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在线水质安全预警系统—在线水质毒性监测

作者:朱勇,谭海玲,王璇,祖士明2010.11.01阅读 5355

        1 水质变化预警的现实需求
        随着我国工业水平的高速发展,人民生活水平的快速提高,环境污染已经成为我国目前所面临的重大问题 之一。
        据环保部门统计全国九大水系都已遭受到不同程度的污染,绝大多数已相当严重,直接威胁到水体生态环 境以及人民群众的正常生活CONTROL ENGINEERING China版权所有,因水体污染导致的集体中毒事件屡见报端,使得原本并不富裕的淡水资源变得更 加匮乏。所以关注水质安全、饮用水安全问题是关系到老百姓生活的重大问题,是国家十一五环境保护纲要的 重中之重。
        中国经济在高速发展的同时也带来了很大的污染隐患,如吉化事件,韶关北江污染事件,大量的危险物品运输泄漏事件等,都对水体生态环境,工农渔业生产,人民群众的生活饮用水带来了很大的威胁,甚至会引起国际纠纷,这一切让我们深刻意识到,及时有效地发现有毒污染物的泄漏或排放,及时有效地对水质突发变化进行预警是多么的重要。
        2 水体毒性预警的现状
        在线微生物监测是目前非常有效的急性毒性的监测报警方法,它可以对水质的变化起到预警作用。目前整 个自然界有超过100000种的毒性物质,即使世界上最先进的检测仪器也无法把这些毒性物质全部单个检测出 来控制工程网版权所有,借助在线生物预警仪,可以对有毒物质对水体的综合毒性进行检测并报警,然后再通过实验室设备具体来 分析造成毒性污染的物质的具体成分。
        可能产生毒性污染的原因:
        (1)储存、运输危险品发生事故;
        (2)化肥、农药等有毒物质无意中污染水源;
        (3)水源地附近企业发生事故;
        (4)恐怖分子或对社会不满的极端分子投毒。
        这些可能发生的事故一旦发生都会对水体生态环境,工农渔业生产,甚至人民群众的生活饮用水带来了 巨大的威胁。
        目前进行急性毒性监测的方法有:发光细菌、水蚤、 藻类、贻贝、鱼、微生物。
        目前我国已经制定了关于急性毒性实验室人工检测 的方法标准,如发光细菌法(GB/T15441-1995)。
        2.1 发光细菌法
        基于发光细菌的相对发光度与水样毒性组分总浓度呈显著负相关,因而可通过生物发光光度计测定水样 的相对发光度,以此来表示其急性毒性水平。水质急性 毒性水平选用相当的参比毒物氯化汞浓度(以mg/L为单 位)来表征,或选用EC50值(半数有效浓度—以样品 液百分比浓度为单位)来表征。
        2.2 水蚤法
        以水蚤作为探测生物,检测水样对水蚤的数量、移动速度、游动高度和环游频率的影响。仪器利用摄像和 图像分析技术连续检测被测样品对水蚤的活性的影响, 进而确定其毒性强弱。
        2.3 鱼类法
        以鱼探测生物,检测水样对鱼移动速度、游动高度、 转身活动和环游频率的影响。仪器利用摄像和图像分析技术连续检测被测样品对鱼的活性的影响,进而确定其毒性强弱。也有很多地方排污口选择养小鱼,如果鱼类 大量死亡说明有毒性物质进入水体。
        2.4 藻类法
        采用荧光技术在线监测荧光的强度来确定藻的浓 度,同时分析出各类不同藻的浓度,在分析荧光强度的 同时设备也能实时给出总的叶绿素的荧光强度,以及 各类藻的浓度变化曲线,仪器可把藻类分为绿藻、蓝绿 藻、硅藻和棕藻共4类分别检测。
        2.5 微生物法
        采用水样中的微生物作为被检测对象,也可在外界自行培养特定的微生物,通过直接测量水中的溶解氧来 监测微生物的呼吸状态,从而测定综合毒性的强弱。
        以上几种方法中,微生物法更适合于在线监测水中 急性毒性的出现。这种方法测量简单,不需要特殊的试 剂,维护比较简单,运行成本相对也较低。在国内外有着 较广泛的应用。
        3 国外水质预警仪的应用实例
        几年前,环境污染严重影响到匈牙利的水质安全。 匈牙利的蒂萨河是继多瑙河外的另一条非常重要的河 流,在2000年发生两起重大的污染事故,第一起是在 2000年2月罗马尼亚发生重大的氰化物泄漏事故,严重 污染了蒂萨河,接着在3月份发生严重的重金属污染。氰 化物的污染相当严重,甚至已经影响到多瑙河的水质, 这在整个欧洲造成了巨大影响,各国纷纷在与邻国交界 处安装水质预警仪,对进入本国的水体进行严格的实时 在线监测,以便对水体水质突发变化进行第一时间的预 警。
        在匈牙利第一台毒性监测仪安装在Ipoly 河上,在 匈牙利和斯洛伐克的交界处,自来水厂利用Ipoly的河水 来填充水库,以便处理成饮用水。水质的在线毒性监测 就是通过Endress+Hauser的STIPTOX系列在线水质预 警仪来进行测量的。
        4 水质预警仪的原理
        STIPTOX系列在线水质预警仪的核心部分是生物 反应器,通过连续监测生物反应器中的微生物的呼吸状 态来监测水质突发变化的,是一个非常重要的水质参 数。整个系统的运行过程大致可以分为如下几个部分。
        4.1 微生物培养
        通电以后,仪器通过软件控制各个泵阀,使被测水 样经过简单过滤后流入生物反应器,并向生物反应器中 加入饱和溶解氧水,还会通过相应的传感器判断何时加 入营养物质,以便使被测水样中的微生物按照其自然状 态时的构成比例在生物反应器中快速培养起来控制工程网版权所有,这样就 相对真实地模拟了被测水样的生态状态。
        4.2 动态平衡
        由于在特定的温度压力等物理条件下,饱和溶解氧水中的溶解氧值是恒定的,这里我们设定它为C0;被测 水样在进入生物反应器后一段时间,被测水样中的微生 物被培养达到饱和状态,微生物的数量不再增加,这一 数量的微生物正常呼吸的耗氧量达到一个稳定值,这里 我们设定它为C1;那么达到这一平衡状态时,生物反应 器中存留的溶解氧值为C0-C1,是一个稳定值;被测水 样水质如果在一定范围内小幅波动,仪器通过软件控制 泵阀调节进水量控制工程网版权所有,饱和溶解氧水的加入量,营养物质的 加入量,来维持这一平衡状态,使生物反应器中存留的 溶解氧值(C0-C1)相对稳定。
        4.3 水质变化预警
        如果被测水样的水质发生瞬时大幅变化,如毒性 物质改变或阻碍了微生物的正常呼吸,溶解氧的消耗会 减少,即C1会突然大幅下降,此时C0-C1会大幅快速增 大,如果增大到超过我们设定的报警值,此时水质预警 仪就会输出报警信号。
        4.4 系统自保护
        如果水样中的毒性物质持续维持在一个相对比较 大的状态,这时控制器大量增加饱和溶解氧水的进水量 进行稀释,进入反应器的总入水量还保持在一个恒定的 状态,这种情况下毒性水样的比率会大量减少,有效地 保护了生物反应器中的微生物,避免微生物全部死亡, 避免系统停止运行。当进水水样中的毒性降低,控制器 会自动减少饱和溶解氧水的稀释量,恢复正常运行。
        5 水质预警仪的流程
        如图1所示水样连续地流过位于仪器左边的采样过 滤器,很少量的水样过滤后通过蠕动泵P1进入生物反应 器,水样的采样量通过上部的控制器来控制。不需要什 么超滤装置,只需要在采样段安装一个不需高精细度的 抗腐蚀的过滤装置即可。当其他的分析仪器由于水中含 有各种颗粒已经停止运行时,STIPTOX仍然运行良好。 用干净的水流可以使这个过滤装置自动清洗。自清洗时 间可以通过控制器设定。

        恒温的饱和溶解氧水是通过P2泵和水样一起混合 再流入生物反应器BR的。饱和溶解氧水一方面为微生物 培养及正常呼吸提供氧,一方面在毒性水样冲击整个系 统的时候稀释毒性物质的浓度保护整个系统。
        用来稀释水样的饱和溶解氧水是在分析仪的背后 制备的。饮用水先被导入到一个水罐中,液位由一个浮 阀控制,温度也由一个温控器控制在一个恒定的水平。 空气以气泡形式导入到这个水罐中。这样,稀释用水便 被控制成恒温的饱和溶解氧水。
        在恒温的生物反应器中,有很多小圆柱体。微生物 在这些小圆柱体的内壁上生长,圆柱体的数量不变,微 生物最大的饱和量就固定不变。细菌群落的需氧量是由 导入的饱和溶解氧水的量和由P3蠕动泵导入的营养物质 的量共同决定的。如果水样中没有满足生物菌落及足够 的营养物质的话,P3泵调节流量供给足够的营养物质来 满足反应室中生物菌落。这一点非常重要,因为只有这 样,才能保证水样中BOD值的变化不会影响测量结果。
        在生物反应器中,由于离心泵CP的作用,水样和那 些小圆柱体快速搅拌,使得微生物只能生长在圆柱体的 内侧,达到动态平衡时微生物的总量恒定不变。在离心 泵的入口侧,有一个过滤器防止那些小圆柱体从反应器 进入离心泵。在E1处有一个溶解氧探头,用户可以通过 设置自动的标定溶解氧探头。在仪器的这部分,还有温 度探头和加热装置,用来维持控制生物反应器中的温度 恒定。生物反应器中出来的水被排出仪器。如果在短时间 内水样的溶解氧浓度波动很大,我们可以在E2的位置安 置另一个溶解氧探头,以提高整个测量系统的精度或者 重复性。
        这台分析仪器可以输出大量的数据,但是这些数据 处理起来却很简单。在分析仪器的上端有一个控制器, 它可以接收溶解氧探头控制工程网版权所有,温度压力探头输出的信号,同 时,它还可以控制泵,电磁阀,加热单元。整个测量过程,完全实现自动化,不需要外部的辅助设施。
        如图2所示在LCD显示屏上可以读到测量数据,系 统运行参数和运行数据,这些数据可以通过RS232串口 送到上位机中。分析仪可以存储最近14天的测量数据, 而且,这些数据可以存储在软盘上,任何一台电脑都可 以读出数据。不仅如此,STIPTOX分析仪还有0/4~20mA 输出,故障信息输出,报警触点输出。

        控制系统的菜单设计得非常优秀,逻辑性强,容易 掌握。主菜单包括测量、服务和维护、编程和帮助。测量 模式下,实时数值及操作参数都可以看到/读取。在服务 菜单中,最终用户也可以找到临时信息的所有资料。所有 维护步骤都可以在显示器上看到详细的解释。在主菜单 中,接下来的操作包括系统维护都可以进行:清洁和校 准溶解氧传感器和水泵,吹扫该分析仪及其它操作等。
        在编程菜单下可以设置基本参数。如输入和输出数 据,报警和保护级别,数据记录和数据传输 。这些参数 的设定能从根本上影响分析仪的运转,这些菜单文件可 以通过(个人)密码进行保护。
        6 水质预警仪的应用经验
        (1)在匈牙利,第一台STIPTOX水质预警仪安装在 跨界河上监测流入本国的河水水质变化,这条河流入一 个大型水库。作为饮用水水源地,该水库的水质被严格 监控,STIPTOX在线水质预警仪作为人工检测的辅助设 备大大减少了化验人员的工作量。
        (2)细菌Pseudomonas Putida,在实验室条件下繁 殖,然后被置于生物反应器的塑料环内。测试结果效果 非常好,打开分析仪一个小时后就能得到一条稳定的基 线,该分析仪就可以开始工作。STIPTOX水质预警仪可 利用被测水样中的微生物进行培养,也可人工培养单一微生物再移植到仪器中。
        (3)该分析仪对水质变化非常敏感。将不同种类的 有毒化合物加入水中模拟有毒污染来测试此分析仪对 水中有毒化合物的反映情况。两种有毒物质污染的模拟 试验结果如图3所示。

        在13点整,将苯酚污染物加入水样,至13:15,在十几分钟内,毒性增加,很快达到报警的水平,这个报警值可以通过控制器调整 。
        从14:15开始,加入氰化物污染,至14:30www.cechina.cn,测量值已经超出报警值。
        在这两种情况下都非常迅速的触发了报警。我们想强调的是毒性报警的反应时间非常之短,仅仅在毒性污 染开始的3~5min。
        在停止继续模拟污染的同时,毒性报警也停止了。又 经过20~40min,基线恢复。这意味着,分析仪对细菌的保护非常好。若无上述保护,微生物将完全被杀死。微生物经过两次毒性污染后存活下来控制工程网版权所有,没受到任何损害。
        (4)基于我们的使用经验,STIPTOX水质预警仪非常实用,它不能检测出有毒物质是什么,也不能检测出有毒物质的成分浓度,但是它可以反映水体的综合毒性, 及时有效地对水质突发变化进行预警,工作人员在收到报警信号时,可以及时对水体进行留样分析,大大减少工作量。
        STIPTOX水质预警仪可应用于可能发生泄漏的企业出口,饮用水源地的水质安全预警,地表水水质变化 的预警,饮用水厂的入口出口水质监测,集中式供水末梢的水质安全预警,重要水源的投毒事件预警。
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