原水水质监控预警方法的应用——以东莞市为例

◎ 东莞市水质监测中心 王建卫 戴吉胜 鲁 巍

水污染特别是饮用水源的污染已经逐渐威胁到城市饮用水的安全，而水源的突发污染事件（如吉林石化双苯厂爆炸污染）对整个城市供水安全的影响也日益扩大。而随着经济的高速发展和人们生活水平的逐步提高，供水水质的安全保障要求越来越严格，对水务企业的压力也越来越大。为满足安全供水的需要，必须针对水源水质建立及时、快速的预警机制，监控水源水质的变化并及时调整生产措施，以保证供水水质的稳定。

东莞市以东江作为单一供水水源。一方面在很短的江段内密布了6家大型水厂（＞30万m3/d），多个水源取水口紧邻，且取水口与水厂距离较短；另一方面，在东江两岸分布了大量的工业企业，且东江在东莞境内直接入海，东江水源同时面临突发性工业废水污染和咸潮污染这两方面的威胁。而目前东莞尚未建立统一的水源预警机制，一旦污染发生时很难及时发现，也很难有效地保障供水的安全。鉴于上述情况，建立东莞水源水质预警系统是十分必要的。

1.水源水质预警指标的选择

1.1 水质监测指标

按照地表水环境质量标准（GB3838－2002），地表水环境基本指标有：水温、pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、总磷（以P计）、总氮（以N计）、铜、锌、氟化物（以F-计）、硒、砷、汞、镉、铬（六价）、铅、氰化物、挥发酚、石油类、阴子表面活性剂、硫化物、粪大肠菌群（个/L）。

根据水质现状和管理需要可将水体水质的主要监测指标分为以下五类：

（1）综合性指标：包括水温、pH、电导率、溶解氧（DO）、浊度、悬浮固体（SS）、氧化还原电位（ORP）等。

（2）水质的污染指标：主要包括生化耗氧量（BOD）、化学耗氧量（COD）、总需氧量（TOD）、总有机碳（TOC）、紫外吸收等。

（3）水质污染组分指标：金属及类金属污染物、四氮（硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮及总氮）、总磷、磷酸盐、氰化物、氯化物、酚类化合物等。

（4）生物指标：大肠菌群数、细菌总数等。

（5）水文气象参数：包括流量、流速、水深、风向、风速、气温、日照量、降水量等。

作为水源水质预警系统，不可能也没有必要检测所有的水质指标，而应根据源水水质的特点，同时兼顾水体的使用功能，在分析往年监测资料（确定重要污染物类型）、充分考虑水体特性的基础上确定适当的水质监测指标。一般而言，水源水质预警指标以水质综合指标和某些水质污染指标为主，以反映水质的综合情况，便于及时发现水质是否出现异常及确定污染变化情况。

水源水质预警系统更重要的意义在于为水厂生产提供及时的水源水质状况、预警信息和应对建议。传统的水处理工艺（混凝、沉淀、过滤和消毒）主要去除水中的悬浮及胶体物质，以出水的浊度、色度和细菌数（细菌总数和大肠杆菌数）为主要的工艺控制目标。但近年来，水源水中的有机污染物不断增多，对传统工艺提出了严峻的挑战，水源水质对水厂处理工艺的影响是多方面且前后连续的，众多的水质指标对处理工艺都有不同程度的影响，因此还需要从水处理工艺的角度选择水源水质预警指标。

1.2 预警指标选择

（1）水温：水温对混凝的影响表现为：影响无机盐混凝剂水解过程，由于该水解过程是吸热反应，因此低温时混凝剂水解困难。但生产实际表明，当水温升高会发生明显的“吃氯”现象。

（2）pH：pH对混凝过程有直接影响，主要表现为：直接影响水中胶体浊质和藻类的电荷，控制水中化学反应动力学；决定混凝剂的水解速率和混凝剂水解产物的类型、浓度和电荷；控制金属氢氧化物沉淀在水中的溶解度等。pH还对石灰投加、氯的投加造成影响。pH本身也受到水处理单元过程的影响，如混凝过程降低pH值，投加石灰pH升高；氯化作用降低pH值，软化水质提高pH值等。

（3）电导率：电导率会对混凝剂投加量造成直接影响。研究表明，水中存在的正离子对天然水压缩双电层有利。

（4）浊度：浊度对混凝有直接影响。当水中悬浮物含量低时，颗粒碰撞机率大大减小，混凝效果差；其次，是对消毒有影响。当浊度4～84 NTU、游离性余氯质量浓度在0.1～0.5 mg/L时，接触时间为30 min，大肠杆菌仍能被检测到。悬浮颗粒干扰消毒过程，是由于悬浮颗粒表面吸附的无机和有机化合物能消耗消毒剂，增加消毒剂用量。浮游微生物各个角度都受消毒剂作用，易被杀灭。然而，被包埋或发生粘附后，悬浮颗粒从某些角度提供保护，因而消毒剂的杀灭作用下降，微生物得以存活或只是受损，在输配系统内恢复生长后重新获得致病能力，威胁用户健康。LeChevallier等进行的试验表明，浊度1.5 NTU时，用0.5 mg/L氯消毒大肠菌数量在1 h内减少99.99%，而浊度13 NTU时，即使用氯量增加到1.5 mg/L,大肠菌数量在1 h内也只减少90%。浊度过高的水能使水中微生物得不到有效的杀灭，并能促进管网中细菌的生长。

（5）碱度：碱度在混凝过程中具有很强的缓冲作用，随着铝盐或铁盐混凝剂加入水中后的水解反应过程，会不断产生H+，从而导致水的pH值下降。要使pH值保持在合适的范围内，水中应有足够的碱性物质与H+中和。天然水中均含有一定的碱度（通常是HCO3-），它对pH值的下降有一定的缓冲作用。但是，当水中碱度不足或者混凝剂投加量较高时，天然水中的碱度不足以中和水解反应中和水解反应产生的H+时，水中的pH值将会大大下降，不仅超出了混凝剂的最佳范围，甚至影响混凝剂的继续水解。因此水中碱度高低对混凝起着重要的作用和影响，有时甚至超过原水pH值的影响程度。此外，碱度对石灰投加的投加量及强化混凝的效果有直接影响。

（6）氨氮：氨氮的高低对滤池运行有直接影响，氨氮高时容易引起滤池亚硝酸盐氮的积累。当原水氨氮增加（富营养化严重），同时三氮（氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮）的相互转化和归趋出现了不同的规律和方向时，就容易出现“吃氯”现象。一般认为，水中氨氮升高时，由于氯将氨氧化成亚硝酸氮和硝酸氮，为了获得自由性余氯就必须增加大量的氯的投加。

（7）藻类：藻类对混凝有直接影响。由于藻类形成的浊度，其组成大多为有机质，电动电位（ζ）约在-40 mV以上，具有较高的稳定性，比重小，难于下沉，因此对碱铝的投加量的影响较大。藻类还对滤池运行有影响，藻类自身常粘附在滤料表面，使过滤周期缩短。藻类对消毒副产物的产生量也有影响，藻是产生消毒副产物的重要前题。

（8）有机物：饮用水源中一般都会含有一定浓度的天然有机物（NOM），而随着生活污水和工业废水，特别是有机化工、制药、石油化工、电镀、农药和杀虫剂等行业的废水的注入，原水中也含有越来越多的人工合成有机物（SOC），原水中还含有多种有毒有害有机物。有机物对水厂生产和供水水质的影响表现为：影响混凝沉淀过程、对过滤过程产生影响、对加氯消毒的影响及消毒副产物的产生。

国内地表水水质在线监测系统所选用的指标一般为：pH、电导率，浊度、DO、温度、TN、TP、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、CODMn、CODCr、SS、流量等。不同的在线监测系统要根据所监测的对象来确定监测的水质指标。对于饮用水，常用到的指标为pH、电导率，浊度、DO、温度、NH4+-N、CODMn、UV254和叶绿素等；对于污水常用到的为CODCr、SS、流量、TN、TP、NH4+-N、NO3-–N和NO2-–N。

根据东莞市水源水质的特点，同时考虑在线监测仪器测定结果的稳定性和后续药剂投加控制的需要，将监测指标的选择顺序按优先级从高到低排序为：

（1）第一类指标：水温、浊度、pH值、氨氮、碱度、UV254、CODMn、电导率、溶解氧、叶绿素（或藻数）；

（2）第二类指标： B O D、ORP、大肠菌群数、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、正磷酸盐（PO43-）、色度、酚、CN-、铅、六六六；

（3）第三类指标：细菌总数、亚硝酸盐氮、总磷、总氮、F、总铁、总锰。

确定第一类水质指标以及第二类指标中的铅共11项指标作为在线监测系统的监测项目，以综合反映水质状况、及时发现水质的变化趋势，其中最优先的应选择pH值、氨氮、电导率（盐度）和溶解氧作为水源水质预警系统反映水源水质的指标；后两类指标如有条件可以适当选择，或作为扩展项目安排，逐步增加连续自动监测的项目数。

表1

2.水源水质预警限值

根据目前已有的水厂运行数据，对其处理能力进行判断，寻找其最大处理限值，由此根据源水水质对水厂提出预警，当源水某一指标高于或低于某一值时，该水厂目前处理能力不能保证出水安全，需要加深度处理或是需要进行一系列措施调整，才能保证出水安全。对于预警级别设为一级预警以及二级预警，一级预警表示源水该指标过高或过低，如不加注意，则出水会超标，需要对该工艺进行某些调整或同时采取多种优化措施以保证出水，二级预警表示目前水厂的处理能力达不到出水安全的要求，需要加新的处理工艺等。

对东莞市各主要水厂历年的数据进行了分析，针对源水浊度、pH值、氨氮、CODMn、电导率、叶绿素、溶解氧、铅等8个监测指标制定了相应的判断条件，如表1所示。

3.远程监控中心系统设计方案

远程监控中心是整个自动监测系统的顶端和核心，主要功能是接收现场站点数据，由数据服务器完成存储，并再由各分项PC通过软件完成数据显示、分析、预警等功能，还要提供网络数据服务。

远程监控中心的硬件主要包括数据通讯接收设备（主要是GSM无线数字调制解调器1台）、数据服务器1台和若干功能PC（可根据需要添置，也可以暂不设置）。数据通讯接收设备可采用双频数字调制解调器，可接在数据服务器上。数据服务器承担了数据存储、备份、数据库使用和网络服务等多项功能，因此要求选用质量较好的企业级专用服务器（如IBM XSeries 236）。

远程监控中心软件系统主要包括数据接收软件、水源水质预警系统数据库及其功能软件。数据接收软件要求能连续接收来自现场站点的数据。而远程监控中心的数据库是整个水源水质预警系统的数据中心，它将各个现场站点集成起来，能够实现数据的存储、备份、处理、管理和服务功能。主要采用ASP网页编程（Active Server Page，是面向对象程序设计的一种）和数据库编程，与ADO对象（ActiveX Data Objects）结合，在服务器端实现各种功能，体系如图1所示。

数据库是软件系统的基础核心，选用MS SQL Server 2005数据库来完成数据的储备，以服务器/客户端（S/C）混合模式安装到监控中心数据服务器的操作系统（采用Windows 2000 Server）上。这样安装的数据库，可以借助IIS设置成为各个现场站点的数据中心，存放所有站点的实时数据，并为后端的水质预警模式计算和报警模块提供实时数据支持。数据库功能界面是软件系统的功能核心，通过调用后台数据库中的实时和历史数据来完成各项数据应用功能，主要包括：登陆界面、主界面、实时数据显示、判断报警、历史数据统计、自动报表、数据查询、数据报表生成、数据分析、应急处置建议、系统维护、数据网络服务、用户管理、系统结构调整等。系统的功能结构如图2所示。

图1 水源水质预警系统数据库软件系统体系架构图

图2 水源水质预警系统数据库软件界面的功能结构示意图

4.结论

水源水质预警是在源水水质恶化、污染事故数量及危害程度增加、保障安全饮用水和“9.11”恐怖袭击后全球防恐机制下的基础上在近年提出的，用于保障安全饮用水和服务于供水企业及民众的预警系统。在水源水质自动监测系统的基础上，将数据通讯、数据库和预警响应模式进行集成，才能形成水源水质预警系统的软件体系。先有监测，才有预测和评价，之后才能预警。前者是后者的基础，后者是前者的深化和发展。开发科学有效的软件分析、专家测评系统是预警体系得以有效发挥作用的关键，研究开发系统分析专业软件，并关联现况供配水系统，实现最终至用户的科学调度，是预警系统急需研究开发的方向。