水源水质预警系统的建立与应用

水源水质预警系统的建立与应用王春;江文华【摘要】上海市某水厂水源取水口建立了一个原水早期预警系统，制订了预警的标准与方法，完善了不同污染条件下的预警机制，形成了一整套完善的供水水源自动水质监测预警体系，并进行了模拟效果验证.并以此及时了解供水水源水质状况，发生重大污染事故时能在最短的时间内可启动恰当的应急预案.及时调整水厂的工艺运行,保证出厂水水质.【期刊名称】《净水技术》【年(卷)，期】2010(029)005【总页数】5页(P62-66)【关键词】自来水厂;水源水质;污染事故;预警系统【作者】王春;江文华【作者单位】上海市自来水奉贤有限公司，上海,201402;上海艾晟特环保科技有限公司，上海200231【正文语种】中文【中图分类】X52近年来，我国境内发生了多起重大的突发性饮用水污染事件，引起了多则几百万少则几万居民无水可饮的重大社会问题。例如，2004四川沱江水污染事件、2005年松花江苯和硝基苯污染事件、2006年湖南湘江镉污染事件、2007年无锡市太湖水污染事件等。这些饮用水水源污染事故，对人们生产及生活造成了极大的损失，给社会的稳定造成了非常不利的影响。如何在发生突发事故条件下，尽早预警水源污染情况，尽快实施相关饮用水水质安全保障措施，是关系着国家民生的重要内容之一［1］。上海某水厂原水取自黄浦江，水厂主要服务于本区域的居民和工业生产。受周边工农业生产和生活污水排放的影响，近年来水源水质日益下降，其主要特征表现为氨氮含量、有机物含量增高，夏季藻类繁殖。鉴于取水河流货运发达、沿河工业和农业排放口较多，存在较大的水源突发污染风险，为此建成了水源水质预警系统，确保对水源水质的实时监控，确保突发重大污染事件下的水质安全保障［2-3］。1水源水质预警系统的组成整个预警系统采用了以实时在线检测手段为主、实验室监测验证为辅的建设思路，构建了多系统相互补充的预警监控平台。在预警系统实时在线检测中采用了常规水质监测仪器、直接测量综合毒性的生物毒性仪以及实时快速响应的紫外光谱扫描仪，以达到尽可能早发现污染事件，并尽可能早判别污染特征物的目的。水质预警系统响应程序为：现场在线监测T初预警T现场监测核实一确定警情和范围一警报发布一应急预案一排除警患一灾害评估。该系统是一个集水质监测、信息采集传输、预警发布与应急处置为一体的系统［4-6］。目前该系统具备监测和预警能力以及24h自动留样能力。预警系统的拓扑结构如图1所示。该预警系统软硬件共有以下十部份组成：TOXcontrol在线发光细菌毒性仪；图1预警系统的拓朴结构图Fig.1Topologicalstructureofwarningsystem紫外光谱在线扫描仪；其他在线常规水质监测仪(包括氨氮、亚硝酸盐、浊度、pH、电导率、ORP分析仪等）；（4） 自动采样留样器；（5） 不间断电源UPS；（6） 原水取样预处理子系统；（7） 参考水供应子系统；（8） 数据库子系统；（9） 实验室验证设备（便携式毒性检测仪和其他设备）等；（10） 人工巡检及生物毒性人工观测箱等管理措施。在线监测仪器具有自动量程转换、遥控、标准输出接口、数字显示、自动清洗、状态自检、报警功能和自动标定校正等功能。该系统配置了自动采样留样器，一旦在线检测仪器发现异常现象，立即抓取水样并保存在冷藏室中，为进一步进行的试验室验证创造了条件。系统的数据库子系统主要包括了监控数据的获取与存储、执行命令的传递、数据的传递与上报和Web数据发布等，其具体的方式与方向如图2所示。图2预警系统的信息传递流程图Fig.2Informationtransferenceflowchartofwarningsystem2在线毒性仪子系统的运行与试验作为预警系统监控的关键组成部分，TOXcontrol在线发光细菌毒性仪是一种可以对突发性水体污染事件进行快速的毒性检测、评价的生物预警设备［7］。该设备利用深海发光菌（费歇尔弧菌）在水中遇有毒物质发光强度发生衰变的原理进行毒性物质的检测，通过测定光强损失来判断水中的污染物的毒性高低［l4］。该设备的应用在预警系统中，对水质变化的状况实现了定性和半定量的分析，该设备符合ISO11348—3标准，是选择该设备作为毒性检测的主要依据之一。经过近一年的连续毒性检测，通过对实验数据的总结分析得出对该水厂取水口的原水水质的背景毒性范围为-15%~10%之间。依照设备使用导则，制订出该预警设备高、中、低的报警数值确定为75%，50%，20%。当设备检测毒性值大于75%时，该水源不能作为饮用水源；当原水综合毒性值介于50%~70%时，可以认为原水受到一定污染达到中度毒性水平；根据国内外的该设备的使用经验，正常地表水的毒性一般小于20%;安装在上游10余km处的松浦大桥原水厂内的另一套TOXcontrol在线毒性仪监测到背景毒性范围也在-15%~10%之间；考虑到该区水口处于黄浦江上游，水质相对较好，该处设定的低毒性报警数值定为15%，该水厂与原水公司已经达成信息资源共享的协议，为该水司的预警系统再增添了一道前哨阵地。为确保安全，预留有一定的安全余量，该系统将该水源地原水毒性划分为一级报警、二级报警两个等级；分别设定为50%和20%。一旦毒性水平超过20%，预警系统就会给出二级黄色报警信号，核实报警属实后技术人员按照应急预案采取相应的处置办法；一旦毒性水平超过50%，预警系统就会给出红色的一级报警信号，情况核实后基本可以判断发生重大的污染事件，必须予以极大重视并采取积极的处置办法，必要时需要停止水厂进水［8］。为考察该系统的对重大水污染事件的预警运行效果，试验采用人工配水模拟系统考察了不同浓度常见有机毒物（包括农药、除草剂、苯类、酚类、醛类等）及重金属毒物投加条件下设备反应灵敏度，其结果如表1所示。表1各种毒物人工配水试验结果总结Tab.1Testresultsofdifferentpoison序号有毒物质名称测试浓度1/（mg-L-1）光损率/%测试浓度2/（mg-L-1）光损率/%123456汞（重金属）砷（重金属）甲醛2,4,6-三氯苯酚乙基苯氰化物0.075104.55015155.414.914.511.831.834.70.12091030287.546.330.410.650.2575从表1可以看出，甲醛在其国标限值5倍时就能测出35.49%的毒性，对阿特拉津、碑、二甲苯等污染物响应的浓度值较高，试验结果以及其他使用经验表明该仪器在应对高浓度有机污染及重金属污染突发事件时将起到较好的预警作用。人工配水试验采取了向实验当时的原水添加定量剂量的方式，而没有采用向纯水中添加定量剂量毒物的方式；我们有大量数据表明，发光细菌对相同浓度的毒物在原水中和纯水中的反应差异巨大。这也进一步说明利用化学分析方法确定水体中的成分来判断是否对生物有害有很大的不确定性，该设备直接检测水样对生物的毒害性，是一种有效的水污染的快速检测手段，有着其他检测手段无法比拟的优势。该仪器的主要功能是对重大污染事件（浓度达到mg/L级）进行早期预警，主要针对的浓度是靠近可能立即引起人不适的水平，对于一些低浓度的毒性物反应不灵敏，这是该仪器的局限性，当然低浓度的毒性物质也不是我们预警的主要目的。在该设备近一年运行过程中该仪器总共发生三次二级报警的情况，经过现场紧急核查，三次报警的原因都是由于测试用的发光菌的质量原因导致的误报警；该系统配置的DeltaTOX便携式发光细菌毒性仪发挥了较好的验证作用，菌种的质量的稳定性是该类仪器需要重点解决的问题。3紫外光谱扫描子系统的运行与试验在污染事故中，尽可能早地发现污染并进行判别污染特征物是至关重要的，实时在线监测系统是在早期阶段中检测低概率/高风险的有效手段。鉴于大量的各种化学试剂和材料的产生，安装相对应的监测仪器也是不现实的，要想尽早地判断出是何种毒性物质排放到水体中并非易事，所以近几年来基于非直接测量的解决方案越来越被重视。利用紫外吸收光谱鉴定有机化合物类型是目前解决该问题的可行方法之一。该方法主要依据是部分化合物的有着特别的吸收光谱特征，如吸收峰波长、吸收曲线的形状、吸收峰数目以及摩尔吸收系数等。图3是我们在调试阶段用紫外光谱仪针对阿特拉津检测预警的几个数据图示。我们发现在黄浦江中常见的特征污染物阿特拉津在纯水和原水中都表现出相似的特征光谱，最大的吸收波长出现在275nm处，与相关资料的数据基本吻合，但是受原水中TOC/DOC以及浊度和色度的影响，相同浓度的阿特拉津在原水中的特征光谱和在纯水中特征光谱会有差别。这限制了该仪器在水质较差环境下的应用；必需对原水进行必要的预处理，但是预处理原水的效果以不能超过常规自来水厂对污染物的去除效果为原则。原水预处理的主要目的是去除影响测量的悬浮物，不应该去除溶解性有机物，也有研究人员认为，常规自来水厂处理工艺能够去除的污染物，就没有必要对其进行预警。我们在该设备的基础上，进行了二次开发，研发了一套基于紫外光谱的预警软件，该软件可以实时监控水体中的紫外光谱的变化，并进行比较分析判断，给出预警并初步判断污染物的类别。在线紫外光谱扫描仪和在线发光细菌毒性仪能够起到很好的互补作用，在水质预警上起到明显作用［9］。4其他常规水质分析检测系统其它常规的pH、ORP、电导率、浊度、氨氮、亚硝酸盐、锰离子的监测项目，主要目的是用于指导水厂的运行参数和运行方式的调整，常规参数的报警限制主要依据地表水水质标准和水厂的生产工艺要求确定。其中ORP参数可以有效的针对水体中高浓度的还原性无机物氰和碑污染进行预警;对高浓度重金属污染也较为有效。pH对于酸碱污染发生的判断，效果明显。浊度、氨氮、亚硝酸盐的实时监测对水厂的加氯，加矶等工段的运行指导意义极大。锰离子的在线检测可以用于指导高锰酸钾投加装置的运行管理，预防出厂水色度超标。图3紫外光吸收曲线图Fig.3UVabsorptioncurve5预警系统的管理和应用该水厂一直十分看重水源地的保护，在取水头部加装了隔离栏，取水头部安装了多个摄像装置，而且设立了观察岗亭，人员24h值班，可以有效防范过往船只的停靠及可能的人为投毒，也能够及时发现水面漏油等事故。在安装在线发光细菌毒性之前，该水厂已经安装了生物毒性人工观测箱，主要在该观测箱中放养了生长于黄浦江中的各种小鱼，定期清洗、曝气增氧，定期更换测试用鱼，并建立相关的管理措施和记录台帐。此外，该水厂根据上海水务局统一部署，严格执行每小时对原水和出厂水取样，并保留24h的规定。而且配置了氰和碑化物测试盒，定期对原水进行检测。该水厂水质中心及第三水厂对原水进行定期的监测，同时也具备了相当强异常情况下应急监测能力。这些管理措施是整个原水预警系统的重要构成。三分建设，七分管理；该水厂为了充分发挥水源水质系统的作用，投入了较大的物力及人力，加上设备供应商的积极配合，针对各种设备建立了详细的维护管理台帐，基本保证了该系统中所有设备的正常运行。此外，该水厂还制定了，预警系统报警信息的上报流程制度，应急监测的预案，应急处理预案等相关的配套措施。6结论该水厂水源取水口建立的原水早期预警系统，应用在线生物监测手段、紫外光谱仪以及常规化学检测手段相结合形成了一整套较为完善的供水水源自动水质监测预警系统。通过该系统可以及时了解供水水源水质状况，发生重大污染事故时在最短的时间内可启动恰当的应急预案，及时调整水厂的工艺运行，保证出厂水水质，保障人民饮用水安全；该系统在自来水行业有着较大的推广和借鉴意义。参考文献【相关文献】［1］沈晓娟，徐向阳，崔韩.关于城市应急供水系统建设的思考［J］.灾害学,2007,22(1):134-137.［2］陈广明，周密，周冬生.长江饮用水源地水质自动遥测预警系统研究［J］.水利水文自动化,2006(3):16.［3］陈燕海，张晓芬.城市供水水源应急预案探讨［J］.水利发展研究,2003,3(6):60-65.［4］张锡辉，郑欧华，欧阳二明，等.水源水质在线监测预警系统的建设［J］.中国给水排水,2005,21(11):17.［5］乔玲，李宇.北