水质在线监测仪器发展现状

水质在线监测仪器开展现状水质在线监测仪器作为水质在线自动监测系统的核心，运用现代传感器技术、自动测量技术、自动控制技术等，采用化学法、电化学法、光谱法等分析方法，能对水质参数进行实时连续在线测量和分析。水质在线监测仪器主要监测对象有：化学需氧量〔COD〕、氨氮、总氮、总有机碳〔TOC〕、总磷、锑、砷、铜、汞、铬、金属离子、pH值、电导率、浊度、溶解氧等。1COD在线监测仪器开展现状化学需氧量〔COD〕是指水体中易被强氧化剂氧化的复原性物质所消耗的氧化剂的量，以氧的mg/L来表示，反映了水体中受复原性物质污染的程度，这个指标是为了了解水中的污染物将要消耗多少氧。1.1COD在线监测仪器的技术原理目前COD在线监测仪器的主要技术原理有6种：重铬酸盐法-光度比色法；重铬酸盐法-库仑滴定法；重铬酸盐法-氧化复原滴定法；电化学氧化法-氢氧基及臭氧〔混合氧化剂〕氧化法；电化学氧化法-臭氧氧化法；紫外吸收法〔UV法〕。为便于比拟，可将以上6种技术原理归为三类：重铬酸盐法、电化学氧化法和紫外吸收法〔UV法〕。重铬酸盐法1〕重铬酸盐法根据测得数值的方法不同分为光度比色法、库仑滴定法、氧化复原滴定法。通常在一定的温度下，在强酸溶液中用一定量的重铬酸钾氧化水样中复原性物质，经过高温消解后，Cr6+被水中复原性物质复原为Cr3+。再使用分光光度计、库仑滴定、氧化复原等方法测得数值，利用该数值与试样中氧化复原物质浓度的关系进行定量分析。2〕该类是国家推荐使用的方法，有测量准确、测量范围广、技术成熟等优点。3〕但该类仪器也存在以下问题：①测量时间相对较长，一旦水质突变，有可能无法及时监测；②通常采用加温或加压的方法提高消解速度，增加了设备的复杂性，易故障；③产生强腐蚀性、含有毒的重金属离子废液，易腐蚀管路，同时会产生二次污染。电化学氧化法1〕电化学氧化法根据所使用的氧化剂不同分为氢氧基及臭氧〔混合氧化剂〕氧化法和臭氧氧化法。电化学氧化法采用三电极设计，包括工作电极、辅助电极和参比电极。工作电极〔即阳极〕：该电极头外表镀PbO2，接电源正极，发生的是氧化复原反响。在一定的工作电压下，溶液中的OH-在PbO2的外表放电产生OH基，具有很强的氧化性。辅助电极〔即阴极〕：该电极也是铂电极，接电源负极，发生的是复原反响。信号电流通过阴、阳两极。参比电极：该电极独立于信号电流以外，自身电位稳定，作为工作电极的电位参照，当水样与电解液定量进入测量池时，有机物被工作电极外表所产生的OH基所氧化，而氧化过程所消耗的电流大小与水样的COD值的大小成线性关系。只要将氧化所消耗的电流信号通过检测、放大与处理就可知与水样浓度相对的COD值。2〕电化学氧化法测量时间较短，运行可靠，OH基通常能将有机物100%氧化，不存在选择性问题，测量范围较广，适用于各种场合的废水。采用该原理的在线监测仪器结构相对简单，由于是链式反响，根本上不消耗电解液。3〕电化学氧化法不属于国标或推荐方法，在应用时，需要将其分析结果与国标方法进行比对试验并进行适当的校正。同时电化学氧化法的在线监测仪器需要添加温度补偿。紫外吸收法〔UV法〕1〕UV是UltravioletRay〔紫外线〕的简称，UV计是应用紫外线吸光度原理，用双波长吸光度测定法测量水中的有机污染物浓度的一种自动在线监测仪器。由于各种有机物对254nm的紫外光大多有吸收，通过测定污水对UV254的吸收程度得到UV吸收值，在通过UV值与COD之间的线性关系式就可以自动换算出所测水样的COD值。同时UV计利用波长为550nm的参比光可以自动校正浊度、电源的波动、元器件老化等因素对测量结果的干扰，从而提高测量精度。2〕UV法不用试剂，不用取样，对样品条件没有任何限制，不需要样品的预处理，因此结构简单，故障率低。适用于市政污水宏观监测、水质变化比拟稳定的环境，对水中的一大类芳香族有机物和带双键有机物尤为灵敏，对苯类、苯环类、酯类的效果很好。3〕UV计一般不能检测含有乙醇、线性碳氢化合物的污水。在此以恩德斯豪斯的CAS51D型紫外吸收在线监测仪对UV法的工作原理和其结构作相应说明。CAS51D型紫外吸收在线监测仪采用传感器单元与数据处理单元分立的结构，主要由光学传感器ViomaxCAS51D和变送器LiquilineCM442组成，其完整的测量系统如图1所示。该测量系统无需取样或者式样预处理系统，无需化学试剂，现场维护简便、快捷；传感器内置测量电路、信号在传输过程中不易受干扰且响应时间极短。图1带浸入式安装支架的测量系统示意图其中，光学传感器的工作原理示意图如图2所示，测量原理为：高稳定性脉冲通过频闪光源〔部件5〕发射光线，光线穿透测量池〔部件3和部件4〕，通过分光镜〔部件2〕的光线分别发射至两个接收器〔部件1和部件6〕，每个接收器的前端均放置有一个滤镜。测量接收器〔部件1〕前的滤镜仅允许测量波长范围内的光线通过，而参比接收器〔部件6〕前的滤镜仅允许参比波长范围内的光线通过。一般情况下传感器通过RS485总线与变送器LiquilineCM442连接实现信息交互，变送器提供0/4~20mA模拟信号输出信号，同时用户还可以根据需求选择清洗功能、控制继电器和报警继电器。图2传感器ViomaxCAS51D工作原理示意图1测量接收器〔带滤镜〕2分光镜3测量池4透镜5频闪光源6参比接收器〔带滤镜〕COD分析方法比照一览表表1COD分析方法比照种类名称重铬酸盐法电化学氧化法UV法测量原理传统氧化复原法点解产生OH基紫外吸收测量时间15~25min2~8min1s测量范围30~2000mg/L30~2000mg/L0~1000mg/L仪器结构复杂复杂简单系统维护难易易运行状况易故障易故障良好运行本钱高高低环境影响有无无方法标准HJ/T399-2007无HJ/T191-2005总的来说，基于化学方法的COD分析仪存在测量时间长、有二次污染、仪器结构复杂等问题，而基于物理方法的UV吸收分析仪可以较好的解决以上问题。1.2COD在线监测仪器相关产品比拟目前国内市场上所研制的COD在线监测仪依据以下标准：1〕水质化学需氧量的测定快速消解分光光度法〔HJ/T399-2007〕2〕紫外〔UV〕吸收水质自动在线监测仪技术要求〔HJ/T191—2005〕根据中国环境监测总站数据统计，截止到2013年9月30日，通过中国环境监测总站水质在线监测仪器适用性认证检测工作的COD在线监测仪合格产品有62项；截止到2012年12月31日，通过中国环境监测总站水质在线监测仪器适用性认证检测工作的UV在线水质自动监测仪合格产品有12项。从以上统计产品来看，国内市场上所使用的COD在线监测仪既有国际知名品牌，也有国内相关知名企业。在此，对各代表性产品的性能指标作了相关分析比拟，比拟结果见表2和表3。表2COD在线分析仪根本参数比拟生产厂家聚光科技〔杭州〕北京环科环保技术广州怡文江苏绿叶环保科技HACH岛津型号COD-2000HBCOD-1EST-2001BJHC-ⅢACODmaxⅡCOD-4200测量原理重铬酸盐-分光光度法重铬酸盐-分光光度法重铬酸盐-库仑滴定法重铬酸盐-氧化复原滴定法重铬酸盐-分光光度法重铬酸盐-分光光度法测量范围0~5000mg/L〔可根据用户需求设置量程〕10mg/L~5000mg/L〔分段，可自动切换〕5mg/L~10000mg/L0~10000mg/L10mg/L~5000mg/L30mg/L~4000mg/L示值误差±10%±8%±10%〔标样〕±15%〔实际水样〕±10%±10%±10%重复性≤3%≤3%≤10%≤5%≤5%≤5%测量周期一般30min最短45min20~70min〔可调〕≤30min〔90%〕20min最短20min表3紫外〔UV〕吸收在线监测仪根本参数比拟生产厂家恩德斯豪斯〔瑞士〕AWA〔爱华仪器〕北京环科环保技术北京东西分析型号CAS51DCX1000-3000系列HBUV-1EW-2100测量范围0~75mg/L0~370mg/L0~1000mg/L0~2500mg/L〔可设定〕0~300mg/L0~1000mg/L示值误差±2%F.S.±10%F.S.±8%F.S.±5%F.S.重复性±0.5%F.S.〔均匀介质〕±0.5%F.S.±2%F.S.±2.5%F.S.测量周期7min以内10s〔或根据现场设定〕2min以内1min〔可设定〕从表2和表3的比拟可以看出，依据标准HJ/T399-2007快速消解分光光度法的国内外COD在线监测分析仪产品在性能指标上根本相同，但与紫外吸收在线监测仪相比，基于重铬酸盐法测量原理的COD在线监测仪存在测量周期长、测量精度差、设备复杂、运营本钱高、有二次污染等问题，同时国内的紫外吸收在线监测仪与国外产品相比在测量精度上还存在一定的差距。1.3小结从中国环境监测总站公布的合格产品来看，国内使用的COD在线监测仪既有国际产品也有国内产品，主要测量原理还是既有重铬酸盐法和紫外〔UV〕吸收法，各有优缺点。虽然说基于重铬酸盐法的COD在线监测仪存在测量周期长、运营本钱高、有二次污染等问题，但其测量方法符合国家标准，相关产品仍占有市场主导地位。紫外〔UV〕吸收在线监测仪假设能有效解决其适应水样变化的响应能力，凭借良好的性价比，将会拥有广阔的市场前景。我国污水监测技术开展迅速，对COD在线自动监测仪的研制开发也非常活泼，一些产品在技术与性能上已可与国外产品相媲美。但我国居民的生活、生产习惯决定了我国污水成分复杂且波动较大，加之我国污水治理起步较晚，各地雨污不分流情况较多，难以控制不同类型污水对污水处理过程中水质稳定性的冲击，这就导致仪器的适应性普遍较差，故障率高。因此，在实际监测中应做好以下两点：〔1〕解决好采样的代表性、水样预处理和反响器、检测池的清洁等问题，做好监测仪的日常维护；〔2〕根据不同污水的主要特点，选择适宜的COD在线自动监测仪，并定期与国标方法进行比照校正，以提高检测的准确性。2氨氮在线监测仪器开展现状水体中的氨氮是指以游离态氨NH3和离子态铵NH4+形式存在的氮。氨氮中的氮元素作为一种营养盐污染物，在水体中含量较高时会引发水体富营养化，导致藻类和微生物的大量繁殖，水中的溶解氧过度消耗，引起水质恶化，最终导致鱼类大量的死亡，甚至出现湖泊的干涸灭亡，最终使得生态系统失衡。2.1氨氮在线监测仪器的分类根据中国环境监测总站公布的氨氮在线监测仪合格产品目录〔见附录3〕，截止到2013年9月30日，在国内市场上共有68种氨氮在线监测仪，其测量原理主要有5种，分别是纳氏试剂分光光度法、水杨酸分光光度法、氨气敏电极法、电导法和蒸馏-滴定法，其中使用最多的测量方法是水杨酸分光光度法。纳氏试剂分光光度法仪器该类仪器的设计原理基于HJ535-2009中的纳氏试剂分光光度法。该方法依据氨〔NH3〕与碘化汞和碘化钾的碱性溶液反响生成淡红棕色胶态化合物，在410nm～425nm有强烈吸收，根据朗伯比尔定律可定量水样中的氨。基于纳氏试剂法的氨氮在线监测仪，具有较高的环境适用性，可以应用在地表水、地下水和污染源的在线监测中，但由于比色容易受到水样色度和浊度的影响，在高色度、高浊度的应用环境中，那么对仪器的预处理模块提出较高要求。同时，由于仪器所用试剂含有剧毒物质碘化汞，对操作者易造成伤害，同时易造成环境的二次污染，因此目前较多的仪器开始转为水杨酸法。水杨酸分光光度法仪器该类型仪器的设计原理是基于HJ536-2009中的水杨酸分光光度法。在该方法中，水样中的氨氮以铵离子〔NH4+〕的形式参与反响，即在碱性介质〔pH=11.7〕和亚硝基铁氰化纳的存在下，铵离子与水杨酸和次氯酸离子反响生成蓝色化合物靛酚蓝，在697nm处产生强烈吸收，根据朗伯比尔定律可定量水样中的铵的含量。水杨酸分光光度法的检出限比纳氏试剂法低，可以到达0.01mg/L，因此该方法的氨氮在线监测仪更适合应用于饮用水、地表水等低浓度水体的监测。但由于测试所需的次氯酸盐溶液保存时间短，因此在在线应用中应重点注意试剂的有效保存问题。氨气敏电极法仪器该类仪器设计的参考方法是美国EPA标准EPA4500－NH3D，调节水样pH值在11～12的强碱性范围内，曝气使水样中的氨氮以氨气〔NH3〕的形式逐出，氨气透过氨气敏电极的疏水膜引起内充液pH变化，通过电极电位的变化测定氨。氨气敏电极法仪器的优点一是不受水体色度和浊度的影响，无需对水样进行预处理；二是测量范围宽，适于高浓度水样的测定。但电极的寿命和再现性是目前该类仪器的主要问题。电导法仪器该类仪器在国内市场上并不多见，其采用的根本原理是吹脱－电导，即在碱性条件下，用空气将氨从水样中吹出，气流中的氨被吸收液〔稀酸〕吸收，引起吸收液的电导变化，电导变化值与吹出的氨量和水样中氨氮含量成正比关系。电导法仪器的优点是试剂用量少，运行本钱低，测量结果不受浊度、色度影响。但由于测量灵敏度的问题，每次测量需消耗大量的水样，从而导致仪器维护量加大。蒸馏-中和滴定法仪器该类型仪器的设计基于HJ537-2009中的蒸馏-中和滴定法，样品在弱碱的条件下，经加热蒸馏，释放出的氨冷却后被吸收于硼酸溶液中，再用酸标准溶液滴定镏出液中的铵，当电极电位滴定至终点时停止滴定，根据盐酸所消耗的体积，可计算出水中氨氮的含量。滴定法的仪器不适用含有挥发性胺类、尿素等可在相同条件下被蒸馏且与酸反响的物质。代表性产品根本参数比照表3氨氮在线监测仪器根本参数比照生产厂家广州怡文德国BRAN+LUEBBE浙江环茂自控科技山东省恒大环保青岛崂山电子型号EST-2004PowerMonSuperVisionSHZ-5LN1000测量原理纳氏试剂法水杨酸法电极法电导法滴定法测量范围0.05-200mg/L0~0.5/2/5/20/200mg/L〔量程可选〕0.05~1000mg/L〔量程可选〕0~500mg/L1~1000mg/L检出极限0.003mg/L〔0~0.5mg/L〕0.5mg/L示值误差±5%F.S.±3%F.S.±10%F.S.±5%F.S.重复性±5%±1%±5%±5%±5%测量周期≤15min≤15min最短10min30min25~30min从表3中可以看出，水杨酸法型的氨氮在线监测仪器具有较好车测量准确性和灵敏性，随着在线监测仪器技术的不断开展，各类氨氮在线监测仪器的性能参数也越来越接近。2.2小结针对不同的水质情况，在水质氨氮在线监测仪的选型上应考虑方法原理的适用性。不同的测量原理，其适应水质情况不同，只要选择得当，扬长避短，即可得到理想的效果，与实验室取得较好的一致性。对于色度浊度较高的水体，应优先选择氨气敏电极的仪器设备，以减少色度浊度的影响；对于较为清澈、氨氮含量较低的水体，可选择水杨酸法的仪器设备，具有更高的灵敏性。为了获得更准确地监测数据，氨氮在线监测仪的定期校准和维护是非常必要的。除定期应用标样进行校准以外，最好采用安装点的实际水样，与实验室同时进行测定，并用实验室的测量值对仪器测量值进行修订。3总磷在线监测仪器开展现状氮磷均是生物生长的必需元素，也是湖泊富营养化的关键限制性因子。如果大量生活污水、农田排水或含氮、磷工业废水排入水体，水体中氮、磷含量超标，可造成藻类的过度繁殖，出现富营养化状态，