饮用水水源水质安全监测预警技术发展综述_赵志伟.pdf
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1、饮用水水源水质安全监测预警技术发展综述赵志伟*,王菲,张诗雨,李莉,梁志杰,刘国臣,李秀麟(重庆大学环境与生态学院,重庆400716)摘要:水是保障世界和平和安全的重要因素,水质安全问题频发引起人们的广泛关注。有毒有害化学物质的生产和使用是水体新兴污染物的主要来源。战争、恐怖活动和国际冲突也可能造成大范围水污染和卫生设施的严重破坏,进而造成比战争本身更大的灾难。落后的水质安全不能满足人民期待拥有更加绿色可持续的水生态环境和更加安全健康的饮用水的需求。如今国内外广泛使用的水质安全监测预警技术主要包括生物监测和理化监测,本文就水质安全监测预警技术的发展进行综述介绍,为水质安全精准监测和预警提供辩证
2、借鉴。关键词:饮用水;水质安全;在线监测;生物预警;物理化学预警中图分类号:X832文献标志码:A文章编号:2096-2347(2023)01-0001-10收稿日期:2022-09-21基金项目:军队后勤开放研究项目(BY117J019)。作者简介:赵志伟,博士,博士生导师,主要从事水处理研究。E-mail:hit_引用格式:赵志伟,王菲,张诗雨,等.饮用水水源水质安全监测预警技术发展综述J.三峡生态环境监测,2023,8(1):1-10.Citation format:ZHAO Z W,WANG F,ZHANG S Y,et al.Review on the development of
3、water quality safety monitoring and early warning technologyJ.Ecology and Environmental Monitoring of Three Gorges,2023,8(1):1-10.DOI:10.19478/ki.2096-2347.2023.01.01Review on the Development of Water Quality Safety Monitoring andEarly Warning TechnologyZHAO Zhiwei*,WANG Fei,ZHANG Shiyu,LI Li,LIANG
4、Zhijie,LIU Guochen,LI Xiulin(College of Environment and Ecology,Chongqing University,Chongqing 400716,China)Abstract:Water is an important factor to ensure world peace and security.The frequent occurrence of water quality safety problemshas aroused widespread concern.The production and use of toxic
5、and harmful chemicals are the main sources of emerging pollutants in water bodies.War,terrorist activities and international conflicts may also cause large-scale water pollution and serious damage to health facilities,and then cause greater disasters than the war itself.At present,the widely used wa
6、ter quality safety monitoring and early warning technologies at home and abroad mainly include biological monitoring and physical and chemical monitoring.The poor water quality safety can not meet the people s general expectation of having a greener and sustainable water ecological environment and a
7、 safer and healthier drinking water.This paper summarized the development of water quality safety monitoring andearly warning technology to provide evidence for accurate monitoring and early warning of water quality safety.Key words:drinking water;water quality safety;online monitoring;biological ea
8、rly warning;physical and chemical early warning水安全是生存的基础性问题,事关战略全局、事关长远发展、事关人民福祉。与此同时,水源之危是生存环境之危、民族存续之危。目前突发投毒污染水源水质事件时有发生,具有很强的偶然性和不确定性,同时造成的危害也是不可逆的,对人类的健康和生命安全构成巨大威胁。水体突发性投毒污染的途径很多,包括非法排放工业废水、企业意外泄漏、自然因素、交通事故、人为因素等。常见的投毒污染物质包括重金属离子、有机农药、工业废水、危险化学品、生物污染源三峡生态环境监测Ecology and Environmental Monitorin
9、g of Three Gorges2023年3月Mar.2023第8卷第1期Vol.8No.1研究综述三峡生态环境监测http:/ 1 统计发现,仅 2000 年至 2011 年12 年间,全国共发生重大投毒和突发性水污染事件1 176起。对近20年国内典型突发性水污染和投毒事件进一步分析可知,每年都会发生突发性水质污染和投毒事件,且突发投毒污染物尤以重金属离子和有机化学品居多,对人民的生产、生活产生巨大的危害(详见表1)2-8。表1国内近20年典型突发性水污染事件统计信息Table 1Statistics of typical domestic sudden water pollution
10、incidents in China in the past 20 years年份200220022003200320052005200520122015201620162018201920212021地点浙江省宁海县广西金秀县浙江省富阳市广西百色市河南省洛阳市重庆市江西省赣州市山西省长治市安徽省池州市江苏省常州市福建省永安市广东省东莞市广东省广州市浙江省永嘉县贵州省仁怀县污染物农药砒霜苯乙烯农药尾矿污水毒药污水苯胺污水重金属废水废水废水电镀废水冷却水事件简介在取水口上游约200 m处用农药“鱼虅”投毒毒鱼,县人民政府紧急停水6 h600 kg砒霜因翻车倒入三角河苯乙烯液体因翻车泄漏永昌溪,两
11、岸万余村民的饮水安全受到严重威胁一辆货车失控,4 t多剧毒农药泄漏,1人受重伤尾矿坝溢流巷发生泄漏,给伊河支流北沟河造成较大污染6名学生毒鱼污染饮用水源,危及1 000多居民生命安全超标工业废水排向章江饮用水水源,市自来水公司一水厂中断供水22 h导致浊漳河水污染,殃及下游的安阳、邯郸等地,一度导致邯郸市部分地区临时停水,严重影响居民用水灌溉水被污水污染,田地荒废,苯含量超标136倍水污染造成493名学生检出皮炎、血液指标异常等三明永安市田龙纺织染整公司夜间偷排废水。化学耗氧量排放浓度超过 纺织染整工业水污染物排放标准(GB 42872012)规定的排放标准补给舰供应链管理有限公司用消防软管抽
12、取废水偷排广州某食品有限公司用抽粪车抽取工业废水偷排进雨水井某电镀厂涉嫌排放未达标的工业废水。仅2021年10月,就非法排放未达标工业废水2 000余t仁怀市文洋酒业有限公司冷却水直排,水质发黑由此可见,饮用水水源水质安全问题一直是人们关注的重点问题,事关公众生命安全和市政工作的正常进行。为确保城市供水重大突发事故应急处理的高效、有序进行,最大限度地预防和减少突发事故及其造成的损害,各种供水水质安全应急技术层出不穷。威海市水务集团先后投入近300万元购置了先进的检测仪器,虽然能够通过理化方法检测水质参数,但是成本高昂;全国范围内,尽管各县已基本建立县级水质检测中心,但其正常运行比例不高,检测覆
13、盖范围不广,检测频率不足 9;清华大学利用三维荧光光谱与污染源一一对应的特点,提出“水质指纹”的概念,由此发展出水质指纹比对分析方法,以此来查找污染排放源 10-11,但是也存在误差较大的弊端;哈尔滨工业大学研究团队基于谱分析与荧光响应来进行水污染预警溯源技术的开发 12;杜岗等 13 针对传统水污染监测技术的不足,设计了一种集成GPS全球定位、GPRS网络数据传输、ZigBee无线传感网络、超声波流量检测、压力检测和污染物快速检测等多项技术于一体的预警监测系统。近几年一些预警技术实际案例统计信息见表2 14-17。总而言之,供水水质安全预警技术已经不单单局限于某个硬件设备,而是应该将硬件、软
14、件和监测网络进行紧密结合,打造一体化的新型水质预警溯源系统,快速检测水质异常,识别排水系统和受纳水体中的潜在污染源。第8卷第1期3表2预警技术实际案例统计信息Table 2Statistics on actual cases of early warning technology时间2010201120142014年底20152016201720192021地点原水取自黄浦江的上海某水厂太湖流域福建省九龙江流域北京市南水北调工程石家庄岗南和黄壁庄两座水库浙江省东苕溪水源地哈尔滨磨盘山水库广东省东莞市内蒙古赤峰市预警技术简介采用常规水质监测仪器、直接测量综合毒性的生物毒性仪以及实时快速响应的紫外
15、光谱扫描仪,以达到尽可能早发现污染事件,并尽可能早判别污染特征物的目的监测数据通过网络传输到省级监控平台,专人负责数据分析,发现水质数据异常后首先与地方质控人员进行核实,确认为非仪器原因造成的水质异常后及时发布预警信息,省环保厅相关督查单位将赴现场排查污染源收集流域的水环境状况,包括河流地形地貌、水文水量、水动力以及污染源、水环境质量等基础材料。综合分析影响预警预报的各个因素,在此基础上进行预警指标和预警值的设定,并通过软件设计自动实现在中心站监控平台上具备预警预报功能在惠南庄泵站、大宁调压池、团城湖调节池设置鱼类及在线荧光预警监测系统,在北京与河北交界处、永定河倒虹吸入口处以及各水厂取水口设
16、置闸门构成“三道防线”选取了16个代表性点位开展了基于风险评估的特征污染物筛查,利用生物、化学、病毒和病原微生物等方法,进行生物鱼行为毒性响应关系试验,构建了石家庄特征模式识别算法模型应用MIKE11模型构建了流域水动力和水质耦合模型,模拟上游水污染突发事件发生后污染物到达东苕溪水源地取水口的时间,以此进行水质预警通过研究市区供水管网系统,开展城市供水管网水质在线自动预警监测系统构建供水企业每日进行自检上报,东莞市水质监测中心应对所有应急数据进行汇总分析,及时将相关情况反馈至东江沿线水厂,以发挥供水水质监测预警系统的作用,减小泄洪排涝、咸潮期间对供水安全的影响开发设计了监控平台数据向手机推送短
17、信预警的软件程序,针对超过设计处理能力的数据,及时向赤峰北控水质净化有限公司工作人员发送手机短信进行预警提示1水质毒性在线监测预警的概念与意义1.1水质毒性在线监测预警技术的概念水质毒性在线监测预警是以化学分析法、色谱法、质谱法、光谱法和生物传感法等,实现对水中毒性物质的实时在线监测并且将水质风险情况及时反馈给用户端的预警系统。即通过在监测设备和物联网预警之间搭建高效快速、安全稳定、实时传输的应用平台,实现水质毒性在线监测和预警两大功能。目前,水质毒性在线监测预警方法主要为理化监测和生物监测。理化监测主要是通过各种实验仪器直接测定水体中有害物质的浓度,虽能精准地定性且定量但费时较长;生物监测主
18、要是利用生物学的方法,通过观察种群、群落或生物个体对环境污染所产生的反应,包括行为反应、神经系统反应、呼吸系统反应等指示环境的污染状况。两种方法各有利弊,互为补充。1.2水质毒性在线监测预警技术的意义在复杂动荡的战争冲突、恐怖袭击和突发性水源污染种种综合背景下,水源水质毒性在线监测预警系统起到了不可忽视的作用。首先,能够对输送水体中各种目标毒物的变化做出及时、快速的响应,以便给信息接收端最充分的处理时间来遏制危险行为、确保用水安全。其次,能够给用户端实时提供水质参数变化的信息,包括各项水质指标的浓度等,通过对不同位置水质参数的汇总处理,综合得出水中污染物的时空负荷和演变,有利于更快溯源和寻找解
19、决水质问题的办法。最后,水作为生态环境的重要组成部分,饮用水水源水质污染的在线监测预警是生态环境的整体监测中不可缺少的一环,是降水、土壤等其他环境监测的重要辅助和参考。赵志伟,等:饮用水水源水质安全监测预警技术发展综述三峡生态环境监测http:/ 18。红外光谱可以连续测量液相或者气相波长大于760 nm的有机化合物水样,但是样品通常需要预处理,故不能用于在线水质监测。荧光光谱法能够通过扫描液相荧光标记物的荧光强度定性鉴别及定量测定多种污染物,但是荧光局限性比较大,不能广谱应用。大部分有机化合物具有一定特征的官能团,可以采用紫外光谱法对污染物进行广谱筛查,并且对水中的毒性物质进行定性和定量分析
20、。深圳水务集团开发的水质毒性生物监测仪能够通过记录斑马鱼的游动轨迹来监测水质,同时同步采用荧光光谱和生物光谱等光谱技术,已经用于水中污染物的在线监测预警 19。但是市场上通过生物或光谱起到预警预报的系统大多监测方式单一,误报警率较高,且实用性和通用性有待提高,难以满足使用需求。而且光谱技术成本高昂,涉及复杂的分析程序,仪器设备精密复杂,包括激光器、光电探测器等零部件,需要配备训练有素的工作人员。2.1.2电化学在线水质监测预警技术电化学检测是根据溶液基质的电化学性质及其变化规律,建立在电流、电位、电导率、电化学阻抗和电化学发光等检测信号与被测物质某些量之间的计量关系的基础之上,通过对组分进行定
21、量与定性分析的一种方法。电导率、pH、溶解氧等水体基本参数的检测就是通过电化学原理实现的 20。电化学检测技术也多应用于检测各种重金属离子,与光学技术相比,电化学检测具有应用门槛低、成本低廉、实时监测快等优点。最新的电化学检测重金属离子传感媒介取材广泛,例如:金属、金属薄膜、金属氧化物、纳米材料、碳纳米管、聚合物、微球和生物材料 21。这些电化学技术程序简单,非常适合以便携式设备的形式在小型电路上制造,用于污染水质的现场监测,但是在实际测试和具体应用中却存在一定的困难与挑战。与光谱和光学技术相比,这些电化学技术的灵敏度和检测限较低,在应用时电化学测试设备容易出现故障,对样品要求高。所以近年来各
22、种电化学技术与不同的生物传感电极相结合,通过修饰电极材料来提高其灵敏度和检测极限。2.1.3化学发光在线水质监测预警技术化学发光分析法在水质监测中应用广泛且效果极佳。该方法是利用未受外界的电、光等因素影响而单纯依靠化学物质的化学反应所产生的辐射光强度、总量等参数确定监测对象成分和含量的方法,其原理是建立光强度和反应物质的浓度之间的映射关系,通过得到光强度,进而间接地测出待测物的浓度。但采用化学发光分析法需要满足一些必要条件,例如:足够的激光发射能量、分子可吸收大量的能量、处于激发状态的分子可直接或间接释放“光”22。市面上已经研发的产品繁多,例如,哈希公司研制的TX1315便携式水质生物毒性检
23、测仪就是利用化学发光的原理研制的。TX1315水质生物毒性检测仪集多种检测方法于一身,除了常见的发光细菌法,还支持化学发光法,无须提前复苏制备菌种,短短几分钟就可以得到测量结果,适合环境应急检测。但是细菌和化学品需要人为辅助更换,缺乏长期智能化检测的条件,无法胜任自动化在线水质监测。2.2生物在线监测预警技术20世纪初,一些发达国家最早开始利用生物进行环境水体监测研究。一直到20世纪80年代,生物在线监测预警技术才成为世界各国科研领域第8卷第1期5比较热门的研究方向。研究发现,目前能够用于水体在线监测预警的指示生物有发光细菌、藻类、水蚤、鱼类等。2.2.1细菌水质毒性在线监测预警技术细菌水质在
24、线监测预警技术利用最广泛的是发光细菌菌种。发光细菌是一类在常温常压条件下可以发射出在黑暗中可见、波长在450490 nm的荧光的细菌。在正常的生理条件下,发光细菌的发光强度一般是恒定的。当有毒性物质突发污染胁迫发光细菌时,其发光强度会受到抑制,且在一定的毒性范围内,毒物的毒性越强,发光强度越低 23。发光细菌法是利用光电倍增管放大检测在有毒环境样品中发光细菌的发光强度,来综合判断样品毒性大小的一种方法 24。唐承佳等 25 研究发现太湖贡湖湾水源地水体中的微囊藻毒素含量与青海弧菌Q67的发光强度有很好的关联性,可以通过测定青海弧菌的发光强度来评价湖体中的微囊藻毒素含量。LumiFox8000是
25、目前国内唯一一个研制成功以发光细菌为指示生物的水质毒性在线监测预警系统 26。该仪器能够快速检测地表水、地下水、饮用水、废水中的毒性,并且对水体投毒、污染物泄漏等突发水体污染事件也能够进行及时监测预警。西班牙科学家Fernndez 27 通过利用发光细菌监测托姆斯河的毒性状况发现,托姆斯河污染物的承载能力随着工农业废水的持续流入会逐渐下降。2.2.2藻类水质毒性在线监测预警技术藻类是一类比较原始、古老的低等生物,是从原始的光合细菌发展而来的。藻类植物主要分为淡水藻类和深水藻类。藻类生物监测技术主要是研究藻类在污染物刺激下其光合作用速率的变化、耗氧量的变化以及研究藻类在污染水体中现存量随时间的变
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