水質(zhì)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)
2010/10/25 12:54:00
水質(zhì)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)是一套以在線自動分析儀器為核心，運用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、自動測量技術(shù)，自動控制技術(shù)、計算機應(yīng)用技術(shù)以及相關(guān)的專用分析軟件和通訊網(wǎng)絡(luò)所組成的一個綜合性的在線自動監(jiān)測體系。
一套完整的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)能連續(xù)、及時、準確地監(jiān)測目標水域的水質(zhì)及其變化狀況；中心控制室可隨時取得各子站的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計、處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，可打印輸出日、周、月、季、年平均數(shù)據(jù)以及日、周、月、季、年最大值、最小值等各種監(jiān)測、統(tǒng)計報告及圖表（棒狀圖、曲線圖、多軌跡圖、對比圖等），并可輸入中心數(shù)據(jù)庫或上網(wǎng)。收集并可長期存儲指定的監(jiān)測數(shù)據(jù)及各種運行資料、環(huán)境資料備檢索。系統(tǒng)具有監(jiān)測項目超標及子站狀態(tài)信號顯示、報警功能；自動運行，停電保護、來電自動恢復(fù)功能；維護檢修狀態(tài)測試，便于例行維修和應(yīng)急故障處理等功能。
實施水質(zhì)自動監(jiān)測，可以實現(xiàn)水質(zhì)的實時連續(xù)監(jiān)測和遠程監(jiān)控，達到及時掌握主要流域重點斷面水體的水質(zhì)狀況、預(yù)警預(yù)報重大或流域性水質(zhì)污染事故、解決跨行政區(qū)域的水污染事故糾紛、監(jiān)督總量控制制度落實情況、排放達標情況等目的。
1 水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)
1.1 水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成
在水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，中心站通過衛(wèi)星和電話撥號兩種通訊方式實現(xiàn)對各子站的實時監(jiān)視、遠程控制及數(shù)據(jù)傳輸功能，托管站也可以通過電話撥號方式實現(xiàn)對所托管子站的實時監(jiān)視、遠程控制及數(shù)據(jù)傳輸功能，其他經(jīng)授權(quán)的相關(guān)部門可通過電話撥號方式實現(xiàn)對相關(guān)子站的實時監(jiān)視和數(shù)據(jù)傳輸功能。
每個子站是一個獨立完整的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)，一般由6個子系統(tǒng)構(gòu)成，包括：采樣系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)、監(jiān)測儀器系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸子系統(tǒng)及遠程數(shù)據(jù)管理中心、監(jiān)測站房或監(jiān)測小屋。目前，水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)中的子站的構(gòu)成方式大致有三種：
?。?）由一臺或多臺小型的多參數(shù)水質(zhì)自動分析儀（如： 德國WTWI公司和HYDROLAB公司的常規(guī)五參數(shù)分析儀）組成的子站（多臺組合可用于測量不同水深的水質(zhì)）。其特點是儀器可直接放于水中測量，系統(tǒng)構(gòu)成靈活方便。
?。?）采水單元：包括水泵、管路、供電及安裝結(jié)構(gòu)部分。在設(shè)計上必須對各種氣候、地形、水位變化及水中泥沙等提出相應(yīng)解決措施，能夠自動連續(xù)地與整個系統(tǒng)同步工作，向系統(tǒng)提供可靠、有效水樣。
?。?）配水單元：包括水樣預(yù)處理裝置、自動清洗裝置及輔助部分。配水單元直接向自動監(jiān)測儀器供水，具有在線除泥沙和在線過濾，手動和自動管道反沖洗和除藻裝置；其水質(zhì)、水壓和水量應(yīng)滿足自動監(jiān)測儀器的需要。
?。?）分析單元：由一系列水質(zhì)自動分析和測量儀器組成，包括：水溫、pH、溶解氧（DO）、電導率、濁度、氨氮、化學需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、總有機碳（TOC）、總氮、總磷、硝酸鹽、磷酸鹽、氰化物、氟化物、氯化物、酚類、油類、金屬離子、水位計、流量/流速/流向計及自動采樣器等組成。
?。?）控制單元：包括系統(tǒng)控制柜和系統(tǒng)控制軟件；數(shù)據(jù)采集、處理與存儲及其應(yīng)用軟件；有線通訊和衛(wèi)星通訊設(shè)備。
（5）子站站房及配套設(shè)施：包括站房主體和配套設(shè)施。
2 水質(zhì)在線自動分析儀器的發(fā)展
常規(guī)五參數(shù)分析儀經(jīng)常采用流通式多傳感器測量池結(jié)構(gòu)，無零點漂移，無需基線校正，具有一體化生物清洗及壓縮空氣清洗裝置。
常規(guī)五參數(shù)的測量原理分別為：水溫為溫度傳感器法（Platinum RTD）、pH為玻璃或銻電極法、DO為金-銀膜電極法（Galvanic）、電導率為電極法（交流阻抗法）、濁度為光學法（透射原理或紅外散射原理）。
2.3 化學需氧量（COD）分析儀
COD在線自動分析儀的主要技術(shù)原理有六種：（1）重鉻酸鉀消解-光度測量法；（2）重鉻酸鉀消解-庫侖滴定法；（3）重鉻酸鉀消解-氧化還原滴定法；（4）UV計（254nm）；（5）氫氧基及臭氧（混和氧化劑）氧化-電化學測量法；（6）臭氧氧化-電化學測量法。
一套完整的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)能連續(xù)、及時、準確地監(jiān)測目標水域的水質(zhì)及其變化狀況；中心控制室可隨時取得各子站的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計、處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，可打印輸出日、周、月、季、年平均數(shù)據(jù)以及日、周、月、季、年最大值、最小值等各種監(jiān)測、統(tǒng)計報告及圖表（棒狀圖、曲線圖、多軌跡圖、對比圖等），并可輸入中心數(shù)據(jù)庫或上網(wǎng)。收集并可長期存儲指定的監(jiān)測數(shù)據(jù)及各種運行資料、環(huán)境資料備檢索。系統(tǒng)具有監(jiān)測項目超標及子站狀態(tài)信號顯示、報警功能；自動運行，停電保護、來電自動恢復(fù)功能；維護檢修狀態(tài)測試，便于例行維修和應(yīng)急故障處理等功能。
實施水質(zhì)自動監(jiān)測，可以實現(xiàn)水質(zhì)的實時連續(xù)監(jiān)測和遠程監(jiān)控，達到及時掌握主要流域重點斷面水體的水質(zhì)狀況、預(yù)警預(yù)報重大或流域性水質(zhì)污染事故、解決跨行政區(qū)域的水污染事故糾紛、監(jiān)督總量控制制度落實情況、排放達標情況等目的。
1 水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)
1.1 水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成
在水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，中心站通過衛(wèi)星和電話撥號兩種通訊方式實現(xiàn)對各子站的實時監(jiān)視、遠程控制及數(shù)據(jù)傳輸功能，托管站也可以通過電話撥號方式實現(xiàn)對所托管子站的實時監(jiān)視、遠程控制及數(shù)據(jù)傳輸功能，其他經(jīng)授權(quán)的相關(guān)部門可通過電話撥號方式實現(xiàn)對相關(guān)子站的實時監(jiān)視和數(shù)據(jù)傳輸功能。
每個子站是一個獨立完整的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)，一般由6個子系統(tǒng)構(gòu)成，包括：采樣系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)、監(jiān)測儀器系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸子系統(tǒng)及遠程數(shù)據(jù)管理中心、監(jiān)測站房或監(jiān)測小屋。目前，水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)中的子站的構(gòu)成方式大致有三種：
?。?）由一臺或多臺小型的多參數(shù)水質(zhì)自動分析儀（如： 德國WTWI公司和HYDROLAB公司的常規(guī)五參數(shù)分析儀）組成的子站（多臺組合可用于測量不同水深的水質(zhì)）。其特點是儀器可直接放于水中測量，系統(tǒng)構(gòu)成靈活方便。
?。?）固定式子站：為較傳統(tǒng)的系統(tǒng)組成方式。其特點是監(jiān)測項目的選擇范圍寬。
?。?）流動式子站：一種為固定式子站儀器設(shè)備全部裝于一輛拖車（監(jiān)測小屋）上，可根據(jù)需要遷移場所，也可認為是半固定式子站。其特點是組成成本較高。
各單元通過水樣輸送管路系統(tǒng)、信號傳輸系統(tǒng)、壓縮空氣輸送管路系統(tǒng)、純水輸送管路系統(tǒng)實現(xiàn)相互聯(lián)系。
一個可靠性很高的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)，必須同時具備4個要素，即：（1）高質(zhì)量的系統(tǒng)設(shè)備；（2）完備的系統(tǒng)設(shè)計；（3）嚴格的施工管理；（4）負責的運行管理。
1.2 水質(zhì)自動監(jiān)測的技術(shù)關(guān)鍵
?。?）流動式子站：一種為固定式子站儀器設(shè)備全部裝于一輛拖車（監(jiān)測小屋）上，可根據(jù)需要遷移場所，也可認為是半固定式子站。其特點是組成成本較高。
各單元通過水樣輸送管路系統(tǒng)、信號傳輸系統(tǒng)、壓縮空氣輸送管路系統(tǒng)、純水輸送管路系統(tǒng)實現(xiàn)相互聯(lián)系。
一個可靠性很高的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)，必須同時具備4個要素，即：（1）高質(zhì)量的系統(tǒng)設(shè)備；（2）完備的系統(tǒng)設(shè)計；（3）嚴格的施工管理；（4）負責的運行管理。
1.2 水質(zhì)自動監(jiān)測的技術(shù)關(guān)鍵
?。?）采水單元：包括水泵、管路、供電及安裝結(jié)構(gòu)部分。在設(shè)計上必須對各種氣候、地形、水位變化及水中泥沙等提出相應(yīng)解決措施，能夠自動連續(xù)地與整個系統(tǒng)同步工作，向系統(tǒng)提供可靠、有效水樣。
?。?）配水單元：包括水樣預(yù)處理裝置、自動清洗裝置及輔助部分。配水單元直接向自動監(jiān)測儀器供水，具有在線除泥沙和在線過濾，手動和自動管道反沖洗和除藻裝置；其水質(zhì)、水壓和水量應(yīng)滿足自動監(jiān)測儀器的需要。
?。?）分析單元：由一系列水質(zhì)自動分析和測量儀器組成，包括：水溫、pH、溶解氧（DO）、電導率、濁度、氨氮、化學需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、總有機碳（TOC）、總氮、總磷、硝酸鹽、磷酸鹽、氰化物、氟化物、氯化物、酚類、油類、金屬離子、水位計、流量/流速/流向計及自動采樣器等組成。
?。?）控制單元：包括系統(tǒng)控制柜和系統(tǒng)控制軟件；數(shù)據(jù)采集、處理與存儲及其應(yīng)用軟件；有線通訊和衛(wèi)星通訊設(shè)備。
（5）子站站房及配套設(shè)施：包括站房主體和配套設(shè)施。
2 水質(zhì)在線自動分析儀器的發(fā)展
2.1 概述
水質(zhì)自動監(jiān)測儀器仍在發(fā)展之中，歐、美、日本、澳大利亞等國均有一些專業(yè)廠商生產(chǎn)。目前，比較成熟的常規(guī)監(jiān)測項目有：水溫、pH、溶解氧（DO）、電導率、濁度、氧化還原電位（ORP）、流速和水位等。常用的監(jiān)測項目有：COD、高錳酸鹽指數(shù)、TOC、氨氮、總氮、總磷。其他還有：氟化物、氯化物、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氰化物、硫酸鹽、磷酸鹽、活性氯、、TOD、BOD、UV、油類、酚、葉綠素、金屬離子（如六價鉻）等。
目前的自動分析儀一般具有如下功能：自動量程轉(zhuǎn)換，遙控、標準輸出接口和數(shù)字顯示，自動清洗（在清洗時具有數(shù)據(jù)鎖定功能）、狀態(tài)自檢和報警功能（如：液體泄漏、管路堵塞、超出量程、儀器內(nèi)部溫度過高、試劑用盡、高/低濃度、斷電等），干運轉(zhuǎn)和斷電保護，來電自動恢復(fù)，COD、氨氮、TOC、總磷、總氮等儀器具有自動標定校正功能。
2.2 常規(guī)五參數(shù)分析儀
水質(zhì)自動監(jiān)測儀器仍在發(fā)展之中，歐、美、日本、澳大利亞等國均有一些專業(yè)廠商生產(chǎn)。目前，比較成熟的常規(guī)監(jiān)測項目有：水溫、pH、溶解氧（DO）、電導率、濁度、氧化還原電位（ORP）、流速和水位等。常用的監(jiān)測項目有：COD、高錳酸鹽指數(shù)、TOC、氨氮、總氮、總磷。其他還有：氟化物、氯化物、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氰化物、硫酸鹽、磷酸鹽、活性氯、、TOD、BOD、UV、油類、酚、葉綠素、金屬離子（如六價鉻）等。
目前的自動分析儀一般具有如下功能：自動量程轉(zhuǎn)換，遙控、標準輸出接口和數(shù)字顯示，自動清洗（在清洗時具有數(shù)據(jù)鎖定功能）、狀態(tài)自檢和報警功能（如：液體泄漏、管路堵塞、超出量程、儀器內(nèi)部溫度過高、試劑用盡、高/低濃度、斷電等），干運轉(zhuǎn)和斷電保護，來電自動恢復(fù)，COD、氨氮、TOC、總磷、總氮等儀器具有自動標定校正功能。
2.2 常規(guī)五參數(shù)分析儀
常規(guī)五參數(shù)分析儀經(jīng)常采用流通式多傳感器測量池結(jié)構(gòu)，無零點漂移，無需基線校正，具有一體化生物清洗及壓縮空氣清洗裝置。
常規(guī)五參數(shù)的測量原理分別為：水溫為溫度傳感器法（Platinum RTD）、pH為玻璃或銻電極法、DO為金-銀膜電極法（Galvanic）、電導率為電極法（交流阻抗法）、濁度為光學法（透射原理或紅外散射原理）。
2.3 化學需氧量（COD）分析儀
COD在線自動分析儀的主要技術(shù)原理有六種：（1）重鉻酸鉀消解-光度測量法；（2）重鉻酸鉀消解-庫侖滴定法；（3）重鉻酸鉀消解-氧化還原滴定法；（4）UV計（254nm）；（5）氫氧基及臭氧（混和氧化劑）氧化-電化學測量法；（6）臭氧氧化-電化學測量法。
從原理上講，方法（3）更接近國標方法，方法（2）也是推薦的統(tǒng)一方法。方法（1）在快速COD測定儀器上已經(jīng)采用。方法（5）和方法（6）雖然不屬于國標或推薦方法，但鑒于其所具有的運行可靠等特點，在實際應(yīng)用中，只需將其分析結(jié)果與國標方法進行比對試驗并進行適當?shù)男Ｕ?，即可予以認可。但方法（4）用于表征水質(zhì)COD，雖然在日本已得到較廣泛的應(yīng)用，但歐美各國尚未推廣應(yīng)用（未得到行政主管部門的認可），在我國尚需開展相關(guān)的研究。
從分析性能上講，在線COD儀的測量范圍一般在10（或30）～2,000 mg/L，因此，目前的在線COD儀僅能滿足污染源在線自動監(jiān)測的需要，難以應(yīng)用于地表水的自動監(jiān)測。另外，與采用電化學原理的儀器相比，采用消解-氧化還原滴定法、消解-光度法的儀器的分析周期一般更長一些（10 min～2 h），前者一般為2～8 min。
從儀器結(jié)構(gòu)上講，采用電化學原理或UV計的在線COD儀的結(jié)構(gòu)一般比采用消解-氧化還原滴定法、消解-光度法的儀器結(jié)構(gòu)簡單，并且由于前者的進樣及試劑加入系統(tǒng)簡便（泵、管更少），所以不僅在操作上更方便，而且其運行可靠性也更好。
從維護的難易程度上講，由于消解-氧化還原滴定法、消解-光度法所采用的試劑種類較多，泵管系統(tǒng)較復(fù)雜，因此在試劑的更換以及泵管的更換維護方面較煩瑣，維護周期比采用電化學原理的儀器要短，維護工作量大。
從分析性能上講，在線COD儀的測量范圍一般在10（或30）～2,000 mg/L，因此，目前的在線COD儀僅能滿足污染源在線自動監(jiān)測的需要，難以應(yīng)用于地表水的自動監(jiān)測。另外，與采用電化學原理的儀器相比，采用消解-氧化還原滴定法、消解-光度法的儀器的分析周期一般更長一些（10 min～2 h），前者一般為2～8 min。
從儀器結(jié)構(gòu)上講，采用電化學原理或UV計的在線COD儀的結(jié)構(gòu)一般比采用消解-氧化還原滴定法、消解-光度法的儀器結(jié)構(gòu)簡單，并且由于前者的進樣及試劑加入系統(tǒng)簡便（泵、管更少），所以不僅在操作上更方便，而且其運行可靠性也更好。
從維護的難易程度上講，由于消解-氧化還原滴定法、消解-光度法所采用的試劑種類較多，泵管系統(tǒng)較復(fù)雜，因此在試劑的更換以及泵管的更換維護方面較煩瑣，維護周期比采用電化學原理的儀器要短，維護工作量大。
從對環(huán)境的影響方面講，重鉻酸鉀消解-氧化還原滴定法（或光度法、或庫侖滴定法）均有鉻、汞的二次污染問題，廢液需要特別的處理。而UV計法和電化學法（不包括庫侖滴定法）則不存在此類問題。
2.4 高錳酸鹽指數(shù)分析儀
2.4 高錳酸鹽指數(shù)分析儀
高錳酸鹽指數(shù)在線自動分析儀的主要技術(shù)原理有三種：（1）高錳酸鹽氧化-化學測量法；（2）高錳酸鹽氧化-電流/電位滴定法；（3）UV計法（與在線COD儀類似）。
從原理上講，方法（1）和方法（2）并無本質(zhì)的區(qū)別（只是終點指示方式的差異而已），在歐美和日本等國是法定方法，與我國的標準方法也是一致的。將方法（3）用于表征水質(zhì)高錳酸鹽指數(shù)的方法，在日本已得到較廣泛的應(yīng)用，但在我國尚未推廣應(yīng)用，也未得到行政主管部門的認可。
從分析性能上講，目前的高錳酸鹽指數(shù)在線自動分析儀已能滿足地表水在線自動監(jiān)測的需要。另外，與采用化學方法的儀器相比，采用氧化還原滴定法的儀器的分析周期一般更長一些（2 h），前者一般為15～60 min。
從原理上講，方法（1）和方法（2）并無本質(zhì)的區(qū)別（只是終點指示方式的差異而已），在歐美和日本等國是法定方法，與我國的標準方法也是一致的。將方法（3）用于表征水質(zhì)高錳酸鹽指數(shù)的方法，在日本已得到較廣泛的應(yīng)用，但在我國尚未推廣應(yīng)用，也未得到行政主管部門的認可。
從分析性能上講，目前的高錳酸鹽指數(shù)在線自動分析儀已能滿足地表水在線自動監(jiān)測的需要。另外，與采用化學方法的儀器相比，采用氧化還原滴定法的儀器的分析周期一般更長一些（2 h），前者一般為15～60 min。
從儀器結(jié)構(gòu)上講，兩種儀器的結(jié)構(gòu)均比較復(fù)雜。
2.5 總有機碳（TOC）分析儀
TOC自動分析儀在歐美、日本和澳大利<
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