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水質(zhì)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)
2011-03-27
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)、計算機應(yīng)用技術(shù)以及相關(guān)的專用分析軟件和通訊網(wǎng)絡(luò)所組成的一個綜合性的在線自動監(jiān)測體系。 一套完整的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)能連續(xù)、及時、準(zhǔn)確地監(jiān)測目標(biāo)水域的水質(zhì)及其變化狀況;中心控制室可隨時取得各子站的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計、處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，可打印輸出日、周、月、季、年平均數(shù)據(jù)以及日、周、月、季、年最大值、最小值等各種監(jiān)測、統(tǒng)計報告及圖表(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)。收集并可長期存儲指定的監(jiān)測數(shù)據(jù)及各種運行資料、環(huán)境資料備檢索。系統(tǒng)具有監(jiān)測項目超標(biāo)及子站狀態(tài)信號顯示、報警功能;自動運行，停電保護、來電自動恢復(fù)功能;維護檢修狀態(tài)測試，便于例行維修和應(yīng)急故障處理等功能。 實施水質(zhì)自動監(jiān)測，可以實現(xiàn)水質(zhì)的實時連續(xù)監(jiān)測和遠程監(jiān)控，達到及時掌握主要流域重點斷面水體的水質(zhì)狀況、預(yù)警預(yù)報重大或流域性水質(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情況、排放達標(biāo)情況等目的。
1 水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)
1.1 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)星和電話撥號兩種通訊方式實現(xiàn)對各子站的實時監(jiān)視、遠程控制及數(shù)據(jù)傳輸功能，托管站也可以通過電話撥號方式實現(xiàn)對所托管子站的實時監(jiān)視、遠程控制及數(shù)據(jù)傳輸功能，其他經(jīng)授權(quán)的相關(guān)部門可通過電話撥號方式實現(xiàn)對相關(guān)子站的實時監(jiān)視和數(shù)據(jù)傳輸功能。 每個子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：
(1)由一臺或多臺小型的多參數(shù)水質(zhì)自動分析儀(如： 德國WTWI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))。其特點是儀器可直接放于水中測量，系統(tǒng)構(gòu)成靈活方便。
(2)固定式子站：為較傳統(tǒng)的系統(tǒng)組成方式。其特點是監(jiān)測項目的選擇范圍寬。
(3)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)實現(xiàn)相互聯(lián)系。
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;
(3)嚴(yán)格的施工管理;
(4)負(fù)責(zé)的運行管理。
1.2 水質(zhì)自動監(jiān)測的技術(shù)關(guān)鍵
(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)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。
(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、流量/流速/流向計及自動采樣器等組成。
(4)控制單元：包括系統(tǒng)控制柜和系統(tǒng)控制軟件;數(shù)據(jù)采集、處理與存儲及其應(yīng)用軟件;有線通訊和衛(wèi)星通訊設(shè)備。
(5)子站站房及配套設(shè)施：包括站房主體和配套設(shè)施。
2 水質(zhì)在線自動分析儀器的發(fā)展
2.1 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，比較成熟的常規(guī)監(jiān)測項目有：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、試劑用盡、高/低濃度、斷電等)，干運轉(zhuǎn)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標(biāo)定校正功能。
2.2 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。 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)。
2.3 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(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行可靠等特點，在實際應(yīng)用中，只需將其分析結(jié)果與國標(biāo)方法進行比對試驗并進行適當(dāng)?shù)男Ｕ?，即可予以認(rèn)可。但方法(4)用于表征水質(zhì)COD，雖然在日本已得到較廣泛的應(yīng)用，但歐美各國尚未推廣應(yīng)用(未得到行政主管部門的認(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)～2,000 mg/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-光度法的儀器的分析周期一般更長一些(10 min～2 h)，前者一般為2～8 min。
從儀器結(jié)構(gòu)上講，采用電化學(xué)原理或UV計的在線COD儀的結(jié)構(gòu)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，而且其運行可靠性也更好。
從維護的難易程度上講，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方面較煩瑣，維護周期比采用電化學(xué)原理的儀器要短，維護工作量大。
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計法和電化學(xué)法(不包括庫侖滴定法)則不存在此類問題。
2.4 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，也未得到行政主管部門的認(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滿足地表水在線自動監(jiān)測的需要。另外，與采用化學(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(2 h)，前者一般為15～60 min。 從儀器結(jié)構(gòu)上講，兩種儀器的結(jié)構(gòu)均比較復(fù)雜。
2.5 總有機碳(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分析計法。
從原理上講，方法(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儀完全能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(3～10 min)。
從儀器結(jié)構(gòu)上講，除了增加無機碳去除單元外，各類在線TOC儀的結(jié)構(gòu)一般比在線COD儀簡單一些。
2.6 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。
總氮在線自動分析儀的主要技術(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。
2.7 磷酸鹽和總磷分析儀
(反應(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)IA-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，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儀和基于紫外線照射-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0.04 mg/L和0.002 mg/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(10～30 min)，前者一般為30～60 min。
從儀器結(jié)構(gòu)上講，采用化學(xué)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。
2.8 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(254 nm)。具有簡單、快捷、價格低的特點。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。
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