原水水質監控預警方法的應用
——以東莞市為例

◎ 東莞市水質監測中心 王建衛 戴吉勝 魯 巍

水污染特別是飲用水源的污染已經逐漸威脅到城市飲用水的安全，而水源的突發污染事件（如吉林石化雙苯廠爆炸污染）對整個城市供水安全的影響也日益擴大。而隨著經濟的高速發展和人們生活水平的逐步提高，供水水質的安全保障要求越來越嚴格，對水務企業的壓力也越來越大。為滿足安全供水的需要，必須針對水源水質建立及時、快速的預警機制，監控水源水質的變化并及時調整生產措施，以保證供水水質的穩定。

東莞市以東江作為單一供水水源。一方面在很短的江段內密布了6家大型水廠（＞30萬m3/d），多個水源取水口緊鄰，且取水口與水廠距離較短；另一方面，在東江兩岸分布了大量的工業企業，且東江在東莞境內直接入海，東江水源同時面臨突發性工業廢水污染和咸潮污染這兩方面的威脅。而目前東莞尚未建立統一的水源預警機制，一旦污染發生時很難及時發現，也很難有效地保障供水的安全。鑒于上述情況，建立東莞水源水質預警系統是十分必要的。

1.水源水質預警指標的選擇

1.1 水質監測指標

按照地表水環境質量標準（GB3838－2002），地表水環境基本指標有：水溫、pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數、化學需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、總磷（以P計）、總氮（以N計）、銅、鋅、氟化物（以F-計）、硒、砷、汞、鎘、鉻（六價）、鉛、氰化物、揮發酚、石油類、陰子表面活性劑、硫化物、糞大腸菌群（個/L）。

根據水質現狀和管理需要可將水體水質的主要監測指標分為以下五類：

（1）綜合性指標：包括水溫、pH、電導率、溶解氧（DO）、濁度、懸浮固體（SS）、氧化還原電位（ORP）等。

（2）水質的污染指標：主要包括生化耗氧量（BOD）、化學耗氧量（COD）、總需氧量（TOD）、總有機碳（TOC）、紫外吸收等。

（3）水質污染組分指標：金屬及類金屬污染物、四氮（硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮及總氮）、總磷、磷酸鹽、氰化物、氯化物、酚類化合物等。

（4）生物指標：大腸菌群數、細菌總數等。

（5）水文氣象參數：包括流量、流速、水深、風向、風速、氣溫、日照量、降水量等。

作為水源水質預警系統，不可能也沒有必要檢測所有的水質指標，而應根據源水水質的特點，同時兼顧水體的使用功能，在分析往年監測資料（確定重要污染物類型）、充分考慮水體特性的基礎上確定適當的水質監測指標。一般而言，水源水質預警指標以水質綜合指標和某些水質污染指標為主，以反映水質的綜合情況，便于及時發現水質是否出現異常及確定污染變化情況。

水源水質預警系統更重要的意義在于為水廠生產提供及時的水源水質狀況、預警信息和應對建議。傳統的水處理工藝（混凝、沉淀、過濾和消毒）主要去除水中的懸浮及膠體物質，以出水的濁度、色度和細菌數（細菌總數和大腸桿菌數）為主要的工藝控制目標。但近年來，水源水中的有機污染物不斷增多，對傳統工藝提出了嚴峻的挑戰，水源水質對水廠處理工藝的影響是多方面且前后連續的，眾多的水質指標對處理工藝都有不同程度的影響，因此還需要從水處理工藝的角度選擇水源水質預警指標。

1.2 預警指標選擇

（1）水溫：水溫對混凝的影響表現為：影響無機鹽混凝劑水解過程，由于該水解過程是吸熱反應，因此低溫時混凝劑水解困難。但生產實際表明，當水溫升高會發生明顯的“吃氯”現象。

（2）pH：pH對混凝過程有直接影響，主要表現為：直接影響水中膠體濁質和藻類的電荷，控制水中化學反應動力學；決定混凝劑的水解速率和混凝劑水解產物的類型、濃度和電荷；控制金屬氫氧化物沉淀在水中的溶解度等。pH還對石灰投加、氯的投加造成影響。pH本身也受到水處理單元過程的影響，如混凝過程降低pH值，投加石灰pH升高；氯化作用降低pH值，軟化水質提高pH值等。

（3）電導率：電導率會對混凝劑投加量造成直接影響。研究表明，水中存在的正離子對天然水壓縮雙電層有利。

（4）濁度：濁度對混凝有直接影響。當水中懸浮物含量低時，顆粒碰撞機率大大減小，混凝效果差；其次，是對消毒有影響。當濁度4～84 NTU、游離性余氯質量濃度在0.1～0.5 mg/L時，接觸時間為30 min，大腸桿菌仍能被檢測到。懸浮顆粒干擾消毒過程，是由于懸浮顆粒表面吸附的無機和有機化合物能消耗消毒劑，增加消毒劑用量。浮游微生物各個角度都受消毒劑作用，易被殺滅。然而，被包埋或發生粘附后，懸浮顆粒從某些角度提供保護，因而消毒劑的殺滅作用下降，微生物得以存活或只是受損，在輸配系統內恢復生長后重新獲得致病能力，威脅用戶健康。LeChevallier等進行的試驗表明，濁度1.5 NTU時，用0.5 mg/L氯消毒大腸菌數量在1 h內減少99.99%，而濁度13 NTU時，即使用氯量增加到1.5 mg/L,大腸菌數量在1 h內也只減少90%。濁度過高的水能使水中微生物得不到有效的殺滅，并能促進管網中細菌的生長。

（5）堿度：堿度在混凝過程中具有很強的緩沖作用，隨著鋁鹽或鐵鹽混凝劑加入水中后的水解反應過程，會不斷產生H+，從而導致水的pH值下降。要使pH值保持在合適的范圍內，水中應有足夠的堿性物質與H+中和。天然水中均含有一定的堿度（通常是HCO3-），它對pH值的下降有一定的緩沖作用。但是，當水中堿度不足或者混凝劑投加量較高時，天然水中的堿度不足以中和水解反應中和水解反應產生的H+時，水中的pH值將會大大下降，不僅超出了混凝劑的最佳范圍，甚至影響混凝劑的繼續水解。因此水中堿度高低對混凝起著重要的作用和影響，有時甚至超過原水pH值的影響程度。此外，堿度對石灰投加的投加量及強化混凝的效果有直接影響。

（6）氨氮：氨氮的高低對濾池運行有直接影響，氨氮高時容易引起濾池亞硝酸鹽氮的積累。當原水氨氮增加（富營養化嚴重），同時三氮（氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮）的相互轉化和歸趨出現了不同的規律和方向時，就容易出現“吃氯”現象。一般認為，水中氨氮升高時，由于氯將氨氧化成亞硝酸氮和硝酸氮，為了獲得自由性余氯就必須增加大量的氯的投加。

（7）藻類：藻類對混凝有直接影響。由于藻類形成的濁度，其組成大多為有機質，電動電位（ζ）約在-40 mV以上，具有較高的穩定性，比重小，難于下沉，因此對堿鋁的投加量的影響較大。藻類還對濾池運行有影響，藻類自身常粘附在濾料表面，使過濾周期縮短。藻類對消毒副產物的產生量也有影響，藻是產生消毒副產物的重要前題。

（8）有機物：飲用水源中一般都會含有一定濃度的天然有機物（NOM），而隨著生活污水和工業廢水，特別是有機化工、制藥、石油化工、電鍍、農藥和殺蟲劑等行業的廢水的注入，原水中也含有越來越多的人工合成有機物（SOC），原水中還含有多種有毒有害有機物。有機物對水廠生產和供水水質的影響表現為：影響混凝沉淀過程、對過濾過程產生影響、對加氯消毒的影響及消毒副產物的產生。

國內地表水水質在線監測系統所選用的指標一般為：pH、電導率，濁度、DO、溫度、TN、TP、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、CODMn、CODCr、SS、流量等。不同的在線監測系統要根據所監測的對象來確定監測的水質指標。對于飲用水，常用到的指標為pH、電導率，濁度、DO、溫度、NH4+-N、CODMn、UV254和葉綠素等；對于污水常用到的為CODCr、SS、流量、TN、TP、NH4+-N、NO3-–N和NO2-–N。

根據東莞市水源水質的特點，同時考慮在線監測儀器測定結果的穩定性和后續藥劑投加控制的需要，將監測指標的選擇順序按優先級從高到低排序為：

（1）第一類指標：水溫、濁度、pH值、氨氮、堿度、UV254、CODMn、電導率、溶解氧、葉綠素（或藻數）；

（2）第二類指標： B O D、ORP、大腸菌群數、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、正磷酸鹽（PO43-）、色度、酚、CN-、鉛、六六六；

（3）第三類指標：細菌總數、亞硝酸鹽氮、總磷、總氮、F、總鐵、總錳。

確定第一類水質指標以及第二類指標中的鉛共11項指標作為在線監測系統的監測項目，以綜合反映水質狀況、及時發現水質的變化趨勢，其中最優先的應選擇pH值、氨氮、電導率（鹽度）和溶解氧作為水源水質預警系統反映水源水質的指標；后兩類指標如有條件可以適當選擇，或作為擴展項目安排，逐步增加連續自動監測的項目數。

表1

2.水源水質預警限值

根據目前已有的水廠運行數據，對其處理能力進行判斷，尋找其最大處理限值，由此根據源水水質對水廠提出預警，當源水某一指標高于或低于某一值時，該水廠目前處理能力不能保證出水安全，需要加深度處理或是需要進行一系列措施調整，才能保證出水安全。對于預警級別設為一級預警以及二級預警，一級預警表示源水該指標過高或過低，如不加注意，則出水會超標，需要對該工藝進行某些調整或同時采取多種優化措施以保證出水，二級預警表示目前水廠的處理能力達不到出水安全的要求，需要加新的處理工藝等。

對東莞市各主要水廠歷年的數據進行了分析，針對源水濁度、pH值、氨氮、CODMn、電導率、葉綠素、溶解氧、鉛等8個監測指標制定了相應的判斷條件，如表1所示。

3.遠程監控中心系統設計方案

遠程監控中心是整個自動監測系統的頂端和核心，主要功能是接收現場站點數據，由數據服務器完成存儲，并再由各分項PC通過軟件完成數據顯示、分析、預警等功能，還要提供網絡數據服務。

遠程監控中心的硬件主要包括數據通訊接收設備（主要是GSM無線數字調制解調器1臺）、數據服務器1臺和若干功能PC（可根據需要添置，也可以暫不設置）。數據通訊接收設備可采用雙頻數字調制解調器，可接在數據服務器上。數據服務器承擔了數據存儲、備份、數據庫使用和網絡服務等多項功能，因此要求選用質量較好的企業級專用服務器（如IBM XSeries 236）。

遠程監控中心軟件系統主要包括數據接收軟件、水源水質預警系統數據庫及其功能軟件。數據接收軟件要求能連續接收來自現場站點的數據。而遠程監控中心的數據庫是整個水源水質預警系統的數據中心，它將各個現場站點集成起來，能夠實現數據的存儲、備份、處理、管理和服務功能。主要采用ASP網頁編程（Active Server Page，是面向對象程序設計的一種）和數據庫編程，與ADO對象（ActiveX Data Objects）結合，在服務器端實現各種功能，體系如圖1所示。

數據庫是軟件系統的基礎核心，選用MS SQL Server 2005數據庫來完成數據的儲備，以服務器/客戶端（S/C）混合模式安裝到監控中心數據服務器的操作系統（采用Windows 2000 Server）上。這樣安裝的數據庫，可以借助IIS設置成為各個現場站點的數據中心，存放所有站點的實時數據，并為后端的水質預警模式計算和報警模塊提供實時數據支持。數據庫功能界面是軟件系統的功能核心，通過調用后臺數據庫中的實時和歷史數據來完成各項數據應用功能，主要包括：登陸界面、主界面、實時數據顯示、判斷報警、歷史數據統計、自動報表、數據查詢、數據報表生成、數據分析、應急處置建議、系統維護、數據網絡服務、用戶管理、系統結構調整等。系統的功能結構如圖2所示。

圖1 水源水質預警系統數據庫軟件系統體系架構圖

圖2 水源水質預警系統數據庫軟件界面的功能結構示意圖

4.結論

水源水質預警是在源水水質惡化、污染事故數量及危害程度增加、保障安全飲用水和“9.11”恐怖襲擊后全球防恐機制下的基礎上在近年提出的，用于保障安全飲用水和服務于供水企業及民眾的預警系統。在水源水質自動監測系統的基礎上，將數據通訊、數據庫和預警響應模式進行集成，才能形成水源水質預警系統的軟件體系。先有監測，才有預測和評價，之后才能預警。前者是后者的基礎，后者是前者的深化和發展。開發科學有效的軟件分析、專家測評系統是預警體系得以有效發揮作用的關鍵，研究開發系統分析專業軟件，并關聯現況供配水系統，實現最終至用戶的科學調度，是預警系統急需研究開發的方向。