基于多源光谱法在线监测的智能雨污分流系统构建与应用.pdf
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1、基于多源光谱法在线监测的智能雨污分流系统构建与应用孙铭壮1*,潘海宁2,杨程芳2(1.清华大学环境学院,北京100084;2.杭州希玛诺光电技术有限股份公司,杭州311121)摘要:如何针对性地处理雨水中污染程度较高的部分已经成为维持城市水资源良性循环的一项重要课题,通过利用降水的初期冲刷现象将污染水平普遍较高的初期雨水排入污水管中,是目前常见的解决方法。然而,初期冲刷现象是否出现及其出现的模式都有很大的不确定性,对雨污分流的决策造成困难。近年来,直接实时在线监测来水的水质情况,进而进行雨污分流决策成为解决雨污分流问题的新思路。本研究选用了以多源光谱法(紫外+荧光)为核心的第三代在线水质监测技
2、术,并基于该技术搭建了新型的雨污分流系统,通过高精度、高稳定性的实时水质数据,实现直接且可靠的雨污分流决策。在杭州未来科技城一处雨水排口的实际应用中,本研究所构建的智能雨污分流系统在三个多月的时间内可以稳定运行并实现准确的雨污分流,受纳水体的污染水平明显改善,证明了这套智能雨污分流系统有着出色的雨污分流效果,具有很高的推广价值,为雨污分流问题提供了一个普适、经济的解决方案。关键词:雨水水质;雨污分流;初期冲刷;在线监测;紫外光谱;荧光光谱中图分类号:X5文献标志码:A文章编号:2096-2347(2023)03-0045-10收稿日期:2023-05-23作者简介:孙铭壮,博士研究生,主要从事
3、城市水系统、再生水回用、污水处理等方面的研究。E-mail:引用格式:孙铭壮,潘海宁,杨程芳.基于多源光谱法在线监测的智能雨污分流系统构建与应用J.三峡生态环境监测,2023,8(3):45-54.Citation format:SUN M Z,PAN H N,YANG C F.Development and application of an intelligent rainwater sewage shunting system based on multispectral online water quality monitoringJ.Ecology and Environmental
4、 Monitoring of Three Gorges,2023,8(3):45-54.DOI:10.19478/ki.2096-2347.2023.03.06Development and Application of an Intelligent Rainwater Sewage ShuntingSystem Based on Multispectral Online Water Quality MonitoringSUN Mingzhuang1*,PAN Haining2,YANG Chengfang2(1.School of Environment,Tsinghua Universit
5、y,Beijing 100084,China;2.Sigmaro Electro-Optical Technology Co.,Ltd.,Hangzhou311121,China)Abstract:How to separately treat the relatively more polluted part of rainwater has become critical to the health of urban water cycles.The common solution is to divert the first part of rainwater,which is usua
6、lly more polluted,to sewage systems,according tothe first flush phenomenon.However,the first flush phenomenon doesn t always occur and its characteristics are highly uncertain,thus causing problems in the decision-making phase of rainwater sewage shunting.Recently,directly monitoring the real-time q
7、uality of rainwater and making corresponding decisions have become a new method for rainwater sewage shunting.This study chosethe third generation of online water quality monitoring technology,which is based on the method of multispectral fusion analysis(ultraviolet and fluorescence),and developed a
8、 novel intelligent rainwater sewage shunting system,which could provide direct and reliable decision-making,using the highly accurate and stable real-time water quality data.After the continuous operation of overthree months at a rainwater discharge point in Zhejiang Overseas High-level Talents Inno
9、vation Park,the proposed novel intelligentsystem is proved stable and can realize the accurate separation of rainwater and sewage.The pollution problem of the receiving water body was greatly ameliorated,demonstrating this system s outstanding performance and high potential for wide application.三峡生态
10、环境监测Ecology and Environmental Monitoring of Three Gorges2023年9月Sep.2023第8卷第3期Vol.8No.3水体研究三峡生态环境监测http:/ words:rainwater quality;rainwater sewage shunting;first flush;online monitoring;ultraviolet spectrometer;fluorescence spectrometer雨水是城市水循环中的关键组成部分,要想维持城市的健康运转,对雨水的妥善处置格外重要1-2。尤其是在降水较多的中国南方地区,降雨不仅
11、可能造成城市内涝而影响市民正常生活,雨水中不能得到及时处理的污水部分还会对水体造成严重的污染。在降雨过程中,雨水的水质并不是一致的,单位时间内降雨的水量、污染物浓度和污染物总量都会发生变化。对于高污染物浓度的雨水来说,将这部分雨水直接通过雨水管排入水体中势必会对水环境造成污染,如何识别雨水中的污水进而将污水分流到污水管道中是雨水治理的重要课题。19世纪80年代末,国外有学者发现城市雨水径流污染经常呈现一种规律,即污染倾向于集中在初期的降雨过程当中,并提出了初期冲刷的概念,认为当初期径流中的污染程度明显高于后期径流时,这次降雨过程就出现了初期冲刷的现象3。对于污染的严重程度,有两种判别的方法,一
12、种是根据污染物的浓度,另一种是根据污染物的质量,考虑到雨水径流量随时间发生的变化、污染物总量及其在径流过程中的分配,第二种方法更受到认可,被称为质量初期冲刷4。当质量初期冲刷现象发生时,通过将初期阶段的降雨径流判别为污水,并将初期冲刷发生之后的低污染降雨径流判别为雨水,可以实现对雨水的雨污分流,减少高污染雨水对水环境的污染5。但是现阶段针对质量初期冲刷现象仍然有很大的争议,依靠质量初期冲刷现象来识别污水还不是一项成熟、可靠的技术。质量初期冲刷现象描述的是,一次降雨过程中初期径流中的污染物累积量占总污染物累积量的比例应该要大于初期径流量占总径流量的比例,即降雨初期时,污染物质量累积的速度大于降雨
13、径流量产生的速度。为了判定一次降雨中质量初期冲刷现象是否发生,需要规定有多少比例的初期降雨满足该条件时才认为本次降雨发生了质量初期冲刷现象。首先,这一规定并不统一,在没有统一的判定条件情况下,也就无法准确给出基于水量的雨污分流决策6。此外,同样的判定标准对于不同的实际应用场景不总适用,有研究表明,按照某些判定标准,在部分实际场景中质量初期冲刷现象发生的概率很低7,而且即便发生了初期冲刷现象,水量-水质关系也随实际应用的环境背景而发生显著变化8。当下垫面、管道拓扑结构、污染物类型等发生变化时,判别标准也需要不断变化,使得依靠质量初期冲刷现象来进行雨污分流的方法在实际操作中难以稳定实现,准确性和普
14、适性都有待提升。通过研究初期冲刷现象来估计污染程度和降雨时间、降雨量的关系,进而间接地识别出雨水中高污染的污水部分,可能并不是未来的发展方向。随着在线水质监测技术的不断发展,对降雨过程中雨水水质的实时、准确监测已经具备了可行性。通过直接获得雨水的水质数据来进行雨水中污水的识别成为雨水治理的新方向,因为直接根据雨水的污染程度来进行雨污分流决策避免了间接关系带来的误差和不确定性,决策逻辑简单,且具有普适性。但是由于现阶段的第一代和第二代在线水质监测技术仍存在一定的准确性、泛用性、稳定性欠佳的问题9,这种基于在线监测的雨污分流系统还没有成为一项成熟的技术,相关的研究仍在探索阶段,没有被普遍应用。对于
15、雨水水质在线监测的及时性、可靠性和分流的精细性,仍然需要更多的实际应用来验证。本研究开发了基于多源光谱法的在线监测平台,使用的是自主研发的多源光谱法水质监测方法,相较于传统的在线水质监测技术有显著的提升,可以最大限度地保证在线监测的高效和准确;并将其整合到了一个直接根据水质数据进行雨污分流决策的智能雨污分流系统当中10,在杭州的一处直排到河道的雨水管上进行实际应用,对本研究中开发的基于多源光谱法在线监测的智能雨污分流系统的实际应用效果进行了测试和评估,以期为该新型系统的未来推广和雨水治理领域相关研究的进一步发展提供理论支持。第8卷第3期471问题背景1.1整体架构本研究所提出的雨污分流方案是高
16、度集约化的,通过利用在线监测得到大量、实时的水质数据,对雨水和污水进行识别,进而实现智能分流,避免应该进入污水厂接受处理的污水进入直排入水体的雨水管中。如图1所示,雨污分流计算系统是体系的运转核心,计算系统需要对采集到的在线水质数据进行分析并识别出雨水和污水,将识别结果传递给雨污分流控制系统,实现雨水和污水的分流。要想实现体系的自动化运转,计算系统的设定至关重要,管理人员可以根据来水和受纳水体的实际情况来拟定计算系统的决策参数,如决策变量、阈值、关联控制逻辑等。图1基于多源光谱法在线监测的智能雨污分流系统工作流程图Fig.1Diagram of the intelligent rainwate
17、r sewage shuntingsystem based on multispectral online water quality monitoring后端的雨污分流控制系统是雨污分流的直接执行环节,相较而言,最前端的数据采集环节从技术上来说更具有挑战。稳定、准确、实时的在线水质数据是实现智能雨污分流的前提,在本研究中,符合系统要求的高效数据采集是基于多源光谱法实现的,这项技术可以很好地保障雨污分流决策的精确度。1.2多源光谱法在线监测平台在线监测对象是水质指标,用于雨水和污水的分类决策。参考地表水环境质量标准(GB 38382002)11,常用的决策指标有化学需氧量(chemical o
18、xygen demand,COD)、生化需氧量(biochemical oxygen demand,BOD)、总有机碳(total organiccarbon,TOC)、高锰酸盐指数(permanganate index,CODMn)、总磷(total phosphorus,TP)、总氮(totalnitrogen,TN)、氨氮(ammonia nitrogen,NH3-N)等。从检测技术的角度来说,这些综合性分析指标体现了水体中大量化学成分的综合效应,而不是单一成分的确定性效应,因此,难以用传统上使用单一理化指标分析的传感器来感知和测量。与此同时,分析过程会受到水体中极其复杂的干扰因素的影响
19、,对传感和分析过程的鉴别能力提出很高的要求。水质有机物综合分析指标的上述特点导致其分析过程复杂化,国家标准规定的分析流程操作步骤多,耗时长,需用的分析设备和分析试剂多,需要大量人工介入,因此,要将其转换为高度自动化的快速在线分析时,需要解决一系列关键技术难题。按技术产品进入市场的先后划分,水质有机物综合指标在线分析技术的发展经历了三代,即第一代在线化学分析仪表、第二代在线紫外线(ultraviolet,UV)吸收光谱分析仪表、第三代在线紫外线融合荧光(fluoresence,FL)形成紫外荧光光谱融合分析仪表12。第一代和第二代技术具有互补的技术特点,因此,目前在市场上共存;第三代技术的出现弥
20、补了前两代技术的一些重要缺陷,是水质有机物综合指标在线分析技术的发展方向。第一代在线化学分析仪表是将水质有机物综合指标的实验室常规化学分析流程自动化,采用了电磁阀、滴定泵、电加热器、自动比色计、电磁搅拌器等自动化设备来代替人工分析设备,由嵌入式计算机系统整合整个分析流程,实现在线分析。因此,此类仪表具有相当于实验室化学分析法的分析精度(通常为5%),以及按照国家标准人工分析的可信度,同时因为排除了人工分析时的多余动作,其分析速度明显提高。但是这种方法和实验室分析一样需要采用化学试剂,化学反应部分的用时很难缩短,同时仪表的结构复杂,维护困难,且试剂投加的人力物力成本不容忽视,对场地的环境也有一定
21、要求。进一步限制其应用的一大问题就是缺少灵活性,当测量某种指标遇人工干预(如分流水质判别标准修改等)雨污分流计算系统数据采集雨污分流控制系统污水处理厂河道直排雨污混流管网水质实时传感器雨污混流管网水文实时传感器孙铭壮,等:基于多源光谱法在线监测的智能雨污分流系统构建与应用三峡生态环境监测http:/ nm)的连续光谱光束穿透水体时,其能量会被其中各种有机物分子选择性吸收,通过测量光束接收端的UV吸收光谱强度,再通过复杂的数学模型计算出水体中有机物综合指标的测量值9。这种在线测量方法的分析速度快,无试剂,设备结构简单,免维护,设备安装所需场地环境要求较低,设备建设投资和设备维护成本均较低,很适合
22、用于无人值守的大范围在线水质分析、环境污染监测。第二代水质分析方法于2005年被国家环境保护总局列入国家环境保护行业标准紫外(UV)吸收水质自动在线监测仪技术要求(HJ/T 1912005)13。尽管如此,第二代在线监测技术仍然有着显著的缺陷:(1)UV波段的发射光束能量除了被水体中的有机物分子吸收外,也很容易由于被水体中的不透光无机物质遮挡而发生衰减,而光束接收端无法区分这两种情况,从而导致测量过程受水体浊度的不确定干扰很大,在浊度偏高时,仪表的测量精度会显著下降;(2)当水体中有机物浓度较低时,UV光束能量的吸收率很小,导致仪表的信噪比显著降低,因此,此类仪表在低浓度测量时性能明显恶化。综
23、合考虑第一代和第二代在线监测技术的优缺点,在本研究中采用的是自主研发的第三代水质在线分析技术,即在线紫外线耦合荧光(UVFL)光谱融合分析仪表,选用了一台地下管网多参数水质快速检测设备(HAF-03G,希玛诺光电技术有限股份公司,中国)来完成在线水质数据收集。第三代水质分析技术的关键是引入了现场FL分析技术,并与UV吸收光谱分析技术有机融合,显著提升了水体有机物综合指标的在线分析性能14。现场FL光谱分析采用单个或多个特定波长的高功率密度激发光源照射待分析的样品,使其中的有机化合物和生物吸收能量后由基态跃迁至高能级15。激发光源撤除后,有机分子跃迁至原有能级,将在一定波长下发射出光子,构成的F
24、L发射光谱波长和强度分布与有机物质分子的结构特性相关。采用高灵敏度的光电转换器件将此FL发射光谱转换为电信号并输入计算机,即可获得被测样品中有机物分子构成种类及其含量的相关信息16。现代FL光谱分析技术已发展出同步FL光谱分析、三维FL光谱分析、激光诱导FL光谱分析、时间分辨FL光谱分析等一系列新方法,大大提高了荧光分析技术的敏感度和稳定性。相比于第二代技术核心的UV吸收光谱,第三代水质分析技术所引入的FL光谱有着高灵敏度、高选择性、抗干扰的优点,但是FL光谱分析的稳定性稍差,而且在特定情况下会出现荧光淬灭现象,进而在某些情景下带来较大的测量误差15。因此,在本研究所采用的第三代水质分析设备当
25、中,综合采用了UV和FL光谱,并将两者获得的结果进行合并分析,实现了在线紫外线耦合荧光光谱融合分析,进而让两种分析方法优势互补,互相补盲,让测量仪表的分析精度和稳定性得到显著提升。如图2所示,在本研究中,会用不同波段的激发光源同步照射水样,分别生成待测样品的UV吸收光谱和三维FL发射光谱,随后各自提取特征,并采用算法进行光谱特征的平衡与组合,之后建模分析,获得水样中有机物的综合含量17。相比于第二代单独使用UV,本研究中的方法对高浊度和低浓度的情景都有了对策。高浊度往往意味着有较多的不溶性无机化合物,FL的加入让系统对无机杂质的影响有了很强的抗干扰能力;低浓度时,UV的灵敏度下降,而FL仍十分
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