第一章绪论第一章绪论１．１课题研究背景及意义水是生命赖以生存的载体，它孕育了地球上的一切生物。然而，人类的活动却使水遭受了严重的污染。水体污染Ｉｌｌ，是指一定量的污水、废水、各种废弃物等污染物质进入水域，导致水体及其底泥的物理、化学性质和生物群落组成发生不良变化，破坏了水体的功能和水中固有生态系统，从而降低了水体的使用价值。水资源在地球水圈中总量为１．３７×１０９ｋｍ３，其中海水约占９７．３％，淡水仅占２．７％ｔ２】ｍ。淡水所占比例，且大部分分布于地球南北极的冰川、冰盖中，可利用的淡水资源只有河流、淡水湖和地下水的一部分，不到总量的１％。随着人类环保意识的不断提高，人类对水质（包括地面水和工业废水）的监测日益重视，以及政府水污染治理工作的力度逐年加强，对水环境监测工作的要求越来越高。由于水质信息具有时效性强的特点，特别是水质预警预报要求快速、准确、实时地采集和传递监测信息。常规的水环境监测手段不能满足水资源保护的多方位、高水平管理的要求，不能满足快速准确和实时测报水质信息的需要。因此，水质监测的自动化、网络化发展势在必行。水质的保护与防止污染是一项关系到工农业生产发展和人类身体健康的大事，我国对水污染采取预防为主的方针，最主要的措施是对水质分析项目定期监测严格控制污水和废水的排放标准以免水体被污染。如何有效地监测水的质量从而控制水的污染，如何研制高效、及时、准确地监测水质细微变化的仪器己成为当今科学发展所面临的重要课题。１．２水质监测指标及监测过程１．２．１水质监测指标水质指标是衡量水中杂质的标度，能够具体表明水中杂质的种类和数量，常包括物理、化学、微生物学等三项指标［３１。它可以判断水质的优劣及是否满足用水的ｌ广东工业大学硕士学位论文要求。水质指标的拟定，往往是根据杂质的特性、污染的性质以及测定方法等因素，进行综合考虑的。有些水质指标往往是由某一种物质的含量来表示的，如铅、六价铬、挥发酚等。有些水质指标是根据某一种类杂质的共同特性用间接方式来表示其含量。例如，水中有机物的类型繁多，不可能也无必要对他们逐个进行定性、定量的测定，而是用高锰酸盐指数、化学耗氧量和生化需氧量等水质指标来表示有机物的污染状况。这是考虑到水中有机物有易被氧化的共同特点，当采用不同的氧化途径时，可用氧化剂（或溶解氧）消耗的数量来间接表示水中有机物的含量。还有些水质指标则是用配制的标准溶液作为标度来表示其含量的，如浑浊度、色度等。造成水质污染的因素很多，包括无机物和有机物污染。目前，判断水质受污染程度的监测参数主要是：硝酸根（ＮＯ；）、化学需氧量（ＣＯＤ）、总有机碳（ＴＯＣ）、生化需氧量（ＢＯＤ）、ＰＨ、氯、浊度、氨氮、臭氧、六价铬等。上述水中有些微量元素是生命活动不可缺少的，如铬是生物体所必需的微量元素之一，但摄入过量则会对人体产生危害，铬的毒性与其存在价态有关，铬（Ｖ１）的毒性比铬（ＩＩＩ）高１００倍，而且铬（ＶＩ）更易为人体吸收而在体内蓄积。科学研究表明，铬（ＶＩ）化合物在人体内具有致癌作用，是水质监测中的重要检测项卧?】。随着人们开始关注生活中经常接触的各种水（生活用水、瓶装饮用水、游泳池用水等）的余氯含量，水质中余氯分析日益受到重视。自来水多以氯气消毒，当氯气溶于水中会变成次氯酸或次氯酸根离子，即俗称有效余氯，因次氯酸具有极高的氧化能力，如自来水含有效余氯，它在配水管中停留时可预防细菌（病原菌）的滋生，因此有效余氯在自来水的安全卫生上扮演极重要的角色。用含氯的消毒药剂对自来水进行消毒杀菌，价廉、效果好、操作方便，深受欢迎，全世界通用。但是氯对细菌细胞杀灭效果好，同样，对其他生物体细胞、人体细胞也有严重影响。１９７４年荷兰Ｒｏｏｋ和美国Ｂｅｌｉｅｒ首次发现预氯化和氯消毒过的水中存在三卤甲烷（ＴＨＭＳ）、氯仿等消毒副产物（ＤＢＰＳ），而且具有致癌、致突变作用。８０年代中期，人们又发现另一类卤乙酸（ＨＡＡＳ），致癌风险更大，例如氯仿、二氯乙酸（ＤＣＨ）和三氯乙酸（ＴＣＡ）的致癌风险分别是三氯甲烷的５０倍和１００倍。水氯化处理被广泛应用于供水系统的消毒，为保证出厂水在输送过程中不被污染，要求水中保持一定浓度的余氯。《生活饮用水卫生标准》（ＧＢ５７４９－－２００６）规定，氯气及游离氯制剂（游离氯），与水接触时间≥３０ｒａｉｎ，出厂水中限值为４ｍｇ／Ｌ，出厂水中余量为≥０．３ｍｇ／Ｌ，管网末梢水中余量≥０．０５ｍｇ／Ｌ。随着水源污染的进一步２第一章绪论加重，很多水厂为有效净化饮用水，大大地加大饮用水氯化处理强度，提高水中的氯含量，使得水中ＣＢＰ（氯化处理副产品）的含量相应提高。为进一步保证人们身体健康对各类用水进行余氯监测十分必要【ｓ】。臭氧是一种强氧化性的气体，能把工业废水中的有害成分酚、苯、硫等氧化成无害物质；臭氧还是优良的杀菌剂。可以杀灭饮用水中的大部分病菌。虽然臭氧具有消毒作用，但是臭氧的强氧化性对人体具有危害作用，当室内臭氧质量浓度积累到＞０．２ｍｇ／ｍ３时，将刺激人体肌体黏膜组织，引起支气管和肺部组织发炎甚至水肿等病变；低空臭氧还是光化学污染的二次污染物。在欧洲，经过研究发现ｔｏｌ。臭氧的危害使森林树木产生萎黄斑点、亮绿色斑点并导致棕色点和叶片坏疽。因此，准确测定臭氧的浓度对于合理使用臭氧、控制排放尾气及环境气体中的臭氧浓度都是极为重要的【＂。１．２．２水质监测的过程在线水质自动监测系统是一套对被监测的水体水质参数进行自动分析并将数据信息传输到信息管理中心或者执行机构的设备和软件体系［８１１９］。水质监测的工作过程通常由信息采集系统、信息传输系统、信息管理系统和信息服务系统四部分组成¨ｏ】。在线水质自动分析仪器是在线水质系统的基础，数据信息的传输是在线水质监测系统的目的。未来的世界是ＩＰ的世界，在线水质监测系统也要与时俱进。一整套基于网络的水质在线分析仪器（或者智能传感器）、数据采集系统和数据传输网络的自动测试系统是正在研究以及不断发展和应用的在线水质监测系统【８１。１．３水质监测的发展现状以及关键技术的研究１．３．１水质监测的流程中所涉及的关键技术针对上述水质监测过程中，本文所涉及的关键技术有以下几点：１．目前水质信息采集节点多采用化学方法进行水质采集，化学分析法其主要缺点是体积大、成本高、监测周期长、不易于实现野外监测，且操作步骤多、过程繁杂，最重要的是会造成二次污染；而光谱分析法是基于Ｌａｍｂｅｒｔ—Ｂｅｅｒ定律的吸光光３广东工业大学硕士学位论文度法，此法高效率、分析速度快、检测参数多，无需任何化学药品，从而消除了二次污染，完全符合当今世界提出的低碳生活，所以此方法具有非常高的研究价值以及对当今世界环境问题的研究很有意义［Ｉｌｌ。２．传统水质监测技术采用便携式单参数检测仪，这种实验室水质监测技术已无法在第一时间获取水污染信息，而在线水质监测是快速获取水质信息的最有效手段，且这种实验室人工操作复杂、测量周期长Ｄ２１。本文在基于光度法原理的基础上，研究一种在线多参数水质监测系统，实现对水质微量成分的快速监测，对提高水质监测水平和减少引进国外在线水质监测仪器的价格具有重要意义。目前，国内外大多数生产厂商都在能保证测量值与标准方法紧密相关的情况下，针对不同应用领域，开发研制了一些新的在线多参数水质监测系统，填补了在线监测应用领域的空白。３．本文在针对国内已存在的水质检测仪对中高浓度检测偏差的基础上，在水质采集环节，在软件上提出误差修正以及滤除干扰等技术，提高水质采集过程中的准确性和灵敏度。４．现许多数据采集传输系统由ＰＬＣ、ＰＣ机和工控机等组成，在节点与主机之间的通信采用ＲＳ２３２、ＲＳ４８５等总线标准，利用这种传统监测方式构成的网络结构，存在通信速率低、专业性强、通信距离短，且工控机价格昂贵、空间大、笨重等缺点。这就需要建设一个稳定的、实时的、轻巧的、覆盖面广的集数据采集、数据通信、数据分析与处理为一体的水质在线监测系统来为监测部门提供技术支持。随着Ｉｎｔｅｍｅｔ和ｗｅｂ技术的高速发展，及其在网络测控技术与智能仪器上的应用，基于嵌入式ｗｅｂ的远程监测在传统远程监测的基础上又融合ｗｅｂ和嵌入式技术，可提供比传统远程监测更为强大的功能，将成为今后远程监测技术发展的主流方向。１．３．２国内外水质监测的发展现状及趋势进人２０世纪９０年代后，国内外许多仪器仪表公司推出技术先进、性能优良的水质分析仪器，这些新型仪器多采用单片微计算机技术，许多仪器的单片机都是目前最新型的单片微机芯片，使得所显示的信息量非常大，极大地方便用户的使用。目前，了解到的国外生产水质分析仪器的厂家有美国的ＹＳＩ，ＨＡＣＨ，ＧＬＩ，Ｒｏｓｅ．ｍｏｕｎ等公司；德国的Ｌｏｖｉｂｏｎｄ，ＭＥＲＣＫ，ＷＴＷ，ＤＲＡＧＥＲ，ＳＴＦ等公司；法国的Ｐｏｌｙｍｅｒｔｏｎ公司；瑞士的Ｚｕｌｉｇ公司；日本的东亚电波公司和衡河公司；意大利的ＨＡＮＮＡ等４第一章绪论公司［１３１。在水质快速分析方面，处于领先地位的主要有：美国的ＨＡＣＨ公司、德国的ＬｏｖｉｂｏｎｄＭＥＲＣＫ公司以及意大利的ＨＡＮＮＡ公司。５０多年前，美国ＹＳＩ推出世界第一台使用ＣＬＡＲＫ极谱法传感器的溶解氧测量系统［１４１。今天，ＹＳＩ在使用传感器进行水质分析、环境监测应用领域的领导地位已被广泛认同，其最新推出的ＹＳｌ６８２０／６９２０／６００ＸＬ等ＹＳｌ６系列多功能水质监测系统体积小、功能强大，可对溶氧、电导、温度、ｐＨ、ＯＲＰ、浊度、盐度、ＴＤＳ、硝酸盐、氨氮、氯等１４种水质参数进行连续实时监测，并可通过电缆或无线通讯工具如通讯卫星等不间断的向基站发送测量数据，实现湖泊、河流、地壳内部水质参数自动遥感遥测。ＹＳＩ产品适用于自来水、环保、水产养殖、水处理、化工生产等行业，现已在美国河流海洋监测领域广泛使用，。市场占有率高达９０％，成为美国本土安全和环境资源监测的有效利器。哈希公司［１３１在目前世界水质测试领域处于领先地位，其独特的一次性试剂包装技术，配合实验室仪器及测试组件，充分说明哈希公司简化繁琐测量过程的理念。用户只需打开试剂包，将试剂加人水样中，然后直接在哈希公司仪器上读数即可。该公司生产的ＤＲ／８９０比色计为８００系列中最完整和多样的比色计，可测试由铅至锌的多达９０种参数。哈希ＯｄｙｓｓｅｙＤＲ／２５００分光光度计是新一代水质分析仪器，专门为工业和市政部门的日常水质监测控制而设计，适用于饮用水、废水、锅炉及冷却水，其新颖的设计包括触摸式屏幕显示，避免反复按常用键的情况；选购相应的电极还可以通过单键切换将Ｏｄｙｓｓｅｙ分光光度计转换成为ｐＨ计。ＤＲＥＬ２４００便携式水质分析实验室包括完全便携式水质分析实验室、基本便携式水质分析实验室和工业分析便携式水质分析实验室三种，提供水分析中必备的分光光度计、试剂和实验配件，分别可测试２２、１６和２３种水质参数并能经济、方便地选配试剂，增加测试项目，所有仪器试剂都放于两个便携箱中。水质在线监测仪【１５呗０通过投入水中的探头，可以连续在线的检测出溶液中的浑浊程度和颜色深浅度。据了解，在发达国家和地区【１６】，现场直读型监测仪器已广为使用。但在我国５０００多个监测站和数以万计的企业检测机构中，约有８５％仍靠传统的监测仪器维持工作。这种常规的监测方法［１７１要经过实地采样、水样预处理、实验室检验分析、完成检验报告、提出处理意见等一系列繁琐复杂的工作环节，测试仪器也以手动、半自动为主。这不仅费工、费时、费材料，还由于样品需要异地搬移，检验时间会滞后等，常会给环保执法等带来不必要的纠纷和麻烦。５
在线水质监测系统的设计 - 图文
