水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化儀器研究進(jìn)展

一、引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市規(guī)模的不斷擴(kuò)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，人們賴以生存的自然環(huán)境日趨惡化。傳統(tǒng)的以人工現(xiàn)場(chǎng)采樣、實(shí)驗(yàn)室儀器分析為主要手段進(jìn)行環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測(cè)模式，存在監(jiān)測(cè)頻次低、采樣誤差大、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分散、不能及時(shí)反映污染變化狀況等缺陷，難以滿足政府和企業(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(zhí)法的嚴(yán)肅性，又挫傷企業(yè)治理污染保護(hù)環(huán)境的積極性。因此，只有對(duì)環(huán)境水質(zhì)實(shí)施全天候自動(dòng)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地將數(shù)據(jù)傳遞給在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)匯總整理，才能使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有客觀性、科學(xué)性，以便隨時(shí)抽調(diào)分析評(píng)價(jià)水資源的質(zhì)量狀況及其變化規(guī)律，為各級(jí)環(huán)保部門對(duì)環(huán)境污染有效預(yù)防、控制和治理以及環(huán)境決策提供準(zhǔn)確依據(jù)，為國(guó)家和各級(jí)政府開(kāi)發(fā)利用、管理與保護(hù)水資源提供科學(xué)依據(jù)。

為滿足國(guó)家水環(huán)境在線監(jiān)測(cè)的政策需求，把握水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的新興市場(chǎng)機(jī)會(huì)，聚光科技（杭州）有限公司結(jié)合多年過(guò)程分析和環(huán)境安全檢測(cè)儀表開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，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(xì)菌法綜合毒性分析技術(shù)等多個(gè)技術(shù)平臺(tái)，成功推出系列化的水質(zhì)在線分析儀表，并成功應(yīng)用于污染源水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)、地表水水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)、飲用水水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)、工業(yè)過(guò)程水水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，積累了豐富的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

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(cè)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(zhǎng)了在線儀表的維護(hù)周期。此外，快速的直接檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了真正意義上的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因而基于直接光學(xué)法分析技術(shù)的在線分析儀表倍受用戶青睞。國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局于2005年下半年發(fā)布了關(guān)于UV法的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有效的推進(jìn)了UV法水質(zhì)在線分析儀在水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)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(jī)物在紫外可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)入射光的吸收或散射作用強(qiáng)度間接獲取水質(zhì)參數(shù)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(jì)量學(xué)方法技術(shù)對(duì)基礎(chǔ)的水樣光譜和其檢測(cè)因子標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行關(guān)聯(lián)建立校正模型，然后基于該校正模型對(duì)待側(cè)水樣的吸收光譜進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到待測(cè)樣品中的目標(biāo)參數(shù)，其過(guò)程如圖1所示。

聚光科技基于該技術(shù)平臺(tái)開(kāi)發(fā)了SWA-2000系列水質(zhì)在線分析儀，并成功應(yīng)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(xiàng)水質(zhì)參數(shù)的自動(dòng)在線連續(xù)監(jiān)測(cè)。圖2為SWA-2000型水質(zhì)COD在線分析儀在某企業(yè)排放口的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及與國(guó)標(biāo)方法的抽樣比對(duì)，結(jié)果表明基于全光譜法的SWA-2000型水質(zhì)COD在線分析儀具有良好的準(zhǔn)確性，能夠準(zhǔn)確地連續(xù)監(jiān)測(cè)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(lán)綠藻蛋白、石油類、多環(huán)芳烴類等化合物在特定波長(zhǎng)激發(fā)光照射下會(huì)發(fā)射出一種比激發(fā)光波長(zhǎng)要長(zhǎng)的光，即發(fā)生熒光現(xiàn)象。當(dāng)照射的激發(fā)光強(qiáng)度一定時(shí)，化合物發(fā)射的熒光強(qiáng)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(cè)其在水樣中的含量，熒光檢測(cè)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型水中油在線分析儀、FC-2000型葉綠素在線分析儀、FDO-2000型溶解氧在線分析儀等多款水質(zhì)在線分析儀表。該類儀表具有無(wú)需采樣原位分析、無(wú)需試劑環(huán)境友好、快速檢測(cè)實(shí)時(shí)響應(yīng)、選擇性好靈敏度高、連續(xù)分析無(wú)人值守等眾多特點(diǎn)，能夠滿足地表水、化工凝結(jié)水、發(fā)酵液等多種應(yīng)用場(chǎng)合的連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。

三、在線順序注射分析技術(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)在線分析的在線順序注射分析平臺(tái)，并基于該平臺(tái)成功開(kāi)發(fā)了COD-2000型化學(xué)需氧量在線分析儀、TOC-2000型總有機(jī)碳在線分析儀、IMN-2000型高錳酸鹽指數(shù)在線分析儀、NH3N-2000型氨氮在線分析儀、TP-2000型總磷在線分析儀、TN-2000型總氮在線分析儀、CR-2000型六價(jià)鉻在線分析儀、TCR-2000型總鉻在線分析儀、SIA-2000-Cu-型銅在線分析儀、SIA-2000-Ni型鎳在線分析儀、VPC-2000型酚在線分析儀、CN-2000型氰化物在線分析儀等一系列的水質(zhì)在線分析儀。

順序注射分析平臺(tái)的核心是采用高精度注射泵作為液體輸送和計(jì)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(chǔ)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(yùn)動(dòng)，順序地將相應(yīng)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(chǔ)存管中。然后注射泵反向運(yùn)轉(zhuǎn)，將這些溶液輸送至反應(yīng)單元進(jìn)行條件反應(yīng)并檢測(cè)。平臺(tái)原理圖如圖4所示。

采用順序注射分析平臺(tái)的在線監(jiān)測(cè)儀整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，平臺(tái)通用性高，往往只須稍微調(diào)整控制程序即可在同一儀器平臺(tái)上進(jìn)行其他指標(biāo)檢測(cè)的應(yīng)用研究。儀表可以采用標(biāo)準(zhǔn)方法的測(cè)量原理和參數(shù)條件，從而獲得準(zhǔn)確可靠的分析結(jié)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(tái)的在線分析儀。此外只有在樣品分析時(shí)，注射泵才驅(qū)動(dòng)試劑和載流進(jìn)入流路，從而降低了試劑的消耗量，更能滿足長(zhǎng)時(shí)間的在線連續(xù)監(jiān)測(cè)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(shì)使被測(cè)金屬沉積于工作電極的表面，然后對(duì)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(duì)應(yīng)的溶出電流峰信號(hào)（圖5），從而計(jì)算得到被測(cè)組分的濃度，分析過(guò)程施加的電壓如圖6所示。但傳統(tǒng)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(duì)用戶和環(huán)境存在潛在威脅，其在水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用受到很大的限制。聚光科技借鑒國(guó)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)重金屬在線分析儀。該系列重金屬在線分析儀采用對(duì)環(huán)境友好無(wú)害的鉍膜電極代替?zhèn)鹘y(tǒng)的汞電極，有效消除了儀表自身的汞污染問(wèn)題，并能夠達(dá)到與汞電極一致的檢測(cè)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監(jiān)測(cè)。

五、綜合毒性分析平臺(tái)

常規(guī)的化學(xué)分析方法每次只能單獨(dú)檢測(cè)特定的某種毒性物質(zhì)，而且檢測(cè)下限往往達(dá)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(zhǎng)，因而難以實(shí)現(xiàn)對(duì)水體包含的污染物綜合毒性的快速檢測(cè)和評(píng)價(jià)，也無(wú)法綜合準(zhǔn)確地了解水質(zhì)變化狀況。采用以發(fā)光細(xì)菌作為指示物的生物分析技術(shù)，可以快速地檢測(cè)水質(zhì)綜合急性毒性，可以很好地彌補(bǔ)常規(guī)化學(xué)法的缺陷，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的快速連續(xù)在線檢測(cè)。與其他利用大型蚤或者魚等動(dòng)物的毒性分析技術(shù)相比，基于發(fā)光細(xì)菌光抑制的生物法具有檢測(cè)速度快、成本低、日常維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已有廣泛應(yīng)用。聚光科技結(jié)合當(dāng)前的水質(zhì)綜合毒性在線監(jiān)測(cè)市場(chǎng)需求和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，推出了基于發(fā)光細(xì)菌的TOX-2000型水質(zhì)綜合毒性在線分析儀。該分析儀參照ISO標(biāo)準(zhǔn)，以費(fèi)希爾弧菌（Vibrio Fischeri）暴露于被測(cè)樣品前后的發(fā)光抑制率來(lái)評(píng)價(jià)被測(cè)樣品的急性綜合毒性，能夠?qū)λ�體中ppb濃度級(jí)的殺蟲劑、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(yīng)，當(dāng)檢測(cè)到水體的綜合毒性超出設(shè)定閾值時(shí)輸出報(bào)警。

六、結(jié)語(yǔ)

聚光科技通過(guò)對(duì)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、在線順序注射分析、無(wú)汞伏安溶出分析、發(fā)光細(xì)菌法綜合毒性分析等多種技術(shù)平臺(tái)，基于上述技術(shù)平臺(tái)開(kāi)發(fā)了一些了水質(zhì)在線分析儀表，形成完整的產(chǎn)品組合和解決方案，并成功應(yīng)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)在線連續(xù)監(jiān)測(cè)。上述新監(jiān)測(cè)技術(shù)和在線監(jiān)測(cè)儀表的推廣應(yīng)用對(duì)提升國(guó)內(nèi)水環(huán)境質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè)水平，生產(chǎn)工藝優(yōu)化，節(jié)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