水質(zhì)在線(xiàn)監測技術(shù)與自動(dòng)化儀器研究進(jìn)展

一、引言

隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市規模的不斷擴大，生活和生產(chǎn)活動(dòng)過(guò)程排入到環(huán)境中的有毒有害化學(xué)物質(zhì)約有50多萬(wàn)種，人們賴(lài)以生存的自然環(huán)境日趨惡化。傳統的以人工現場(chǎng)采樣、實(shí)驗室儀器分析為主要手段進(jìn)行環(huán)境水質(zhì)監測模式，存在監測頻次低、采樣誤差大、監測數據分散、不能及時(shí)反映污染變化狀況等缺陷，難以滿(mǎn)足政府和企業(yè)進(jìn)行有效水環(huán)境管理的需求。既影響環(huán)境管理的科學(xué)決策和執法的嚴肅性，又挫傷企業(yè)治理污染保護環(huán)境的積極性。因此，只有對環(huán)境水質(zhì)實(shí)施全天候自動(dòng)監測，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地將數據傳遞給在線(xiàn)監測系統平臺匯總整理，才能使監測數據具有客觀(guān)性、科學(xué)性，以便隨時(shí)抽調分析評價(jià)水資源的質(zhì)量狀況及其變化規律，為各級環(huán)保部門(mén)對環(huán)境污染有效預防、控制和治理以及環(huán)境決策提供準確依據，為國家和各級政府開(kāi)發(fā)利用、管理與保護水資源提供科學(xué)依據。

為滿(mǎn)足國家水環(huán)境在線(xiàn)監測的政策需求，把握水質(zhì)在線(xiàn)監測領(lǐng)域的新興市場(chǎng)機會(huì )，聚光科技（杭州）有限公司結合多年過(guò)程分析和環(huán)境安全檢測儀表開(kāi)發(fā)經(jīng)驗，不斷開(kāi)拓和積累新分析技術(shù)能力，形成全譜法水質(zhì)分析技術(shù)、熒光分析技術(shù)、在線(xiàn)順序注射分析技術(shù)、無(wú)汞伏安溶出分析技術(shù)、發(fā)光細菌法綜合毒性分析技術(shù)等多個(gè)技術(shù)平臺，成功推出系列化的水質(zhì)在線(xiàn)分析儀表，并成功應用于污染源水質(zhì)在線(xiàn)監測、地表水水質(zhì)在線(xiàn)監測、飲用水水質(zhì)在線(xiàn)監測、工業(yè)過(guò)程水水質(zhì)在線(xiàn)監測等領(lǐng)域，積累了豐富的現場(chǎng)應用經(jīng)驗。

二、直接光學(xué)法分析技術(shù)

直接光學(xué)法分析技術(shù)檢測過(guò)程不使用和消耗有毒有害化學(xué)試劑，從而不存在化學(xué)試劑二次污染問(wèn)題，還大大延長(cháng)了在線(xiàn)儀表的維護周期。此外，快速的直接檢測實(shí)現了真正意義上的連續實(shí)時(shí)監測。因而基于直接光學(xué)法分析技術(shù)的在線(xiàn)分析儀表倍受用戶(hù)青睞。國家環(huán)境保護總局于2005年下半年發(fā)布了關(guān)于UV法的行業(yè)標準，有效的推進(jìn)了UV法水質(zhì)在線(xiàn)分析儀在水質(zhì)監測領(lǐng)域的應用。

1、全光譜分析技術(shù)

全光譜分析技術(shù)是一種利用水樣中的硝酸根、亞硝酸根、懸浮物或有機物在紫外可見(jiàn)波長(cháng)范圍內對入射光的吸收或散射作用強度間接獲取水質(zhì)參數的光學(xué)分析技術(shù)。全光譜分析技術(shù)首先借助化學(xué)計量學(xué)方法技術(shù)對基礎的水樣光譜和其檢測因子標準值進(jìn)行關(guān)聯(lián)建立校正模型，然后基于該校正模型對待側水樣的吸收光譜進(jìn)行預測，得到待測樣品中的目標參數，其過(guò)程如圖1所示。

聚光科技基于該技術(shù)平臺開(kāi)發(fā)了SWA-2000系列水質(zhì)在線(xiàn)分析儀，并成功應用于地表水、工業(yè)過(guò)程水、污染源廢水的COD、硝氮、亞硝氮、色度、濁度、懸浮物等多項水質(zhì)參數的自動(dòng)在線(xiàn)連續監測。圖2為SWA-2000型水質(zhì)COD在線(xiàn)分析儀在某企業(yè)排放口的連續監測數據以及與國標方法的抽樣比對，結果表明基于全光譜法的SWA-2000型水質(zhì)COD在線(xiàn)分析儀具有良好的準確性，能夠準確地連續監測排放口的水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

2、熒光分析技術(shù)

水體中的葉綠素a、藍綠藻蛋白、石油類(lèi)、多環(huán)芳烴類(lèi)等化合物在特定波長(cháng)激發(fā)光照射下會(huì )發(fā)射出一種比激發(fā)光波長(cháng)要長(cháng)的光，即發(fā)生熒光現象。當照射的激發(fā)光強度一定時(shí)，化合物發(fā)射的熒光強度與其濃度成正比，因此可利用化合物的熒光特性來(lái)檢測其在水樣中的含量，熒光檢測裝置的原理示意圖如圖3所示。該技術(shù)具有靈敏度高、選擇性好等特點(diǎn)，在水質(zhì)在線(xiàn)分析中頗受歡迎。聚光科技基于該技術(shù)開(kāi)發(fā)了FO-2000型水中油在線(xiàn)分析儀、FC-2000型葉綠素在線(xiàn)分析儀、FDO-2000型溶解氧在線(xiàn)分析儀等多款水質(zhì)在線(xiàn)分析儀表。該類(lèi)儀表具有無(wú)需采樣原位分析、無(wú)需試劑環(huán)境友好、快速檢測實(shí)時(shí)響應、選擇性好靈敏度高、連續分析無(wú)人值守等眾多特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足地表水、化工凝結水、發(fā)酵液等多種應用場(chǎng)合的連續在線(xiàn)監測。

三、在線(xiàn)順序注射分析技術(shù)

順序注射分析（Sequential Injection Analysis，SIA）是由Ruzicka和Marshall提出的一種新型注射分析技術(shù)，開(kāi)創(chuàng )了全自動(dòng)分析的新領(lǐng)域。聚光科技通過(guò)技術(shù)吸收和創(chuàng )新，成功開(kāi)發(fā)適用于水質(zhì)在線(xiàn)分析的在線(xiàn)順序注射分析平臺，并基于該平臺成功開(kāi)發(fā)了COD-2000型化學(xué)需氧量在線(xiàn)分析儀、TOC-2000型總有機碳在線(xiàn)分析儀、IMN-2000型高錳酸鹽指數在線(xiàn)分析儀、NH3N-2000型氨氮在線(xiàn)分析儀、TP-2000型總磷在線(xiàn)分析儀、TN-2000型總氮在線(xiàn)分析儀、CR-2000型六價(jià)鉻在線(xiàn)分析儀、TCR-2000型總鉻在線(xiàn)分析儀、SIA-2000-Cu-型銅在線(xiàn)分析儀、SIA-2000-Ni型鎳在線(xiàn)分析儀、VPC-2000型酚在線(xiàn)分析儀、CN-2000型氰化物在線(xiàn)分析儀等一系列的水質(zhì)在線(xiàn)分析儀。

順序注射分析平臺的核心是采用高精度注射泵作為液體輸送和計量單元，多通道選向閥作為試劑流路的切換器件。此外還在泵和閥之間增加了一段儲存管，避免了樣品和化學(xué)試劑進(jìn)入注射泵而損壞注射泵。工作時(shí)，首先注射泵活塞向下運動(dòng)，順序地將相應體積的水樣和試劑從多通道選向閥的不同通道經(jīng)過(guò)公共通道吸入到儲存管中。然后注射泵反向運轉，將這些溶液輸送至反應單元進(jìn)行條件反應并檢測。平臺原理圖如圖4所示。

采用順序注射分析平臺的在線(xiàn)監測儀整體結構簡(jiǎn)單、緊湊，平臺通用性高，往往只須稍微調整控制程序即可在同一儀器平臺上進(jìn)行其他指標檢測的應用研究。儀表可以采用標準方法的測量原理和參數條件，從而獲得準確可靠的分析結果。儀表采用高精度的注射泵和多通道選向閥進(jìn)行流體控制，使儀器的集成化和微型化程度都高于其他技術(shù)平臺的在線(xiàn)分析儀。此外只有在樣品分析時(shí)，注射泵才驅動(dòng)試劑和載流進(jìn)入流路，從而降低了試劑的消耗量，更能滿(mǎn)足長(cháng)時(shí)間的在線(xiàn)連續監測的需求。

四、無(wú)汞伏安溶出分析技術(shù)

伏安溶出分析技術(shù)首先在工作電極上施加一定的電勢使被測金屬沉積于工作電極的表面，然后對工作電極進(jìn)行電壓掃描，使沉積在電極表面的金屬元素溶出，并產(chǎn)生與金屬元素濃度相對應的溶出電流峰信號（圖5），從而計算得到被測組分的濃度，分析過(guò)程施加的電壓如圖6所示。但傳統的伏安溶出分析需要采用滴汞或者懸汞電極作為工作電極，分析操作過(guò)程對用戶(hù)和環(huán)境存在潛在威脅，其在水質(zhì)監測領(lǐng)域的應用受到很大的限制。聚光科技借鑒國外最新研究進(jìn)展，通過(guò)二次創(chuàng )新，成功研制綠色的使用于在線(xiàn)水質(zhì)分析的無(wú)汞伏安溶出分析技術(shù)，并開(kāi)發(fā)了HMA-2000系列水質(zhì)重金屬在線(xiàn)分析儀。該系列重金屬在線(xiàn)分析儀采用對環(huán)境友好無(wú)害的鉍膜電極代替傳統的汞電極，有效消除了儀表自身的汞污染問(wèn)題，并能夠達到與汞電極一致的檢測靈敏度，適用于包括地表水、飲用水、污染源排放廢水、工業(yè)過(guò)程水等多種水樣的鉛、鎘、砷、汞等重金屬含量在線(xiàn)監測。

五、綜合毒性分析平臺

常規的化學(xué)分析方法每次只能單獨檢測特定的某種毒性物質(zhì)，而且檢測下限往往達不到許多毒性污染物質(zhì)的實(shí)際濃度，另外分析過(guò)程耗時(shí)長(cháng)，因而難以實(shí)現對水體包含的污染物綜合毒性的快速檢測和評價(jià)，也無(wú)法綜合準確地了解水質(zhì)變化狀況。采用以發(fā)光細菌作為指示物的生物分析技術(shù)，可以快速地檢測水質(zhì)綜合急性毒性，可以很好地彌補常規化學(xué)法的缺陷，并能實(shí)現對水質(zhì)的快速連續在線(xiàn)檢測。與其他利用大型蚤或者魚(yú)等動(dòng)物的毒性分析技術(shù)相比，基于發(fā)光細菌光抑制的生物法具有檢測速度快、成本低、日常維護簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在歐美發(fā)達國家已有廣泛應用。聚光科技結合當前的水質(zhì)綜合毒性在線(xiàn)監測市場(chǎng)需求和技術(shù)發(fā)展趨勢，推出了基于發(fā)光細菌的TOX-2000型水質(zhì)綜合毒性在線(xiàn)分析儀。該分析儀參照ISO標準，以費希爾弧菌（Vibrio Fischeri）暴露于被測樣品前后的發(fā)光抑制率來(lái)評價(jià)被測樣品的急性綜合毒性，能夠對水體中ppb濃度級的殺蟲(chóng)劑、除草劑、多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴、重金屬、生物毒素等毒物做出高靈敏的響應，當檢測到水體的綜合毒性超出設定閾值時(shí)輸出報警。

六、結語(yǔ)

聚光科技通過(guò)對市場(chǎng)需求分析和技術(shù)吸收創(chuàng )新，建立了全譜法水質(zhì)分析、在線(xiàn)順序注射分析、無(wú)汞伏安溶出分析、發(fā)光細菌法綜合毒性分析等多種技術(shù)平臺，基于上述技術(shù)平臺開(kāi)發(fā)了一些了水質(zhì)在線(xiàn)分析儀表，形成完整的產(chǎn)品組合和解決方案，并成功應用于污染源排放廢水、地表水、飲用水、工業(yè)過(guò)程水等多個(gè)領(lǐng)域的水質(zhì)在線(xiàn)連續監測。上述新監測技術(shù)和在線(xiàn)監測儀表的推廣應用對提升國內水環(huán)境質(zhì)量的在線(xiàn)監測水平，生產(chǎn)工藝優(yōu)化，節能減排和安全控制等均將產(chǎn)生重要的推動(dòng)作用。來(lái)源：水工業(yè)市場(chǎng)雜志