我国水质在线监测系统的发展与展望.doc

我国水质在线监测系统的发展与展望

1 引言
水质污染自动监测系统(WPMS)是一套以在线自动分析仪器为核心，运用现代传感技术、自动测量技术、自动控制技术、计算机应用技术以及相关的专用分析软件和通信网络组成的一个综合性的在线自动监测体系。WPMS可尽早发现水质的异常变化，为防止下游水质污染迅速做出预警预报，及时追踪污染源，从而为管理决策服务。
水质自动监测在国外起步较早，我国在水质自动监测、移动快速分析等预警预报体系建设方面尚处于探索阶段。1998年以来，我国已先后在七大水系的10个重点流域建成了100个国家地表水水质自动监测站，各地方根据环境管理需要，也陆续建立了400多个地方级地表水水质自动监测站，实现了水质自动监测周报。目前国内所用的自动化监测系统多为国外进口设备，水质自动化监测装置在制造上已不能满足快速发展的水质监测的需要，因此，国产化自动监测仪有广阔的开发前景和潜在的销售市场。
WPMS可以实现监测自动化、实现水污染的预警预报，对于防止污染事件的进一步发展可起到至关重要的作用；WPMS还可以实现水质信息的在线查询和共享，可快速为领导决策提供科学依据。
2 水质在线监测系统的组成
水质在线监测系统由采样单元、分析测试单元(监测仪器)、数据采集与传输单元、监控中心四部分组成。目前，应用比较多的是水质COD、NH3-N、TOC、 TN、TP、五参数、UV等在线监测系统。
2.1 采样单元
目前大多数采用自吸泵或潜水泵方式采样，建议采用 10～20目的金属筛网阻隔，避免漂浮物堵塞采样口。自吸泵扬程应保证大于实际采样高度的2倍。采用潜水泵采样的系统，应保证潜水泵在液位变化情况下能正常工作。
2.2 在线监测仪器
(1)COD在线监测仪器
根据氧化方式不同，可将COD在线监测系统分为两大类，即采用重铬酸钾氧化和非重铬酸钾氧化方式。重铬酸钾氧化方式可分为重铬酸钾消解—光度测量法，重铬酸钾消解—库仑滴定法、重铬酸钾消解—氧化还原滴定法。非重铬酸钾氧化方式可分为臭氧(混合氧化剂)氧化—电化学测量法羟基氧化—电化学测量法。
(2)NH3-N在线监测仪器
NH3-N在线监测仪可分为滴定法、比色法、铵离子选择电极法、氨气敏电极法、电导法等方法。
(3)TOC在线监测仪器
按原理不同，可将TOC在线监测仪器分为燃烧氧化—红外吸收法、紫外催化氧化—红外吸收法和电导法。
2.3 数据采集与传输单元
数据采集传输仪通常采用单片机、可编程控制器或工控机方式，不论哪种方式，通讯协议应全国统一，以方便仪器连接通讯。数据传输方式可采用电话线、 GPRS、GSM、局域网、无线电台等多种方式。
2.4 监控中心
监控中心的主要作用就是接收、汇总、统计各污染源的监测数据。
3 水质在线监测系统的发展历程
目前在我国生产销售水质在线监测系统的厂商约有 50家，通过认证的厂家有30多家。我国水质在线监测系统经过十几年的发展，从技术引进吸收到拥有自主产权的专利产品，从半自动化发展到信息化，从作坊形式发展为监测专用仪器的支柱产业之一，涌现出一批技术精良、服务周到、规模较大的龙头企业，纵观水质在线监测系统的发展历程，大致可以分为以下三个阶段。
3.1 初期阶段
1996年，国家环保局发布的《排污口规范化整治技术要求(试行)》中规定：列入重点整治的污水排放口应安装流量计；一般污水排污口可安装三角堰、矩形堰、测流槽等测流装置或其他计量装置。全国规范化的排污口开始安装流量计和采样器，这可称为最初的在线监测系统。
自上世纪90年代初到2001年，国产水质COD在线监测仪器开始问世，主要生产企业有：北京环科环保技术公司、南京德林环保仪器有限公司、兰州炼化环保科技有限公司、河北先河科技发展有限公司、山东省恒大环保有限公司、广州怡文科技有限公司等，在重点省份、重点行业开始推广应用，为国产COD在线监测系统奠定了基石。此阶段的特点可归纳为以下几点：
(1)产品较单一
最初排污现场仅安装流量计、采样器和水质COD在线监测仪器，因此，根据行业发展需求，各公司推出了自己的产品，但基本都是采用重铬酸钾氧化原理的 COD在线监测仪器。 (2)生产规模小
受市场需求制约以及环境管理对在线自动监测的认识不够等多方面因素的影响，各公司的资金、技术投入较小，生产企业的规模都小于20人，且以手工单台组装调试为主，没有形成规模化生产。
(3)产品质量不稳定
由于当时利用重铬酸钾氧化原理的水质COD在线监测仪器为全新产品，国际上无经验可借鉴，将实验室 COD的手工分析流程浓缩成机械化产品，高温、强酸等因素影响产品的稳定性，加之国内元器件质量不过关，使得整机的稳定性受到影响。
(4)安装量小
2001年前，全国已安装的COD在线监测仪器约百余台，且集中在经济发达省份(如江苏、浙江等)，而经济欠发达地区，几乎都没有安装COD在线监测仪器。
3.2 发展阶段
2001年，国家环境保护总局颁布了化学需氧量(COD)自动在线监测仪产品技术要求(HBC6-2001)，根据此技术要求，国家环境保护总局环境监测仪器质量监督检验中心对COD在线监测仪器进行了适用性检测，已有30多家企业的产品通过适用性检测。此阶段的特点有：
(1)产品逐渐多样化
根据环境管理要求和市场需求，在此背景下，国内生产企业开始研制其它水质在线监测系统，如 COD、NH3-N、TOC、TN、TP水质五参数等在线监测仪器。
(2)产品质量逐渐稳定
经过几年现场的安装运行，逐渐摸索出适合中国国情的水质COD在线监测系统，从仪器各零部件的选择、采样方式、消解方式、数据传输等多方面对仪器进行了改进，使得仪器的稳定性得到飞速提高。
(3)生产厂家急剧增加
本阶段，国际上知名大企业开始逐渐进入中国市场，如岛津国际贸易有限公司、美国HACH公司等都带来了自己先进的产品，国内生产厂商如雨后春笋般的涌现出来，如江苏就有8家COD生产厂商。
3.3 网络化阶段
2006年以后，尤其是“污染源减排三大体系能力建设”项目实施后，要求占COD污染负荷60%以上的国控重点污染源必须安装在线监测仪器，且必须联网运行。初步形成由地(市)、省、国家的三级网络。安装仪器数量增多、运行管理逐步规范，尤其是出现了一批专业化运营维护队伍，对水质在线监测仪器的发展起到了推动作用。
4 水质在线监测系统的技术前沿
4.1 重金属在线监测技术
由于重金属污染的危害性，建立重金属污染预警系统对重金属污染进行实时监控，变得日益紧迫，重金属在线监测仪器的需求近年来也日益显现，目前重金属在线监测仪器基本依赖进口，进口仪器价格昂贵。为打破对进口仪器的高度依赖，针对重金属在线监测技术难题，不少科技创新企业通过加大科研投入，相继推出一系列重金属在线监测仪，填补了国内空白，结束了国外技术垄断的历史。
六价铬、铜、镍等重金属在线监测仪在电子工业发达地区已有小规模的安装，目前国内的主要生产厂家有南京德林环保仪器有限公司、北京环科环保技术公司等，但重金属在线监测仪品种比较单一，技术和质量与国外相比还有些差距，这方面的市场还有待开发。
4.2 水质毒性在线监测技术
海洋中的明亮发光杆菌经过驯化后，可以作为毒性的判断指标。通过实验逐步确定了氨氮、酚、六价铬、氟、硫化物、COD、H2S、Cl2、SO2等不同毒物间对发光细菌发光反应的抑制速率的差异，污染水质对发光细菌的影响程度以及与标准毒物HgCl2相对应的毒性等级。
通过测定发光细菌发光度的变化，量度被测水环境样品中由微生物、重金属和有机污染物所造成的急性生物毒性。与传统的将鱼、藻和其它水生生物作为检测指示生物相比，发光细菌法简便、快速、灵敏、适应性强、重复性好、精度高、费用低、用途广。发光细菌毒性检测最显著的特点是一次试验就能够定性或定量鉴别被测水样中的全部有毒物质，具有灵敏度高(ppm级)、准确度好(误差小于10％)、速度快、检测范围宽(包括铬、镉、铜、铅、镍、汞等重金属离子，DDT、有机磷等农药、24D等激素，洗涤剂、溶剂等有机和无机有毒物质)、方法简便，不需生物专业人员、检测费用低、适应性强，可在现场检测，也可在实验室检测等优点。
但目前我国还没有水质综合毒性检测系统的生产厂家。国内企业格维恩科技有限公司、上海艾晟特环保科技有限公司等都是代理销售，还没有形成自己的产品。随着人们对水安全的重视，对水质综合毒性的在线测定变得日益重要，这方面的市场潜力还是相当大的。
4.3 生物传感器的应用
生物传感器测定法是利用生物分子优良的分子识别功能，结合转换功能进行测定的检测方法。利用与待测物质具有良好选择反应的生物分子进行测定。随着反应的进行，生物分子及其反应生成物的浓度会发生变化，通过转换器变为可测定的电信号，从而达到选择性测定待测物质的目的。
目前已经有相当数量的生物传感器投入到大气和水中各种污染物质含量的监测中，在发达国家如英国、法国、德国、西班牙和瑞典，在水质检测过程中都采用了生物冷光型的生物传感器。生物传感器因其具有快速、连续在线监测的优点，将会有更广泛的应用，在测定二恶英等剧毒物质时能够做到安全检测。
4.4 荧光法的应用
荧光法是一种测定水中溶解态有机污染物的方法，用320nm激发波长，在430nm测定荧光强度可获得有机污染物的信息。与260nm测定DOC的UV信息有良好的相关性，且灵敏度和精确度都比UV法好。荧光法在自动监测系统中的应用前景很好，早在“九五”攻关中，中国环境监测总站就使用了排水中油类的直接荧光法自动监测。
目前代理销售的企业主要有北京爱格森自动化有限公司、北京渠道科学器材有限公司、北京首选科技有限公司等。 4.5 酶联免疫法(ELISA)的应用
生物法中，常用的生物分子是酶及抗体，即酶联免疫法(ELISA)、聚合酶链式反应(PCR)、表面胞质团共振检测(SPR)等。常用的转换器有电极、各种光学装置及石英振子等。 日本报道了生物检测法(ELISA)使用二恶英类自动前处理装置。大肠菌群是地表水和饮用水源地的必测指标，其自动监测的实现可大大减少监测人员的工作强度，在其自动监测系统中使用了与培养法完全不同的原理，即生物发光、化学发光法。
以酶联免疫法(ELISA)为原理的检测技术是目前发展的最新领域，用于化学毒性物质检测具有以下特点：
(1)具有很高的灵敏度，仅用少量试样便可完成检测；
(2)选择性好，且比仪器分析的试样前处理方法简单，操作简便、快速；
(3)能得出环境污染物对生态影响的直接及综合信息； (4)设备价廉，能够实现自动化，并可应用于多个试样同时处理，快速检测。
我国已颁布了采用ELISA的水和土壤等中污染物的检测方法。
5 水质在线监测系统的展望
水质在线监测系统在发展历程中主要存在以下问题： (1)产品集中度过低，企业规模偏小，缺乏长远利益的共识，竞争无序；
(2)产品品种单一，高新技术含量低，功能趋同化严重，质量难以持续稳定；
(3)缺乏产业规制，企业进出条件要求较低；
(4)资金紧缺，限制了发展。
与国外的连续自动监测产业相比，我国的连续自动监测产业尚处于发展初期，针对发展中存在的问题，不论是政府、水质在线监测系统生产企业还是排污企业自身都应该拿出积极稳妥的方案以应对国际和国内的竞争态势。
5.1 加强核心技术的研发，应对日益多样化的环境监测需求 连续自动监测企业应加强与高校和研究部门的合作，提高产品的技术含量，丰富产品种类，使产品功能多样化，增强企业的竞争实力，以应对环境监测和环境管理发展的需要，国家应根据未来环境管理发展的需要，加强技术引导，加大对关键技术的投入力度，提高并加快系统的国产化率，引导企业的技术走向。
5.2 加强企业间合作，促进仪器生产规模化
在配合产业规划，提高行业进入门槛的同时，对现有的连续自动监测仪器企业进行企业间合作和兼并的引导；对重点企业加大支持力度，出台减免税收等优惠政策；促使仪器生产规模化，尽快建立现代企业制度， 淘汰作坊式生产和家族式管理模式，提高产品质量的稳定性。企业间的合作不仅应表现在技术的共同开发上，而是应更多地表现在市场的开拓、销售和运营维护的配合以及技术人员的培训上；兼并也不应仅表现在同类企业之间的以大吃小，而应更多地表现在不同类企业以及上下游企业间的优势互补上。
5.3 制定和修订相关规范
为配合污染源减排三大体系能力建设项目实施，环境保护部相继制定和修订了一系列标准，如《水质在线监测系统安装技术规范》、《水质在线监测系统验收技术规范》等，为规范水质在线监测系统的安装、运行奠定了基础。但是，随着环境管理的不断加强，随着仪器种类的不断增多，还应制定新的规范或标准，对已有不适应要求的规范标准要进行修订，如《水质在线监测仪器安装验收、安装标准》中，验收周期长、工作量大、低浓度指标要求过于严格等问题。
5.4 控制产品质量，执行环境监测仪器认证制度
加大对环境监测仪器的监督管理，建立和完善环境自动监测系统资质认证认可制度。适时完善环境监测仪器的发展规划和技术政策，明确水质环境监测仪器发展方向，指导和规范环境监测仪器的健康发展，避免企业盲从。要通过中国环境监测总站对环境监测仪器的技术水平和质量状况进行适用性检测，并向社会公布。
5.5 规范化运营与管理
在线监测系统的运营与管理是保证在线监测正常运转的基石，规范化的运营已是迫在眉睫。环境保护部对运营单位进行资质认可，对运营人员进行持证上岗考核，出台了《自动在线监测运营管理办法》，逐步规范了在线监测系统的运营。目前在线监测系统的运营已成为在线监测系统经济发展的增长点之一，运营管理已由无序向有序、由“游击”方式向专业化方向转变。
5.6 产业发展
(1)以目前人工采样和实验室分析为主向自动化、智能化和网络化为主的监测方向发展；
(2)由劳动密集型向技术密集型方向发展；
(3)由较窄领域监测向全方位领域监测的方向发展；
(4)由单纯的地面环境监测向与遥感环境监测相结合的方向发展；
(5)环境监测仪器将向高质量、多功能、集成化、自动化、系统化和智能化的方向发展；
(6)环境监测仪器向物理、化学、生物、电子、光学等技术综合应用的高技术领域发展。
文章链接：工控网(百站)