地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展

李 璐

(重慶市南岸區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，重慶 400060)

1 引言

根據(jù)生態(tài)環(huán)境部日前公布的《2019年中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》公布的數(shù)據(jù)顯示，2019年全國(guó)1931個(gè)地表水監(jiān)測(cè)斷面(點(diǎn)位)中，劣Ⅴ類占3.4%，較2018年度下降了3.3%，主要污染物為總磷、高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量。根據(jù)《地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(試行)》，地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)是對(duì)地表水樣品進(jìn)行自動(dòng)采集、處理、分析及數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜^(guò)程[1]。通過(guò)地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)能夠及時(shí)掌握水質(zhì)狀況，為相關(guān)部門采取相應(yīng)的環(huán)境保護(hù)措施具有積極的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

2 地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)是利用實(shí)驗(yàn)室分析方法逐漸發(fā)展而來(lái)。20世紀(jì)80年代興起的流動(dòng)注射技術(shù)在地表水監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)紛繁的監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)步驟的自動(dòng)化，可以對(duì)地表水采樣進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)分析，極大地提升了地表水實(shí)驗(yàn)室分析的效率和精度[2]。地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了采樣步驟的自動(dòng)化，從而最終實(shí)現(xiàn)對(duì)地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化。

近年來(lái)，隨著地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的廣泛開(kāi)展，相關(guān)的儀器設(shè)備陸續(xù)研發(fā)并投入使用。地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目主要包括[3～6]：①五項(xiàng)參數(shù)：濁度、電導(dǎo)率、pH、溶解氧、水溫；②無(wú)機(jī)陰離子：主要為氯化物、氰化物、氟化物、硫化物、硫酸根；③營(yíng)養(yǎng)鹽及有機(jī)污染綜合指數(shù)：氨氮、總磷、硝酸鹽氮、化學(xué)需氧量、總氮、高錳酸鹽指數(shù)；④金屬及其化合物：主要有銅、鋅、鎳、鐵、錳、鈷、鉛、砷、汞；⑤細(xì)菌學(xué)指標(biāo)：主要為糞大腸菌群；⑥有機(jī)污染物：主要有芳香烴、苯、鹵代烴、陰離子表面活性劑等揮發(fā)性有機(jī)物。

3 地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備種類性能現(xiàn)狀

3.1 水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)鹽及有機(jī)污染綜合指數(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)

(1)高錳酸鹽指數(shù)。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器分析原理包括：高錳酸鉀氧化-光度檢測(cè)法、高錳酸鉀氧化-光度滴定法，以及高錳酸鉀氧化-電位滴定法。技術(shù)主要問(wèn)題：高錳酸鉀氧化-光度檢測(cè)法易受到原水中泥沙等導(dǎo)致的濁度干擾，監(jiān)測(cè)廢液中容易存在二次污染；高錳酸鉀氧化-光度滴定法則主要是測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，滴定速度較慢，易受濁度干擾監(jiān)測(cè)結(jié)果；高錳酸鉀氧化-電位滴定法，主要是滴定速度較慢，測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)。

(2)化學(xué)需氧量。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器分析原理包括：重鉻酸鉀氧化-電位滴定法、重鉻酸鉀氧化-光度檢測(cè)法、電化學(xué)氧化法[7]。技術(shù)主要問(wèn)題：重鉻酸鉀氧化-電位滴定法反應(yīng)器較大，廢液產(chǎn)生量及試劑消耗量均較大；重鉻酸鉀氧化-光度檢測(cè)法由于是在高氯條件下，因此，硫酸銀沉淀會(huì)影響測(cè)量值；電化學(xué)氧化法表現(xiàn)為氧化率不確定，比對(duì)一致性較差。

(3)總磷。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器分析原理：過(guò)硫酸鉀氧化-鉬酸鹽顯色，分光度法，技術(shù)主要問(wèn)題：抗壞血酸穩(wěn)定性較差，需要定期更換和低溫保存。

(4)總氮。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器分析原理：技術(shù)主要問(wèn)題。

(5)總磷。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器分析原理：堿性過(guò)硫酸鉀氧化-紫外光光度法，堿性過(guò)硫酸鉀氧化-還原劑還原-NED+SAN顯色[8，9]，分光光度法，技術(shù)主要問(wèn)題：堿性過(guò)硫酸鉀氧化-紫外光光度法易因方法限制，受水體濁度影響，測(cè)量結(jié)果偏低，對(duì)試劑純度要求高；堿性過(guò)硫酸鉀氧化-還原劑還原-NED+SAN顯色，分光光度法，則還原步驟需要使用毒性試劑。

3.2 水質(zhì)常規(guī)參數(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)

(1)水溫。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器分析原理：熱敏電阻法。

(2)pH值。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器分析原理：玻璃電極法；技術(shù)主要問(wèn)題：玻璃電極易污垢影響監(jiān)測(cè)靈敏度，不同程度存在漂移，需要定期對(duì)其進(jìn)行校正。

(3)溶解氧。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器分析原理：電化學(xué)電極法、熒光法。技術(shù)主要問(wèn)題：電化學(xué)電極法屬于耗氧監(jiān)測(cè)，需水體流動(dòng)，定期對(duì)膜片進(jìn)行清洗，補(bǔ)充電解質(zhì)，維護(hù)成本較高；熒光法價(jià)格較貴。

(4)電導(dǎo)率。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器分析原理：電極法。

(5)濁度。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器分析原理：光散射法。技術(shù)主要問(wèn)題：易沾污結(jié)垢，因此需要定期對(duì)其進(jìn)行清洗。

3.3 水質(zhì)無(wú)機(jī)陰離子自動(dòng)監(jiān)測(cè)

(1)氰化物。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器分析原理：分光光度法、離子選擇性電極法。技術(shù)主要問(wèn)題：分光光度法顯色劑穩(wěn)定性較差，且易變質(zhì)，需要在低溫環(huán)境下進(jìn)行保存；儀器流程復(fù)雜，分析速度慢。離子選擇性電極法的檢出限高，難以滿足地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用需要，且電極漂移較為明顯，需要經(jīng)常校正。

(2)氟化物。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器分析原理：離子選擇性電極法[10]。技術(shù)主要問(wèn)題：電極漂移明顯，需要經(jīng)常進(jìn)行校正。

(3)硫酸鹽。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器分析原理：分光光度法。技術(shù)主要問(wèn)題：鋇鹽比濁法，易因原水水樣濁度影響。

(4)硫化物。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器分析原理：分光光度法。

(5)氯化物。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器分析原理：離子選擇性電極法。

3.4 水質(zhì)有機(jī)污染物及其他自動(dòng)監(jiān)測(cè)

(1)石油類。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器分析原理：技術(shù)主要問(wèn)題。

(2)陰離子表面活性劑。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器分析原理：分光光度法；技術(shù)主要問(wèn)題，需要使用有機(jī)溶劑萃取，廢液往往存在一定程度的二次污染風(fēng)險(xiǎn)[11～13]。

(3)苯、芳香烴、鹵代烴等物質(zhì)。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器分析原理：吹掃捕集-氣相色譜分離-FID檢測(cè)在線分析儀，該項(xiàng)技術(shù)需要?dú)錃夂偷獨(dú)獾认嚓P(guān)氣體配合，穩(wěn)定性不強(qiáng)，氣路復(fù)雜；吹掃捕集-氣相色譜分離-微氬離子化檢測(cè)在線分析儀，該技術(shù)使用到放射性物質(zhì)，存在一定的潛在輻射風(fēng)險(xiǎn)。

(4)糞大腸菌群。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器分析原理：固定酶底物法。技術(shù)主要問(wèn)題：試劑應(yīng)用成本較高。

3.5 水質(zhì)金屬及其化合物自動(dòng)監(jiān)測(cè)

(1)銅。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器分析原理：分光光度法和電化學(xué)分析法。技術(shù)主要問(wèn)題：電化學(xué)分析法主要存在維護(hù)要求高，電極易老化，干擾大，漂移明顯。

(2)鉛。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器分析原理：分光光度法，電化學(xué)分析法；技術(shù)主要問(wèn)題：分光光度法易因鎳、鎘等共存物干擾而影響，且靈敏度較低，低濃度地表水監(jiān)測(cè)難以滿足；而電化學(xué)分析法則往往電極易老化，維護(hù)要求高，共存離子干擾影響。

(3)鋅。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器分析原理：分光光度法和電化學(xué)分析法。技術(shù)主要問(wèn)題：分光光度法往往因鎳、鈷等共存離子干擾明顯；電化學(xué)分析法存在電極易老化，共存離子干擾，維護(hù)要求高等。

(4)鎘。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器分析原理：分光光度法、電化學(xué)分析法。技術(shù)主要問(wèn)題：分光光度法靈敏度低，難以滿足低濃度地表水監(jiān)測(cè)，電化學(xué)分析法則電極易老化，受共存離子干擾，維護(hù)要求高等。

4 地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用及要點(diǎn)

4.1 地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，以及對(duì)地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)要求的提升，在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地表水水質(zhì)的24 h自動(dòng)監(jiān)測(cè)，全面掌握地表水水質(zhì)情況。在自動(dòng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，常對(duì)水的濁度、溫度、電導(dǎo)度及水樣中殘留化學(xué)元素氯等進(jìn)行監(jiān)測(cè)[14]，并通過(guò)樣品分析，獲得相應(yīng)參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析，獲得相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。此外，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警目的，要求自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠做到自動(dòng)報(bào)警，即，當(dāng)?shù)乇硭|(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果超過(guò)實(shí)際水源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)誤差較大時(shí)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，從而提升地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)效率。

4.2 地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

(1)系統(tǒng)完整。根據(jù)《地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ915-2017)，地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)需要建立一套完整的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，應(yīng)包括水質(zhì)分析儀器、配套設(shè)備的集成，確保水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)滿足需求，達(dá)到水質(zhì)測(cè)量的精準(zhǔn)。此外，要注重系統(tǒng)的完整性，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充和完善。加強(qiáng)監(jiān)測(cè)人員業(yè)務(wù)培訓(xùn)，提升水質(zhì)監(jiān)測(cè)能力和水平[15]。

(2)系統(tǒng)驗(yàn)收。根據(jù)《國(guó)家水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)驗(yàn)收考核辦法》的相關(guān)規(guī)定，地表水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)滿足相關(guān)的技術(shù)性指導(dǎo)要求，符合相應(yīng)的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，一方面，為地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)提供了專業(yè)技術(shù)指導(dǎo)；另一方面，也為地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)提供科學(xué)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，細(xì)化地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指標(biāo)內(nèi)容。

5 地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

5.1 豐富監(jiān)測(cè)范圍，提高自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器準(zhǔn)確性

地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)單位要積極開(kāi)發(fā)重金屬、有機(jī)污染物等單項(xiàng)污染物自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器，拓展自動(dòng)監(jiān)測(cè)范圍，覆蓋更多地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)。此外，要提升自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器的靈敏度，以及手工分析可比性，滿足重點(diǎn)區(qū)域和敏感區(qū)域水質(zhì)狀況的監(jiān)測(cè)要求，滿足新時(shí)期地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)的更高要求。

5.2 提高監(jiān)測(cè)水平，實(shí)現(xiàn)地表水水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)控

積極推廣監(jiān)測(cè)站房與非監(jiān)測(cè)站房建設(shè)，其中，前者可通過(guò)提高儀器集成水平建設(shè)更加簡(jiǎn)易的監(jiān)測(cè)站、微型監(jiān)測(cè)站，而對(duì)于湖泊水庫(kù)、入河口或取水困難的點(diǎn)位，則可采用太陽(yáng)能浮標(biāo)形式進(jìn)行建站，滿足不同需要。地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器的設(shè)備選型可選用趨勢(shì)測(cè)定、準(zhǔn)確確定等不同方式，滿足地表水水質(zhì)預(yù)警、變化趨勢(shì)等不同監(jiān)控?cái)嗝姹O(jiān)測(cè)。

5.3 內(nèi)外控相結(jié)合，提高自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量

積極開(kāi)發(fā)保障地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)控、保障水站運(yùn)行的協(xié)同運(yùn)行管理軟件，規(guī)范運(yùn)行地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)水站的運(yùn)維步驟，提升地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制，明確數(shù)據(jù)庫(kù)存入程序，確保入庫(kù)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)有效。