú)立且完整的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，通常由6個(gè)主要子系統(tǒng)組成，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，處理和傳輸子系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理中心，監(jiān)控站室或監(jiān)控室。目前，自動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中的子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理中心，監(jiān)測站或監(jiān)測房屋。目前，在水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)中，形成變電站的方式大致有三種：

（1）變電站，由一個(gè)或多個(gè)小型多參數(shù)自動(dòng)水質(zhì)分析儀（例如，YS1和HYDROLAB的常規(guī)五參數(shù)分析儀）組成（可以使用多種組合來測量不同的水深質(zhì)量），其特點(diǎn)是可以將儀器直接放在水中進(jìn)行測量，系統(tǒng)靈活方便。

（[2）固定變電站：這是一種較為傳統(tǒng)的系統(tǒng)組成方法。其特點(diǎn)是監(jiān)視項(xiàng)目的選擇范圍廣泛。

（3）移動(dòng)子站：固定子站的設(shè)備和設(shè)備都安裝在拖車（監(jiān)控室）上，可以根據(jù)需要移動(dòng)該站點(diǎn)，也可以將其視為半固定子站站，其特點(diǎn)是作曲成本較高。

每個(gè)單元通過水樣傳輸管道系統(tǒng)，信號傳輸系統(tǒng)，壓縮空氣傳輸管道系統(tǒng)和純水傳輸管道系統(tǒng)相互連接。

一個(gè)高度可靠的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)必須同時(shí)具有四個(gè)要素，即（1）高質(zhì)量的系統(tǒng)設(shè)備；（2）完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)；（3）嚴(yán)格的施工管理；（4） ]負(fù)責(zé)任的運(yùn)營管理。

2.2水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1個(gè)集水單元

包括水泵，管道，電源和安裝結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)中，有必要針對各種氣候，地形，水位變化和水中的沉積物等提出相應(yīng)的解決方案，這些解決方案可以與整個(gè)系統(tǒng)同步地自動(dòng)連續(xù)地工作，以向水庫提供可靠有效的水樣。系統(tǒng)。

2.2.2水分配單元

包括水樣預(yù)處理設(shè)備，自動(dòng)清潔設(shè)備和輔助部件。配水單元直接向自動(dòng)監(jiān)測儀供水，具有在線除泥和在線過濾，手動(dòng)和自動(dòng)管道反沖洗以及除藻裝置；其水質(zhì)，水壓和水量應(yīng)滿足自動(dòng)監(jiān)測儀的需求。

2.2.3個(gè)分析單元

由一系列自動(dòng)水質(zhì)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，苯酚，油，金屬離子，水位計(jì)，流量/流量/流向計(jì)和自動(dòng)采樣器。主要在線自動(dòng)分析工具的發(fā)展?fàn)顩r將在第3節(jié)中詳細(xì)介紹。

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，處理和存儲(chǔ)及其應(yīng)用軟件；（3）有線通信和衛(wèi)星通信設(shè)備。

2.2.5個(gè)變電站站的建筑物和輔助設(shè)施

包括：（1）車站大樓主體；（2）輔助設(shè)施

3在線自動(dòng)分析儀器的開發(fā)

3.1概述

自動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測儀仍在開發(fā)中，歐洲，美國，日本，澳大利亞和其他國家的一些專業(yè)制造商已經(jīng)生產(chǎn)了它們。目前，比較成熟的常規(guī)項(xiàng)目包括：水溫，pH，溶解氧（DO），電導(dǎo)率，濁度，氧化還原電位（ORP），流量和水位等。常用的監(jiān)測項(xiàng)目有：COD，高錳酸鹽指數(shù)，TOC自動(dòng)測量設(shè)備，氨氮，總氮，總磷。其他包括：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，酚，葉綠素，金屬離子（例如六價(jià)鉻）等等。

當(dāng)前的自動(dòng)分析儀通常具有以下功能：自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換，遠(yuǎn)程控制，標(biāo)準(zhǔn)輸出接口和數(shù)字顯示，自動(dòng)清潔（清潔期間具有數(shù)據(jù)鎖定功能），狀態(tài)自檢和警報(bào)功能（例如：漏液） ，管道堵塞，超量程，儀器內(nèi)部溫度高，試劑尺，高/低濃度，電源故障等），空運(yùn)行和電源故障保護(hù)，自動(dòng)恢復(fù)輸入電源，COD，氨氮，TOC，總量磷，總氮等。該儀器具有自動(dòng)校準(zhǔn)和校正功能。

3.2常規(guī)五參數(shù)分析儀

常規(guī)的五參數(shù)分析儀通常采用流通式多傳感器測量池結(jié)構(gòu)，無零漂移，無基線校正以及集成的生物清潔和壓縮空氣清潔設(shè)備。例如：英國ABB生產(chǎn)的EIL7976多參數(shù)分析儀，法國Polymetron生產(chǎn)的常規(guī)五參數(shù)分析儀和澳大利亞GREENSPAN生產(chǎn)的Aqualab多參數(shù)分析儀（包括常規(guī)五參數(shù)，氨氮和磷酸鹽） ）。另一類（“ 4 + 1”）常規(guī)五參數(shù)自動(dòng)分析儀的代表是法國SERES公司生產(chǎn)的MP2000多參數(shù)在線非質(zhì)量分析儀，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊。

常規(guī)的五個(gè)參數(shù)的測量原理是：水溫是溫度傳感器法（鉑RTD），PH是玻璃或銻電極法，DO是金銀膜電極法（伽伐尼），以及電導(dǎo)率是電極法（交流阻抗法），濁度是光學(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(dòng)分析儀有六項(xiàng)主要技術(shù)原理：（1）重鉻酸鉀消解-光度法； [2）重鉻酸鉀消解-庫侖滴定；（3）重鉻酸鉀消解-氧化還原滴定法； （4）紫外線儀（254nm）；（5）氫氧化物和臭氧（混合氧化劑）氧化電化學(xué)測量方法；（6）臭氧氧化電化學(xué)測量方法。

原則上，3）方法更接近于國家標(biāo)準(zhǔn)方法，2）方法也是推薦的統(tǒng)一方法。1）方法已在快速COD測量儀器上采用。方法（5）和方法）（6）雖然不屬于國家標(biāo)準(zhǔn)或推薦方法，但鑒于其操作可靠性等特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中自動(dòng)測量設(shè)備，只需將分析結(jié)果與國家標(biāo)準(zhǔn)方法并進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?，即可以批?zhǔn)。但是，該方法（4）用于地表水化學(xué)需氧量。盡管它已在日本廣泛使用，但尚未在歐美國家使用（未批準(zhǔn)）。 （由行政接待和來賓部門負(fù)責(zé)）。在中國，仍需要進(jìn)行相關(guān)研究。

從分析性能的角度來看，在線COD儀的測量范圍一般為10（或30）?2000mg / l），因此，當(dāng)前的在線COD儀只能滿足在線自動(dòng)監(jiān)測污染的需求來源，難以應(yīng)用于水面自動(dòng)監(jiān)測此外，與使用電化學(xué)原理的儀器相比，使用消解-氧化還原滴定法和消解-光度法的儀器的亞周期通常更長（10min?2h），前者一般為2?8分鐘。

就儀器結(jié)構(gòu)而言，采用電化學(xué)原理或紫外光度計(jì)的在線COD儀器通常比采用消解-氧化還原滴定法和消解光度法的儀器更簡單，并且由于前者的樣品注入和試劑添加系統(tǒng)簡單（泵和管道的數(shù)量減少了），因此不僅操作起來更加方便，而且運(yùn)行更加可靠。

就維護(hù)的簡便性而言，由于消解-氧化還原滴定法和消解-光度法使用多種試劑，因此泵管系統(tǒng)更加復(fù)雜，因此在試劑更換和泵管更換維護(hù)方面更多麻煩的是，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。

從環(huán)境影響的角度出發(fā)，重鉻酸鉀消化-氧化還原滴定法（或光度法或庫侖滴定法）存在鉻和汞的二次污染問題，廢液需要特殊處理。但是，紫外線計(jì)量和電化學(xué)方法（庫侖滴定法除外）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(dòng)分析儀的三個(gè)主要技術(shù)原理：（1）高錳酸鹽氧化-化學(xué)測量方法；（2）高錳酸鹽氧化-電流/電位滴定法；（3） UV計(jì)法（類似于在線COD計(jì)）。

原則上，方法（1）和方法（2）并沒有本質(zhì)上的區(qū)別（只是端點(diǎn)指示方式的不同）），在歐洲，美國和日本是合法的方法，這也是我國一致的標(biāo)準(zhǔn)方法。用來表征水質(zhì)高錳酸鹽指數(shù)的方法[3）在日本已被廣泛使用，但尚未在我國推廣和應(yīng)用，也未得到日本的認(rèn)可。行政接待和客人部門。

在分析性能方面，當(dāng)前的在線自動(dòng)高錳酸鹽分析儀可以滿足在線自動(dòng)監(jiān)測地表水的需求。另外，與采和化學(xué)法的儀器相比，采用氧化還原滴定法的儀器的分析周期通常更長（2h），前者通常為15?60min。

說到儀器的結(jié)構(gòu)，兩種儀器的結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜。

3.5總有機(jī)碳（TOC）分析儀

TOC自動(dòng)分析儀廣泛用于歐洲，美洲，日本，澳大利亞和其他國家。主要技術(shù)原理有四個(gè)：（1）（催化）燃燒氧化-非分散紅外光度法（NDIR方法）；（[2） UV催化-過硫酸鹽氧化-NDIR方法；（3） UV-過硫酸鹽氧化離子選擇性電極法（ISE）；（4）加熱-過硫酸鹽氧化-NDIR方法；（5） UV-TOC分析方法。

從原則上講，方石（1）接近國家標(biāo)準(zhǔn)方法，但是該方法（2）?方法（4）也是歐美等國家/地區(qū)的合法方法。 （5）用于表征水質(zhì)TOC）盡管在日本已廣泛使用，但尚未得到歐美國家行政當(dāng)局的認(rèn)可。

就分析性能而言，目前的在線TOC測量儀可以完全滿足在線自動(dòng)監(jiān)測污染源的需求，并且由于其檢測限低，因此應(yīng)用于地表水的自動(dòng)監(jiān)測也是可行的。此外，在線TOC儀器的分析周期通常很短（3?10分鐘）。

就儀器結(jié)構(gòu)而言，除了添加無機(jī)碳去除裝置外，各種在線TOC儀器的結(jié)構(gòu)通常比在線COD儀器更簡單。

3.6氨氮和總氮分析儀

氨氮在線自動(dòng)分析儀的三個(gè)主要技術(shù)原理：（1）氨氣敏感電極電勢法（PH電極法）;（2）分光光度法;（3）傅里葉變換光譜法。在線氨氮計(jì)需要連續(xù)和間歇的測量方法，通過在線過濾裝置后，水樣的測量值會(huì)有較大的偏差。

總氮在線自動(dòng)分析儀有兩個(gè)主要技術(shù)原理：（1）過硫酸鹽消解光度法；（2）密閉燃燒氧化-化學(xué)發(fā)光分析方法。

3.7磷酸鹽和總磷分析儀

（活性）磷酸鹽自動(dòng)分析儀的主要技術(shù)原理是光度法。全磷在線自動(dòng)分析儀的主要技術(shù)原理是：（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。

原則上，過硫酸鹽消解光度法是在線總氮，總磷分析儀的主要方法，也是各國的合法方法?；诿荛]燃燒氧化-化學(xué)發(fā)光分析方法的在線總氮分析儀和基于紫外線照射-鉬催化加熱消解的在線總磷分析儀，F(xiàn)IA-光度法主要限于日本。前者是日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（JIS）批準(zhǔn)的方法之一。

從分析性能的角度來看，當(dāng)前在線的總氮和總磷計(jì)可以滿足自動(dòng)監(jiān)測污染源和地表水的需求，但靈敏度仍然難以滿足對第一，第二類污染物的評價(jià)。地表水（標(biāo)準(zhǔn)值分別為0.04mg / l和0.02mg / l）水質(zhì)需求。另外，化學(xué)發(fā)光和FIA光度法分析儀器的周期通常較短（10?30min），前者通常為30?60min。

就儀器的結(jié)構(gòu)而言，使用發(fā)光法或FIA光度法的在線總氮和總磷分析儀的結(jié)構(gòu)更為簡單。

3.8其他在線分析工具

TOD自動(dòng)分析儀：技術(shù)原理通常是燃燒氧化電極法。

自動(dòng)油分析儀：技術(shù)原理通常是熒光光度法。

苯酚自動(dòng)分析儀：技術(shù)原理通常是比色法。

UV自動(dòng)分析儀：技術(shù)原理是比色法（254nm）。它簡單，快速且價(jià)格低廉。它不適用于自動(dòng)在線監(jiān)測地表水。它通常用于自動(dòng)監(jiān)測國外的污染源，并經(jīng)常轉(zhuǎn)換為COD和TOC值。應(yīng)用的先決條件是水質(zhì)相對穩(wěn)定，并且紫外線吸收信號與COD或TOC值之間具有相對明確的線性關(guān)系。

硝酸鹽和氰化物自動(dòng)分析儀：主要技術(shù)原理是：[1）離子選擇電極法； [2）光度法。

氟化物和氯化物自動(dòng)分析儀：技術(shù)原理通常是離子選擇電極法。