在線水質(zhì)分析儀器應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展
來源： 閱讀：2953 更新時(shí)間：2014-11-18 20:13一、前言
進(jìn)入21世紀(jì)以來，面對日益嚴(yán)重的水資源短缺、水環(huán)境污染等問題，水工業(yè)行業(yè)迎來了水資 源費(fèi)上漲、飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)提高、廢水排放標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，以及用水量與用水人口增加、水價(jià)上漲 等諸多的挑戰(zhàn)和機(jī)會；在法規(guī)的壓力和市場的推動下，加強(qiáng)對水環(huán)境的監(jiān)測以及廢水排放的監(jiān)管， 淘汰粗放式的水處理及用水模式，采用更加先進(jìn)的過程控制系統(tǒng)以提高水處理效率、降低水處理及 用水成本就成為了水環(huán)境監(jiān)管部門及水工業(yè)行業(yè)的必然選擇；在這種情況下，水處理工業(yè)過程控制 系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備一在線水質(zhì)分析儀器及其應(yīng)用技術(shù)得到了快速發(fā)展，儀器的穩(wěn)定性與可靠性有了 很大提高、可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測的水質(zhì)參數(shù)越來越多、在線水質(zhì)分析儀器的功能也越來越強(qiáng)大。國際 標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)在2003年制定了代號為IS015839—2003的標(biāo)準(zhǔn)《水質(zhì)在線傳感器／分析設(shè)備- 水質(zhì)規(guī)范和性能測試》。標(biāo)準(zhǔn)定義了在線水質(zhì)分析儀器的性能特征，建立了評估及測定性能特征參 數(shù)的測試程序，這個(gè)通用性標(biāo)準(zhǔn)給在線水質(zhì)分析儀器的研發(fā)、生產(chǎn)及驗(yàn)收提供了依據(jù)，從而為水工 業(yè)行業(yè)，以在線水質(zhì)分析儀器為基礎(chǔ)的過程控制系統(tǒng)的進(jìn)一步充分應(yīng)用提供了技術(shù)上的可靠保證。 在儀器研發(fā)和制造技術(shù)迅速發(fā)展的同時(shí)，在線水質(zhì)分析儀器應(yīng)用技術(shù)也獲得了高速發(fā)展的機(jī)會： 一方面需要滿足不斷出現(xiàn)的各種新型水處理技術(shù)對水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)的多種不同需求；另一方面需要滿 足各種不同特點(diǎn)的水質(zhì)狀況對在線水質(zhì)分析儀器的要求。包括海水、廢水等特殊水源在內(nèi)的多樣化 水源的廣泛采用，以及各種新型水處理技術(shù)的普遍應(yīng)用推動了在線水質(zhì)分析儀器應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā) 展。
二、在線水質(zhì)分析儀器應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展趨勢
任何一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展都離不開市場需求的推動。在線分析儀器應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的早期，主要 是解決在某種特定水質(zhì)和工藝條件下，如何選擇最適宜的在線水質(zhì)分析儀器的問題；目前，應(yīng)用技 術(shù)主要研究通過哪些合適的方法(預(yù)處理，系統(tǒng)集成等)能獲得更長的正常運(yùn)行時(shí)間、更加準(zhǔn)確的測 量結(jié)果，或更好地反應(yīng)水質(zhì)變化趨勢；隨著水工業(yè)行業(yè)的發(fā)展以及水環(huán)境監(jiān)測要求的提高，越來越 多的客戶希望通過在線水質(zhì)分析儀器的應(yīng)用能夠直接給出解決問題的方案，這對在線水質(zhì)分析儀器 應(yīng)用技術(shù)提出了新的要求和挑戰(zhàn)，也進(jìn)一步推動了在線水質(zhì)分析儀器應(yīng)用技術(shù)朝著更高級的智能化 和專家化發(fā)展。
三、對在線水質(zhì)分析儀器應(yīng)用技術(shù)的不同要求
在線水質(zhì)分析儀器按照不同的使用目的，大致可以分為監(jiān)測型分析儀器和過程型分析儀器兩類， 監(jiān)測型分析儀器主要用于單純的水質(zhì)監(jiān)測，以判斷水質(zhì)是否達(dá)到法規(guī)的要求，以及環(huán)境水質(zhì)(地表 水，地下水)和飲用水水質(zhì)的預(yù)警性監(jiān)測，不參與水處理工藝過程控制；相對而言，要求監(jiān)測的水質(zhì) 參數(shù)不多．主要是環(huán)保法規(guī)或者水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的主要污染物指標(biāo)，如COD、氨氮、總磷、總氮、重 金屬以及常規(guī)5參數(shù)等少數(shù)幾種；水質(zhì)狀況比較簡單；對應(yīng)用技術(shù)的要求主要是水樣預(yù)處理技術(shù)以 及儀器集成技術(shù)等。在中國，目前應(yīng)用最多的監(jiān)測性在線水質(zhì)分析儀器是用于各企業(yè)水處理末端(排 放口)的儀器。
過程型分析儀器主要用于水處理工藝過程監(jiān)測，所測量的水質(zhì)參數(shù)會參與過程控制、優(yōu)化 水處理工藝、提升水處理效率，在保證末端水質(zhì)達(dá)標(biāo)的前提下，實(shí)現(xiàn)水處理過程節(jié)能降耗的目的。 過程型分析儀器町以測量的水質(zhì)參數(shù)超過數(shù)十種，不同水處理工藝涉及的關(guān)鍵工藝過程參數(shù)也不相 同，對于飲用水處理，最重要的工藝參數(shù)是濁度和余氯等參與消毒劑；對于市政污水處理，溶解氧、 PH、COD、HOD、氨氮、污泥濃度、硝氮、亞硝氮、ORP(氧化還原電位)、磷酸鹽等都是非常 重要的工藝控制參數(shù)；對于火電、核電廠需要的純水來說，二氧化硅、鈉離子、電導(dǎo)率、PH、溶解 氧是幾個(gè)關(guān)鍵的控制參數(shù)：而對于軟化水處理，硬度可能是最重要的水質(zhì)參數(shù)；另外，對于不同類 型的工業(yè)廢水處理工藝而言，也存在大量不同的水質(zhì)工藝參數(shù)。顯而易見，無論是在測量參數(shù)上， 還是待測水樣的復(fù)雜程度上，過程型分析儀器都高于監(jiān)測性儀器；對應(yīng)用技術(shù)的要求也相對復(fù)雜。 對于不同類型的在線水質(zhì)分析儀器，技術(shù)要求是不同的，一般而言，監(jiān)測型分析儀器對測量數(shù) 據(jù)的準(zhǔn)確度要求較高，數(shù)據(jù)可以作為有關(guān)部門進(jìn)行執(zhí)法管理的依據(jù)；而過程型分析儀器對儀器的可 靠性和穩(wěn)定性要求較高，要求儀器能夠可靠地反應(yīng)水質(zhì)變化的趨勢，以便為水處理過程控制提供依 據(jù)。
同樣，不同類型的在線水質(zhì)分析儀器，對應(yīng)用技術(shù)的需求也是不同的，下面分別介紹：
1、監(jiān)測型在線水質(zhì)分析儀器相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)：
1)系統(tǒng)集成技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的監(jiān)測型在線水質(zhì)分析儀器應(yīng)用技術(shù)。在線分析儀器系 統(tǒng)集成是指單臺或多臺在線水質(zhì)分析儀器或者單臺多參數(shù)在線水質(zhì)分析儀組成在線水質(zhì)分析系統(tǒng)或 分析小屋，主要由取水單元、預(yù)處理單元、輔助分析單元、分析監(jiān)測單元、系統(tǒng)控制單元、通信單元、 運(yùn)行環(huán)境支持單元、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心等構(gòu)成？梢詫(shí)現(xiàn)對特定水樣單個(gè)或多個(gè)水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)分析， 并及時(shí)將水質(zhì)信息發(fā)送到環(huán)境監(jiān)管部門或者相關(guān)單位。在線水質(zhì)分析系統(tǒng)集成技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測和水 處理工業(yè)的許多領(lǐng)域都有應(yīng)用：
A、地表水及地下水自動監(jiān)測：包括環(huán)保局或水利部門對重點(diǎn)流域、斷面以及湖泊、水庫水質(zhì) 的自動監(jiān)測；
B、自來水管網(wǎng)水質(zhì)自動監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)
C、城市排水自動監(jiān)測：環(huán)保局、市政污水管理部門或市政污水廠對污水廠進(jìn)口及出口水水質(zhì) 自動監(jiān)測
D、工業(yè)行業(yè)水質(zhì)自動監(jiān)測：包括環(huán)保局對工業(yè)企業(yè)排水監(jiān)測； 工業(yè)園區(qū)或大型工業(yè)企業(yè)內(nèi)部 水務(wù)管理及水處理費(fèi)用結(jié)算以及油田回注水水質(zhì)自動監(jiān)測等
E、水產(chǎn)養(yǎng)殖用水水質(zhì)自動監(jiān)測。
2)樣品采樣及預(yù)處理技術(shù)也是在線水質(zhì)分析儀器的應(yīng)用技術(shù)重要組成部分。
監(jiān)測型在線水質(zhì)分析儀器往往面對各種類型的源水，廢水等多類型的水樣，為了保證測試的準(zhǔn) 確度和分析數(shù)據(jù)的代表性，如何有效去除水樣中泥沙、懸浮物、色度等干擾物質(zhì)樣品，同時(shí)又不影 響到待測參數(shù)的測量準(zhǔn)確度，預(yù)處理技術(shù)的重要性是不言而喻的。除開傳統(tǒng)的樣品過濾這些預(yù)處理 技術(shù)外，有些水質(zhì)參數(shù)，如總磷這種對水體富營養(yǎng)化非常重要的特殊的水質(zhì)參數(shù)，還需要監(jiān)測到在 水體懸浮物中的總磷含量才能保證了解到完整的水質(zhì)參數(shù)信息。針對這種情況，具有超聲波粉碎功 能的采樣預(yù)處理裝置在廢水監(jiān)測的應(yīng)用就成為了必要，以保證水體中的所有總磷都被監(jiān)測到。
3)目前傳統(tǒng)的監(jiān)測型在線水質(zhì)分析儀器只能測量完成對已知特定水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測，并不能反 應(yīng)供水水質(zhì)的綜合的，深層次變化。對于突發(fā)事件，尤其是一些人為因素造成的水質(zhì)威脅(如突發(fā) 性污染事故、投毒等)，不能實(shí)現(xiàn)判斷污染類型、區(qū)分污染物種類等功能。為了充分利用現(xiàn)存的水 質(zhì)監(jiān)測儀器，實(shí)現(xiàn)更有效的水質(zhì)預(yù)警，一種具有“自學(xué)習(xí)”功能的“藍(lán)色衛(wèi)士”創(chuàng)新型水質(zhì)預(yù)警應(yīng) 用技術(shù)開始得到越來越廣泛的重視和應(yīng)用。
藍(lán)色衛(wèi)士水質(zhì)預(yù)警技術(shù)改變了傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測只監(jiān)測單一指標(biāo)的層面，在預(yù)警領(lǐng)域首先提出“軟 監(jiān)測”的概念。利用有限的監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測各種基本水質(zhì)指標(biāo)的變化情況，采用預(yù)警模型實(shí)現(xiàn)水質(zhì)綜 合預(yù)警。該系統(tǒng)基于大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，將反映水質(zhì)的各個(gè)基本指標(biāo)有機(jī)的結(jié)合為一個(gè) 整體，分析水質(zhì)綜合變化情況，對于水質(zhì)日常變化和突發(fā)事件加以區(qū)分；系統(tǒng)能利用內(nèi)置的預(yù)警模 型計(jì)算當(dāng)前水質(zhì)的模型矢量，并根據(jù)模型矢量的幅值和角度進(jìn)行分析預(yù)警，如果該矢量超標(biāo)即可報(bào) 警。通過該功能可以有效預(yù)警突發(fā)性水質(zhì)變化。
在藍(lán)色衛(wèi)士系統(tǒng)中，用戶不僅可以看到常規(guī)檢測指標(biāo)的數(shù)據(jù)，更可以在其基礎(chǔ)上利用系統(tǒng)中的 數(shù)據(jù)模型進(jìn)行開發(fā)和實(shí)驗(yàn)，考察水中加入不同物質(zhì)后綜合水質(zhì)的變化情況，并針對本地關(guān)注的特征 污染物進(jìn)行試驗(yàn)，對系統(tǒng)進(jìn)行“二次開發(fā)”，系統(tǒng)可以通過強(qiáng)大完善的自學(xué)習(xí)功能建立相應(yīng)的特征 污染物數(shù)據(jù)庫，一旦水中出現(xiàn)該類型污染物，系統(tǒng)即可準(zhǔn)確快速識別，達(dá)到應(yīng)急預(yù)警的目的。即使 水體初次出現(xiàn)不能被系統(tǒng)識別的污染物，系統(tǒng)也會自動記錄下相應(yīng)水質(zhì)參數(shù)的變化情況，并報(bào)警； 一旦該污染物再次出現(xiàn)，系統(tǒng)會自動識別出該污染物。
2．過程型在線水質(zhì)分析儀器相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)：
1)根據(jù)儀器特點(diǎn)及水處理工藝的要求正確選用在線水質(zhì)分析儀器：由于在線水質(zhì)分析儀器能 夠?qū)崿F(xiàn)無人職守、自動運(yùn)行的特點(diǎn)，要求在沒有人工調(diào)節(jié)的情況能長時(shí)間穩(wěn)定地提供反應(yīng)真實(shí)水質(zhì) 狀況的數(shù)據(jù)。而且絕大多數(shù)在線水質(zhì)分析儀器的傳感器是直接同水樣接觸，大多缺少樣品預(yù)處理及 去除樣品中干擾物質(zhì)的過程，需要找到合適的能滿足特定條件和參數(shù)要求的儀器才能獲得準(zhǔn)確的測 量數(shù)據(jù)；客觀上要求在線水質(zhì)分析儀器在功能上更加精細(xì)化和更有針對性，能根據(jù)水處理工藝的不 同要求提供更能滿足需要的解決方案。具體而言，需要根據(jù)測量原理、測量范圍、響應(yīng)時(shí)間、安裝 方式、維護(hù)運(yùn)行要求等不同需要來選擇相對應(yīng)的在線水質(zhì)分析儀器產(chǎn)品，最簡單的例子就是：作為 水處理工藝中最重要的工藝參數(shù)一濁度的測量，就設(shè)計(jì)和制造了多達(dá)四類，超過十種的在線濁度分 析儀器產(chǎn)品：對于受污染嚴(yán)重、濁度高的水樣，可以采用表面散射光測量原理的高量程濁度儀，這 種儀器的傳感器和水樣不直接接觸，可以避免污水對傳感器的玷污，從而減少儀器操作人員的維護(hù) 量；對于膜過濾水這種濁度極低的水樣，目前出現(xiàn)了分辨率可達(dá)0．001mNTU的激光濁度儀，這種 濁度儀除了具有很高的測量精度及分辨率，適用于高質(zhì)量的膜過濾水。
2)在線水質(zhì)“替代參數(shù)”分析儀器的應(yīng)用：水質(zhì)替代參數(shù)是指一類特定的水質(zhì)參數(shù)，可以綜 合反映水體的某一類別的水污染情況或水處理過程中某些不能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測而且實(shí)驗(yàn)室分析也非常 繁瑣水質(zhì)參數(shù)的變化。由于能實(shí)時(shí)反映水質(zhì)的變化，在線水質(zhì)“替代參數(shù)”分析儀器的是實(shí)現(xiàn)水處 理工藝過程自動控制非常有價(jià)值的一個(gè)產(chǎn)品。目前，對飲用水水質(zhì)安全來講，反應(yīng)有機(jī)物總量及某 些特定成分變化的綜合性指標(biāo)UV254是目前非常重要的水質(zhì)替代參數(shù)。目前，水體中的人工合成有 機(jī)物種類是非常多的，飲用水處理的一個(gè)目的就是要盡可能去除對人體危害較大的人工合成有機(jī)物， 進(jìn)行在水處理工藝過程中對這種有機(jī)物去除的實(shí)時(shí)監(jiān)控，是實(shí)現(xiàn)水處理工藝全流程自動控制的保證。
最近水質(zhì)科學(xué)的研究表明，在254nm及附近波長的吸光度值，如UV260完全可以作為及時(shí)了解諸 如合成有機(jī)物、二噫英、內(nèi)分泌干擾物等重要污染物的替代指標(biāo)，通過監(jiān)測UV254這種指標(biāo)的變化， 可迅速獲得水處理過程的信息反饋，從而及時(shí)采取措施，如改變絮凝劑投加量或更換失效的活性炭 等；通過用UV254的分析監(jiān)測，還可以針對不同的污染物質(zhì)，控制不同的水處理工藝。例如對人 體健康危害較高的雌性激素，用混凝、沉淀等方法很難去除，而用臭氧或氯氧化等處理方式，可以 很好的解決。研究還表明，UV254可作為有機(jī)物監(jiān)測的替代參數(shù)，在飲用水氯消毒的副產(chǎn)物中，UV254 特征的有機(jī)物貢獻(xiàn)最大。其他采用在線水質(zhì)“替代參數(shù)”分析儀器的例子還有：在飲用處理工藝中 用于監(jiān)測致病性隱孢子蟲和賈第蟲風(fēng)險(xiǎn)的在線顆粒計(jì)數(shù)儀、用于監(jiān)測“咸潮”的在線電導(dǎo)率分析儀 以及反應(yīng)水體藻類爆發(fā)的葉綠素在線分析儀等。相信隨著水質(zhì)科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展和水處理工藝控制 要求的提高，還會出現(xiàn)越來越多的在線水質(zhì)“替代參數(shù)”分析儀器，以實(shí)現(xiàn)水處理工藝過程的自動 控制。
3)“專家化”水處理工藝過程在線水質(zhì)分析儀器：眾所周知，使用過程型在線水質(zhì)分析儀器 的主要目的是為了解決水處理過程中的問題，優(yōu)化水處理工藝，實(shí)現(xiàn)自動控制。除了選用正確的在 線水質(zhì)分析儀器，還需要結(jié)合水處理工藝的具體特點(diǎn)和要求才能更好的解決工藝問題，這時(shí)通常都 需要水處理工藝專家的參與，如何將工藝專家同在線分析水質(zhì)儀器更好的結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)水處理工 藝過程優(yōu)化是過程型在線水質(zhì)分析儀器應(yīng)用技術(shù)面臨機(jī)遇的挑戰(zhàn)。最近，在污水處理領(lǐng)域，結(jié)合了 先進(jìn)數(shù)學(xué)模型和智能控制理論的優(yōu)化控制策略系統(tǒng)的“WTOS污水廠優(yōu)化控制系統(tǒng)”應(yīng)用技術(shù)已經(jīng) 在歐洲開始得到應(yīng)用和推廣；該系統(tǒng)結(jié)合溶解氧、硝氮、氨氮、COD和MLSS等在線水質(zhì)分析儀 器的數(shù)據(jù)，采用專門化的污水處理數(shù)學(xué)模型，通過復(fù)雜運(yùn)算過程得到的結(jié)果來直接調(diào)節(jié)從前的固定 設(shè)定值，從而減少曝氣量和加藥量，降低能耗。這套系統(tǒng)的軟件及控制模塊被固化成儀器的形式， 可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)及大規(guī)模定制。通過優(yōu)化控制，這套系統(tǒng)還能降低碳源(甲醇)的添加量，達(dá)到 減碳的效果，通過在英國Peel Common污水廠的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，WTOS的使用，在保證出水水 質(zhì)達(dá)標(biāo)的前提下，能夠節(jié)省20％的曝氣量，同時(shí)還能減少50％甲醇添加量？梢灶A(yù)計(jì)，“WTOS 污水廠優(yōu)化控制系統(tǒng)”這種專家化的可以給出實(shí)際解決方案的技術(shù)將會成為在線水質(zhì)分析儀器應(yīng)用 技術(shù)在水處理行業(yè)發(fā)展的一個(gè)方向。
四、小結(jié)
水環(huán)境保護(hù)和水處理工業(yè)的發(fā)展推動了在線分析儀器及應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，為了滿足水監(jiān)測及水 質(zhì)安全預(yù)警的要求，監(jiān)測型在線水質(zhì)分析儀器應(yīng)用技術(shù)在儀器系統(tǒng)集成，水樣預(yù)處理技術(shù)方面有了 長足的進(jìn)步；同時(shí)，出現(xiàn)了以“藍(lán)色衛(wèi)士”水質(zhì)安全預(yù)警系統(tǒng)為代表的具有自學(xué)習(xí)功能的儀器系統(tǒng) 及應(yīng)用技術(shù)。過程型在線水質(zhì)分析儀器應(yīng)用技術(shù)也在不斷發(fā)展出更加精細(xì)的儀器應(yīng)用細(xì)分，以滿足 水處理工業(yè)多樣化水源的采用、以及各種新型水處理技術(shù)的普遍應(yīng)用需求。近來，還出現(xiàn)了具有專 家功能儀器化的污水廠優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)，可以通過在線水質(zhì)分析儀器反饋的水質(zhì)參數(shù)實(shí)現(xiàn)水處理自動 工藝優(yōu)化運(yùn)行。可以預(yù)見：在線水質(zhì)分析儀器應(yīng)用技術(shù)將朝著“專家化”、“智能化”的方向進(jìn)一 步得到發(fā)展。
