我國海水養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測技術(shù)進展及展望

許康,冷俊昭,盧勝強*,莊樹瑋,于凌宇,于家坤

(1.青島卓建海洋裝備科技有限公司,山東 青島 266555;2.青島卓建海洋工程勘測技術(shù)有限公司,山東 青島 266555)

在我國,隨著人們對高蛋白、低脂肪、高營養(yǎng)價值的海產(chǎn)品需求的不斷增長,海水養(yǎng)殖的規(guī)?；膊粩鄶U大,養(yǎng)殖尾水的排放量急劇增加。目前我國的主要尾水排放方式為不經(jīng)處理直接排放,尾水中含有的大量污染物會嚴重影響海洋生態(tài)環(huán)境,同時會威脅水產(chǎn)品質(zhì)量安全,不利于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)穩(wěn)定發(fā)展。因此,積極做好養(yǎng)殖尾水排放的監(jiān)管,降低污染的排放至關(guān)重要[1]。

對此,為進一步強化海水養(yǎng)殖尾水排放監(jiān)管工作,切實保護和改善海水生態(tài)環(huán)境,在國家層面上,相繼發(fā)布了《中華人民共和國海洋環(huán)境保護法》、《關(guān)于加強海水養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境監(jiān)管的意見》和《海水養(yǎng)殖尾水排放要求》(征求意見稿)等文件。在地方層面上,一些地方政府也紛紛出臺了相應(yīng)的政策文件來推進海水養(yǎng)殖尾水監(jiān)測工作。對尾水進行監(jiān)測及精細化管理已經(jīng)成為目前國內(nèi)海水養(yǎng)殖行業(yè)的發(fā)展趨勢。

目前,國際上關(guān)于海水養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測的研究首先得到了快速發(fā)展。在國內(nèi),雖然一些學(xué)者和機構(gòu)對此進行了一些嘗試,但由于起步較晚,其研究成果遠遠無法滿足監(jiān)測與治理的需要。 隨著在線監(jiān)測技術(shù)等的快速發(fā)展,海水養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測技術(shù)也逐漸成為了研究熱點。采用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、儀器設(shè)備和閾值報警機制,通過互聯(lián)網(wǎng)、移動通信等手段將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至管理中心,實現(xiàn)了尾水在線遠程監(jiān)測,進一步提高了尾水監(jiān)測的效率。尾水在線監(jiān)測技術(shù)具有實時、快捷、準確、全面、可追溯等特點,其在環(huán)境監(jiān)測、治理和管理中的應(yīng)用廣泛,成為了尾水監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域的重要手段。 因此,本研究旨在深入探討海水養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展,為我國海水養(yǎng)殖尾水的監(jiān)測提供技術(shù)支持,促進我國海洋環(huán)境保護事業(yè)的健康發(fā)展。

1 我國海水養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測技術(shù)進展

在線監(jiān)測技術(shù)是通過對特定水質(zhì)參數(shù)進行實時連續(xù)監(jiān)測,實現(xiàn)對污染物排放狀況的及時、準確、全面和動態(tài)的信息反饋與應(yīng)用。目前,我國已初步形成了以海水水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測為核心的綜合集成型在線監(jiān)測技術(shù)體系[2-4]。在此基礎(chǔ)上,基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建設(shè)的海水養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測系統(tǒng)已得到初步應(yīng)用。針對海水養(yǎng)殖尾水方面的在線監(jiān)測技術(shù),本文主要從在線監(jiān)測儀器和在線監(jiān)測系統(tǒng)兩個方面進行論述。

1.1 在線監(jiān)測儀器技術(shù)

結(jié)合農(nóng)業(yè)農(nóng)村部出臺的《海水養(yǎng)殖尾水排放要求》(征求意見稿)文件以及沿海各省制訂出臺的海水養(yǎng)殖尾水排放地方標準,主要的水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)為懸浮物、pH值、化學(xué)需氧量、無機氮、磷酸鹽、總氮、總磷、鋅、銅等。由于測量方法和需求的不同,這些技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用處于不同的層次和階段[5]。

1.1.1 常規(guī)水質(zhì)參數(shù)在線分析儀

懸浮物、pH值是常規(guī)的水質(zhì)參數(shù),其中pH值相關(guān)的在線儀器技術(shù)相對成熟,檢測原理主要為玻璃電極法。目前國內(nèi)外的儀器廠家均有在做,國外廠家主要是美國YSI、美國哈希、美國賽默飛世爾、美國WET Labs、德國WTW、德國AMT、英國Aquaread、澳大利亞In-situ Marine Optics 、加拿大Satlantic公司等,國內(nèi)廠家主要有青島水德、嘉興道一、東營東潤、蘇州蛙視、煙臺凱米斯、廈門斯坦道、蘇州禹山、上海澤銘、山東省儀器儀表研究所、深圳朗誠等機構(gòu)和公司。從整體上說,國內(nèi)廠家在精度、穩(wěn)定性、集成度等方面與國外廠家相比略有差距,但部分廠家產(chǎn)品已經(jīng)可以與國外產(chǎn)品相媲美,并且在產(chǎn)品價格上具有一定優(yōu)勢。此外,pH計在運維方面需要定期校準以防數(shù)據(jù)偏離過大。

懸浮物相關(guān)在線儀器方法主要為紫外吸收法、紅外散射等光學(xué)法,國外主要儀器廠家是美國YSI、美國哈希、美國Campbell、美國Sequoia Scientific、美國Pyxis、德國WTW、英國Jensprima、奧地利是能等公司,國內(nèi)廠家為杭州騰海、蘇州禹山、山東霍爾德、大連弗朗、上海博取等公司。一些廠家需要另行配套毛刷來定期清潔傳感器探頭以防污損造成誤差。由于該參數(shù)的在線傳感器主要應(yīng)用在污水處理中,故大部分廠家的傳感器還需要進行防腐處理來適應(yīng)海水環(huán)境。

1.1.2 營養(yǎng)鹽在線分析儀

養(yǎng)殖尾水中需要測的營養(yǎng)鹽參數(shù)主要是無機氮和磷酸鹽,無機氮包括硝氮、氨氮、亞硝氮。市場化的在線儀器采用方法為濕化學(xué)法和光學(xué)法,其中濕化學(xué)法是主要方法和傳統(tǒng)方法,該方法檢測要素齊全,技術(shù)相對成熟。光學(xué)法主要是檢測海水硝酸氮和海水磷酸鹽,檢測海水亞硝酸氮的在線儀器較少,檢測氨氮的在線產(chǎn)品尚未在市面見諸報道。

濕化學(xué)法的國外儀器廠家主要有美國EnviroTech、美國Green Eyes、美國SubChem、意大利Systea、德國4H、德國WTW、德國SubCtech等公司,國內(nèi)廠家主要有國家海洋技術(shù)中心、山東省儀器儀表研究所、青島卓建、廈門科龍德、青島水德、上海澤銘、深圳朗誠、湖南力合、廈門斯坦道等機構(gòu)和公司[6]。相比國外廠家,國內(nèi)機構(gòu)和公司相關(guān)產(chǎn)品在可靠性和穩(wěn)定性方面仍需要提升。光學(xué)法方面,檢測硝酸氮的廠家有美國Sea-Bird、德國 TriOS等公司,檢測亞硝酸氮的廠家有奧地利是能公司,檢測磷酸鹽的廠家主要是美國Sea-Bird 、美國WET Labs等公司。目前,國內(nèi)的為廈門斯坦道公司可以在線檢測硝酸氮和亞硝酸氮。

1.1.3 總氮、總磷在線分析儀

海水總氮、總磷相關(guān)的在線分析技術(shù)主要是濕化學(xué)法,技術(shù)相對成熟,但受限于海水濁度等因素,穩(wěn)定性有待改進。目前國外廠家是意大利Systea、日本HORIBA等公司,國內(nèi)廠家主要是山東省儀器儀表研究所、青島卓建、青島水德、湖南力合、廈門斯坦道、上海澤銘、深圳朗誠、廈門吉龍德等機構(gòu)和公司。光學(xué)法方面目前有廈門斯坦道報道可測,相關(guān)穩(wěn)定性和準確度還有待驗證。

1.1.4 COD在線分析儀

海水COD相關(guān)的在線分析技術(shù)主要是濕化學(xué)法和光學(xué)法,海水COD在線分析儀器生產(chǎn)廠家和機構(gòu)較少。相關(guān)分析技術(shù)比較成熟,同總氮、總磷的相似,濁度是影響其性能的關(guān)鍵,特別是對光學(xué)方法的儀器影響較大。濕化學(xué)方法的國外儀器廠家主要是意大利Systea、美國HACH等公司,國內(nèi)儀器廠家是山東省儀器儀表研究所、青島卓建、青島水德、天津蘭力科、深圳朗誠、上海澤銘等機構(gòu)和公司,光學(xué)方法的主要國外廠家為德國TriOS、奧地利是能等公司,國內(nèi)的儀器廠家是廈門斯坦道、廈門吉龍德等公司。

1.1.5 重金屬在線分析儀

鋅和銅是海水養(yǎng)殖尾水的中的重金屬檢測指標,相較于其他檢測指標,海水中鋅和銅在線監(jiān)測技術(shù)難度較大,技術(shù)成熟度較低,相關(guān)在線分析儀器較少,并且現(xiàn)有在線儀器造價相對昂貴,普及的困難程度較大。目前主流的在線分析技術(shù)主要是陽極溶出伏安法和電感耦合等離子體質(zhì)譜分析方法。國外的意大利IDRONAUT、加拿大AVVOR等公司采用陽極溶出伏安法,國內(nèi)的杭州譜育、湖南力合等公司采用的電感耦合等離子體質(zhì)譜分析方法。

總體上看,海水養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測的相關(guān)分析儀器均可從國內(nèi)外獲得,大部分參數(shù)的在線監(jiān)測儀器成熟度較高,適合普及推廣。少數(shù)儀器在進一步提高完善的同時降低成本。此外,各省(區(qū)、市)從各自區(qū)域養(yǎng)殖特點和經(jīng)濟、技術(shù)可行性來選擇適合的在線分析儀器進行尾水監(jiān)測。

1.2 在線監(jiān)測系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的海水養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測系統(tǒng)是指利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù),將海水養(yǎng)殖尾水中的水質(zhì)、水溫、溶氧、 pH值、化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)等指標數(shù)據(jù)進行采集,通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至后臺監(jiān)測中心,實現(xiàn)養(yǎng)殖尾水中各項指標的實時監(jiān)測。

在實現(xiàn)海水養(yǎng)殖尾水水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)集成的過程中,需要充分考慮系統(tǒng)可靠性、監(jiān)測指標準確性、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性等多方面的因素。對于系統(tǒng)的硬件部分,應(yīng)選用高質(zhì)量的儀器設(shè)備,確保儀器具有高靈敏度、高精度、高穩(wěn)定性等優(yōu)點。同時,選用符合規(guī)范的傳感器和無線傳輸模塊,以確保采集數(shù)據(jù)的準確性和實時性。 在軟件方面,必須根據(jù)實際情況設(shè)計有效的數(shù)據(jù)處理和分析算法,以保證實時反映水質(zhì)變化趨勢。同時,利用人工智能等前沿技術(shù),進行數(shù)據(jù)挖掘和預(yù)測分析,提前預(yù)判可能出現(xiàn)的問題,并及時采取措施進行處理。 另外,也需要考慮監(jiān)測系統(tǒng)的實時性和反應(yīng)速度。在傳輸數(shù)據(jù)時,應(yīng)選擇高速穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式,并建立一套完善的實時響應(yīng)機制,實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的快速響應(yīng)和處理。 總體而言,實現(xiàn)海水養(yǎng)殖尾水水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)集成需要充分考慮到各種因素,整合各種技術(shù)手段,打造高效滿足實際需求的監(jiān)測系統(tǒng)。

由于海水養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測是近年來新興的海洋環(huán)境監(jiān)測方向,相關(guān)研究不多,海水養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測系統(tǒng)供應(yīng)商較少,在線監(jiān)測系統(tǒng)的示范案例等存在明顯不足。目前,國外廠家有澳大利亞 Greenspan等公司在做,國內(nèi)廠家有青島卓建、山東廣為等公司在做。這些廠家的養(yǎng)殖尾水監(jiān)測系統(tǒng)主要是在海洋生態(tài)環(huán)境岸基在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗基礎(chǔ)上結(jié)合海水養(yǎng)殖尾水環(huán)境特點進行優(yōu)化升級而成,其穩(wěn)定性和準確度等方面還有待驗證。

2 發(fā)展趨勢

在海水養(yǎng)殖尾水水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展中,越來越多的新技術(shù)和新方法被不斷提出和應(yīng)用。其中,主要發(fā)展趨勢包括以下幾個方面。 首先,智能化技術(shù)的發(fā)展。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)等的發(fā)展,智能化監(jiān)測儀器設(shè)備逐漸成為海水養(yǎng)殖尾水水質(zhì)監(jiān)測的主流。這些設(shè)備具有數(shù)據(jù)自動采集、傳輸、存儲等功能,能夠迅速、準確地將實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳輸至計算機或云端,為數(shù)據(jù)分析和監(jiān)控提供便利。其次,在線儀器技術(shù)的應(yīng)用。海水養(yǎng)殖尾水水質(zhì)監(jiān)測儀器會隨著監(jiān)管標準的提高和行業(yè)自律機制的逐步完善而不斷提高。未來,在操作簡單性、數(shù)據(jù)分析精度、設(shè)備運行穩(wěn)定性等方面,尾水監(jiān)測技術(shù)還需再進行深入研究和開發(fā),以提高技術(shù)性能和使用便捷性。另外,基于人工智能技術(shù)的輔助判斷也有望應(yīng)用于海水養(yǎng)殖尾水水質(zhì)監(jiān)測。通過對大量數(shù)據(jù)的分析、處理,人工智能可以對水質(zhì)進行智能判斷和預(yù)警,從而提高管理效率和監(jiān)測準確性。 總之,海水養(yǎng)殖尾水水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)發(fā)展正朝著智能化、自動化、高精度化的方向發(fā)展。多種技術(shù)相互融合、協(xié)同作用,將為海水養(yǎng)殖尾水的環(huán)境治理和水產(chǎn)養(yǎng)殖的可持續(xù)發(fā)展提供有效支撐。

3 存在問題

盡管近年來我國海水養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測技術(shù)已取得了一定的進展,但總體而言,與國外相比,我國在養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展方面還有很大的差距。例如:

(1)在標準規(guī)范方面,我國海水養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測技術(shù)標準體系尚未形成,目前行業(yè)層面上僅有《海水養(yǎng)殖水排放要求》(SC/T 9103—2007)推薦性標準和相關(guān)尾水排放的地方標準,其他關(guān)于海水養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測技術(shù)的相關(guān)規(guī)范還有待進一步形成和完善。

(2)在監(jiān)測技術(shù)方面,監(jiān)測儀器的準確性和穩(wěn)定性有待提高。由于環(huán)境存在差異性,國內(nèi)現(xiàn)有的海水養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測儀器沒有能夠適應(yīng)不同海域環(huán)境的要求。監(jiān)測儀器的準確性和穩(wěn)定性正是該技術(shù)亟待提高的方面,以確保監(jiān)測儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)的正確性和真實性。

(3)在應(yīng)用模式方面,當前基于尾水排放監(jiān)控需求的在線監(jiān)測系統(tǒng)主要是依托于地方政府搭建的信息化管理平臺和排污企業(yè)內(nèi)部建設(shè)的養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測系統(tǒng)進行集成。隨著海水養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展,不同企業(yè)之間、行業(yè)之間以及養(yǎng)殖品種之間對尾水排放監(jiān)控信息數(shù)據(jù)的需求差異日益凸顯。然而由于缺乏全國范圍內(nèi)養(yǎng)殖尾水排放監(jiān)控信息數(shù)據(jù)共享平臺的支撐,大量需要進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、匯總、分析等工作的企業(yè)缺乏獲取實時監(jiān)控信息數(shù)據(jù)手段,影響了尾水排放監(jiān)管工作效果和效率。

(4)在管理體系方面,由于海水養(yǎng)殖尾水排放監(jiān)控信息數(shù)據(jù)缺乏共享平臺支撐,導(dǎo)致養(yǎng)殖尾水排放監(jiān)管工作無法做到及時、全面和準確。以美國為例,美國政府將整個養(yǎng)殖區(qū)視為一個整體管理單元,利用大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)對養(yǎng)殖區(qū)水體的實時動態(tài)監(jiān)控。相較而言,我國對于養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測技術(shù)還缺乏有效的監(jiān)管手段。目前我國尚未出臺針對海水養(yǎng)殖尾水排放監(jiān)管工作的專門法規(guī)和管理辦法。

(5)在應(yīng)用效益方面,盡管我國海水養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展迅速,但與發(fā)達國家相比還有較大差距。一方面是由于缺乏政府統(tǒng)一管理機制;另一方面是由于監(jiān)測設(shè)備成本高、缺乏合理運營維護機制、監(jiān)測設(shè)備維護效果不佳等因素制約了我國養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測技術(shù)的廣泛推廣和應(yīng)用。

(6)在政策保障方面,目前我國尚未出臺針對海水養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測技術(shù)相關(guān)的政策法規(guī)和技術(shù)規(guī)范。在現(xiàn)行法律法規(guī)體系中,缺少對海水養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的鼓勵和扶持政策;在管理體制方面也沒有專門針對海水養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測技術(shù)進行管理、監(jiān)督和考核的部門或者機構(gòu);此外,缺少國家層面對海水養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的相關(guān)政策法規(guī)。

4 對策和建議

(1)建議國家及地方各級漁業(yè)主管部門對海水養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測技術(shù)進行系統(tǒng)研究,結(jié)合當?shù)貙嶋H情況制定切實可行的在線監(jiān)測技術(shù)方案,避免盲目追求先進技術(shù)而造成不必要的資源浪費,明確要求所有新建或改擴建的養(yǎng)殖項目應(yīng)安裝養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測設(shè)備,并鼓勵現(xiàn)有水產(chǎn)養(yǎng)殖項目安裝尾水排放設(shè)施,同時鼓勵使用低能耗、低成本的在線監(jiān)測設(shè)備。

(2)建議國家及地方各級漁業(yè)主管部門建立海水養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用激勵機制,加強海水養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測設(shè)備的推廣應(yīng)用;通過財政補貼、政策扶持等方式推動漁業(yè)主管部門和相關(guān)企業(yè)開發(fā)建設(shè)滿足海水養(yǎng)殖尾水排放管控要求、適用于我國海水養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的在線監(jiān)測系統(tǒng);通過標準規(guī)范、示范項目等方式,引導(dǎo)社會力量參與海水養(yǎng)殖尾水排放管控。

(3)建議國家及地方各級漁業(yè)主管部門通過對現(xiàn)有在線監(jiān)測設(shè)備進行改造升級、建立數(shù)據(jù)共享平臺等方式,促進和加強對現(xiàn)有在線監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用評估;鼓勵利用第三方平臺建立海水養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測信息發(fā)布機制,提高行業(yè)管理部門及企業(yè)對尾水在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用效果;鼓勵各地以企業(yè)自建或第三方平臺為依托開展尾水排放監(jiān)管工作,加強對排放企業(yè)尾水排放情況的監(jiān)督管理,提升管理部門的監(jiān)管水平和能力。

5 結(jié)語

我國是世界上海水養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展最為迅速的國家之一,海水養(yǎng)殖尾水排放已成為影響我國海水養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。科學(xué)、有效地監(jiān)測尾水排放狀況,是實現(xiàn)養(yǎng)殖尾水排放監(jiān)管和海洋生態(tài)環(huán)境保護的前提。本文系統(tǒng)梳理了我國海水養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測技術(shù)進展,指出了國內(nèi)海水養(yǎng)殖尾水在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展方向和面臨的主要問題,并提出了相應(yīng)的對策。