在线水质分析仪器应用技术的发展

2015-03-21

一、前言

进入21世纪以来，面对日益严重的水资源短缺、水环境污染等问题，水工业行业迎来了水资 源费上涨、饮用水水质标准提高、废水排放标准更加严格，以及用水量与用水人口增加、水价上涨 等诸多的挑战和机会；在法规的压力和市场的推动下，加强对水环境的监测以及废水排放的监管， 淘汰粗放式的水处理及用水模式，采用更加先进的过程控制系统以提高水处理效率、降低水处理及 用水成本就成为了水环境监管部门及水工业行业的必然选择；在这种情况下，水处理工业过程控制 系统中的关键设备一在线水质分析仪器及其应用技术得到了快速发展，仪器的稳定性与可靠性有了 很大提高、可以实现在线监测的水质参数越来越多、在线水质分析仪器的功能也越来越强大。国际 标准化组织(ISO)在2003年制定了代号为IS015839—2003的标准《水质在线传感器／分析设备- 水质规范和性能测试》。标准定义了在线水质分析仪器的性能特征，建立了评估及测定性能特征参 数的测试程序，这个通用性标准给在线水质分析仪器的研发、生产及验收提供了依据，从而为水工 业行业，以在线水质分析仪器为基础的过程控制系统的进一步充分应用提供了技术上的可靠保证。 在仪器研发和制造技术迅速发展的同时，在线水质分析仪器应用技术也获得了高速发展的机会： 一方面需要满足不断出现的各种新型水处理技术对水质监测技术的多种不同需求；另一方面需要满 足各种不同特点的水质状况对在线水质分析仪器的要求。包括海水、废水等特殊水源在内的多样化 水源的广泛采用，以及各种新型水处理技术的普遍应用推动了在线水质分析仪器应用技术的快速发 展。

二、在线水质分析仪器应用技术的发展趋势

任何一项应用技术的发展都离不开市场需求的推动。在线分析仪器应用技术发展的早期，主要 是解决在某种特定水质和工艺条件下，如何选择最适宜的在线水质分析仪器的问题；目前，应用技 术主要研究通过哪些合适的方法(预处理，系统集成等)能获得更长的正常运行时间、更加准确的测 量结果，或更好地反应水质变化趋势；随着水工业行业的发展以及水环境监测要求的提高，越来越 多的客户希望通过在线水质分析仪器的应用能够直接给出解决问题的方案，这对在线水质分析仪器 应用技术提出了新的要求和挑战，也进一步推动了在线水质分析仪器应用技术朝着更高级的智能化 和专家化发展。

三、对在线水质分析仪器应用技术的不同要求

在线水质分析仪器按照不同的使用目的，大致可以分为监测型分析仪器和过程型分析仪器两类， 监测型分析仪器主要用于单纯的水质监测，以判断水质是否达到法规的要求，以及环境水质(地表 水，地下水)和饮用水水质的预警性监测，不参与水处理工艺过程控制；相对而言，要求监测的水质 参数不多．主要是环保法规或者水质标准规定的主要污染物指标，如COD、氨氮、总磷、总氮、重 金属以及常规5参数等少数几种；水质状况比较简单；对应用技术的要求主要是水样预处理技术以 及仪器集成技术等。在中国，目前应用最多的监测性在线水质分析仪器是用于各企业水处理末端(排 放口)的仪器。

过程型分析仪器主要用于水处理工艺过程监测，所测量的水质参数会参与过程控制、优化 水处理工艺、提升水处理效率，在保证末端水质达标的前提下，实现水处理过程节能降耗的目的。 过程型分析仪器町以测量的水质参数超过数十种，不同水处理工艺涉及的关键工艺过程参数也不相 同，对于饮用水处理，最重要的工艺参数是浊度和余氯等参与消毒剂；对于市政污水处理，溶解氧、 PH、COD、HOD、氨氮、污泥浓度、硝氮、亚硝氮、ORP(氧化还原电位)、磷酸盐等都是非常 重要的工艺控制参数；对于火电、核电厂需要的纯水来说，二氧化硅、钠离子、电导率、PH、溶解 氧是几个关键的控制参数：而对于软化水处理，硬度可能是最重要的水质参数；另外，对于不同类 型的工业废水处理工艺而言，也存在大量不同的水质工艺参数。显而易见，无论是在测量参数上， 还是待测水样的复杂程度上，过程型分析仪器都高于监测性仪器；对应用技术的要求也相对复杂。 对于不同类型的在线水质分析仪器，技术要求是不同的，一般而言，监测型分析仪器对测量数 据的准确度要求较高，数据可以作为有关部门进行执法管理的依据；而过程型分析仪器对仪器的可 靠性和稳定性要求较高，要求仪器能够可靠地反应水质变化的趋势，以便为水处理过程控制提供依 据。

同样，不同类型的在线水质分析仪器，对应用技术的需求也是不同的，下面分别介绍：

1、监测型在线水质分析仪器相关的应用技术：

1)系统集成技术是目前应用最为广泛的监测型在线水质分析仪器应用技术。在线分析仪器系 统集成是指单台或多台在线水质分析仪器或者单台多参数在线水质分析仪组成在线水质分析系统或 分析小屋，主要由取水单元、预处理单元、辅助分析单元、分析监测单元、系统控制单元、通信单元、 运行环境支持单元、远程监控中心等构成。可以实现对特定水样单个或多个水质参数的实时分析， 并及时将水质信息发送到环境监管部门或者相关单位。在线水质分析系统集成技术在环境监测和水 处理工业的许多领域都有应用：

A、地表水及地下水自动监测：包括环保局或水利部门对重点流域、断面以及湖泊、水库水质 的自动监测；

B、自来水管网水质自动监测及预警系统

C、城市排水自动监测：环保局、市政污水管理部门或市政污水厂对污水厂进口及出口水水质 自动监测

D、工业行业水质自动监测：包括环保局对工业企业排水监测； 工业园区或大型工业企业内部 水务管理及水处理费用结算以及油田回注水水质自动监测等

E、水产养殖用水水质自动监测。

2)样品采样及预处理技术也是在线水质分析仪器的应用技术重要组成部分。

监测型在线水质分析仪器往往面对各种类型的源水，废水等多类型的水样，为了保证测试的准 确度和分析数据的代表性，如何有效去除水样中泥沙、悬浮物、色度等干扰物质样品，同时又不影 响到待测参数的测量准确度，预处理技术的重要性是不言而喻的。除开传统的样品过滤这些预处理 技术外，有些水质参数，如总磷这种对水体富营养化非常重要的特殊的水质参数，还需要监测到在 水体悬浮物中的总磷含量才能保证了解到完整的水质参数信息。针对这种情况，具有超声波粉碎功 能的采样预处理装置在废水监测的应用就成为了必要，以保证水体中的所有总磷都被监测到。

3)目前传统的监测型在线水质分析仪器只能测量完成对已知特定水质参数的监测，并不能反 应供水水质的综合的，深层次变化。对于突发事件，尤其是一些人为因素造成的水质威胁(如突发 性污染事故、投毒等)，不能实现判断污染类型、区分污染物种类等功能。为了充分利用现存的水 质监测仪器，实现更有效的水质预警，一种具有“自学习”功能的“蓝色卫士”创新型水质预警应 用技术开始得到越来越广泛的重视和应用。

蓝色卫士水质预警技术改变了传统水质监测只监测单一指标的层面，在预警领域首先提出“软 监测”的概念。利用有限的监测设备监测各种基本水质指标的变化情况，采用预警模型实现水质综 合预警。该系统基于大量的实验数据建立数学模型，将反映水质的各个基本指标有机的结合为一个 整体，分析水质综合变化情况，对于水质日常变化和突发事件加以区分；系统能利用内置的预警模 型计算当前水质的模型矢量，并根据模型矢量的幅值和角度进行分析预警，如果该矢量超标即可报 警。通过该功能可以有效预警突发性水质变化。

在蓝色卫士系统中，用户不仅可以看到常规检测指标的数据，更可以在其基础上利用系统中的 数据模型进行开发和实验，考察水中加入不同物质后综合水质的变化情况，并针对本地关注的特征 污染物进行试验，对系统进行“二次开发”，系统可以通过强大完善的自学习功能建立相应的特征 污染物数据库，一旦水中出现该类型污染物，系统即可准确快速识别，达到应急预警的目的。即使 水体初次出现不能被系统识别的污染物，系统也会自动记录下相应水质参数的变化情况，并报警； 一旦该污染物再次出现，系统会自动识别出该污染物。

2．过程型在线水质分析仪器相关的应用技术：

1)根据仪器特点及水处理工艺的要求正确选用在线水质分析仪器：由于在线水质分析仪器能 够实现无人职守、自动运行的特点，要求在没有人工调节的情况能长时间稳定地提供反应真实水质 状况的数据。而且绝大多数在线水质分析仪器的传感器是直接同水样接触，大多缺少样品预处理及 去除样品中干扰物质的过程，需要找到合适的能满足特定条件和参数要求的仪器才能获得准确的测 量数据；客观上要求在线水质分析仪器在功能上更加精细化和更有针对性，能根据水处理工艺的不 同要求提供更能满足需要的解决方案。具体而言，需要根据测量原理、测量范围、响应时间、安装 方式、维护运行要求等不同需要来选择相对应的在线水质分析仪器产品，最简单的例子就是：作为 水处理工艺中最重要的工艺参数一浊度的测量，就设计和制造了多达四类，超过十种的在线浊度分 析仪器产品：对于受污染严重、浊度高的水样，可以采用表面散射光测量原理的高量程浊度仪，这 种仪器的传感器和水样不直接接触，可以避免污水对传感器的玷污，从而减少仪器操作人员的维护 量；对于膜过滤水这种浊度极低的水样，目前出现了分辨率可达0．001mNTU的激光浊度仪，这种 浊度仪除了具有很高的测量精度及分辨率，适用于高质量的膜过滤水。

2)在线水质“替代参数”分析仪器的应用：水质替代参数是指一类特定的水质参数，可以综 合反映水体的某一类别的水污染情况或水处理过程中某些不能实现在线监测而且实验室分析也非常 繁琐水质参数的变化。由于能实时反映水质的变化，在线水质“替代参数”分析仪器的是实现水处 理工艺过程自动控制非常有价值的一个产品。目前，对饮用水水质安全来讲，反应有机物总量及某 些特定成分变化的综合性指标UV254是目前非常重要的水质替代参数。目前，水体中的人工合成有 机物种类是非常多的，饮用水处理的一个目的就是要尽可能去除对人体危害较大的人工合成有机物， 进行在水处理工艺过程中对这种有机物去除的实时监控，是实现水处理工艺全流程自动控制的保证。

最近水质科学的研究表明，在254nm及附近波长的吸光度值，如UV260完全可以作为及时了解诸 如合成有机物、二噫英、内分泌干扰物等重要污染物的替代指标，通过监测UV254这种指标的变化， 可迅速获得水处理过程的信息反馈，从而及时采取措施，如改变絮凝剂投加量或更换失效的活性炭 等；通过用UV254的分析监测，还可以针对不同的污染物质，控制不同的水处理工艺。例如对人 体健康危害较高的雌性激素，用混凝、沉淀等方法很难去除，而用臭氧或氯氧化等处理方式，可以 很好的解决。研究还表明，UV254可作为有机物监测的替代参数，在饮用水氯消毒的副产物中，UV254 特征的有机物贡献最大。其他采用在线水质“替代参数”分析仪器的例子还有：在饮用处理工艺中 用于监测致病性隐孢子虫和贾第虫风险的在线颗粒计数仪、用于监测“咸潮”的在线电导率分析仪 以及反应水体藻类爆发的叶绿素在线分析仪等。相信随着水质科学的进一步发展和水处理工艺控制 要求的提高，还会出现越来越多的在线水质“替代参数”分析仪器，以实现水处理工艺过程的自动 控制。

3)“专家化”水处理工艺过程在线水质分析仪器：众所周知，使用过程型在线水质分析仪器 的主要目的是为了解决水处理过程中的问题，优化水处理工艺，实现自动控制。除了选用正确的在 线水质分析仪器，还需要结合水处理工艺的具体特点和要求才能更好的解决工艺问题，这时通常都 需要水处理工艺专家的参与，如何将工艺专家同在线分析水质仪器更好的结合起来，实现水处理工 艺过程优化是过程型在线水质分析仪器应用技术面临机遇的挑战。最近，在污水处理领域，结合了 先进数学模型和智能控制理论的优化控制策略系统的“WTOS污水厂优化控制系统”应用技术已经 在欧洲开始得到应用和推广；该系统结合溶解氧、硝氮、氨氮、COD和MLSS等在线水质分析仪 器的数据，采用专门化的污水处理数学模型，通过复杂运算过程得到的结果来直接调节从前的固定 设定值，从而减少曝气量和加药量，降低能耗。这套系统的软件及控制模块被固化成仪器的形式， 可以实现批量生产及大规模定制。通过优化控制，这套系统还能降低碳源(甲醇)的添加量，达到 减碳的效果，通过在英国Peel Common污水厂的实际运行结果表明，WTOS的使用，在保证出水水 质达标的前提下，能够节省20％的曝气量，同时还能减少50％甲醇添加量。可以预计，“WTOS 污水厂优化控制系统”这种专家化的可以给出实际解决方案的技术将会成为在线水质分析仪器应用 技术在水处理行业发展的一个方向。

四、小结

水环境保护和水处理工业的发展推动了在线分析仪器及应用技术的发展，为了满足水监测及水 质安全预警的要求，监测型在线水质分析仪器应用技术在仪器系统集成，水样预处理技术方面有了 长足的进步；同时，出现了以“蓝色卫士”水质安全预警系统为代表的具有自学习功能的仪器系统 及应用技术。过程型在线水质分析仪器应用技术也在不断发展出更加精细的仪器应用细分，以满足 水处理工业多样化水源的采用、以及各种新型水处理技术的普遍应用需求。近来，还出现了具有专 家功能仪器化的污水厂优化运行系统，可以通过在线水质分析仪器反馈的水质参数实现水处理自动 工艺优化运行。可以预见：在线水质分析仪器应用技术将朝着“专家化”、“智能化”的方向进一 步得到发展。

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