国内外环境在线监测技术发展趋势

国内外环境在线监测技术发展趋势 刘雅妮 摘要摘要：随着监测技术的发展和监测范围的扩大，整体监测质量有了提高，但由 于受采样手段、采样频率、采样数量、分析速度、数据处理速度等限制，仍不 能及时地监测环境质量变化、预测变化趋势，更不能根据监测结果发布采取应 急措施的指令。20世纪70年代开始，发达国家相继建立了连续自动监测系统， 在地区分布网点或在重点污染源布设监测点，进行在线监测，并使用了遥感、 遥测手段，监测仪器用电子计算机遥控，数据用有线或无线传输方式送到监测 中心控制室，经电子计算机处理，自动成指定的报表，分析出污染态势、浓度 分布，可以在极端的时间内观察到空气、水体污染浓度变化，预测预报未来环 境质量。在线检测是环境监测未来的发展方向。本文主要从国内外在线监测技 术的发展和趋势展开论述。 关键词关键词： 国内外 自动监测 快速 环境保护 引言引言：在线监测保持传统理化监测快速精确的特点的同时,自动在线无量程不分 档任意测量 ,解决了一般理化仪器对未知污染物样品或污染物浓度变化很大的 排污水体或气体难以直接测定的局限。对污染源进行实时在线监测 ,环保部门 对废水、废气治污设施运行在线监控 ,真实有效地 “录像”每个瞬间排污单位的 排污情况 ,即连续监测系统 。它为环境监理执法所必须的监督 ,即监测数据为 环境监理提供最有力的依据。 自动监测系统是一套以在线自动分析仪器为核心，运用现代传感技术、自 动测量技术、自动控制技术、计算机应用技术以及相关的专用分析软件和通信 网络组成的一个综合性的在线自动监测体系。它可尽早发现水质的异常变化， 为防止下游水质污染迅速做出预警预报，及时追踪污染源，从而为管理决策服 务。 自动监测在国外起步较早，20世纪70年代开始，发达国家相继建立了连续 自动监测系统，在地区分布网点或在重点污染源布设监测点，进行在线监测。 在线检测是环境监测未来的发展方向。我国在水质自动监测、移动快速分析等 预警预报体系建设方面尚处于探索阶段。1998年以来，我国已先后在七大水系 的10个重点流域建成了100个国家地表水水质自动监测站，各地方根据环境管理 需要，也陆续建立了400多个地方级地表水水质自动监测站，实现了水质自动监 测周报。目前国内所用的自动化监测系统多为国外进口设备，水质自动化监测 装置在制造上已不能满足快速发展的水质监测的中一环鲁产生20093需要，因 此，国产化自动监测仪有广阔的开发前景和潜在的销售市场。自动监测可以实 现监测自动化、实现污染的预警预报，对于防止污染事件的进一步发展可起到 至关重要的作用；同时还可以实现水质信息的在线查询和共享，可快速为领导 决策提供科学依据。 一：在线监测技术的发展 1、国外的发展状况 20世纪80年代初 ,发达国家相继建立了自动连续监测系统和宏观生态监测 系统 ,并借助地理信息系统技术(GIS)、遥感技术(RS)和全球卫星定位系统技术 (GPS) ,连续观察空气、 水体污染状况变化及生态环境变化 ,预测预报未来环 境质量 ,有力扩大了环境监测范围以及监测数据的获取、处理、传输、应用的 能力,为环境监测动态监控区域环境质量乃至全球生态环境质量提供了强有力的 技术保障 ,极大促进了环境监测的现代化发展 ,实现了监测的实时性、连续性 和完整性。 2、我国环境监测的状况 我国环境监测工作是随着人们对环境保护认识的深化和环保工作的需要逐 步发展起来的。 一、70年代 ,起步阶段 1973年8月 ,国务院召开第一次全国环境保护会议,审定通过了环保32字方针和 我国第一个环保文件“关于保护和改善环境的若干规定”,标志我国环保事业开始 起步;1973 年11月17日,国家计委、国家建委、卫生部联合颁布我国第一个环境 标准 “工业三废排放试行标准”;1974 年 10月25日,国务院环境保护领导小组 成立;1978 年 2 月 ,五届人大通过 中华人民共和国宪法,规定 “国家保护 环境和自然资源 ,防治污染和其他公害” ;1979年9月,五届人大十一次常委会通 过我国第一部环保基本法中华人民共和国环境保护法 ;这一阶段 ,北京等 一批重点城市建立环境监测站;60年代提出的“三废”处理和综合利用的概念逐步 被“环境保护”的概念所代替;开展了重点区域污染调查与监测 ,制订了全国环境 保护规划 ,开始实行“三同时”、污染源限期治理等管理制度。 二、 80年代 ,调整巩固发展阶段 1980年12月 ,召开了第一次全国环境监测工作会议,调整巩固,初步建成国家、 省、市、县四级监测站 ,开展例行监测;1983年12月 ,第二次全国环境保护会议 明确提出 “保护环境是我国一项基本国策”并制订了我国环保事业的战略方针 , 标志我国环保工作进入发展阶段;1984 年 ,全国环境监测工作会议提出“监测站 点网络化、采样布点规范化、分析方法标准化、处理数据计算机化、质量保证 系统化”的目标。同年 ,成立国务院环境保护委员会;1988年成立国家环境保护 局。 三、 90年代后 ,充实提高深化阶段 1991年 ,国家环保局下达 “环境监测质量保证管理规定(暂行)”,对量值传递、 监测质量保证的具体内容和报告制度提出了具体要求和作法; 19年 ,我国制订 了 中国 21 世纪议程 和 中国环境保护行动计划 等纲领性文件 ,可 持续发展成为社会和经济发展的基本指导思想;1993 年 ,国家环保局制订了 “环境监测机构计量认证的实施和环境监测机构计量认证评审内容和考核要求”, 并正式出版了环境监测机构计量认证和创建优质实验室指南将环境监测机 构计量认证纳入了法制轨道; 1996年 ,国务院作出 “关于加强环境保护若干问 题的决定”,确定坚持污染防治和生态保护并重的方针 ,实施 污染物排放总量 控制计划 和 跨世纪绿色工程规划 两大举措;1997 年 ,全国科技规划会 议把环境分析和监测方法现代化研究列为重点之一。 2000年初,我国没有任何一部法律法规中要求或规定什么样的企业必须安 装在线监测系统, 在线监测系统的法律地位、 监测数据的有效性等问题都无法 做出令人信服的回答, 在线监测系统的推广工作主要靠的是环保主管部门的威 信和政府配套的优惠政策。2005年以后, 国家和地方陆续出台了一系列与污染 源在线监测有关的法律、 法规、 规章, 为进一步开展污染源在线监测工作奠 定了法律基础。比如:中华人民共和国水污染防治法实施细则第十一条规定, 总 量控制实施方案确定的削减污染物排放量的单位, 必须按照国务院环境保护部 门的规定设置排污口,并安装总量控制的监测设备。排污费征收使用管理条例第 十条规定,排污者使用国家规定强制检定的污染物排放自动监控仪器对污染物排 放进行监测的,其监测数据作为核定污染物排放种类、 数量的依据。排污者安 装的污染物排放自动监控仪器,应当依法定期进行校验 。 我国将完善国家环境监测网络 ,全面提升环境监测能力 ,主要措施包括:加 强污染物排放总量的监测 ,加快空气质量监测网络建设 ,完善主要流域水质自 动监测系统 ,加强近岸海域监测网能力、 生态监测能力、 监测信息传输能力 等方面建设。 二、监测系统： 1、 城市空气质量自动监测系统 1999 年 ,确定建设城市空气质量自动监测系统 ,当年发布重点城市空气质 量日报;2001 年 ,实现发布预报 ,47个重点城市在中央电视台发布空气质量日 报、 预报;2003 年 ,208 个城市 ,631 套空气质量自动监测系统 ,开展日报 城市 180 个 ,预报 90 个;2004 年 , 42 个城市待建。监测常规指标为 SO2、NO2、 PM10和气象5参数;监测特异指标为 CO2、 CH4、H2O、 NH3、 总 烃、 苯、 二甲苯等。 2、 地表水质自动监测系统 1988年 ,在天津建立了我国第一个水质连续自动监测系统。1999 年来 ,共 建 82 个 ,实现了监测数据卫星实时传输。2001 年 ,七大水系(长江、 黄河、 珠江、 淮河、 海滦河、 松花江、 辽河) 65 个站 ,干流 29个 ,支流 36 个 ,省 界断面 21 个 ,重点湖库 12 个 ,国界河流 6 个。监测指标为水质五参数、 氨氮 (N2NH3 ) 、 总有机碳( TOC) 、 总磷( TP) 、 总氮( TN) 、 高锰酸盐 指数等。实现了十大流域(七大水系加上太湖、滇池、 巢湖流域)水质自动监测 周报、 月报及重点城市饮用水源地水质监测月报发布。十五末 ,约 300个水质 自动监测站投入运行。 3、污染源自动监测系统 2003年 ,全国安装污染源自动监测系统 3100 多套;废水 COD 连续自动监测 系统 1700 多套;烟尘和二氧化硫连续自动监测系统1400多套。 4、近岸海域自动监测系统 1995 年成立近岸海域生态于环境监测网 ,对567个监测站位、 501个河流入 海口、 城市排放口、 污染源直排口进行常规监测。1998 年开始对海洋赤潮进 行跟踪监测。 5、 生态监测系统 1996年开始建立的长江三峡工程生态与环境监测系统由11 个监测子系统、 包括 15 个监测重点站、 4个监测实验站和其他专项监测组成 ,涵盖了水文水 质、 污染源、 鱼类及水生生物、 陆生动植物、 农业生态环境、 河口生态环 境、 人群健康、 库区社会经济环境等诸多方面 ,监测范围以库区为重点 ,延 及长江中下游与河口相关地区。2000年 ,中国环境监测总站建立了环境卫星遥 感解析系统 ,并建立了与地方地面生态监测站相结合的生态监测体系;国家环保 总局利用此生态监测体系 ,系统掌握了西部地区生态环境污染与破坏趋势 ,为 西部大开发战略的制定提供了科学依据。 三：在线监测技术介绍 3.1.1 污水COD在线监测的分类及工作原理 污水COD的在线监测方法按采用氧化剂的不同可分为：重铬酸钾法 (CODCr)高锰酸钾指数法、臭氧法、羟基自由基法等。根据工作原理的不同， 可分为化学法、电化学法、光谱法和生物法四类。化学法基于外加氧化剂 K，Cr20，KMnO。或0，与水中有机物发生化学反应；电化学法是利用电解产 生Fe 2+与剩余C r“反应(库仑滴定)或电生羟基自由基直接氧化水有机物；光谱 总体上讲，cOD在线自动监测仪的设计思路大体有两种，一种是模拟传统湿化学 法的原理，将分析过程住线化，样品必须先消解后测定，多数C OD在线监测仪 设计遵循这一思路；另一种则彻底摒弃样品消解，采用全新的原理进行测定， 例如利用电解产物直接与有机物反应、利用生物快速降解有机物或直接测定有 机物的紫外吸收光谱等。后一思路是对COD测定方法的突破。目前我国广泛使用 的污水COD的在线监测方法主要是分光光度法和电位滴定法，COD在线监测仪的 工作原理简圈两种。综合运用了流动注射技术，电化学技术，现代传感技术、 自动测量技术、自动控制技术、计算机应用技术、现代光机电技术，仪器一般 包括进样系统、反应系统、检测系统、控制系统四部分。光度分析法污水c oD 在线监测仪的工 作原理(如图l所示)：载流液(含重铬酸钾的稀硫酸)由恒流泵输送至反应管道中， 基本装置流动注射分析是基于把一定体积的液体样本通过阀切入到一个运动着 的由适当液体组成的连续载流中，当注入阀将水样切入反应管道中后。试样带 被载流液推进并在推进过程中渐渐扩散，样品和试剂混合。在强酸溶液中，以 银盐作催化剂，定量的重铬酸钾氧化水样中的还原性物质，在一定的消解温度 下，加热消解一定时间，六价铬被水中还原性物质定量还原为三价铬，在一定 波长下，用分光光度计测定三价铬的吸光度，通过吸光度与水样COD的线 性关系进行定量分析测定。进样系统由输液泵、定量馆、电磁阀、管路、接门 等组成，完成对水样的采集、输送、试剂混合、废液排除及反应室清洗等功能。 反应系统主要有加热单元和反应室，完成水样的消解和反应，监测系统包括单 片机(或工控机)、时序控制和数据处理软件、键盘和显示屏等，完成对在线分 析全过程的控制、数据采集与处理、现实、储存及打印输出。污水COD在线监测 仪电位滴定法的工作原理是在强酸溶液中，以银盐作催化剂，钼氯酸、硫酸铝 钾作助催化剂，经恒温密闭消解一定时间后，用硫酸亚铁铵滴定水样中未被还 原的重铬酸钾，由消耗的硫酸亚铁铵的量换算成消耗氧的质量浓度。就其反应 过程来看，氧化剂浓度、反应液的酸度消解时间，消解温度对测定结果影响 较大。而消解时间、消解温度、曲线的有效取值区间要视不同水质、消解反应 难易程度及污染物浓度正常变化范围而具体确定，测试方法较光度分析法复杂， 需要消耗较多的化学试剂。 3.1.2 COD在线监测方法的应用方向 随着我国工业化进程的推进，集约化大生产必然形成，污水的集中处理也 必将是大势所趋，对于市场化的城市污水处理厂，进行及时、准确的水质、水 量监测是非常必要的。目前我国广泛使用的分光光度法和电位滴定法在线监测 仪，测试迹程中要消耗大量的化学试剂，如浓硫酸、硫酸银、重铬酸钾、硫酸 汞、硫酸亚铁铵、硫酸铝钾、钼酸铵等，这些化学试剂的使用，一方面造成严 重的二次污染；另一方面，由于浓硫酸、重铬酸钾溶液等强氧化剂容易使系统 管道破损、仪器失灵，维护工作置大且复杂，运行与维护成本较高。臭氧氧化 法和高温催化法由于不产生二次污染，方法较为简单，不消耗化学试剂，因而 测试成本低廉，仪器维护简单，是值得推荐的清洁测试方法，在国外使用较多， 但由于该法不是国际标准方法，且进口仪器价格昂贵，因此推广起来有一定困 难。我们可以通过国产化，降低仪器的价格来实现臭氧氧化法和高温催化法的 广泛应用。T0C反映水体中全部有机物的含量，于COD相比更能直接表示水体中 有机污染物的总量，而且T0 C的测定不消耗化学药品，不产生二次污染，属清 洁监测技术，是未来实现污水中有机污染物含量在线监测的发展方向。但目前 我国对废水的考核指标是COD，对于固定种类的污水，T0c与COD的相关性问题需 要解决，我们可以需要测定其与标准方法相关性，来解决非标准方法与现行管 理制度不适应的问题。另外，COD在线监测系统可广泛应用于采矿排污监控点、 污水监测站、污水处理厂、自来水厂、地区水界点、水质分析室等。政府监测 机构利益远程监测中心数据库管理系统与在线监测系统相连接，接收子站传输 的信息和其他监测点源的监测信息，能够有效监控和监督污染源排放点，减少 乃至杜绝偷排现象，对推动我国水体污染物总量控制事业的发展将会有重要的 意义。 3.2水质总磷总氮在线自动监测技术 3.21 仪器 TN-TP在线监测仪器(自行研制样机)；分析电子天平(FA2104N，上海民桥精 密科学仪器有限公司)；电热恒温水浴锅(HZ一9211K，上海精宏实验设备有限公 司)；自动双重纯水蒸馏器(Bsz2，上海博通)；不锈钢手提式压力蒸气灭菌锅 (YXQSGD46，广州市华南医疗器械有限公司分厂)；PH计(PHs_3c，上海蕾磁厂)。 3.22 试剂 过硫酸钾溶液(15mgmL，AR级，国药集团化学试剂有限公司)；四水合钼 酸铵(AR级，广州化学试剂厂)；酒石酸锑钾(AR级，汕头市光华化学厂)；氢氧 化钠溶液(15mgmL，AR级，广州化学试剂厂)；硫酸溶液(1：3VV，AR级，广 州化学试剂厂)；盐酸溶液(1：16VV，AR级，广州化学试剂厂)；抗坏血酸溶 液(24mgmL，AR级，广州化学试剂厂)；磷标准溶液(500mgL，国家环境保护 总局标准样品研究所)；氮标准溶液(500mgL，国家环境保护总局标准样品研 究所)。无氨水：在1000mL蒸馏水中加入01InL硫酸(p=1849mL)，全玻璃 蒸馏器中重蒸馏并弃去前50mL馏出液，将馏出液收集在带有玻璃塞的玻璃瓶中。 钼酸盐溶液：取129钼酸铵溶于700mL水中，另取0489酒石酸锑钾溶于100mL水 中，将这两种溶液在不断搅拌下先后缓缓倒入160mL浓硫酸中，并混合均匀。此 溶液可稳定约2个月。 3.23 总氮分析方法 在线监测方法：在水样中加入。溶液和NaOH溶液，在85下紫外线照射， 水样中含氮化合物被分解成NO。被消解的水样冷却至一定温度后，分取一部分 试样，加HCl调节至pH23，然后在220nm波长处测量吸光度值，并计算出水中 的总氮浓度值。该方法的优点是在常压和低温条件下进行氧化分解。国标方法 (GBT 118941989)：在60以上水溶液中，过硫酸钾可分解产生硫酸氢钾和 原子态氧，硫酸氢钾在溶液中离解而产生氢离子，故在氢氧化钠的碱性介质中 可促使分解过程趋于完全。分解出的原子态氧在120124。(2条件下，可使水 样中含氮化合物的氮元素转化为硝酸盐。并且在此过程中有机物同时被氧化分 解。可用紫外分光光度法于波长220nm和275nm处，分别测出吸光度A锄及A275， 两者相减求出校正吸光度A。 3.2.4 总磷分析方法 在线监测方法：采用紫外催化一过硫酸钾氧化分光光度法为测定方法，其 理论基础是光催化氧化技术，当有机磷吸收紫外光后，原有的C-P键被破坏，形 成易于测量的正磷酸盐成分。在水样中加入溶液和硫酸溶液，在95下紫外线 照射，水样中含磷化合物被分解成PO产。试样冷却后分取一部分，加入抗坏血 酸和钼酸铵溶液，显色。然后在700nm波长处测量吸光度值，并计算出水中的总 磷浓度值。该方法优点是可以在常温常压下进行。国标方法( GBll89389)： 在中性条件下用过硫酸钾(或硝酸一高氯酸)使试样消解，将所含磷全部氧化为 正磷酸盐。在酸性介质中，正磷酸盐与钼酸铵反应，在锑盐存在下生成磷钼杂 多酸后，立即被抗坏血酸还原，生成蓝色的络合物。该络合物在700nm波长有较 强吸收，通过测量吸光度值，计算出水中的总磷浓度。 应当看到 ,与可持续发展战略和环保工作的需要以及国际先进水平相比 , 我国的环境监测差距还相当大。主要表现在:监测系统整体能力不强 ,监测队伍 整体素质较差 ,监测管理的水平较低 ,实验室认可尚未普及 ,标准物质缺口很 大 ,环境标准国际化尚未起步 ,监测技术配套性差 ,可测项目不多 ,经费投入 不足 ,地区发展不平衡 ,大精仪器、 自动监测系统大多依靠进口(约占 67 %) 等。但是 ,我国环境监测面临30年来最好的发展时期 ,机遇与挑战并存。我们 应抓住这一机遇 ,迎接挑战 ,努力使环境监测在我国的西部大开发中发挥重要 作用 ,并在世界舞台上为维护我国的国家利益、经济利益、环境和生态安全担 当重要角色。在未来1015年 ,我国环保工作的总体目标是水、空气环境质量 基本达到环境功能区标准 ,生态环境得到较大改善。为了保障人们呼吸清新空 气、 饮用干净水、 享受放心食物 ,必须进一步加强工农业生产和生活污染的 防治力度 ,安全处置危险废物 ,确保空气、饮用水、地表水、海水、土壤、生 物多样性、放射性、 电磁辐射等的环境安全。 结论结论：环境监测通过对影响环境质量因素的代表值测定 ,确定环境质量或污染 程度及其变化趋势。随着工业和科学技术的发展 ,监测的内容也不断延伸,由对 工业污染源的监测逐步发展到对大环境的监测 ,即监测的对象不仅仅是影响环 境质量的污染因子 ,还扩展到对生物、生态变化的监测。在线监测 、监督监测 在摒弃过去理化监测弊端的基础上 ,充分发挥理化监测快速准确的特点,增加理 化监测单位时间内的监测频率或提高现场监测能力 ,切实反映污染排放的全过 程。通过生态的监测揭示和评价各类生态系统在某一时段的环境质量状况 ,为 利用 、改善和保护环境指出方向 生态监测侧重于研究人为干扰与生态环境变 化的关系 ,可使人们认清哪些活动模式既符合经济规律又符合生态规律 ,从而为 协调人与自然的关系提供科学依据 通过生态监测还能掌握对生态环境变化构成 影响的各