工業(yè)污水排放監(jiān)測與水質(zhì)預(yù)警研究綜述*

楊秀美，郭 瑩，廖 健

1.凱里學(xué)院，貴州 黔東南 556011

2.凱里市能高新型材料有限公司，貴州 黔東南 556000

當(dāng)前，作為世界第二經(jīng)濟體的中國是世界唯一具有完整工業(yè)體系的國家。然而應(yīng)看到在中國工業(yè)化的發(fā)展進程中，水污染事故時有發(fā)生，污染給國民經(jīng)濟造成重大損失，對水環(huán)境產(chǎn)生惡劣影響。據(jù)統(tǒng)計資料分析，其主要原因為企業(yè)事前缺乏信息支持，難以在水質(zhì)惡化警情發(fā)生之前，及時、有效地予以警告，從而給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成無法挽回的損失[1]。在工業(yè)生產(chǎn)中所產(chǎn)生的污水量大，水質(zhì)成分復(fù)雜，常常含有較高濃度的鉛、鋅、鎘等多種重金屬離子，毒性大，污染性強，危害嚴(yán)重。近年為改善生態(tài)環(huán)境，減少水污染事件的發(fā)生，各級政府和企業(yè)投入大量人力、物力和財力支持工業(yè)污水監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建。經(jīng)過不斷實踐，新理念、新技術(shù)和新工藝在工業(yè)污水監(jiān)測和預(yù)警中得到應(yīng)用，通過對工業(yè)污水排放情況和水質(zhì)特點進行預(yù)警，有效地預(yù)防水污染事故的發(fā)生。文章就近年涌現(xiàn)的工業(yè)污水排放監(jiān)測與預(yù)警新方法、新工藝及其特點和實際應(yīng)用進行評述。

1 污水在線監(jiān)測研究及應(yīng)用

污水在線監(jiān)測是用監(jiān)測手段確定污染物排放來源、濃度、種類等，為控制污染源排放、水質(zhì)預(yù)警和環(huán)境影響評價提供依據(jù)。

1.1 水質(zhì)在線監(jiān)測技術(shù)

如果對控制參數(shù)不能有效準(zhǔn)確的監(jiān)測，控制就成為無本之木。為此，對水質(zhì)在線監(jiān)測的研究一直關(guān)注技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用。21 世紀(jì)初在線水質(zhì)監(jiān)測儀器已應(yīng)用于污水處理廠的實際監(jiān)測[2]，國際水質(zhì)監(jiān)測儀器技術(shù)已成熟。武萬峰等[3]總結(jié)了水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)主要包括光學(xué)分析法、光譜法、電化學(xué)分析法、色譜分析法等測量儀在水質(zhì)自動檢測中的應(yīng)用；也有具體監(jiān)測儀器研究，黃志敏等[4]研發(fā)的基于IPC 的水質(zhì)在線監(jiān)測虛擬儀器，獲得中國分析測試協(xié)會“2001BCEIA”金獎。這些儀器分析法具有快速、靈敏的特點。

近年來，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和無線通信技術(shù)在水質(zhì)在線監(jiān)測中的應(yīng)用成為新的研究領(lǐng)域。王新鵬等[5]研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實時高效新型水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測水溫、pH 值、溶解氧和生化需氧量，通過水面基站將數(shù)據(jù)上傳至水質(zhì)監(jiān)測云平臺。宋岳[6]針對先前注重水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測忽略數(shù)據(jù)資源屬性及海量數(shù)據(jù)信息的挖掘，該系統(tǒng)在大數(shù)據(jù)技術(shù)、傳感器技術(shù)和云計算技術(shù)等支持下構(gòu)建的智能化系統(tǒng)，特別是能將水質(zhì)監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行集成管理與存儲，為后期整理和分析做支撐。Du J 等[7]利用ZigBee技術(shù)建立無線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，ZigBee 端節(jié)點通過傳感器模塊對水質(zhì)和水質(zhì)參數(shù)開展數(shù)據(jù)采集，再經(jīng)過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)通過參數(shù)信息將數(shù)據(jù)發(fā)送至ZigBee 協(xié)調(diào)器，匯總形成遠程數(shù)據(jù)。這些新技術(shù)的融入，實現(xiàn)水質(zhì)實時高效的動態(tài)監(jiān)管，提高水質(zhì)監(jiān)測準(zhǔn)確度、完善性和效率。

1.2 水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)

發(fā)達國家的污水在線監(jiān)測起步比較早，20 世紀(jì)70 年代，美國等一些發(fā)達國家就開始對河流和湖泊等地表水和企業(yè)污水排放實行自動在線監(jiān)測。監(jiān)測指標(biāo)包括敏感因子pH 值、COD、BOD5、TN、TP、Hg、DO、氟化物和氰化物等，流量、溫度、電導(dǎo)率、渾濁度等物理量，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)自動把在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，上傳至各級環(huán)保主管部門和環(huán)境監(jiān)測部門。Sergio Bermejo[8]通過一種離子選擇性場效應(yīng)管的智能陣列來傳送存儲的離子檢測濃度，設(shè)計出一個低功耗、簡便且小型的水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)，比傳統(tǒng)實驗室水質(zhì)分析的離線方法有很大進步。Mika Liukkonen 等[9]研究了基于自組織映射網(wǎng)（SOM）的自適應(yīng)多變量方法，能處理大量的測量數(shù)據(jù)，以簡單、方便和靈活的方式提供基本信息，為工業(yè)污水監(jiān)控提供新的工具。

中國的污水在線監(jiān)測系統(tǒng)研究起步比較晚，最先是利用水質(zhì)環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)[10]，隨著社會的發(fā)展，構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)技術(shù)[11]、物聯(lián)網(wǎng)、LabVIEW 軟件平臺和ZigBee 技術(shù)的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)[12-14]。如利用LabVIEW 軟件平臺，研制一種集數(shù)據(jù)采集、濾波、分析、實時視頻監(jiān)測和數(shù)據(jù)庫管理等功能于一體，具有人機交互能力的工業(yè)污水在線監(jiān)測系統(tǒng)，能長期實時測量、預(yù)測分析和歷史數(shù)據(jù)管理，實現(xiàn)工業(yè)污水水質(zhì)監(jiān)測、管理和控制。采用ZigBee 技術(shù)的工業(yè)污水監(jiān)測系統(tǒng)，可以進行遠程實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，提高監(jiān)測精度，實現(xiàn)實時監(jiān)測和預(yù)警。這些污水在線監(jiān)測系統(tǒng)研究主要聚焦于如何實現(xiàn)實時、快速和精確地分析檢測水質(zhì)和反饋。

2 水質(zhì)預(yù)警研究及應(yīng)用

水質(zhì)預(yù)警指對一定時空的水質(zhì)狀況進行監(jiān)測、分析和評價，對水環(huán)境發(fā)生的影響變化進行監(jiān)測和分析，對其發(fā)生及未來發(fā)展?fàn)顩r進行預(yù)測，確定水質(zhì)狀況和水質(zhì)變化的趨勢和速度等，預(yù)報不正常狀況的時空范圍和危害程度，適時地給出變化或惡化的各種警戒信息及相應(yīng)的綜合性對策，對未出現(xiàn)或即將出現(xiàn)的問題給出防范措施及相應(yīng)級別的警戒信息。水質(zhì)預(yù)警是有效預(yù)防和控制水質(zhì)突發(fā)事件，最大限度地減少可能造成的損失的主要手段。

2.1 廣域性地表水水質(zhì)預(yù)警

20 世紀(jì)80 年代，美國企業(yè)危機和策略管理研究首先提出預(yù)警理論。當(dāng)前，預(yù)警理論逐步被應(yīng)用于水質(zhì)管理中，最先被應(yīng)用于廣域性地表水質(zhì)監(jiān)測與預(yù)警。數(shù)理統(tǒng)計方法和灰色模型被廣泛應(yīng)用于構(gòu)建各種水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)，Inoul T 等[15]、史根香等[16]、唐宗鑫等[17]、沈煜恒等[18]、張亞麗等[19]應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計法、灰色理論建立水質(zhì)參數(shù)預(yù)測模型和QUAL2K模型建立水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)對水質(zhì)水域參數(shù)的監(jiān)測和預(yù)測，精準(zhǔn)度比較高。朱燦等[20]以地理信息系統(tǒng)（GIS）和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）為平臺，采用集成GIS 組建和水量水質(zhì)數(shù)值模型耦合方式，建立數(shù)字西江水質(zhì)預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)。其系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，運行可靠，實用性與應(yīng)用價值良好。

近幾年運用的方法和技術(shù)比較多元化，張靜等[21]基于物聯(lián)數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理體系構(gòu)架，構(gòu)建新型河流湖泊水質(zhì)監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)水質(zhì)的智能化監(jiān)測和預(yù)警。遲盼盼等[22]將Petri 網(wǎng)的躍階思想納入傳統(tǒng)評價指標(biāo)體系，實現(xiàn)對模型邏輯拓撲網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)性調(diào)整，結(jié)合模糊綜合評價法和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建可對突發(fā)式水環(huán)境污染事故做出及時反應(yīng)的預(yù)警模型，并在實際應(yīng)用中實現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)警。李若楠等[23]通過模擬實驗建立包含22 種常見污染物的突發(fā)水污染事件數(shù)據(jù)庫，采用典型相關(guān)系數(shù)準(zhǔn)確揭示污染事件發(fā)生后多元水質(zhì)參數(shù)之間的協(xié)同反饋規(guī)律的預(yù)警方法。其主要特點是精確度高，對水質(zhì)監(jiān)測基線的平均誤報率為0.16%。廣域性地表水水質(zhì)預(yù)警研究為突發(fā)水環(huán)境污染事故預(yù)警提供新思路和理論依據(jù)，也為企業(yè)個體污水排放監(jiān)測和預(yù)警提供豐富的理論和實踐經(jīng)驗。

2.2 企業(yè)污水水質(zhì)預(yù)警

企業(yè)污水水質(zhì)預(yù)警首先在污水處理廠和區(qū)域開展研究和應(yīng)用。張嘉治等[24]以某污水處理廠為例，在分析全年出水COD 在線監(jiān)測數(shù)據(jù)變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，建立基于頻次分析法的預(yù)警閾值確定方法，確定污水廠采樣時刻不同警情閾值范圍，解決污水處理廠污染物日波動明顯的問題。也有學(xué)者專門針對工業(yè)聚集型城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)，向倫宏等[25]以水質(zhì)生物毒性為核心指標(biāo)，綜合分析排水系統(tǒng)泵站、污染源和污水處理廠進水水質(zhì)特征，基于層次分析法構(gòu)建污水處理廠綜合預(yù)警模型。白曉瑞等[26]借助模糊綜合評價法，對某化工園區(qū)各企業(yè)生產(chǎn)狀況，結(jié)合污水排放相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)建立污水水質(zhì)評價指標(biāo)，對各企業(yè)排放污水水質(zhì)進行分級，綜合評價各個企業(yè)污水排放達標(biāo)情況，以更好地開展環(huán)境監(jiān)督和整改措施。區(qū)域和污水處理廠水質(zhì)預(yù)警能綜合反映較小尺度的水質(zhì)情況，但還需要進一步確定具體的超標(biāo)污染源。

當(dāng)前，為了快速找到達到預(yù)警閾值的企業(yè)，工業(yè)污水水質(zhì)預(yù)警研究已開展工業(yè)企業(yè)內(nèi)部污水排放監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的研究和項目開發(fā)。針對企業(yè)水樣人工采集方式不能全程跟蹤企業(yè)污水排放情況，陳天麟[27]研究工業(yè)污水排放口超標(biāo)預(yù)警裝置及按照濃度收費系統(tǒng)的技術(shù)方案，以快速識別企業(yè)個體超標(biāo)排放。張偉[28]針對造紙行業(yè)污水處理工藝特點以及污水檢測參數(shù)，設(shè)計“水質(zhì)監(jiān)測傳感器+單片機+管理軟件”的污水檢測、排污監(jiān)控和排污預(yù)警系統(tǒng)。Zhao S 等[29]基于沉積型微生物燃料電池的工業(yè)廢水六價鉻實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，以沉積型微生物電池為生物傳感器，對六價鉻進行現(xiàn)場實時監(jiān)測。解決目前工業(yè)廢水處理無法實現(xiàn)六價鉻現(xiàn)場和實時監(jiān)測的問題。企業(yè)個體水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)，讓水質(zhì)突發(fā)事件在企業(yè)內(nèi)部得以解決，減小影響范圍。

3 展望

工業(yè)污水排放監(jiān)測與水質(zhì)預(yù)警將會被越來越重視，就目前國內(nèi)外在工業(yè)污水排放監(jiān)測與水質(zhì)預(yù)警方面的研究成果，以及未來工業(yè)污水成分不斷更新和復(fù)雜化，采用單一的方法進行在線監(jiān)測和預(yù)警很難實時、準(zhǔn)確的實現(xiàn)預(yù)警，今后仍需要在以下方面進行系統(tǒng)研究。

（1）在水質(zhì)預(yù)測方面，預(yù)測模型雖然具有一定的針對性，預(yù)測精度雖然可以用于指導(dǎo)現(xiàn)場污水處理工藝，但仍不是很理想，還可嘗試一些新的預(yù)測理論及方法來進一步提高預(yù)測精度。

（2）根據(jù)水體功能和污染狀況來選擇指示生物，可提高預(yù)警系統(tǒng)的靈敏性。在制定預(yù)警閾值時，可采用物化和生物毒性指標(biāo)組合報警的方式，提高預(yù)警的可靠性。

（3）預(yù)警模型研究的發(fā)展方向應(yīng)為建立不同行業(yè)污水性質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫，建立基于大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和模擬分析技術(shù)的工業(yè)污水排放監(jiān)測與水質(zhì)預(yù)警體系。