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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

更新時間:2014-02-25 瀏覽次數(shù):2472

    1、前言

  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(yuǎn)程監(jiān)控,達(dá)到及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(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現(xiàn)對各子站的實時監(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現(xiàn)對所托管子站的實時監(jiān)視、遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)傳輸功能,其他經(jīng)授權(quán)的相關(guān)部門可通過撥號方式產(chǎn)現(xiàn)對相關(guān)子站的實時監(jiān)視和數(shù)據(jù)傳輸或能。

  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:

  (1)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。

  一個可性很高的水質(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。

  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*、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/流量/流向計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)狀將地第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、試劑用尺、高/低濃度、斷電等),干運轉(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(PlatinumRTD)、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(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(jìn)行比對試驗并進(jìn)行適當(dāng)?shù)男U螅纯捎枰哉J(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,而且其運行可*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

  (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)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?;诿荛]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。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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