李孟威 陳秀生 黃元鳳 江建博 唐懷壯 薛志原 呂國(guó)棟 張同帥

（1.濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2.山東金特裝備科技發(fā)展有限公司）

前些年，國(guó)內(nèi)外許多地方企業(yè)直接將工業(yè)污水排至河、湖里，出現(xiàn)很多飲用水或地下水污染事件。甚至有的企業(yè)為節(jié)省工業(yè)廢水凈化費(fèi)用，通過(guò)一些極端方式，比如深挖水井將工業(yè)廢水直接壓入到地下一千多米的水層，長(zhǎng)期這樣排放造成當(dāng)?shù)氐叵滤Y源嚴(yán)重污染［1］。為了保證人們?nèi)粘Ｉ钣盟陌踩?，?dāng)?shù)卣仨毤訌?qiáng)對(duì)水質(zhì)的監(jiān)控，而有效的水質(zhì)監(jiān)控必需依靠相關(guān)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器。隨著近幾年工業(yè)的快速發(fā)展，江河湖泊乃至地下水中的有害化學(xué)物質(zhì)日益增多，傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器因?yàn)闇y(cè)量參數(shù)少、穩(wěn)定性不高、測(cè)量準(zhǔn)確性低，甚至有些還會(huì)給環(huán)境造成二次污染等缺點(diǎn)，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足現(xiàn)在的水質(zhì)監(jiān)測(cè)要求。因此，研發(fā)新式多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備已經(jīng)成為社會(huì)各界關(guān)注的重點(diǎn)，這類(lèi)儀器雖然在國(guó)內(nèi)外某些企業(yè)和研究單位已經(jīng)有了批量生產(chǎn)，但還是因?yàn)殛P(guān)鍵技術(shù)上的一些瓶頸，研究出的設(shè)備仍無(wú)法滿(mǎn)足水質(zhì)監(jiān)測(cè)的要求。

1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的原理

目前市面上的水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備有很多種，按工作原理可分為電化學(xué)分析法和分光光度法。

1.1 電化學(xué)分析法

電化學(xué)分析法是指應(yīng)用電化學(xué)原理和相關(guān)技術(shù)［2］，構(gòu)造一個(gè)原電池模型，來(lái)分析所測(cè)樣品的含量或者濃度，是利用電極種類(lèi)、電解液的組成及含量和兩者之間的電化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系而建立起來(lái)的一類(lèi)分析方法。

1.2 分光光度法

分光光度法也被稱(chēng)為吸收光譜法［3］，是通過(guò)測(cè)定被測(cè)物質(zhì)在特定波長(zhǎng)處或一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的吸光度或發(fā)光強(qiáng)度，對(duì)該物質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析的方法。

用紫外光源測(cè)定無(wú)色物質(zhì)的方法，稱(chēng)為紫外分光光度法。目前紫外分光光度法越來(lái)越被學(xué)術(shù)界所研究和采用，這主要是因?yàn)椴捎米贤夥止夤舛确ㄔ硌邪l(fā)出來(lái)的設(shè)備，在測(cè)量被測(cè)水域水質(zhì)時(shí)，不會(huì)對(duì)被測(cè)水域產(chǎn)生二次污染，只需將測(cè)量氙燈的燈光穿透過(guò)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(guān)系。只要找到它們之間的關(guān)系，就可以很容易地直接通過(guò)該方法測(cè)量出水質(zhì)中污染物的濃度。這個(gè)方法既簡(jiǎn)單，應(yīng)用性又強(qiáng)。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

西方一些發(fā)達(dá)國(guó)家早期的水質(zhì)監(jiān)測(cè)主要以人工檢測(cè)方式為主，需要檢測(cè)人員定期到水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)去取樣并將水樣帶到實(shí)驗(yàn)室去分析，最后才能得到一個(gè)關(guān)于水質(zhì)的監(jiān)測(cè)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)室人工檢測(cè)分析存在檢測(cè)頻次低、采樣誤差大、檢測(cè)出的樣本數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確且分散、不能及時(shí)反映水質(zhì)變化情況并提前做出預(yù)警等缺點(diǎn)，這就大幅限制了水質(zhì)監(jiān)測(cè)的實(shí)際工業(yè)應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及自動(dòng)化相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與成熟（特別是在電子信息及通信技術(shù)、裝備制造技術(shù)及傳感器技術(shù)等方面），從20世紀(jì)中葉開(kāi)始，國(guó)外的科研人員為了能夠盡早發(fā)現(xiàn)水質(zhì)的異常變化，并可以迅速做出水質(zhì)污染預(yù)警，及時(shí)追蹤污染源，他們?cè)谕晟茖?shí)驗(yàn)室人工檢測(cè)的同時(shí)，也陸續(xù)開(kāi)始研發(fā)水質(zhì)實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，搭載該系統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備也隨之出現(xiàn)［4，5］。到了20世紀(jì)70年代末，美國(guó)、德國(guó)等一些發(fā)達(dá)國(guó)家加大了對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的研發(fā)投入，對(duì)本國(guó)的重點(diǎn)水源區(qū)域和工業(yè)區(qū)實(shí)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)。當(dāng)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)參數(shù)主要有水溫、電導(dǎo)率、渾濁度及pH值等，一個(gè)設(shè)備只能測(cè)一個(gè)或者兩個(gè)參數(shù)。到了20世紀(jì)末21世紀(jì)初，隨著世界工業(yè)化與城市化速度加快，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求提高，水源污染與防治問(wèn)題也開(kāi)始受到了廣泛關(guān)注。原有設(shè)備的測(cè)定參數(shù)已經(jīng)不能充分顯示出水質(zhì)的好壞，這就需要增加水質(zhì)監(jiān)測(cè)參數(shù)，此時(shí)人們將重金屬離子、非金屬離子、總氮、總磷、總酚、TOC、碳?xì)浠衔铩⑹皖?lèi)、高錳酸鹽指數(shù)及微生物菌群等參數(shù)加入到了水質(zhì)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)［6，7］。

21世紀(jì)初出現(xiàn)了很多生產(chǎn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的知名企業(yè)，如美國(guó)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(guó)高端水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備市場(chǎng)占有率最高的是美國(guó)HACH公司生產(chǎn)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器。在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備從測(cè)量對(duì)象種類(lèi)上可分為單參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備與多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備，目前市場(chǎng)上成熟的產(chǎn)品絕大多數(shù)都是單參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備。美國(guó)HACH公司研制的NPW-160水質(zhì)分析儀，是現(xiàn)在市場(chǎng)上比較受歡迎的單參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備，采用比色分光光度法的原理進(jìn)行檢測(cè)，應(yīng)用于河水、地下水、市政污水以及化工園區(qū)工業(yè)廢水總磷的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。它具有當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的多波長(zhǎng)檢測(cè)器，能夠?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)中總磷的監(jiān)測(cè)，測(cè)量更加準(zhǔn)確。同時(shí)具備濁度補(bǔ)償功能。這臺(tái)測(cè)量?jī)x器具有耗材量少、自動(dòng)清洗效率高、測(cè)量重復(fù)性高、測(cè)量快速準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是系統(tǒng)比較復(fù)雜、體積龐大等。多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器的技術(shù)均沒(méi)有單參數(shù)儀器的技術(shù)成熟。其中最有名的是澳大利亞GREENSPAN公司推出的在線自動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站——Aqualab，它能在一個(gè)機(jī)柜中完成10個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目：物理五參數(shù)、氨氮、磷酸鹽、硝酸鹽、氧化還原電位、氯化物，并可方便地?cái)U(kuò)展如TOC、COD、雨量計(jì)及流量計(jì)等，專(zhuān)門(mén)為野外環(huán)境而設(shè)計(jì)，功耗低、測(cè)量精度高。開(kāi)始工作時(shí)，儀器先啟動(dòng)采樣泵將水樣吸入儀器內(nèi)，并開(kāi)始分析，分析結(jié)束后廢液被回收且將分析數(shù)據(jù)保留并存儲(chǔ)，同時(shí)通過(guò)通信單元可發(fā)送到中心控制室。此儀器具有藥劑消耗低、無(wú)需人看護(hù)、維護(hù)簡(jiǎn)單、標(biāo)定便捷及運(yùn)行費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)。

我國(guó)水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)起步較晚，到20世紀(jì)中后期才開(kāi)始進(jìn)行研究，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器研制方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家。近些年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的提高和工業(yè)化與城市化的迅速發(fā)展，我國(guó)對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)研發(fā)的投入大幅增加，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)計(jì)方面取得了一定的進(jìn)展。西安交通大學(xué)在2009年通過(guò)團(tuán)隊(duì)不懈努力研制出國(guó)內(nèi)第1臺(tái)水質(zhì)監(jiān)測(cè)樣機(jī)，該樣機(jī)可以同時(shí)檢測(cè)各種水質(zhì)中的化學(xué)需氧量、pH值和氨氮3個(gè)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生活工業(yè)污水、地表水和地下水的自動(dòng)監(jiān)控［8，9］。2011年重慶大學(xué)微系統(tǒng)研究中心的科研團(tuán)隊(duì)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)方面取得了重大突破并研制出一臺(tái)多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀。與西安交通大學(xué)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)樣機(jī)不同的是，它可以同時(shí)對(duì)多種水質(zhì)中化學(xué)需氧量、總磷、氨氮及pH值等7個(gè)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)［10，11］。2018年，山東特檢科技有限公司在化工園區(qū)廢水監(jiān)測(cè)領(lǐng)域推出了一款JTTO型物料成分在線分析儀，此設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)化工園區(qū)水質(zhì)中pH值、堿度、硬度、氯化物、硫化物、磷酸鹽的在線檢測(cè)，該儀器采用了無(wú)線通信，并且支持RS485/232通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水域的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)可以將測(cè)得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街锌厥也⒅瞥汕€，方便實(shí)驗(yàn)人員根據(jù)圖像及時(shí)做出預(yù)警，為實(shí)際生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)［12］。

近幾年，我國(guó)水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)水平有了一定的提高，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域能占有一席之地，但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還是有較大差距的。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研和實(shí)地工廠考察發(fā)現(xiàn)，我國(guó)各化工園區(qū)和自來(lái)水廠所用的高級(jí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備主要以進(jìn)口設(shè)備為主。在被監(jiān)測(cè)對(duì)象方面，針對(duì)化工園區(qū)廢水監(jiān)測(cè)的設(shè)備種類(lèi)少且監(jiān)測(cè)指標(biāo)單一。在濰坊各化工園區(qū)內(nèi)，對(duì)工業(yè)廢水的監(jiān)測(cè)主要還是依靠人工現(xiàn)場(chǎng)取樣，實(shí)驗(yàn)室儀器分析為主，監(jiān)測(cè)方式落后，存在采樣誤差大、結(jié)果不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)。

3 發(fā)展趨勢(shì)

3.1 人工采樣分析向自動(dòng)采樣分析轉(zhuǎn)變

目前，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室和化工園區(qū)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)都是依靠人工取樣分析進(jìn)行的，隨著社會(huì)的發(fā)展，人工成本也大幅增加，再加上實(shí)驗(yàn)室的人工檢測(cè)分析存在檢測(cè)頻次低、采樣誤差大、檢測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確且分散、不能及時(shí)反映水質(zhì)的變化等缺點(diǎn)，必然會(huì)導(dǎo)致人工取樣分析被自動(dòng)采樣分析取代。采用自動(dòng)取樣分析不僅可以節(jié)省人工成本，還可以根據(jù)實(shí)際要求來(lái)設(shè)置檢驗(yàn)頻次，采樣過(guò)程中的誤差也會(huì)大幅減小，檢測(cè)數(shù)據(jù)可以自動(dòng)保存并通過(guò)相關(guān)軟件分析得出實(shí)時(shí)變化曲線來(lái)反映水質(zhì)變化并及時(shí)做出預(yù)警［13］。

3.2 單參數(shù)檢測(cè)向多參數(shù)檢測(cè)轉(zhuǎn)變

由于生產(chǎn)和生活的需要，檢測(cè)的往往不再是一種物質(zhì)的含量變化。目前多參數(shù)檢測(cè)技術(shù)沒(méi)有單參數(shù)檢測(cè)技術(shù)成熟而且研制的多參數(shù)檢測(cè)設(shè)備存在造價(jià)高、系統(tǒng)復(fù)雜及操作不人性化等缺點(diǎn)，不能很好地適應(yīng)生產(chǎn)生活的需要。所以更需要把研究重心轉(zhuǎn)移到多參數(shù)檢測(cè)上來(lái)，研制出一款操作方便的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀，這樣我國(guó)可以在多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域占一席之地［14］。

3.3 大型設(shè)備小型化

由于實(shí)驗(yàn)室用的大型水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀不能適應(yīng)工作現(xiàn)場(chǎng)的限制和取樣樣品性質(zhì)不穩(wěn)定等條件，這就要在滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)要求的同時(shí)，盡可能減小水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的體積，方便儀器運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)并成功安裝。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，隨著生產(chǎn)生活水平的提高，必定會(huì)推動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)快速發(fā)展和水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的爆發(fā)式應(yīng)用，這就需要企業(yè)以及高校研究人員將技術(shù)與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合，不斷研發(fā)制造出適合我國(guó)實(shí)際情況的水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備，推動(dòng)我國(guó)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)科技強(qiáng)國(guó)夢(mèng)。