水质监测设备的研究现状与发展趋势

2021-01-05李孟威陈秀生黄元凤江建博唐怀壮薛志原吕国栋张同帅

化工自动化及仪表 2021年3期

李孟威陈秀生黄元凤江建博唐怀壮薛志原吕国栋张同帅

（1.济南大学机械工程学院；2.山东金特装备科技发展有限公司）

前些年，国内外许多地方企业直接将工业污水排至河、湖里，出现很多饮用水或地下水污染事件。甚至有的企业为节省工业废水净化费用，通过一些极端方式，比如深挖水井将工业废水直接压入到地下一千多米的水层，长期这样排放造成当地地下水资源严重污染［1］。为了保证人们日常生活用水的安全，当地政府必须加强对水质的监控，而有效的水质监控必需依靠相关的水质监测仪器。随着近几年工业的快速发展，江河湖泊乃至地下水中的有害化学物质日益增多，传统的水质监测仪器因为测量参数少、稳定性不高、测量准确性低，甚至有些还会给环境造成二次污染等缺点，已经远远不能满足现在的水质监测要求。因此，研发新式多参数水质监测设备已经成为社会各界关注的重点，这类仪器虽然在国内外某些企业和研究单位已经有了批量生产，但还是因为关键技术上的一些瓶颈，研究出的设备仍无法满足水质监测的要求。

1 水质监测设备的原理

目前市面上的水质监测设备有很多种，按工作原理可分为电化学分析法和分光光度法。

1.1 电化学分析法

电化学分析法是指应用电化学原理和相关技术［2］，构造一个原电池模型，来分析所测样品的含量或者浓度，是利用电极种类、电解液的组成及含量和两者之间的电化学性质的关系而建立起来的一类分析方法。

1.2 分光光度法

分光光度法也被称为吸收光谱法［3］，是通过测定被测物质在特定波长处或一定波长范围内的吸光度或发光强度，对该物质进行定性和定量分析的方法。

用紫外光源测定无色物质的方法，称为紫外分光光度法。目前紫外分光光度法越来越被学术界所研究和采用，这主要是因为采用紫外分光光度法原理研发出来的设备，在测量被测水域水质时，不会对被测水域产生二次污染，只需将测量氙灯的灯光穿透过采样溶液，再分析光谱的吸收特征与各污染物浓度之间的关系。只要找到它们之间的关系，就可以很容易地直接通过该方法测量出水质中污染物的浓度。这个方法既简单，应用性又强。

2 国内外研究现状

西方一些发达国家早期的水质监测主要以人工检测方式为主，需要检测人员定期到水质监测点去取样并将水样带到实验室去分析，最后才能得到一个关于水质的监测报告。实验室人工检测分析存在检测频次低、采样误差大、检测出的样本数据不准确且分散、不能及时反映水质变化情况并提前做出预警等缺点，这就大幅限制了水质监测的实际工业应用。随着科学技术的发展以及自动化相关技术的发展与成熟（特别是在电子信息及通信技术、装备制造技术及传感器技术等方面），从20世纪中叶开始，国外的科研人员为了能够尽早发现水质的异常变化，并可以迅速做出水质污染预警，及时追踪污染源，他们在完善实验室人工检测的同时，也陆续开始研发水质实时自动监测系统，搭载该系统的水质监测设备也随之出现［4，5］。到了20世纪70年代末，美国、德国等一些发达国家加大了对水质监测设备的研发投入，对本国的重点水源区域和工业区实行水质监测。当时水质监测设备的监测参数主要有水温、电导率、浑浊度及pH值等，一个设备只能测一个或者两个参数。到了20世纪末21世纪初，随着世界工业化与城市化速度加快，人们对生活质量的要求提高，水源污染与防治问题也开始受到了广泛关注。原有设备的测定参数已经不能充分显示出水质的好坏，这就需要增加水质监测参数，此时人们将重金属离子、非金属离子、总氮、总磷、总酚、TOC、碳氢化合物、石油类、高锰酸盐指数及微生物菌群等参数加入到了水质监测范围内［6，7］。

21世纪初出现了很多生产水质监测仪的知名企业，如美国的HACH公司、瑞士的METROM公司、意大利的SYSTEA公司及澳大利亚的GREENSPAN公司等，其中在我国高端水质监测设备市场占有率最高的是美国HACH公司生产的水质监测仪器。在线水质监测设备从测量对象种类上可分为单参数水质监测设备与多参数水质监测设备，目前市场上成熟的产品绝大多数都是单参数水质监测设备。美国HACH公司研制的NPW-160水质分析仪，是现在市场上比较受欢迎的单参数水质监测设备，采用比色分光光度法的原理进行检测，应用于河水、地下水、市政污水以及化工园区工业废水总磷的自动监测。它具有当时最先进的多波长检测器，能够实现水质中总磷的监测，测量更加准确。同时具备浊度补偿功能。这台测量仪器具有耗材量少、自动清洗效率高、测量重复性高、测量快速准确、操作简单、维护方便及寿命长等优点，缺点是系统比较复杂、体积庞大等。多参数水质监测仪器的技术均没有单参数仪器的技术成熟。其中最有名的是澳大利亚GREENSPAN公司推出的在线自动水质监测站——Aqualab，它能在一个机柜中完成10个水质监测项目：物理五参数、氨氮、磷酸盐、硝酸盐、氧化还原电位、氯化物，并可方便地扩展如TOC、COD、雨量计及流量计等，专门为野外环境而设计，功耗低、测量精度高。开始工作时，仪器先启动采样泵将水样吸入仪器内，并开始分析，分析结束后废液被回收且将分析数据保留并存储，同时通过通信单元可发送到中心控制室。此仪器具有药剂消耗低、无需人看护、维护简单、标定便捷及运行费用低的优点。

我国水质监测技术起步较晚，到20世纪中后期才开始进行研究，在水质监测仪器研制方面远远落后于西方发达国家。近些年来，随着我国经济水平的提高和工业化与城市化的迅速发展，我国对水质监测技术研发的投入大幅增加，在水质监测仪器设计方面取得了一定的进展。西安交通大学在2009年通过团队不懈努力研制出国内第1台水质监测样机，该样机可以同时检测各种水质中的化学需氧量、pH值和氨氮3个指标，实现了对生活工业污水、地表水和地下水的自动监控［8，9］。2011年重庆大学微系统研究中心的科研团队在水质监测技术方面取得了重大突破并研制出一台多参数水质监测仪。与西安交通大学的水质监测样机不同的是，它可以同时对多种水质中化学需氧量、总磷、氨氮及pH值等7个水质参数进行监测［10，11］。2018年，山东特检科技有限公司在化工园区废水监测领域推出了一款JTTO型物料成分在线分析仪，此设备可以实现对化工园区水质中pH值、碱度、硬度、氯化物、硫化物、磷酸盐的在线检测，该仪器采用了无线通信，并且支持RS485/232通信协议，实现了对现场水域的实时监测，同时可以将测得的数据传输到中控室并制成曲线，方便实验人员根据图像及时做出预警，为实际生产提供科学依据［12］。

近几年，我国水质监测技术水平有了一定的提高，在水质监测领域能占有一席之地，但是与发达国家相比，还是有较大差距的。通过市场调研和实地工厂考察发现，我国各化工园区和自来水厂所用的高级水质监测设备主要以进口设备为主。在被监测对象方面，针对化工园区废水监测的设备种类少且监测指标单一。在潍坊各化工园区内，对工业废水的监测主要还是依靠人工现场取样，实验室仪器分析为主，监测方式落后，存在采样误差大、结果不准确等缺点。

3 发展趋势

3.1 人工采样分析向自动采样分析转变

目前，大多数实验室和化工园区的水质监测都是依靠人工取样分析进行的，随着社会的发展，人工成本也大幅增加，再加上实验室的人工检测分析存在检测频次低、采样误差大、检测数据不准确且分散、不能及时反映水质的变化等缺点，必然会导致人工取样分析被自动采样分析取代。采用自动取样分析不仅可以节省人工成本，还可以根据实际要求来设置检验频次，采样过程中的误差也会大幅减小，检测数据可以自动保存并通过相关软件分析得出实时变化曲线来反映水质变化并及时做出预警［13］。

3.2 单参数检测向多参数检测转变

由于生产和生活的需要，检测的往往不再是一种物质的含量变化。目前多参数检测技术没有单参数检测技术成熟而且研制的多参数检测设备存在造价高、系统复杂及操作不人性化等缺点，不能很好地适应生产生活的需要。所以更需要把研究重心转移到多参数检测上来，研制出一款操作方便的多参数水质监测仪，这样我国可以在多参数水质监测领域占一席之地［14］。