在線水質分析儀器應用技術的發展
來源： 閱讀：3161 更新時間：2014-11-18 20:13一、前言
進入21世紀以來，面對日益嚴重的水資源短缺、水環境污染等問題，水工業行業迎來了水資 源費上漲、飲用水水質標準提高、廢水排放標準更加嚴格，以及用水量與用水人口增加、水價上漲 等諸多的挑戰和機會；在法規的壓力和市場的推動下，加強對水環境的監測以及廢水排放的監管， 淘汰粗放式的水處理及用水模式，采用更加先進的過程控制系統以提高水處理效率、降低水處理及 用水成本就成為了水環境監管部門及水工業行業的必然選擇；在這種情況下，水處理工業過程控制 系統中的關鍵設備一在線水質分析儀器及其應用技術得到了快速發展，儀器的穩定性與可靠性有了 很大提高、可以實現在線監測的水質參數越來越多、在線水質分析儀器的功能也越來越強大。國際 標準化組織(ISO)在2003年制定了代號為IS015839—2003的標準《水質在線傳感器／分析設備- 水質規范和性能測試》。標準定義了在線水質分析儀器的性能特征，建立了評估及測定性能特征參 數的測試程序，這個通用性標準給在線水質分析儀器的研發、生產及驗收提供了依據，從而為水工 業行業，以在線水質分析儀器為基礎的過程控制系統的進一步充分應用提供了技術上的可靠保證。 在儀器研發和制造技術迅速發展的同時，在線水質分析儀器應用技術也獲得了高速發展的機會： 一方面需要滿足不斷出現的各種新型水處理技術對水質監測技術的多種不同需求；另一方面需要滿 足各種不同特點的水質狀況對在線水質分析儀器的要求。包括海水、廢水等特殊水源在內的多樣化 水源的廣泛采用，以及各種新型水處理技術的普遍應用推動了在線水質分析儀器應用技術的快速發 展。
二、在線水質分析儀器應用技術的發展趨勢
任何一項應用技術的發展都離不開市場需求的推動。在線分析儀器應用技術發展的早期，主要 是解決在某種特定水質和工藝條件下，如何選擇最適宜的在線水質分析儀器的問題；目前，應用技 術主要研究通過哪些合適的方法(預處理，系統集成等)能獲得更長的正常運行時間、更加準確的測 量結果，或更好地反應水質變化趨勢；隨著水工業行業的發展以及水環境監測要求的提高，越來越 多的客戶希望通過在線水質分析儀器的應用能夠直接給出解決問題的方案，這對在線水質分析儀器 應用技術提出了新的要求和挑戰，也進一步推動了在線水質分析儀器應用技術朝著更高級的智能化 和專家化發展。
三、對在線水質分析儀器應用技術的不同要求
在線水質分析儀器按照不同的使用目的，大致可以分為監測型分析儀器和過程型分析儀器兩類， 監測型分析儀器主要用于單純的水質監測，以判斷水質是否達到法規的要求，以及環境水質(地表 水，地下水)和飲用水水質的預警性監測，不參與水處理工藝過程控制；相對而言，要求監測的水質 參數不多．主要是環保法規或者水質標準規定的主要污染物指標，如COD、氨氮、總磷、總氮、重 金屬以及常規5參數等少數幾種；水質狀況比較簡單；對應用技術的要求主要是水樣預處理技術以 及儀器集成技術等。在中國，目前應用最多的監測性在線水質分析儀器是用于各企業水處理末端(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測，所測量的水質參數會參與過程控制、優化 水處理工藝、提升水處理效率，在保證末端水質達標的前提下，實現水處理過程節能降耗的目的。 過程型分析儀器町以測量的水質參數超過數十種，不同水處理工藝涉及的關鍵工藝過程參數也不相 同，對于飲用水處理，最重要的工藝參數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；對于火電、核電廠需要的純水來說，二氧化硅、鈉離子、電導率、PH、溶解 氧是幾個關鍵的控制參數：而對于軟化水處理，硬度可能是最重要的水質參數；另外，對于不同類 型的工業廢水處理工藝而言，也存在大量不同的水質工藝參數。顯而易見，無論是在測量參數上， 還是待測水樣的復雜程度上，過程型分析儀器都高于監測性儀器；對應用技術的要求也相對復雜。 對于不同類型的在線水質分析儀器，技術要求是不同的，一般而言，監測型分析儀器對測量數 據的準確度要求較高，數據可以作為有關部門進行執法管理的依據；而過程型分析儀器對儀器的可 靠性和穩定性要求較高，要求儀器能夠可靠地反應水質變化的趨勢，以便為水處理過程控制提供依 據。
同樣，不同類型的在線水質分析儀器，對應用技術的需求也是不同的，下面分別介紹：
1、監測型在線水質分析儀器相關的應用技術：
1)系統集成技術是目前應用最為廣泛的監測型在線水質分析儀器應用技術。在線分析儀器系 統集成是指單臺或多臺在線水質分析儀器或者單臺多參數在線水質分析儀組成在線水質分析系統或 分析小屋，主要由取水單元、預處理單元、輔助分析單元、分析監測單元、系統控制單元、通信單元、 運行環境支持單元、遠程監控中心等構成。可以實現對特定水樣單個或多個水質參數的實時分析， 并及時將水質信息發送到環境監管部門或者相關單位。在線水質分析系統集成技術在環境監測和水 處理工業的許多領域都有應用：
A、地表水及地下水自動監測：包括環保局或水利部門對重點流域、斷面以及湖泊、水庫水質 的自動監測；
B、自來水管網水質自動監測及預警系統
C、城市排水自動監測：環保局、市政污水管理部門或市政污水廠對污水廠進口及出口水水質 自動監測
D、工業行業水質自動監測：包括環保局對工業企業排水監測； 工業園區或大型工業企業內部 水務管理及水處理費用結算以及油田回注水水質自動監測等
E、水產養殖用水水質自動監測。
2)樣品采樣及預處理技術也是在線水質分析儀器的應用技術重要組成部分。
監測型在線水質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 確度和分析數據的代表性，如何有效去除水樣中泥沙、懸浮物、色度等干擾物質樣品，同時又不影 響到待測參數的測量準確度，預處理技術的重要性是不言而喻的。除開傳統的樣品過濾這些預處理 技術外，有些水質參數，如總磷這種對水體富營養化非常重要的特殊的水質參數，還需要監測到在 水體懸浮物中的總磷含量才能保證了解到完整的水質參數信息。針對這種情況，具有超聲波粉碎功 能的采樣預處理裝置在廢水監測的應用就成為了必要，以保證水體中的所有總磷都被監測到。
3)目前傳統的監測型在線水質分析儀器只能測量完成對已知特定水質參數的監測，并不能反 應供水水質的綜合的，深層次變化。對于突發事件，尤其是一些人為因素造成的水質威脅(如突發 性污染事故、投毒等)，不能實現判斷污染類型、區分污染物種類等功能。為了充分利用現存的水 質監測儀器，實現更有效的水質預警，一種具有“自學習”功能的“藍色衛士”創新型水質預警應 用技術開始得到越來越廣泛的重視和應用。
藍色衛士水質預警技術改變了傳統水質監測只監測單一指標的層面，在預警領域首先提出“軟 監測”的概念。利用有限的監測設備監測各種基本水質指標的變化情況，采用預警模型實現水質綜 合預警。該系統基于大量的實驗數據建立數學模型，將反映水質的各個基本指標有機的結合為一個 整體，分析水質綜合變化情況，對于水質日常變化和突發事件加以區分；系統能利用內置的預警模 型計算當前水質的模型矢量，并根據模型矢量的幅值和角度進行分析預警，如果該矢量超標即可報 警。通過該功能可以有效預警突發性水質變化。
在藍色衛士系統中，用戶不僅可以看到常規檢測指標的數據，更可以在其基礎上利用系統中的 數據模型進行開發和實驗，考察水中加入不同物質后綜合水質的變化情況，并針對本地關注的特征 污染物進行試驗，對系統進行“二次開發”，系統可以通過強大完善的自學習功能建立相應的特征 污染物數據庫，一旦水中出現該類型污染物，系統即可準確快速識別，達到應急預警的目的。即使 水體初次出現不能被系統識別的污染物，系統也會自動記錄下相應水質參數的變化情況，并報警； 一旦該污染物再次出現，系統會自動識別出該污染物。
2．過程型在線水質分析儀器相關的應用技術：
1)根據儀器特點及水處理工藝的要求正確選用在線水質分析儀器：由于在線水質分析儀器能 夠實現無人職守、自動運行的特點，要求在沒有人工調節的情況能長時間穩定地提供反應真實水質 狀況的數據。而且絕大多數在線水質分析儀器的傳感器是直接同水樣接觸，大多缺少樣品預處理及 去除樣品中干擾物質的過程，需要找到合適的能滿足特定條件和參數要求的儀器才能獲得準確的測 量數據；客觀上要求在線水質分析儀器在功能上更加精細化和更有針對性，能根據水處理工藝的不 同要求提供更能滿足需要的解決方案。具體而言，需要根據測量原理、測量范圍、響應時間、安裝 方式、維護運行要求等不同需要來選擇相對應的在線水質分析儀器產品，最簡單的例子就是：作為 水處理工藝中最重要的工藝參數一濁度的測量，就設計和制造了多達四類，超過十種的在線濁度分 析儀器產品：對于受污染嚴重、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 量；對于膜過濾水這種濁度極低的水樣，目前出現了分辨率可達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，適用于高質量的膜過濾水。
2)在線水質“替代參數”分析儀器的應用：水質替代參數是指一類特定的水質參數，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現在線監測而且實驗室分析也非常 繁瑣水質參數的變化。由于能實時反映水質的變化，在線水質“替代參數”分析儀器的是實現水處 理工藝過程自動控制非常有價值的一個產品。目前，對飲用水水質安全來講，反應有機物總量及某 些特定成分變化的綜合性指標UV254是目前非常重要的水質替代參數。目前，水體中的人工合成有 機物種類是非常多的，飲用水處理的一個目的就是要盡可能去除對人體危害較大的人工合成有機物， 進行在水處理工藝過程中對這種有機物去除的實時監控，是實現水處理工藝全流程自動控制的保證。
最近水質科學的研究表明，在254nm及附近波長的吸光度值，如UV260完全可以作為及時了解諸 如合成有機物、二噫英、內分泌干擾物等重要污染物的替代指標，通過監測UV254這種指標的變化， 可迅速獲得水處理過程的信息反饋，從而及時采取措施，如改變絮凝劑投加量或更換失效的活性炭 等；通過用UV254的分析監測，還可以針對不同的污染物質，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可作為有機物監測的替代參數，在飲用水氯消毒的副產物中，UV254 特征的有機物貢獻最大。其他采用在線水質“替代參數”分析儀器的例子還有：在飲用處理工藝中 用于監測致病性隱孢子蟲和賈第蟲風險的在線顆粒計數儀、用于監測“咸潮”的在線電導率分析儀 以及反應水體藻類爆發的葉綠素在線分析儀等。相信隨著水質科學的進一步發展和水處理工藝控制 要求的提高，還會出現越來越多的在線水質“替代參數”分析儀器，以實現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分析儀器：眾所周知，使用過程型在線水質分析儀器 的主要目的是為了解決水處理過程中的問題，優化水處理工藝，實現自動控制。除了選用正確的在 線水質分析儀器，還需要結合水處理工藝的具體特點和要求才能更好的解決工藝問題，這時通常都 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儀器更好的結合起來，實現水處理工 藝過程優化是過程型在線水質分析儀器應用技術面臨機遇的挑戰。最近，在污水處理領域，結合了 先進數學模型和智能控制理論的優化控制策略系統的“WTOS污水廠優化控制系統”應用技術已經 在歐洲開始得到應用和推廣；該系統結合溶解氧、硝氮、氨氮、COD和MLSS等在線水質分析儀 器的數據，采用專門化的污水處理數學模型，通過復雜運算過程得到的結果來直接調節從前的固定 設定值，從而減少曝氣量和加藥量，降低能耗。這套系統的軟件及控制模塊被固化成儀器的形式， 可以實現批量生產及大規模定制。通過優化控制，這套系統還能降低碳源(甲醇)的添加量，達到 減碳的效果，通過在英國Peel Common污水廠的實際運行結果表明，WTOS的使用，在保證出水水 質達標的前提下，能夠節省20％的曝氣量，同時還能減少50％甲醇添加量。可以預計，“WTOS 污水廠優化控制系統”這種專家化的可以給出實際解決方案的技術將會成為在線水質分析儀器應用 技術在水處理行業發展的一個方向。
四、小結
水環境保護和水處理工業的發展推動了在線分析儀器及應用技術的發展，為了滿足水監測及水 質安全預警的要求，監測型在線水質分析儀器應用技術在儀器系統集成，水樣預處理技術方面有了 長足的進步；同時，出現了以“藍色衛士”水質安全預警系統為代表的具有自學習功能的儀器系統 及應用技術。過程型在線水質分析儀器應用技術也在不斷發展出更加精細的儀器應用細分，以滿足 水處理工業多樣化水源的采用、以及各種新型水處理技術的普遍應用需求。近來，還出現了具有專 家功能儀器化的污水廠優化運行系統，可以通過在線水質分析儀器反饋的水質參數實現水處理自動 工藝優化運行。可以預見：在線水質分析儀器應用技術將朝著“專家化”、“智能化”的方向進一 步得到發展。
