水質監測設備的研究現狀與發展趨勢

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展有限公司）

前些年，國內外許多地方企業直接將工業污水排至河、湖里，出現很多飲用水或地下水污染事件。甚至有的企業為節省工業廢水凈化費用，通過一些極端方式，比如深挖水井將工業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地地下水資源嚴重污染［1］。為了保證人們日常生活用水的安全，當地政府必須加強對水質的監控，而有效的水質監控必需依靠相關的水質監測儀器。隨著近幾年工業的快速發展，江河湖泊乃至地下水中的有害化學物質日益增多，傳統的水質監測儀器因為測量參數少、穩定性不高、測量準確性低，甚至有些還會給環境造成二次污染等缺點，已經遠遠不能滿足現在的水質監測要求。因此，研發新式多參數水質監測設備已經成為社會各界關注的重點，這類儀器雖然在國內外某些企業和研究單位已經有了批量生產，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監測的要求。

1 水質監測設備的原理

目前市面上的水質監測設備有很多種，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在特定波長處或一定波長范圍內的吸光度或發光強度，對該物質進行定性和定量分析的方法。

用紫外光源測定無色物質的方法，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出來的設備，在測量被測水域水質時，不會對被測水域產生二次污染，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中污染物的濃度。這個方法既簡單，應用性又強。

2 國內外研究現狀

西方一些發達國家早期的水質監測主要以人工檢測方式為主，需要檢測人員定期到水質監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的監測報告。實驗室人工檢測分析存在檢測頻次低、采樣誤差大、檢測出的樣本數據不準確且分散、不能及時反映水質變化情況并提前做出預警等缺點，這就大幅限制了水質監測的實際工業應用。隨著科學技術的發展以及自動化相關技術的發展與成熟（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現水質的異常變化，并可以迅速做出水質污染預警，及時追蹤污染源，他們在完善實驗室人工檢測的同時，也陸續開始研發水質實時自動監測系統，搭載該系統的水質監測設備也隨之出現［4，5］。到了20世紀70年代末，美國、德國等一些發達國家加大了對水質監測設備的研發投入，對本國的重點水源區域和工業區實行水質監測。當時水質監測設備的監測參數主要有水溫、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。到了20世紀末21世紀初，隨著世界工業化與城市化速度加快，人們對生活質量的要求提高，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已經不能充分顯示出水質的好壞，這就需要增加水質監測參數，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、高錳酸鹽指數及微生物菌群等參數加入到了水質監測范圍內［6，7］。

21世紀初出現了很多生產水質監測儀的知名企業，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監測設備市場占有率最高的是美國HACH公司生產的水質監測儀器。在線水質監測設備從測量對象種類上可分為單參數水質監測設備與多參數水質監測設備，目前市場上成熟的產品絕大多數都是單參數水質監測設備。美國HACH公司研制的NPW-160水質分析儀，是現在市場上比較受歡迎的單參數水質監測設備，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工業廢水總磷的自動監測。它具有當時最先進的多波長檢測器，能夠實現水質中總磷的監測，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點，缺點是系統比較復雜、體積龐大等。多參數水質監測儀器的技術均沒有單參數儀器的技術成熟。其中最有名的是澳大利亞GREENSPAN公司推出的在線自動水質監測站——Aqualab，它能在一個機柜中完成10個水質監測項目：物理五參數、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，并開始分析，分析結束后廢液被回收且將分析數據保留并存儲，同時通過通信單元可發送到中心控制室。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點。

我國水質監測技術起步較晚，到20世紀中后期才開始進行研究，在水質監測儀器研制方面遠遠落后于西方發達國家。近些年來，隨著我國經濟水平的提高和工業化與城市化的迅速發展，我國對水質監測技術研發的投入大幅增加，在水質監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第1臺水質監測樣機，該樣機可以同時檢測各種水質中的化學需氧量、pH值和氨氮3個指標，實現了對生活工業污水、地表水和地下水的自動監控［8，9］。2011年重慶大學微系統研究中心的科研團隊在水質監測技術方面取得了重大突破并研制出一臺多參數水質監測儀。與西安交通大學的水質監測樣機不同的是，它可以同時對多種水質中化學需氧量、總磷、氨氮及pH值等7個水質參數進行監測［10，11］。2018年，山東特檢科技有限公司在化工園區廢水監測領域推出了一款JTTO型物料成分在線分析儀，此設備可以實現對化工園區水質中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通信協議，實現了對現場水域的實時監測，同時可以將測得的數據傳輸到中控室并制成曲線，方便實驗人員根據圖像及時做出預警，為實際生產提供科學依據［12］。

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

3 發展趨勢

3.1 人工采樣分析向自動采樣分析轉變

目前，大多數實驗室和化工園區的水質監測都是依靠人工取樣分析進行的，隨著社會的發展，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、檢測數據不準確且分散、不能及時反映水質的變化等缺點，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省人工成本，還可以根據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，檢測數據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變化并及時做出預警［13］。

3.2 單參數檢測向多參數檢測轉變

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

3.3 大型設備小型化

由于實驗室用的大型水質監測儀不能適應工作現場的限制和取樣樣品性質不穩定等條件，這就要在滿足監測要求的同時，盡可能減小水質監測儀的體積，方便儀器運輸到現場并成功安裝。

4 結束語

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