重點環境風險源監控技術庫設計研究

韓璐，俞博凡，宋永會*

1.環境基準與風險評估國家重點實驗室，中國環境科學研究院，北京 100012

2.中國環境科學研究院城市水環境科技創新基地，北京 100012

1 監控技術庫總體設計

我國目前對環境風險源監控管理的理論和技術研究尚處于初級階段。研究重大環境污染事件風險源監控技術，防范環境風險，對可能的突發環境污染事故進行預警，是今后研究的熱點。因此，迫切需要開展重大環境風險源監控技術研究，有效防范環境污染事件的發生。

基于我國重大環境污染事故頻繁發生［1-2］，環境風險防范管理需求日益迫切［3］，環境監測監控技術缺乏系統的梳理和分類的現狀，筆者對重大環境污染事件環境風險源監控技術庫進行了設計研究。基于監控系統綜合技術集成的思想［4］，針對易引起重大環境污染事故的化學物質［5-7］，依據風險物質的屬性，結合監測技術方法、原理，通過查閱大量文獻、書籍、期刊、網絡，以及走訪相關企業等方式對環境風險源監控技術進行調研，優選監控技術設備儀器。以環境風險源特征污染物及常規參數建立監控指標并優選監控技術方法，提出監控設備配置方案，進行環境風險源監控技術庫的總體設計，其構建思路如圖1 所示。

圖1 環境風險源監控技術庫構建思路Fig.1 Design pattern of monitoring technology base for environmental risk source

2 監控指標、參數的確定

綜合考慮環境風險源特征污染物及常規參數，根據監控技術庫開發需要，結合實際風險源監控監測需求，篩選監控技術庫特征污染物及綜合指標，并按照指標確定了數據庫，詳見表1。

表1 重點環境風險源監控指標數據庫Table 1 Monitoring technology base for key environmental risk source

由表1 可見，數據庫主要包括氣象參數、氣體濃度、水質常規五參數、液體濃度、水質綜合數據和水生物毒性數據。通過環境風險源監控技術的國內外調研，結合國家規定的標準方法或國際上公認的標準分析方法的要求，共收集整理了120 余種監控儀器設備信息，建立了監控指標數據庫，其主要信息基本一致，包括儀器名稱、監測參數、測量范圍、電力供應、價格范圍以及數據傳輸等信息。其他功能及運行維護信息根據儀器的類別不同而有所區別。

3 監控技術方法優選

根據監控技術庫設計需要，結合實際風險源監控監測需求，在入庫特征污染物以及綜合指標的基礎上，搜集相關監控技術。綜合考慮常規參數、無機氣體、有機氣體、水中無機離子、水中有機物和水體綜合毒性6 個方面的監控指標，優選監控技術方法。對具體監控指標分析時所采用的技術方法進行推薦，并比較每個在線監控方法的優缺點。

(1)常規參數

包括水溫(鉑電阻法、熱敏電阻法);濁度(光透射法、光散射法);pH、電導率、DO、ORP(電極法)。

(2)無機氣體

包括氨氣、氯化氫、硫酸、氮氧化物等，采用電化學傳感器(electrochemical detect，ECD)、分光光度法測定。其中，排放源推薦使用ECD，環境受體推薦用分光光度法。

(3)無機離子

包括六價鉻、氰化物、氟化物、硝酸鹽等。采用分光光度法、陽極伏安溶出(ASV)，離子選擇電極(ISE)等。無機離子在線監測方法比較見表2。

表2 無機離子在線監測方法比較Table 2 Comparison of on-line monitoring method for inorganic ion

(4)有機氣體

有機氣體的在線監測方法主要是各種類型的傳感器，主要包括催化燃燒檢測器(CCD)、非分散紅外傳感器(NDIR)、金屬氧化物半導體(MOS)傳感器、電化學傳感器(ECD)、火焰離子化檢測器(flame ionization detect，FID)、光 離 子 化 檢 測 器(photo ionization detect，PID)、表面聲波(SAW)傳感器、石英晶體微天平(QCM)傳感器等。有機氣體在線監測方法的優缺點比較見表3，相比而言，ECD 和PID在實際應用方面更適合于環境風險源。

表3 有機氣體在線監測方法比較Table 3 Comparison of on-line monitoring method for organic ion

(5)水中有機物

水中有機物的監測方法根據有機物的種類不同，方法原理也不相同，主要包括UV254、UV -VIS 200 -750;紫外、可見光吸收光譜法;催化燃燒氧化-NDIR(國標);UV 催化-過硫酸鹽氧化-非分散紅外光度法、UV-過硫酸鹽氧化-離子選擇電極法、加熱-過硫酸鹽氧化-非分散紅外光度法;UV-TOC 分析計法;紅外法、NDIR、紫外法、熒光法等。對于揮發酚、揮發性鹵代烴類，采用分光光度法、頂空氣相色譜(HS-GC-FID)［8］、吹掃捕集氣相色譜(PT -GC -FID)、膜進樣飛行時間質譜(MI-VUV-TOFMS)等方法。針對苯系物，常用紫外吸收光譜、拉曼光譜(Raman)、激光誘導熒光光譜(LIF)、氣相色譜(GCFID)、膜進樣飛行時間質譜(MI -VUV -TOFMS)等方法［9］。

(6)水體綜合毒性

對水環境受體來講，風險物質種類繁多，采用敏感水生生物對水體綜合毒性進行在線監測，可起到水環境污染事件預警作用。監測生物主要有發光細菌、微生物燃料電池、水蚤、蚌類、魚類，其對氰化物、重金屬、農藥等急性毒性物質較為敏感。微生物燃料電池應用較少;發光細菌毒性檢測儀較成熟、標準化程度高;魚類毒性檢測儀較廉價，但魚類的行為與污染物的作用關系有待進一步研究。推薦使用發光細菌毒性檢測儀。

4 監控技術設備優選

4.1 監控儀器選擇原則及性能要求

在調研的基礎上，提出了監控設備的選擇原則，并對環境風險源監控儀器基本性能提出要求，進行監控儀器的優選。

4.1.1 監控方法選擇原則

在選擇具體監控分析方法前，要根據現有條件結合實際情況，對不同監控對象、不同監控層次，采用不同的監控方法，并遵循如下原則:1)監控儀器要采用國家規定的標準方法或國際上公認的標準分析方法，操作簡便、易于維護，具有易實施性和可操作性;2)監控儀器分析結果直觀、易判斷;3)監控儀器分析方法的靈敏度、準確度和再現性要好，檢測范圍寬，具有普適性;4)監控分析儀器具有數據采集、存儲和傳輸功能;5)有害物質和雜質對監控儀器分析的干擾小，能適應類似化工園區的惡劣環境;6)監控儀器對樣品的前處理要求低;7)監控儀器能夠長期安全穩定運行、故障率低。

4.1.2 監控儀器基本功能要求

監控儀器基本功能要求應滿足:1)具有時間設定、校對、顯示功能;2)具有自動零點、量程校正功能;3)具有測試數據顯示、存儲和輸出功能;4)意外斷電且再度供電時，應能自動排出系統內殘存的試樣、試劑等，并自動清洗，自動復位到重新開始測定的狀態;5)具有故障報警、顯示和診斷功能，并具有自動保護功能，能夠將故障報警信號輸出到遠程控制網;6)具有限值報警和報警信號輸出功能;7)具有接收遠程控制網的外部觸發命令、啟動分析等操作功能。

根據環境風險源和敏感環境受體的不同屬性特征，選擇相應的儀器設備。對于源的監控，一般選擇能夠進行高濃度粗略定量、可靠性高、價格低廉、小型化的傳感器;對于受體，一般選擇檢測限低、檢測范圍廣、能夠對風險區內眾多物質定性的大型在線分析儀器。

4.2 監控儀器設備分類

對于氣態環境風險源，根據監控氣體的類型不同、監控目的不同，選擇的設備也不同。特征風險物質濃度的監控技術主要是針對不同的氣體，如可燃氣體、有毒氣體、成分復雜的氣體等，方法主要有LEL 檢測器法、ECD、FID、PID、紅外吸收光譜儀法和基于VUV(vacuum ultraviolet)的飛行時間質譜儀法等。對于液態環境風險源，無機離子類監控指標主要采用離子選擇電極類傳感器，水中有機物采用基于飛行時間質譜和氣相色譜類的監控儀器。對于特征風險物質的監控，除了上述理化監控技術及儀器，還有一類很重要的監控儀器，即綜合生物毒性監測設備。

4.2.1 氣態環境風險源監控設備

氣態環境風險源監控設備根據檢測目的，可分為可燃氣體檢測器;電化學檢測器(可以檢測CO、H2S、NO、NO2、SO2、Cl2、NH3、HCN 等多種無機有毒有害氣體濃度);火焰離子化檢測器;光離子化檢測器(可檢測VOC 和其他有毒氣體濃度);紅外吸收光譜儀(可以同時測量多種氣體濃度)。

4.2.2 液態環境風險源監控設備

液態環境風險源監控設備包括離子選擇電極、多參數水質分析儀和水中有機污染物監測設備等。其中，多參數水質分析儀是一種可以同時、快速檢測水質的儀器，能測定水中酸堿度、電導率、溫度、濁度、溶解氧、氧化還原電位等參數。而水中揮發性有機污染物在線監測設備是基于氣相色譜技術，可連續采樣、凈化處理、濃縮富集、檢測分析的實時在線設備。研究發現，基于“PDMS 膜進樣/VUV 燈電離/TOF-MS”的飛行時間質譜儀和揮發性有機污染物在線監測儀，能夠應用于地表水源水典型VOCs 環境污染事件的預警和連續在線監測［10-11］。

4.2.3 綜合生物毒性監測設備

由于液態特征風險物質種類多，且毒性作用日益復雜，已有的在線監測儀器已不能滿足濃度監測預警的要求。而綜合生物毒性在線監測技術的發展解決了這一問題［12］。它利用活體生物在水質變化或污染時的行為生態學改變，來反映水質毒性變化。特征風險物質進入環境后，在生態系統各級生物學水平產生不良影響，包括生物分子、細胞器、細胞、組織、器官、器官系統、個體、種群、群落生態系統等，引起生態系統固有結構和功能的變化［13］。目前已有應用的綜合生物毒性在線監測儀器主要有魚類在線監測儀［14］、水蚤在線監測儀［15-17］和細菌在線監測儀等［18-20］。

生物毒性監測儀克服了理化監測的局限性和連續取樣的繁瑣性，可以達到早期預警的目的。因此，在環境風險源監控技術庫中，綜合生物毒性是非常重要的指標。

4.3 監控設備配置方案

監控設備是監控技術庫的重要載體。而在實際的管理應用中，由于管理的要求和經濟條件不同，在選擇監控設備時可以制定不同的監控設備配置方案。其配置水平可以綜合考慮風險企業和風險區的分級。風險企業的分級是企業中各風險源分級的綜合體現，結合風險企業分級結果，對于風險等級高的企業，其相應的監控設備配置水平也高;而對于數據缺失，未分級的風險企業，則設備配置水平僅參考風險區分級結果。

環境敏感受體監控設備的配置水平以監測站點為單位，考慮受體易損性和風險區的分級;敏感受體指GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中規定的具有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類水域功能的保護目標，一般受體指其他地表水域。

設備配置水平:低檔配置小于10 萬元;中檔配置為10 萬～50 萬元;高檔配置大于50 萬元。設備配置水平劃分見表4。

表4 設備配置水平劃分Table 4 Division of equipment configuration

4.4 監控技術庫的功能

環境風險源監控技術庫的總體架構共分為氣象參數、氣體濃度、水質常規五參數、液體濃度、水質綜合指標、水生物毒性6 個基礎數據庫，可實現基礎數據的錄入、保存、編輯修改、查詢和刪除管理等功能。還可實現根據各數據模塊，綜合查詢各種環境風險源的監控儀器設備信息。根據需要查詢的特征污染物類型，點擊對象，可查詢到儀器的監測項目、檢測原理、檢測范圍、靈敏度、精確度、準確度等信息，可根據用戶的實際需求，選擇最佳監控儀器設備。

5 結語與討論

基于我國環境風險管理，防范風險發生的需求，在環境風險源常規參數監測的基礎上，針對易引發環境污染事件的特征污染物，經過基本信息篩選，進一步整理、分析、評估國內外監控監測技術和分析方法的特點與適用性，從監控技術的指標、參數、原理、技術方法、設備優選等方面進行設計，形成具有決策支持功能的重大環境污染事件環境風險源監控技術庫，以期為我國環境風險管理提供技術支持。

目前我國的環境風險源監控還存在一些問題，如在實際的建設應用和推廣中，會存在資金、數據管理等方面的問題。因此，在實際應用中，需要在風險源篩選的基礎上，對重點指標進行重點監控，并采取分階段逐步推廣的方法。

未來在環境風險源的監控預警、風險防范方面，以魚類、水蚤、細菌類等已有應用的綜合生物毒性在線監測儀器，作為快速檢測、綜合反映風險水平的監控技術方法將成為發展趨勢，但在現階段將研究構建的環境風險源監控技術體系實際推廣還存在一定的困難，目前，還是以可操作性強，有代表性和常規污染物指標的檢測儀器為主，要實現監控技術的全面應用，還需要分階段，逐步實現推廣。

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