工业污水排放监测与水质预警研究综述*

2021-01-06杨秀美

化纤与纺织技术 2021年5期

杨秀美，郭莹，廖健

1.凯里学院，贵州黔东南 556011

2.凯里市能高新型材料有限公司，贵州黔东南 556000

当前，作为世界第二经济体的中国是世界唯一具有完整工业体系的国家。然而应看到在中国工业化的发展进程中，水污染事故时有发生，污染给国民经济造成重大损失，对水环境产生恶劣影响。据统计资料分析，其主要原因为企业事前缺乏信息支持，难以在水质恶化警情发生之前，及时、有效地予以警告，从而给当地的生态环境造成无法挽回的损失[1]。在工业生产中所产生的污水量大，水质成分复杂，常常含有较高浓度的铅、锌、镉等多种重金属离子，毒性大，污染性强，危害严重。近年为改善生态环境，减少水污染事件的发生，各级政府和企业投入大量人力、物力和财力支持工业污水监测和预警系统构建。经过不断实践，新理念、新技术和新工艺在工业污水监测和预警中得到应用，通过对工业污水排放情况和水质特点进行预警，有效地预防水污染事故的发生。文章就近年涌现的工业污水排放监测与预警新方法、新工艺及其特点和实际应用进行评述。

1 污水在线监测研究及应用

污水在线监测是用监测手段确定污染物排放来源、浓度、种类等，为控制污染源排放、水质预警和环境影响评价提供依据。

1.1 水质在线监测技术

如果对控制参数不能有效准确的监测，控制就成为无本之木。为此，对水质在线监测的研究一直关注技术创新和应用。21 世纪初在线水质监测仪器已应用于污水处理厂的实际监测[2]，国际水质监测仪器技术已成熟。武万峰等[3]总结了水质监测技术主要包括光学分析法、光谱法、电化学分析法、色谱分析法等测量仪在水质自动检测中的应用；也有具体监测仪器研究，黄志敏等[4]研发的基于IPC 的水质在线监测虚拟仪器，获得中国分析测试协会“2001BCEIA”金奖。这些仪器分析法具有快速、灵敏的特点。

近年来，基于物联网技术、大数据技术和无线通信技术在水质在线监测中的应用成为新的研究领域。王新鹏等[5]研究基于物联网技术的实时高效新型水质监测系统，实时监测水温、pH 值、溶解氧和生化需氧量，通过水面基站将数据上传至水质监测云平台。宋岳[6]针对先前注重水质数据监测忽略数据资源属性及海量数据信息的挖掘，该系统在大数据技术、传感器技术和云计算技术等支持下构建的智能化系统，特别是能将水质监测的数据进行集成管理与存储，为后期整理和分析做支撑。Du J 等[7]利用ZigBee技术建立无线水质监测系统，ZigBee 端节点通过传感器模块对水质和水质参数开展数据采集，再经过ZigBee 网络通过参数信息将数据发送至ZigBee 协调器，汇总形成远程数据。这些新技术的融入，实现水质实时高效的动态监管，提高水质监测准确度、完善性和效率。

1.2 水质在线监测系统

发达国家的污水在线监测起步比较早，20 世纪70 年代，美国等一些发达国家就开始对河流和湖泊等地表水和企业污水排放实行自动在线监测。监测指标包括敏感因子pH 值、COD、BOD5、TN、TP、Hg、DO、氟化物和氰化物等，流量、温度、电导率、浑浊度等物理量，通过网络传输系统自动把在线监测数据，上传至各级环保主管部门和环境监测部门。Sergio Bermejo[8]通过一种离子选择性场效应管的智能阵列来传送存储的离子检测浓度，设计出一个低功耗、简便且小型的水质实时监测系统，比传统实验室水质分析的离线方法有很大进步。Mika Liukkonen 等[9]研究了基于自组织映射网（SOM）的自适应多变量方法，能处理大量的测量数据，以简单、方便和灵活的方式提供基本信息，为工业污水监控提供新的工具。

中国的污水在线监测系统研究起步比较晚，最先是利用水质环境在线监测系统应用于工业生产[10]，随着社会的发展，构建基于大数据技术[11]、物联网、LabVIEW 软件平台和ZigBee 技术的水质在线监测系统[12-14]。如利用LabVIEW 软件平台，研制一种集数据采集、滤波、分析、实时视频监测和数据库管理等功能于一体，具有人机交互能力的工业污水在线监测系统，能长期实时测量、预测分析和历史数据管理，实现工业污水水质监测、管理和控制。采用ZigBee 技术的工业污水监测系统，可以进行远程实时监测数据，提高监测精度，实现实时监测和预警。这些污水在线监测系统研究主要聚焦于如何实现实时、快速和精确地分析检测水质和反馈。

2 水质预警研究及应用

水质预警指对一定时空的水质状况进行监测、分析和评价，对水环境发生的影响变化进行监测和分析，对其发生及未来发展状况进行预测，确定水质状况和水质变化的趋势和速度等，预报不正常状况的时空范围和危害程度，适时地给出变化或恶化的各种警戒信息及相应的综合性对策，对未出现或即将出现的问题给出防范措施及相应级别的警戒信息。水质预警是有效预防和控制水质突发事件，最大限度地减少可能造成的损失的主要手段。

2.1 广域性地表水水质预警

20 世纪80 年代，美国企业危机和策略管理研究首先提出预警理论。当前，预警理论逐步被应用于水质管理中，最先被应用于广域性地表水质监测与预警。数理统计方法和灰色模型被广泛应用于构建各种水质预警系统，Inoul T 等[15]、史根香等[16]、唐宗鑫等[17]、沈煜恒等[18]、张亚丽等[19]应用数理统计法、灰色理论建立水质参数预测模型和QUAL2K模型建立水质预警系统，实现对水质水域参数的监测和预测，精准度比较高。朱灿等[20]以地理信息系统（GIS）和数据库管理系统（DBMS）为平台，采用集成GIS 组建和水量水质数值模型耦合方式，建立数字西江水质预警预报系统。其系统数据传输准确，运行可靠，实用性与应用价值良好。

近几年运用的方法和技术比较多元化，张静等[21]基于物联数据感知、数据传输和数据处理体系构架，构建新型河流湖泊水质监测和预警系统，实现水质的智能化监测和预警。迟盼盼等[22]将Petri 网的跃阶思想纳入传统评价指标体系，实现对模型逻辑拓扑网络的结构性调整，结合模糊综合评价法和BP 神经网络，构建可对突发式水环境污染事故做出及时反应的预警模型，并在实际应用中实现准确预警。李若楠等[23]通过模拟实验建立包含22 种常见污染物的突发水污染事件数据库，采用典型相关系数准确揭示污染事件发生后多元水质参数之间的协同反馈规律的预警方法。其主要特点是精确度高，对水质监测基线的平均误报率为0.16%。广域性地表水水质预警研究为突发水环境污染事故预警提供新思路和理论依据，也为企业个体污水排放监测和预警提供丰富的理论和实践经验。

2.2 企业污水水质预警

企业污水水质预警首先在污水处理厂和区域开展研究和应用。张嘉治等[24]以某污水处理厂为例，在分析全年出水COD 在线监测数据变化规律的基础上，建立基于频次分析法的预警阈值确定方法，确定污水厂采样时刻不同警情阈值范围，解决污水处理厂污染物日波动明显的问题。也有学者专门针对工业聚集型城镇排水系统，向伦宏等[25]以水质生物毒性为核心指标，综合分析排水系统泵站、污染源和污水处理厂进水水质特征，基于层次分析法构建污水处理厂综合预警模型。白晓瑞等[26]借助模糊综合评价法，对某化工园区各企业生产状况，结合污水排放相关的标准建立污水水质评价指标，对各企业排放污水水质进行分级，综合评价各个企业污水排放达标情况，以更好地开展环境监督和整改措施。区域和污水处理厂水质预警能综合反映较小尺度的水质情况，但还需要进一步确定具体的超标污染源。

当前，为了快速找到达到预警阈值的企业，工业污水水质预警研究已开展工业企业内部污水排放监测与预警系统的研究和项目开发。针对企业水样人工采集方式不能全程跟踪企业污水排放情况，陈天麟[27]研究工业污水排放口超标预警装置及按照浓度收费系统的技术方案，以快速识别企业个体超标排放。张伟[28]针对造纸行业污水处理工艺特点以及污水检测参数，设计“水质监测传感器+单片机+管理软件”的污水检测、排污监控和排污预警系统。Zhao S 等[29]基于沉积型微生物燃料电池的工业废水六价铬实时监测预警系统，以沉积型微生物电池为生物传感器，对六价铬进行现场实时监测。解决目前工业废水处理无法实现六价铬现场和实时监测的问题。企业个体水质预警系统的开发，让水质突发事件在企业内部得以解决，减小影响范围。