1. 水质在线自动监测技术

【技术简介】

水质在线自动监测技术是以在线自动分析系统为核心，对入河湖排污口、地表水、污水处理设施、重点污染物及敏感污染物排放企业等不同河长制辖区管理水质监测对象，通过各种传感设备获取信息，形成巨大的感知网络，实现各信息的智能识别、定位、跟踪、监控和管理。将物联网应用于水质监测系统，突破传统人工取样及离线监测系统的瓶颈，可改变水质监测以点代面的现状，真正实现面向区域的全面监控。同时运用自动控制技术、计算机技术并配以相关专用分析软件和通信网络，组成一个从水样采集、预处理、分析检测到数据处理、存储及传输的水质在线自动监测综合性技术应用。

【应用范围】

水质在线自动监测主要是监视和测定水体中污染物的种类、各类污染物的浓度及变化趋势，评价水质状况的过程。监测范围包括未被污染和已受污染的城市、乡镇内的天然河道、人工河道、景观水体、水系等。

【技术原理】

水质在线自动监测技术由水质在线监测系统、自动监测站、在线自动分析仪器组成。水质在线监测系统通过建立无人值守实时监控的水质自动监测站，可以及时获得连续在线的水质监测数据（常规五参数、COD、氨氮、总磷、总氮、重金属、生物毒性等），利用现代信息技术进行数据采集并将有关水质数据传送至信息中心系统，实现信息中心对自动监测站的远程监控，有利于全面、科学、真实地反映各监测点的水质情况，及时、准确地掌握水质状况和动态变化趋势。水质在线监测系统由水质在线分析仪、采样系统、辅助参数监测系统等组成。

【技术要点】

（1）自动监测站

水质自动监测站安装平台有站房式、岸壁式和浮标式三种结构型式。标准型水质监测站应采用站房作为安装平台，其他水质监测站可根据站址条件选择站房、岸壁或浮标安装平台。

1）站房式

站房式在线水质监测站是在具备固定永久性站房建设条件，在监测点位附近建设（利旧）的标准化水质自动监测站站房。站房应考虑独立管理需求、设备空间占用要求和功耗等指标，并兼顾未来测验项扩展需求及合理冗余。站房式在线水质监测站适用于采用国家或行业标准分析方法的水质分析仪表。

站房是用于承载系统仪器、设备的主体建筑物和外部保障条件，外部保障条件是指引入清洁水、电源、通讯、道路通达条件、站房基础加固与平整等。新建站房面积应不小于40 m2，主体建筑物包括仪器间、质控间等。对于监测现场已具备水质在线监测站房的站点，可利用当地管理单位的提供的独立站房用于安放测站仪器和设备，利用旧站房仪器间面积应不小于20 m2。

2）岸壁式（岸边式）

岸壁式（岸边式）在线水质监测站是集分析仪表及样品处理系统于一体，并配备有供采水、配水、供电等基本设施，实现水体即时循环，有效的反应监测现场当前水质状况。岸壁式在线水质监测站的体积、耗电量较小，可放置在机箱或小型集装箱式站房内。该类监测站适用于用占地面积有限、地理情况复杂、项目建设周期较短、有移址或调整监测点位需求的监测站建设。岸壁式安装平台应选址在监测现场水体断面流畅处，避免选择在断面形态变化较大的位置。

3）浮标式

浮标式在线水质监测站，以浮标为载体，集成水质监测的物联网传感器，用于湖泊、水库、河流等水体的水体水质原位在线监测预警。浮标式在线水质监测站由浮标平台、浮体、太阳能供电系统和锚泊系统组成。

浮标式平台应选址在监测现场水体汇流处，根据当地水位变化情况，选择水深合适、水下地形平坦的位置。平台应能在水平流速不大于3.5 m/s、风速不大于20.7 m/s（8级）环境下正常工作，浮标式不适用于寒区结冰水体。

站房式、岸壁式和浮标式等三种结构型式比选如下表9-1所示：

表9-1  水质监测站结构型式比选表

（2）在线水质监测站系统

在线水质监测站系统由采水单元、配水单元、检测单元、数据采集单元、数据传输单元和辅助单元组成。采水/配水/预处理单元将水样采集、处理后供数据采集单元进行数据采集，控制单元通过统一控制系统进行全过程同一控制，最后通过多种数据传输方式将水质采集数据进行上传至监控中心。

图9-2 在线水质监测站系统

1）采水单元

采水单元一般由采样水泵、采样浮筏和粗隔离栅、水样分配单元、压力流量监控及采水管道等组成，可向系统提供可靠、有效水样。采水单元的取水量应确保高于现有仪器的总需水量并考虑后续增配仪器的需水量。采水设施一般可分为栈桥、浮船、抛锚浮筒和悬臂梁等形式，可根据现场实际情况进行选择。

2）配水单元

配水单元应满足以下技术要求：

①必须满足各仪器对水量、水质的要求；

②应具备人工实时取样接口；

③应具备自动或便捷的人工清洗条件；

④常规五参数的传感器应安装在水质预处理前，应避免水流流速对溶解氧和浊度测定的影响；

⑤水样沉淀池大小应保证水质分析仪表一次分析用水量，水样沉淀时间一般为半小时左右；

⑥在水源地水体含沙量较高情况下，为减少泥沙对测定结果的影响，应设立沉淀池，应设置高效、低维护的过滤装置，沉淀池中应不存在死水部分，具有良好的水力交换条件；

⑦沉淀池、过滤装置结构应便于清洁、维护条件。

3）检测单元

目前应用比较广泛的化学/电化学法在线自动分析仪器有常规五参数（水温、pH值、电导率、溶解氧、浊度）分析仪、高锰酸盐指数分析仪、氨氮分析仪、总氮分析仪、总磷分析仪、重金属分析仪、氟化物（氯化物）测定仪、氰离子测量仪、挥发酚在线分析仪、油类水质在线自动监测仪、亚硝酸盐氮（硝酸盐氮、磷酸盐）测定仪、生物毒性检测仪、叶绿素a 测定仪、有机物分析仪、VOC 检测仪和 TVOC 检测仪。

4）数据采集单元

对于现场仪器的数据采集，均由现场数据采集仪进行采集。数据采集仪通过数字通道、模拟通道采集在线监测仪器的监测数据、状态信息后，统一打包通过传输网络将数据、状态传输到监测中心，同时监测中心可通过传输网络发送控制命令，数据采集仪根据命令控制在线监测仪器工作。

数据采集仪器分两大类：数字类仪表、模拟类仪表，两类仪表的数据采集过程示意图如图9-3示。

图9-3 数据采集过程示意图

5）数字标准接口

采用数字标准接口与现场所有具有数字接口和协议的设备进行对接，实现对仪器设备的数据采集，控制操作，对时等功能；通讯协议一般采用标准的Modbus RTU协议，同时可任意定制扩展通讯协议；数字接口可以是标准RS232、RS485串口或网络口。

6）数据传输单元

数据传输单元应满足以下技术要求：

①操作系统（OS）采用当前主流的操作系统，应用软件应采用标准的语言编程并能可靠升级，应用软件应具有良好的可扩充性和维护性；

②在线水质监测站应有数据处理设备（工业控制计算机）在现场进行数据处理，处理结果应至少包括实时测量值、小时均值、日均值、周均值、月均值及均值连续变化曲线，超标值检验及报警记录，并能自动报警；

③实时自动记录采集到的异常信息并主动上传到远程控制中心，控制中心可通过自动或手动方式对异常信息进行远程控制处理，自动记录仪器测试数据性质（标准样品测试、实际样品测试、仪器调试等）；

④在线水质监测站能现地查询、处理、转出历史数据，方便用户在通讯线路故障时到现场获取水质自动水质在线监测站监测数据；

⑤在线水质监测站与远程控制中心之间的数据传输可支持有线/无线多种通信方式，数据传输协议和数据格式应符合SZY206-2016的规定；

⑥数据采集与传输应完整、准确、可靠，子站断电后数据至少保存30天，并能储存90天以上的原始数据，同时保存相应时期发生的有关校准、断电及其他事件记录；

⑦控制单元主体设备平均无故障时间（MTBF）≥2000h，信号的输入输出具有可扩展性，断电后数据采集和传输继续工作时间：≥12h。

7）控制单元

控制单元应满足以下技术要求：

①可现场或远程对系统设置连续或间歇的运行模式；

②控制系统应能对仪器进行一些基本功能的控制，如待机控制、工作模式控制、校准控制、清洗控制，停水保护等；

③应在满足现场控制点的基础上具有10%以上的备用控制点，以备日后控制单元的修改和升级；

④断电、断水或设备故障时的安全保护性操作；

⑤具备自动启动和自动恢复功能。

8）辅助单元

辅助单元应满足以下技术要求：

①根据需要，可配置具有标准数字通讯接口的自动分瓶采样器；

②应配置不间断电源（UPS），其功率至少能完成系统二次以上分析流程或保证系统断电后通讯部分仍维持运行24小时，完成异常事件的上传和远程数据下载；

③应配置相应的空气压缩设备；

④根据需要，配备防盗、报警装置和视频监控系统。

（3）在线自动分析仪器

1）常规五参数监测仪器

①pH水质自动分析仪，测定原理：玻璃电极法。

②水温计，方法原理：铂电阻或热电偶测量法。

③电导率测量仪，方法原理：电阻测量法。

④浊度计，方法原理：光散射法。

⑤溶解氧测定仪，方法原理：膜电极法/荧光法。

2）高锰酸盐指数、氨氮监测仪器

①高锰酸盐指数监测仪器

锰酸盐指数是指在一定条件下，以高锰酸钾（KMnO4）为氧化剂，处理水样时所消耗的氧化剂的量。目前有酸性高锰酸盐氧化滴定法、UV法等测定仪器。

②氨氮水质监测仪器

方法原理：氨氮水质自动分析仪包括气敏电极法和光度法。

气敏电极法：采用氨气敏复合电极，在碱性条件下，水中氨气通过电极膜后对电极内液体pH值的变化进行测量，以标准电流信号输出。

光度法：在水样中加入能与氨离子产生显色反应的化学试剂，利用分光光度计分析得出氨氮浓度。

3）总磷、总氮监测仪器

①总磷水质自动分析仪

方法原理：将水样用过硫酸钾氧化分解后，用钼锑抗分光光度法测定。氧化分解方式主要有三种：水样在120℃、30 min加热分解；水样在1200℃以下紫外分解；水样在100℃以下氧化电分解。

②总氮水质自动分析仪

方法原理：水样经过过硫酸钾消解转化为硝酸盐，用紫外分光光度法测量吸光度。

具体监测分析内容和选用方法参见下表9-2：

表9-2 水质监测参数及分析方法

【应用前景】

适用于各类饮用水、地表水、工业污水、生活污水等需无人值守的水质在线监测站应用领域。

【技术局限性】

（1）基于物联网的水质在线自动监测由于需要建设现地监测站，只能实现点源水质监测，若对全水域进行精确的水质监测，则需要进行大量布设监测点，不仅建设投入大，且后期需定期维护；

（2）对于不能达到的偏远或危险区域以及不具备建设条件的河湖断面等应用场合，无法采用该水质监测技术；

（3）通过物联网进行水质监测数据传输需要移动网络基站进行信号稳定覆盖，以保证监测数据的正常传输，因此，在布点时要重点考虑移动网络覆盖情况；

（4）由于水质监测站运行功率较大，一般需要市电供电，一些环境复杂且不具备市电接入的监测区域由于太阳能或风力发电无法建设成本较大，监测设备的供电是要考虑的问题。

【典型案例】

项目概述：

浮标式水生态自动监测系统采用自动化的连续监测模式，把大量的人力资源和物力资源从现场取样和实验室分析中脱离出来，同时，提高了数据的连续性及研究价值。系统包括了漂浮式监测基站与上层管理软件两大部分，同时将水质监测与气象环境监测、生态监测相关指标合二为一，形成整体解决方案。 整个系统以计算机系统和管理机构组成的中心监测站，以采配水装置、分析仪器、清洗仪器、数据采集传输仪器、控制仪器、漂浮式监测浮体或平台、供配电等设备组成漂浮式监测站，一个中心监测站控制多个漂浮式子站，数据以无线方式传输，完成一个漂浮式水生态自动监测系统集成。

浮标式水质自动监测站是一种通过浮标方式，搭载若干环境监测仪器，可实时监测风速、风向（带罗盘）、气压、气温、雨量等常规气象参数，同时可监测常规水质参数8项：水温、电导、盐度、总溶解固体、pH、溶解氧、叶绿素、蓝绿藻；营养盐参数4项：氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐；有机物参数7项：COD、TOC、BOD5、浊度、色度、硝氮；（带指纹图谱传输）；同时，浮标站具备雷达反射、防撞警示、数据传输、GPS定位等功能。可投放于指定水域，是一种较为先进，技术含量高的连续自动水质监测站。

图9-4  浮标式水质自动监测站

联系方式：

单位：陕西正大环保科技有限公司（总公司）

电话：400-086-2986     18691571871

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