水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)及在線自動監(jiān)測儀

1 簡介

指定監(jiān)測數(shù)據(jù)和各種運行數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)的收集和長期存儲以供檢索。系統(tǒng)具有監(jiān)控工程超標和變電站狀態(tài)信號顯示和報警功能；自動運行，斷電保護，來電自動恢復(fù)；維護檢查狀態(tài)測試，方便日常維護和緊急故障排除。

實施水質(zhì)自動監(jiān)測，可實現(xiàn)水質(zhì)實時連續(xù)監(jiān)測和遠程監(jiān)測，達到和掌握主要流域重點斷面水質(zhì)狀況自動測量設(shè)備，預(yù)警預(yù)報重大或流域水污染事故，解決跨行政區(qū)域的水污染事故糾紛，監(jiān)督總量控制制度的實施情況和排放達標情況。

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)的組成

在水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，中心站通過衛(wèi)星和電話撥號兩種通信方式實現(xiàn)各分站的實時監(jiān)測、遠程控制和數(shù)據(jù)傳輸功能。托管站也可以通過電話撥號實現(xiàn)托管子站。其他授權(quán)部門的實時監(jiān)控、遠程控制和數(shù)據(jù)傳輸功能，可以通過電話撥號對相關(guān)子站進行實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸。

每個變電站是一個獨立完整的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)，一般由6個主要子系統(tǒng)組成，包括：采樣系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)、監(jiān)測儀表系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸子系統(tǒng)和遠程數(shù)據(jù)管理中心、監(jiān)測站房或監(jiān)控艙。目前，水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)中的子系統(tǒng)和遠程數(shù)據(jù)管理中心、監(jiān)測站或監(jiān)測房屋。目前，水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)中變電站的組建方式大致有以下三種：

（1）由一臺或多臺小型多參數(shù)自動水質(zhì)分析儀（如YS1和HYDROLAB常規(guī)五參數(shù)分析儀）組成的分站（可多臺測量不同深度的水質(zhì)) )。其特點是儀器可直接置于水中進行測量，系統(tǒng)靈活方便。

（2）固定子站：是一種比較傳統(tǒng)的系統(tǒng)組成方式，其特點是監(jiān)控項目選擇范圍廣。

（3）移動分站：固定式分站儀器設(shè)備全部安裝在拖車（監(jiān)控小屋）上，場地可根據(jù)需要移動，也可考慮為半固定式變電站 其特點 組成成本較高。

各單元通過水樣輸送管道系統(tǒng)、信號傳輸系統(tǒng)、壓縮空氣輸送管道系統(tǒng)、純水輸送管道系統(tǒng)相互連接。

一個高可靠性的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)必須同時具備4個要素，即（1）優(yōu)質(zhì)的系統(tǒng)設(shè)備；（2）完善的系統(tǒng)設(shè)計；（3）嚴格的施工管理； （4） 負責任的運營管理。

2.2水質(zhì)自動監(jiān)測的技術(shù)關(guān)鍵

2.2.1 集水裝置

包括水泵、管道、電源和安裝結(jié)構(gòu)。在設(shè)計中，需要針對各種氣候、地形、水位變化、水中沉積物等提出相應(yīng)的解決方案，能夠自動、連續(xù)地與整個系統(tǒng)同步工作，提供可靠有效的水樣。系統(tǒng)。

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件。配水單元直接向自動監(jiān)測儀供水，具有在線清淤在線過濾、手動和自動管道反沖洗和除藻裝置；其水質(zhì)、水壓、水量應(yīng)滿足自動監(jiān)測儀的需要。

2.2.3 分析單元

它由一系列全自動水質(zhì)分析測量儀器組成，包括：水溫、pH值、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)、總有機碳（TOC）、總它由氮、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、流量/流量/方向計和自動取樣器組成。主要在線自動分析儀器的發(fā)展現(xiàn)狀將在第 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、處理和存儲及其應(yīng)用軟件；（3）有線通信和衛(wèi)星通信設(shè)備。

2.2.5個變電站站房及配套設(shè)施

包括：（1）車站主體；（2）配套設(shè)施

3 在線自動分析儀器的開發(fā)

3.1概覽

水質(zhì)自動監(jiān)測設(shè)備還在研發(fā)中，歐洲、美國、日本、澳大利亞等國家的一些專業(yè)廠家已經(jīng)生產(chǎn)。目前比較成熟的常規(guī)項目有：水溫、pH值、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)測項目有：COD、高錳酸鹽指數(shù)、TOC、氨氮、總氮和總磷。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、苯酚、葉綠素、金屬離子（如六價鉻）等。

目前的自動分析儀一般具有以下功能：自動量程轉(zhuǎn)換、遠程控制、標準輸出接口和數(shù)字顯示、自動清洗（清洗時數(shù)據(jù)鎖定功能）、狀態(tài)自檢和報警功能（如：液體泄漏、管道堵塞） , 超量程，儀器內(nèi)部溫度高，試劑標尺，高/低濃度，斷電等），干運行和斷電保護，來電自動恢復(fù)，COD，氨氮，TOC，總磷，總氮等儀器具有自動校準校正功能。

3.2 常規(guī)五參數(shù)分析儀

常規(guī)的五參數(shù)分析儀往往采用流通式多傳感器測量池結(jié)構(gòu)，無零點漂移，無基線校正，集成生物凈化和壓縮空氣凈化裝置。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、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、磷酸鹽） ）。另一種（“4+1”）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多參數(shù)在線非質(zhì)量分析儀，其特點是結(jié)構(gòu)緊湊。

常規(guī)五個參數(shù)的測量原理是：水溫是溫度傳感器法（Platinum RTD），PH是玻璃或銻電極法，DO是金銀膜電極法（Galvanic），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在線自動分析儀主要技術(shù)原理有六大：（1）重鉻酸鉀消解-光度法；（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）方法；（4）UV計（254nm）；（5）氧氣和臭氧（混合氧化劑）氧化-電化學(xué)測量法；（6）臭氧氧化-電化學(xué)測量法。

原則上，方法（3）更接近國標方法，方法（2）也是推薦的統(tǒng)一方法。方法（1）已在快速COD上采用）測量儀器的方法（5）和方法（6）雖然不屬于國家標準或推薦方法，但鑒于其操作特點等，在實際應(yīng)用中，只需將其分析結(jié)果與國標方法進行比較，測試和適當?shù)男士梢员徽J可。但是，該方法（4）用于地表水COD。雖然在日本已廣泛使用，但尚未應(yīng)用于歐美國家（未經(jīng)行政主管部門批準），我國還需開展相關(guān)研究。

在分析性能上，在線COD儀的測量范圍一般為10（或30）~2000mg/l。因此，目前的在線COD儀只能滿足污染源在線自動監(jiān)測的需要，此外，與采用電化學(xué)原理的儀器相比，采用消解-氧化還原滴定和消解-光度法的儀器一般較長（10min~2h），前者一般為2~8min。

在儀器結(jié)構(gòu)方面，采用電化學(xué)原理的在線COD儀或UV計一般比采用消解-氧化還原滴定和消解-光度法的儀器簡單，而且由于前者進樣和試劑添加系統(tǒng)（泵、管），因此不僅操作更方便，而且操作更可靠。

在維護的方便性方面，消解-氧化還原滴定法和消解-光度法使用的試劑種類較多自動測量設(shè)備，泵管系統(tǒng)較為復(fù)雜。因此，試劑的更換和泵管的更換維護都比較繁瑣。維護周期比采用電化學(xué)原理的儀器短，維護工作量大。

在環(huán)境影響方面，重鉻酸鉀消解-氧化還原滴定法（或光度法，或庫侖滴定法）存在鉻汞二次污染問題，廢液需特殊處理。但是，UV 計量和電化學(xué)方法（庫侖滴定除外）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)在線自動分析儀主要技術(shù)原理有3個：（1）高錳酸鹽氧化-化學(xué)測定法；（2）高錳酸鹽氧化-電流/電位滴定法；（3）UV計量法） （類似于在線 COD 計）。

原則上，方法（1）和方法（2）沒有本質(zhì)區(qū)別（只是終點指示方式的不同））。在歐美、日本等國家是合法的方法國家，與我國的標準方法不同，也是一致的。用于表征水質(zhì)高錳酸鹽指數(shù)的方法（3）在日本已廣泛使用，但在我國尚未推廣應(yīng)用，也沒有得到行政主賓部門的認可。

在分析性能方面，目前的高錳酸鹽指數(shù)在線自動分析儀已經(jīng)能夠滿足地表水在線自動監(jiān)測的需要。另外，與采禾化學(xué)法儀器相比，氧化還原滴定法儀器的分析周期一般較長（2h），前者一般為15~60min。

在儀器結(jié)構(gòu)上，兩種儀器的結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜。

3.5 總有機碳 (TOC) 分析儀

TOC自動分析儀廣泛應(yīng)用于歐美、日本、澳大利亞等國家。主要有四個技術(shù)原理：（1）（催化）燃燒氧化-非色散紅外光度法（NDIR法））；（2）UV催化-過硫酸鹽氧化-NDIR法；（3）UV-過硫酸鹽氧化-離子選擇性電極法（ISE）法；（4）加熱-過硫酸鹽氧化-NDIR法）；（ 5）UV-TOC分析方法。

原則上，方施（1）更接近國標方法，但方法（2）~方法（4）在歐美等國家也是合法方法） . 該方法（5） 用于表征水質(zhì)TOC。雖然在日本已廣泛使用，但并未得到歐美行政當局的認可。

在分析性能方面，目前的在線TOC儀完全可以滿足污染源在線自動監(jiān)測的需要，而且由于其檢出限低，應(yīng)用于地表水自動監(jiān)測也是可行的。另外，在線TOC儀器的分析周期一般較短（3~10min）。

在儀器結(jié)構(gòu)方面，除了增加了無機碳去除單元外，各種在線TOC儀的結(jié)構(gòu)一般都比在線COD儀簡單。

3.6 氨氮和總氮分析儀

氨氮在線自動分析儀的主要技術(shù)原理有3個：（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）。在線氨氮分析儀需要連續(xù)和間歇的測量方式，通過在線過濾裝置后，水樣的測量值相對偏差較大。

全氮在線自動分析儀主要技術(shù)原理有兩個：（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

(反應(yīng)性) 全自動磷酸鹽分析儀的主要技術(shù)原理是光度法?？偭自诰€自動分析儀的主要技術(shù)原理是：（1）過硫酸鹽消解-光度法；（2）紫外輻射-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，也是各國的法定方法?；诿荛]燃燒氧化-化學(xué)發(fā)光分析法的在線總氮分析儀和基于紫外線照射-鉬催化加熱消解、FIA-光度法的在線總磷分析儀主要限于日本。前者是日本工業(yè)標準協(xié)會（JIS）認可的方法之一。

在分析性能上，目前的在線總氮、總磷儀已經(jīng)可以滿足污染源和地表水自動監(jiān)測的需要，但靈敏度仍難以滿足對第一類和第二類地表水的評價（標準值分別為0.04mg/l和0.02mg/l)水質(zhì)需要。另外，使用化學(xué)發(fā)光和FIA-光度法的儀器分析周期一般較短（10~30min），前者一般為30~60min。

在儀器結(jié)構(gòu)上，采用發(fā)光法或FIA-光度法的在線總氮、總磷分析儀結(jié)構(gòu)較為簡單。

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。

油自動分析儀：技術(shù)原理一般為熒光光度法。

苯酚自動分析儀：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）。它簡單、快速且價格低廉。不適用于地表水自動在線監(jiān)測。國外一般用于污染源的自動監(jiān)測，常換算成COD和TOC值。應(yīng)用的前提是水質(zhì)比較穩(wěn)定，紫外吸收信號與COD或TOC值之間存在比較明確的線性相關(guān)。

硝酸鹽氰化物全自動分析儀：主要技術(shù)原理為：（1）離子選擇電極法；（2）光度法。

氟氯自動分析儀：技術(shù)原理一般為離子選擇電極法。