重點(diǎn)環(huán)境風(fēng)險源監(jiān)控技術(shù)庫設(shè)計研究

韓璐，俞博凡，宋永會*

1.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點(diǎn)實(shí)驗室，中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

2.中國環(huán)境科學(xué)研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地，北京 100012

1 監(jiān)控技術(shù)庫總體設(shè)計

我國目前對環(huán)境風(fēng)險源監(jiān)控管理的理論和技術(shù)研究尚處于初級階段。研究重大環(huán)境污染事件風(fēng)險源監(jiān)控技術(shù)，防范環(huán)境風(fēng)險，對可能的突發(fā)環(huán)境污染事故進(jìn)行預(yù)警，是今后研究的熱點(diǎn)。因此，迫切需要開展重大環(huán)境風(fēng)險源監(jiān)控技術(shù)研究，有效防范環(huán)境污染事件的發(fā)生。

基于我國重大環(huán)境污染事故頻繁發(fā)生［1-2］，環(huán)境風(fēng)險防范管理需求日益迫切［3］，環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)缺乏系統(tǒng)的梳理和分類的現(xiàn)狀，筆者對重大環(huán)境污染事件環(huán)境風(fēng)險源監(jiān)控技術(shù)庫進(jìn)行了設(shè)計研究。基于監(jiān)控系統(tǒng)綜合技術(shù)集成的思想［4］，針對易引起重大環(huán)境污染事故的化學(xué)物質(zhì)［5-7］，依據(jù)風(fēng)險物質(zhì)的屬性，結(jié)合監(jiān)測技術(shù)方法、原理，通過查閱大量文獻(xiàn)、書籍、期刊、網(wǎng)絡(luò)，以及走訪相關(guān)企業(yè)等方式對環(huán)境風(fēng)險源監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行調(diào)研，優(yōu)選監(jiān)控技術(shù)設(shè)備儀器。以環(huán)境風(fēng)險源特征污染物及常規(guī)參數(shù)建立監(jiān)控指標(biāo)并優(yōu)選監(jiān)控技術(shù)方法，提出監(jiān)控設(shè)備配置方案，進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險源監(jiān)控技術(shù)庫的總體設(shè)計，其構(gòu)建思路如圖1 所示。

圖1 環(huán)境風(fēng)險源監(jiān)控技術(shù)庫構(gòu)建思路Fig.1 Design pattern of monitoring technology base for environmental risk source

2 監(jiān)控指標(biāo)、參數(shù)的確定

綜合考慮環(huán)境風(fēng)險源特征污染物及常規(guī)參數(shù)，根據(jù)監(jiān)控技術(shù)庫開發(fā)需要，結(jié)合實(shí)際風(fēng)險源監(jiān)控監(jiān)測需求，篩選監(jiān)控技術(shù)庫特征污染物及綜合指標(biāo)，并按照指標(biāo)確定了數(shù)據(jù)庫，詳見表1。

表1 重點(diǎn)環(huán)境風(fēng)險源監(jiān)控指標(biāo)數(shù)據(jù)庫Table 1 Monitoring technology base for key environmental risk source

由表1 可見，數(shù)據(jù)庫主要包括氣象參數(shù)、氣體濃度、水質(zhì)常規(guī)五參數(shù)、液體濃度、水質(zhì)綜合數(shù)據(jù)和水生物毒性數(shù)據(jù)。通過環(huán)境風(fēng)險源監(jiān)控技術(shù)的國內(nèi)外調(diào)研，結(jié)合國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法或國際上公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)分析方法的要求，共收集整理了120 余種監(jiān)控儀器設(shè)備信息，建立了監(jiān)控指標(biāo)數(shù)據(jù)庫，其主要信息基本一致，包括儀器名稱、監(jiān)測參數(shù)、測量范圍、電力供應(yīng)、價格范圍以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃畔?。其他功能及運(yùn)行維護(hù)信息根據(jù)儀器的類別不同而有所區(qū)別。

3 監(jiān)控技術(shù)方法優(yōu)選

根據(jù)監(jiān)控技術(shù)庫設(shè)計需要，結(jié)合實(shí)際風(fēng)險源監(jiān)控監(jiān)測需求，在入庫特征污染物以及綜合指標(biāo)的基礎(chǔ)上，搜集相關(guān)監(jiān)控技術(shù)。綜合考慮常規(guī)參數(shù)、無機(jī)氣體、有機(jī)氣體、水中無機(jī)離子、水中有機(jī)物和水體綜合毒性6 個方面的監(jiān)控指標(biāo)，優(yōu)選監(jiān)控技術(shù)方法。對具體監(jiān)控指標(biāo)分析時所采用的技術(shù)方法進(jìn)行推薦，并比較每個在線監(jiān)控方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

(1)常規(guī)參數(shù)

包括水溫(鉑電阻法、熱敏電阻法);濁度(光透射法、光散射法);pH、電導(dǎo)率、DO、ORP(電極法)。

(2)無機(jī)氣體

包括氨氣、氯化氫、硫酸、氮氧化物等，采用電化學(xué)傳感器(electrochemical detect，ECD)、分光光度法測定。其中，排放源推薦使用ECD，環(huán)境受體推薦用分光光度法。

(3)無機(jī)離子

包括六價鉻、氰化物、氟化物、硝酸鹽等。采用分光光度法、陽極伏安溶出(ASV)，離子選擇電極(ISE)等。無機(jī)離子在線監(jiān)測方法比較見表2。

表2 無機(jī)離子在線監(jiān)測方法比較Table 2 Comparison of on-line monitoring method for inorganic ion

(4)有機(jī)氣體

有機(jī)氣體的在線監(jiān)測方法主要是各種類型的傳感器，主要包括催化燃燒檢測器(CCD)、非分散紅外傳感器(NDIR)、金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)傳感器、電化學(xué)傳感器(ECD)、火焰離子化檢測器(flame ionization detect，F(xiàn)ID)、光 離 子 化 檢 測 器(photo ionization detect，PID)、表面聲波(SAW)傳感器、石英晶體微天平(QCM)傳感器等。有機(jī)氣體在線監(jiān)測方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較見表3，相比而言，ECD 和PID在實(shí)際應(yīng)用方面更適合于環(huán)境風(fēng)險源。

表3 有機(jī)氣體在線監(jiān)測方法比較Table 3 Comparison of on-line monitoring method for organic ion

(5)水中有機(jī)物

水中有機(jī)物的監(jiān)測方法根據(jù)有機(jī)物的種類不同，方法原理也不相同，主要包括UV254、UV -VIS 200 -750;紫外、可見光吸收光譜法;催化燃燒氧化-NDIR(國標(biāo));UV 催化-過硫酸鹽氧化-非分散紅外光度法、UV-過硫酸鹽氧化-離子選擇電極法、加熱-過硫酸鹽氧化-非分散紅外光度法;UV-TOC 分析計法;紅外法、NDIR、紫外法、熒光法等。對于揮發(fā)酚、揮發(fā)性鹵代烴類，采用分光光度法、頂空氣相色譜(HS-GC-FID)［8］、吹掃捕集氣相色譜(PT -GC -FID)、膜進(jìn)樣飛行時間質(zhì)譜(MI-VUV-TOFMS)等方法。針對苯系物，常用紫外吸收光譜、拉曼光譜(Raman)、激光誘導(dǎo)熒光光譜(LIF)、氣相色譜(GCFID)、膜進(jìn)樣飛行時間質(zhì)譜(MI -VUV -TOFMS)等方法［9］。

(6)水體綜合毒性

對水環(huán)境受體來講，風(fēng)險物質(zhì)種類繁多，采用敏感水生生物對水體綜合毒性進(jìn)行在線監(jiān)測，可起到水環(huán)境污染事件預(yù)警作用。監(jiān)測生物主要有發(fā)光細(xì)菌、微生物燃料電池、水蚤、蚌類、魚類，其對氰化物、重金屬、農(nóng)藥等急性毒性物質(zhì)較為敏感。微生物燃料電池應(yīng)用較少;發(fā)光細(xì)菌毒性檢測儀較成熟、標(biāo)準(zhǔn)化程度高;魚類毒性檢測儀較廉價，但魚類的行為與污染物的作用關(guān)系有待進(jìn)一步研究。推薦使用發(fā)光細(xì)菌毒性檢測儀。

4 監(jiān)控技術(shù)設(shè)備優(yōu)選

4.1 監(jiān)控儀器選擇原則及性能要求

在調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出了監(jiān)控設(shè)備的選擇原則，并對環(huán)境風(fēng)險源監(jiān)控儀器基本性能提出要求，進(jìn)行監(jiān)控儀器的優(yōu)選。

4.1.1 監(jiān)控方法選擇原則

在選擇具體監(jiān)控分析方法前，要根據(jù)現(xiàn)有條件結(jié)合實(shí)際情況，對不同監(jiān)控對象、不同監(jiān)控層次，采用不同的監(jiān)控方法，并遵循如下原則:1)監(jiān)控儀器要采用國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法或國際上公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)分析方法，操作簡便、易于維護(hù)，具有易實(shí)施性和可操作性;2)監(jiān)控儀器分析結(jié)果直觀、易判斷;3)監(jiān)控儀器分析方法的靈敏度、準(zhǔn)確度和再現(xiàn)性要好，檢測范圍寬，具有普適性;4)監(jiān)控分析儀器具有數(shù)據(jù)采集、存儲和傳輸功能;5)有害物質(zhì)和雜質(zhì)對監(jiān)控儀器分析的干擾小，能適應(yīng)類似化工園區(qū)的惡劣環(huán)境;6)監(jiān)控儀器對樣品的前處理要求低;7)監(jiān)控儀器能夠長期安全穩(wěn)定運(yùn)行、故障率低。

4.1.2 監(jiān)控儀器基本功能要求

監(jiān)控儀器基本功能要求應(yīng)滿足:1)具有時間設(shè)定、校對、顯示功能;2)具有自動零點(diǎn)、量程校正功能;3)具有測試數(shù)據(jù)顯示、存儲和輸出功能;4)意外斷電且再度供電時，應(yīng)能自動排出系統(tǒng)內(nèi)殘存的試樣、試劑等，并自動清洗，自動復(fù)位到重新開始測定的狀態(tài);5)具有故障報警、顯示和診斷功能，并具有自動保護(hù)功能，能夠?qū)⒐收蠄缶盘栞敵龅竭h(yuǎn)程控制網(wǎng);6)具有限值報警和報警信號輸出功能;7)具有接收遠(yuǎn)程控制網(wǎng)的外部觸發(fā)命令、啟動分析等操作功能。

根據(jù)環(huán)境風(fēng)險源和敏感環(huán)境受體的不同屬性特征，選擇相應(yīng)的儀器設(shè)備。對于源的監(jiān)控，一般選擇能夠進(jìn)行高濃度粗略定量、可靠性高、價格低廉、小型化的傳感器;對于受體，一般選擇檢測限低、檢測范圍廣、能夠?qū)︼L(fēng)險區(qū)內(nèi)眾多物質(zhì)定性的大型在線分析儀器。

4.2 監(jiān)控儀器設(shè)備分類

對于氣態(tài)環(huán)境風(fēng)險源，根據(jù)監(jiān)控氣體的類型不同、監(jiān)控目的不同，選擇的設(shè)備也不同。特征風(fēng)險物質(zhì)濃度的監(jiān)控技術(shù)主要是針對不同的氣體，如可燃?xì)怏w、有毒氣體、成分復(fù)雜的氣體等，方法主要有LEL 檢測器法、ECD、FID、PID、紅外吸收光譜儀法和基于VUV(vacuum ultraviolet)的飛行時間質(zhì)譜儀法等。對于液態(tài)環(huán)境風(fēng)險源，無機(jī)離子類監(jiān)控指標(biāo)主要采用離子選擇電極類傳感器，水中有機(jī)物采用基于飛行時間質(zhì)譜和氣相色譜類的監(jiān)控儀器。對于特征風(fēng)險物質(zhì)的監(jiān)控，除了上述理化監(jiān)控技術(shù)及儀器，還有一類很重要的監(jiān)控儀器，即綜合生物毒性監(jiān)測設(shè)備。

4.2.1 氣態(tài)環(huán)境風(fēng)險源監(jiān)控設(shè)備

氣態(tài)環(huán)境風(fēng)險源監(jiān)控設(shè)備根據(jù)檢測目的，可分為可燃?xì)怏w檢測器;電化學(xué)檢測器(可以檢測CO、H2S、NO、NO2、SO2、Cl2、NH3、HCN 等多種無機(jī)有毒有害氣體濃度);火焰離子化檢測器;光離子化檢測器(可檢測VOC 和其他有毒氣體濃度);紅外吸收光譜儀(可以同時測量多種氣體濃度)。

4.2.2 液態(tài)環(huán)境風(fēng)險源監(jiān)控設(shè)備

液態(tài)環(huán)境風(fēng)險源監(jiān)控設(shè)備包括離子選擇電極、多參數(shù)水質(zhì)分析儀和水中有機(jī)污染物監(jiān)測設(shè)備等。其中，多參數(shù)水質(zhì)分析儀是一種可以同時、快速檢測水質(zhì)的儀器，能測定水中酸堿度、電導(dǎo)率、溫度、濁度、溶解氧、氧化還原電位等參數(shù)。而水中揮發(fā)性有機(jī)污染物在線監(jiān)測設(shè)備是基于氣相色譜技術(shù)，可連續(xù)采樣、凈化處理、濃縮富集、檢測分析的實(shí)時在線設(shè)備。研究發(fā)現(xiàn)，基于“PDMS 膜進(jìn)樣/VUV 燈電離/TOF-MS”的飛行時間質(zhì)譜儀和揮發(fā)性有機(jī)污染物在線監(jiān)測儀，能夠應(yīng)用于地表水源水典型VOCs 環(huán)境污染事件的預(yù)警和連續(xù)在線監(jiān)測［10-11］。

4.2.3 綜合生物毒性監(jiān)測設(shè)備

由于液態(tài)特征風(fēng)險物質(zhì)種類多，且毒性作用日益復(fù)雜，已有的在線監(jiān)測儀器已不能滿足濃度監(jiān)測預(yù)警的要求。而綜合生物毒性在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展解決了這一問題［12］。它利用活體生物在水質(zhì)變化或污染時的行為生態(tài)學(xué)改變，來反映水質(zhì)毒性變化。特征風(fēng)險物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境后，在生態(tài)系統(tǒng)各級生物學(xué)水平產(chǎn)生不良影響，包括生物分子、細(xì)胞器、細(xì)胞、組織、器官、器官系統(tǒng)、個體、種群、群落生態(tài)系統(tǒng)等，引起生態(tài)系統(tǒng)固有結(jié)構(gòu)和功能的變化［13］。目前已有應(yīng)用的綜合生物毒性在線監(jiān)測儀器主要有魚類在線監(jiān)測儀［14］、水蚤在線監(jiān)測儀［15-17］和細(xì)菌在線監(jiān)測儀等［18-20］。

生物毒性監(jiān)測儀克服了理化監(jiān)測的局限性和連續(xù)取樣的繁瑣性，可以達(dá)到早期預(yù)警的目的。因此，在環(huán)境風(fēng)險源監(jiān)控技術(shù)庫中，綜合生物毒性是非常重要的指標(biāo)。

4.3 監(jiān)控設(shè)備配置方案

監(jiān)控設(shè)備是監(jiān)控技術(shù)庫的重要載體。而在實(shí)際的管理應(yīng)用中，由于管理的要求和經(jīng)濟(jì)條件不同，在選擇監(jiān)控設(shè)備時可以制定不同的監(jiān)控設(shè)備配置方案。其配置水平可以綜合考慮風(fēng)險企業(yè)和風(fēng)險區(qū)的分級。風(fēng)險企業(yè)的分級是企業(yè)中各風(fēng)險源分級的綜合體現(xiàn)，結(jié)合風(fēng)險企業(yè)分級結(jié)果，對于風(fēng)險等級高的企業(yè)，其相應(yīng)的監(jiān)控設(shè)備配置水平也高;而對于數(shù)據(jù)缺失，未分級的風(fēng)險企業(yè)，則設(shè)備配置水平僅參考風(fēng)險區(qū)分級結(jié)果。

環(huán)境敏感受體監(jiān)控設(shè)備的配置水平以監(jiān)測站點(diǎn)為單位，考慮受體易損性和風(fēng)險區(qū)的分級;敏感受體指GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的具有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類水域功能的保護(hù)目標(biāo)，一般受體指其他地表水域。

設(shè)備配置水平:低檔配置小于10 萬元;中檔配置為10 萬～50 萬元;高檔配置大于50 萬元。設(shè)備配置水平劃分見表4。

表4 設(shè)備配置水平劃分Table 4 Division of equipment configuration

4.4 監(jiān)控技術(shù)庫的功能

環(huán)境風(fēng)險源監(jiān)控技術(shù)庫的總體架構(gòu)共分為氣象參數(shù)、氣體濃度、水質(zhì)常規(guī)五參數(shù)、液體濃度、水質(zhì)綜合指標(biāo)、水生物毒性6 個基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，可實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的錄入、保存、編輯修改、查詢和刪除管理等功能。還可實(shí)現(xiàn)根據(jù)各數(shù)據(jù)模塊，綜合查詢各種環(huán)境風(fēng)險源的監(jiān)控儀器設(shè)備信息。根據(jù)需要查詢的特征污染物類型，點(diǎn)擊對象，可查詢到儀器的監(jiān)測項目、檢測原理、檢測范圍、靈敏度、精確度、準(zhǔn)確度等信息，可根據(jù)用戶的實(shí)際需求，選擇最佳監(jiān)控儀器設(shè)備。

5 結(jié)語與討論

基于我國環(huán)境風(fēng)險管理，防范風(fēng)險發(fā)生的需求，在環(huán)境風(fēng)險源常規(guī)參數(shù)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，針對易引發(fā)環(huán)境污染事件的特征污染物，經(jīng)過基本信息篩選，進(jìn)一步整理、分析、評估國內(nèi)外監(jiān)控監(jiān)測技術(shù)和分析方法的特點(diǎn)與適用性，從監(jiān)控技術(shù)的指標(biāo)、參數(shù)、原理、技術(shù)方法、設(shè)備優(yōu)選等方面進(jìn)行設(shè)計，形成具有決策支持功能的重大環(huán)境污染事件環(huán)境風(fēng)險源監(jiān)控技術(shù)庫，以期為我國環(huán)境風(fēng)險管理提供技術(shù)支持。

目前我國的環(huán)境風(fēng)險源監(jiān)控還存在一些問題，如在實(shí)際的建設(shè)應(yīng)用和推廣中，會存在資金、數(shù)據(jù)管理等方面的問題。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要在風(fēng)險源篩選的基礎(chǔ)上，對重點(diǎn)指標(biāo)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，并采取分階段逐步推廣的方法。

未來在環(huán)境風(fēng)險源的監(jiān)控預(yù)警、風(fēng)險防范方面，以魚類、水蚤、細(xì)菌類等已有應(yīng)用的綜合生物毒性在線監(jiān)測儀器，作為快速檢測、綜合反映風(fēng)險水平的監(jiān)控技術(shù)方法將成為發(fā)展趨勢，但在現(xiàn)階段將研究構(gòu)建的環(huán)境風(fēng)險源監(jiān)控技術(shù)體系實(shí)際推廣還存在一定的困難，目前，還是以可操作性強(qiáng)，有代表性和常規(guī)污染物指標(biāo)的檢測儀器為主，要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控技術(shù)的全面應(yīng)用，還需要分階段，逐步實(shí)現(xiàn)推廣。

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