水質(zhì)監(jiān)測設備的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

李孟威 陳秀生 黃元鳳 江建博 唐懷壯 薛志原 呂國棟 張同帥

（1.濟南大學機械工程學院；2.山東金特裝備科技發(fā)展有限公司）

前些年，國內(nèi)外許多地方企業(yè)直接將工業(yè)污水排至河、湖里，出現(xiàn)很多飲用水或地下水污染事件。甚至有的企業(yè)為節(jié)省工業(yè)廢水凈化費用，通過一些極端方式，比如深挖水井將工業(yè)廢水直接壓入到地下一千多米的水層，長期這樣排放造成當?shù)氐叵滤Y源嚴重污染［1］。為了保證人們?nèi)粘Ｉ钣盟陌踩?，當?shù)卣仨毤訌妼λ|(zhì)的監(jiān)控，而有效的水質(zhì)監(jiān)控必需依靠相關的水質(zhì)監(jiān)測儀器。隨著近幾年工業(yè)的快速發(fā)展，江河湖泊乃至地下水中的有害化學物質(zhì)日益增多，傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測儀器因為測量參數(shù)少、穩(wěn)定性不高、測量準確性低，甚至有些還會給環(huán)境造成二次污染等缺點，已經(jīng)遠遠不能滿足現(xiàn)在的水質(zhì)監(jiān)測要求。因此，研發(fā)新式多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測設備已經(jīng)成為社會各界關注的重點，這類儀器雖然在國內(nèi)外某些企業(yè)和研究單位已經(jīng)有了批量生產(chǎn)，但還是因為關鍵技術上的一些瓶頸，研究出的設備仍無法滿足水質(zhì)監(jiān)測的要求。

1 水質(zhì)監(jiān)測設備的原理

目前市面上的水質(zhì)監(jiān)測設備有很多種，按工作原理可分為電化學分析法和分光光度法。

1.1 電化學分析法

電化學分析法是指應用電化學原理和相關技術［2］，構造一個原電池模型，來分析所測樣品的含量或者濃度，是利用電極種類、電解液的組成及含量和兩者之間的電化學性質(zhì)的關系而建立起來的一類分析方法。

1.2 分光光度法

分光光度法也被稱為吸收光譜法［3］，是通過測定被測物質(zhì)在特定波長處或一定波長范圍內(nèi)的吸光度或發(fā)光強度，對該物質(zhì)進行定性和定量分析的方法。

用紫外光源測定無色物質(zhì)的方法，稱為紫外分光光度法。目前紫外分光光度法越來越被學術界所研究和采用，這主要是因為采用紫外分光光度法原理研發(fā)出來的設備，在測量被測水域水質(zhì)時，不會對被測水域產(chǎn)生二次污染，只需將測量氙燈的燈光穿透過采樣溶液，再分析光譜的吸收特征與各污染物濃度之間的關系。只要找到它們之間的關系，就可以很容易地直接通過該方法測量出水質(zhì)中污染物的濃度。這個方法既簡單，應用性又強。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

西方一些發(fā)達國家早期的水質(zhì)監(jiān)測主要以人工檢測方式為主，需要檢測人員定期到水質(zhì)監(jiān)測點去取樣并將水樣帶到實驗室去分析，最后才能得到一個關于水質(zhì)的監(jiān)測報告。實驗室人工檢測分析存在檢測頻次低、采樣誤差大、檢測出的樣本數(shù)據(jù)不準確且分散、不能及時反映水質(zhì)變化情況并提前做出預警等缺點，這就大幅限制了水質(zhì)監(jiān)測的實際工業(yè)應用。隨著科學技術的發(fā)展以及自動化相關技術的發(fā)展與成熟（特別是在電子信息及通信技術、裝備制造技術及傳感器技術等方面），從20世紀中葉開始，國外的科研人員為了能夠盡早發(fā)現(xiàn)水質(zhì)的異常變化，并可以迅速做出水質(zhì)污染預警，及時追蹤污染源，他們在完善實驗室人工檢測的同時，也陸續(xù)開始研發(fā)水質(zhì)實時自動監(jiān)測系統(tǒng)，搭載該系統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測設備也隨之出現(xiàn)［4，5］。到了20世紀70年代末，美國、德國等一些發(fā)達國家加大了對水質(zhì)監(jiān)測設備的研發(fā)投入，對本國的重點水源區(qū)域和工業(yè)區(qū)實行水質(zhì)監(jiān)測。當時水質(zhì)監(jiān)測設備的監(jiān)測參數(shù)主要有水溫、電導率、渾濁度及pH值等，一個設備只能測一個或者兩個參數(shù)。到了20世紀末21世紀初，隨著世界工業(yè)化與城市化速度加快，人們對生活質(zhì)量的要求提高，水源污染與防治問題也開始受到了廣泛關注。原有設備的測定參數(shù)已經(jīng)不能充分顯示出水質(zhì)的好壞，這就需要增加水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)，此時人們將重金屬離子、非金屬離子、總氮、總磷、總酚、TOC、碳氫化合物、石油類、高錳酸鹽指數(shù)及微生物菌群等參數(shù)加入到了水質(zhì)監(jiān)測范圍內(nèi)［6，7］。

21世紀初出現(xiàn)了很多生產(chǎn)水質(zhì)監(jiān)測儀的知名企業(yè)，如美國的HACH公司、瑞士的METROM公司、意大利的SYSTEA公司及澳大利亞的GREENSPAN公司等，其中在我國高端水質(zhì)監(jiān)測設備市場占有率最高的是美國HACH公司生產(chǎn)的水質(zhì)監(jiān)測儀器。在線水質(zhì)監(jiān)測設備從測量對象種類上可分為單參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測設備與多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測設備，目前市場上成熟的產(chǎn)品絕大多數(shù)都是單參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測設備。美國HACH公司研制的NPW-160水質(zhì)分析儀，是現(xiàn)在市場上比較受歡迎的單參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測設備，采用比色分光光度法的原理進行檢測，應用于河水、地下水、市政污水以及化工園區(qū)工業(yè)廢水總磷的自動監(jiān)測。它具有當時最先進的多波長檢測器，能夠?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)中總磷的監(jiān)測，測量更加準確。同時具備濁度補償功能。這臺測量儀器具有耗材量少、自動清洗效率高、測量重復性高、測量快速準確、操作簡單、維護方便及壽命長等優(yōu)點，缺點是系統(tǒng)比較復雜、體積龐大等。多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀器的技術均沒有單參數(shù)儀器的技術成熟。其中最有名的是澳大利亞GREENSPAN公司推出的在線自動水質(zhì)監(jiān)測站——Aqualab，它能在一個機柜中完成10個水質(zhì)監(jiān)測項目：物理五參數(shù)、氨氮、磷酸鹽、硝酸鹽、氧化還原電位、氯化物，并可方便地擴展如TOC、COD、雨量計及流量計等，專門為野外環(huán)境而設計，功耗低、測量精度高。開始工作時，儀器先啟動采樣泵將水樣吸入儀器內(nèi)，并開始分析，分析結束后廢液被回收且將分析數(shù)據(jù)保留并存儲，同時通過通信單元可發(fā)送到中心控制室。此儀器具有藥劑消耗低、無需人看護、維護簡單、標定便捷及運行費用低的優(yōu)點。

我國水質(zhì)監(jiān)測技術起步較晚，到20世紀中后期才開始進行研究，在水質(zhì)監(jiān)測儀器研制方面遠遠落后于西方發(fā)達國家。近些年來，隨著我國經(jīng)濟水平的提高和工業(yè)化與城市化的迅速發(fā)展，我國對水質(zhì)監(jiān)測技術研發(fā)的投入大幅增加，在水質(zhì)監(jiān)測儀器設計方面取得了一定的進展。西安交通大學在2009年通過團隊不懈努力研制出國內(nèi)第1臺水質(zhì)監(jiān)測樣機，該樣機可以同時檢測各種水質(zhì)中的化學需氧量、pH值和氨氮3個指標，實現(xiàn)了對生活工業(yè)污水、地表水和地下水的自動監(jiān)控［8，9］。2011年重慶大學微系統(tǒng)研究中心的科研團隊在水質(zhì)監(jiān)測技術方面取得了重大突破并研制出一臺多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀。與西安交通大學的水質(zhì)監(jiān)測樣機不同的是，它可以同時對多種水質(zhì)中化學需氧量、總磷、氨氮及pH值等7個水質(zhì)參數(shù)進行監(jiān)測［10，11］。2018年，山東特檢科技有限公司在化工園區(qū)廢水監(jiān)測領域推出了一款JTTO型物料成分在線分析儀，此設備可以實現(xiàn)對化工園區(qū)水質(zhì)中pH值、堿度、硬度、氯化物、硫化物、磷酸鹽的在線檢測，該儀器采用了無線通信，并且支持RS485/232通信協(xié)議，實現(xiàn)了對現(xiàn)場水域的實時監(jiān)測，同時可以將測得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街锌厥也⒅瞥汕€，方便實驗人員根據(jù)圖像及時做出預警，為實際生產(chǎn)提供科學依據(jù)［12］。

近幾年，我國水質(zhì)監(jiān)測技術水平有了一定的提高，在水質(zhì)監(jiān)測領域能占有一席之地，但是與發(fā)達國家相比，還是有較大差距的。通過市場調(diào)研和實地工廠考察發(fā)現(xiàn)，我國各化工園區(qū)和自來水廠所用的高級水質(zhì)監(jiān)測設備主要以進口設備為主。在被監(jiān)測對象方面，針對化工園區(qū)廢水監(jiān)測的設備種類少且監(jiān)測指標單一。在濰坊各化工園區(qū)內(nèi)，對工業(yè)廢水的監(jiān)測主要還是依靠人工現(xiàn)場取樣，實驗室儀器分析為主，監(jiān)測方式落后，存在采樣誤差大、結果不準確等缺點。

3 發(fā)展趨勢

3.1 人工采樣分析向自動采樣分析轉(zhuǎn)變

目前，大多數(shù)實驗室和化工園區(qū)的水質(zhì)監(jiān)測都是依靠人工取樣分析進行的，隨著社會的發(fā)展，人工成本也大幅增加，再加上實驗室的人工檢測分析存在檢測頻次低、采樣誤差大、檢測數(shù)據(jù)不準確且分散、不能及時反映水質(zhì)的變化等缺點，必然會導致人工取樣分析被自動采樣分析取代。采用自動取樣分析不僅可以節(jié)省人工成本，還可以根據(jù)實際要求來設置檢驗頻次，采樣過程中的誤差也會大幅減小，檢測數(shù)據(jù)可以自動保存并通過相關軟件分析得出實時變化曲線來反映水質(zhì)變化并及時做出預警［13］。

3.2 單參數(shù)檢測向多參數(shù)檢測轉(zhuǎn)變

由于生產(chǎn)和生活的需要，檢測的往往不再是一種物質(zhì)的含量變化。目前多參數(shù)檢測技術沒有單參數(shù)檢測技術成熟而且研制的多參數(shù)檢測設備存在造價高、系統(tǒng)復雜及操作不人性化等缺點，不能很好地適應生產(chǎn)生活的需要。所以更需要把研究重心轉(zhuǎn)移到多參數(shù)檢測上來，研制出一款操作方便的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀，這樣我國可以在多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測領域占一席之地［14］。

3.3 大型設備小型化

由于實驗室用的大型水質(zhì)監(jiān)測儀不能適應工作現(xiàn)場的限制和取樣樣品性質(zhì)不穩(wěn)定等條件，這就要在滿足監(jiān)測要求的同時，盡可能減小水質(zhì)監(jiān)測儀的體積，方便儀器運輸?shù)浆F(xiàn)場并成功安裝。

4 結束語

總之，隨著生產(chǎn)生活水平的提高，必定會推動水質(zhì)監(jiān)測技術快速發(fā)展和水質(zhì)監(jiān)測設備的爆發(fā)式應用，這就需要企業(yè)以及高校研究人員將技術與實際生產(chǎn)相結合，不斷研發(fā)制造出適合我國實際情況的水質(zhì)監(jiān)測設備，推動我國相關技術的發(fā)展，實現(xiàn)科技強國夢。