盧瑋¹，孫韶華²，陳家全²，逯南南²，邱立平³，宋武昌⁴，賈瑞寶²

(1.濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院<集團(tuán)>有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南250101；2.山東省城市

供排水水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心，山東濟(jì)南250021；3.濟(jì)南大學(xué)土木建筑學(xué)院，山東濟(jì)南250010；

4.山東省給水處理工程技術(shù)研究中心，山東濟(jì)南250021)

摘要：采用多維矢量水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，選擇鉻（Ⅵ）和錳（Ⅱ）兩種典型污染物，開(kāi)展了水源水重金屬類(lèi)突發(fā)污染的水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警研究。結(jié)果表明，該技術(shù)可用于水源水的重金屬類(lèi)突發(fā)污染的監(jiān)測(cè)預(yù)警，默認(rèn)權(quán)重下，鉻（Ⅵ）在0.5 mg/L時(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)警，而錳（Ⅱ）不發(fā)生報(bào)警，調(diào)整權(quán)重后在國(guó)標(biāo)限值10倍時(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)警；污染物在多維矢量系統(tǒng)中具有特定多維矢量圖，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貪撛谥亟饘兕?lèi)突發(fā)污染風(fēng)險(xiǎn)，適當(dāng)調(diào)整權(quán)重建立本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)潛在污染物的種類(lèi)和濃度水平實(shí)現(xiàn)記憶識(shí)別，進(jìn)而用于水源水的水質(zhì)預(yù)警。

近年來(lái)，世界性的突發(fā)性水污染事件的危害范圍和發(fā)生頻率都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，嚴(yán)重影響了居民正常的生產(chǎn)生活。突發(fā)性水污染事件具有偶然性、復(fù)雜性、不可預(yù)知性等特點(diǎn)，增加了水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警的難度。發(fā)達(dá)國(guó)家在一些大河流域上已建成的比較著名的水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)有美國(guó)俄亥俄河預(yù)警系統(tǒng)、英國(guó)特倫特河預(yù)警系統(tǒng)、日本淀川河水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)。而在國(guó)內(nèi)大量的調(diào)查研究表明，作為城市飲用水水源的主要河流和湖泊都受到了不同程度的重金屬污染。在這一背景下，筆者選擇鉻（Ⅵ）和錳（Ⅱ）兩種典型重金屬，采用多維矢量預(yù)警系統(tǒng)，擬通過(guò)建立水質(zhì)基線和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，確定其多維矢量圖譜和最低檢出限，實(shí)現(xiàn)重金屬類(lèi)突發(fā)污染的水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置及原理

多維矢量水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）由3部分構(gòu)成：事件監(jiān)測(cè)器、SW1000水質(zhì)監(jiān)測(cè)面板、高位水箱。事件監(jiān)測(cè)器是系統(tǒng)的“大腦”，其主要功能是模型建立、數(shù)據(jù)和預(yù)警結(jié)果輸出、操作通訊等；水質(zhì)監(jiān)測(cè)面板連接系統(tǒng)的“觸角”，即所有選定的特征水質(zhì)參數(shù)探頭，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸、顯示；高位水箱的作用是提供水壓、混勻藥劑。

圖1 多維矢量水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

多維矢量水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)利用水質(zhì)在線探頭對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，根據(jù)原水水質(zhì)性質(zhì)設(shè)置有機(jī)物（CODUV）、電導(dǎo)率、pH值、濁度、硝酸鹽氮、氨氮、氧化還原電位（ORP）、溶解氧（DO）8個(gè)參數(shù)進(jìn)行模擬，探頭參數(shù)以不同權(quán)重（指標(biāo)在整體評(píng)價(jià)中的相對(duì)重要程度）擬合成觸發(fā)值（trigger），初始權(quán)重為系統(tǒng)自動(dòng)生成，屬于無(wú)量綱數(shù)值（如表1所示）。

表1 探頭參數(shù)、原理及權(quán)重

系統(tǒng)每分鐘獲取一次預(yù)警觸發(fā)值（trigger），初始設(shè)置觸發(fā)下限為0.7。一旦有污染物進(jìn)入水體環(huán)境中，探頭采集的水質(zhì)參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，從而影響trigger值發(fā)生波動(dòng)，當(dāng)接近或超過(guò)觸發(fā)下限時(shí)，則系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警。對(duì)于不同濃度、不同種類(lèi)的污染物，系統(tǒng)內(nèi)置的模型分析系統(tǒng)可以建立多維矢量圖進(jìn)行有效識(shí)別，從而達(dá)到定性、定量分析的效果。北京奧運(yùn)會(huì)期間，多維矢量系統(tǒng)在奧運(yùn)村和媒體村內(nèi)每天24 h連續(xù)工作，保障了水質(zhì)安全和遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測(cè)，圓滿完成了監(jiān)測(cè)預(yù)警任務(wù)，系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)也應(yīng)用在廣州亞運(yùn)會(huì)和大運(yùn)會(huì)。

1.2 試劑配制

選取重鉻酸鉀（K₂Cr₂O₇，分析純）和硫酸錳（MnSO4·H2O，分析純）為試驗(yàn)污染物，試驗(yàn)前1 d配制成母液，存于冷藏箱內(nèi)，試驗(yàn)當(dāng)天稀釋到指定濃度。重鉻酸鉀易溶，硫酸錳需要溶解在弱酸性環(huán)境中，調(diào)節(jié)pH值為6.5。

1.3 試驗(yàn)方法

模擬突發(fā)性事件發(fā)生的過(guò)程，利用蠕動(dòng)泵向高位水箱中加入試驗(yàn)污染物并與原水進(jìn)行混合后，以60 L/h的流量進(jìn)入流通池，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、系統(tǒng)預(yù)警觸發(fā)值等預(yù)警效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)基線的建立

多維矢量預(yù)警系統(tǒng)能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)到的未出現(xiàn)異常的歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)匯總而形成本地基線，并根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的新數(shù)據(jù)對(duì)基線進(jìn)行微調(diào)，使得到的水質(zhì)基線符合本地的水質(zhì)現(xiàn)狀，以保證后期預(yù)警的準(zhǔn)確性和可靠性。利用多維矢量預(yù)警系統(tǒng)對(duì)濟(jì)南某水廠進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)行了14 d的連續(xù)監(jiān)測(cè)，確定系統(tǒng)trigger<0.01，這表明原水水質(zhì)穩(wěn)定，可進(jìn)行污染物模擬預(yù)警試驗(yàn)。

2.2 重金屬污染物試驗(yàn)

以《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006）中規(guī)定的限值為依據(jù)，分別配制重金屬濃度為國(guó)標(biāo)限值1、10、20倍的原水進(jìn)行模擬試驗(yàn)。系統(tǒng)以計(jì)算得到的trigger值作為報(bào)警依據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)trigger值>0.7則儀器發(fā)生報(bào)警。研究發(fā)現(xiàn)Cr（Ⅵ）濃度為1 mg/L（國(guó)標(biāo)限值的20倍）時(shí)觸發(fā)值達(dá)到1.5，超過(guò)系統(tǒng)設(shè)置的警戒值0.7，系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警，而低于此濃度時(shí)系統(tǒng)無(wú)響應(yīng)；而Mn（Ⅱ）濃度為2 mg/L（國(guó)標(biāo)限值的20倍）時(shí)系統(tǒng)的觸發(fā)值約為0.4，無(wú)報(bào)警響應(yīng)。隨著濃度的升高，兩種重金屬的觸發(fā)值不斷增大，波形越來(lái)越陡峭，一個(gè)完整波形的事件大約歷時(shí)90 min；多維矢量技術(shù)對(duì)鉻的預(yù)警效果要好于錳。

目前應(yīng)用廣泛的生物在線監(jiān)測(cè)方法為生物魚(yú)和發(fā)光細(xì)菌法。生物魚(yú)在線監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，斑馬魚(yú)對(duì)鉻、錳的LC50分別為81.3、161.1 mg/L，在兩種重金屬濃度為國(guó)標(biāo)限值20倍時(shí)對(duì)斑馬魚(yú)的行為抑制強(qiáng)度分別為40%、20%，但響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)；鉻作用下發(fā)光細(xì)菌的EC50為65.4 mg/L，在鉻、錳濃度為國(guó)標(biāo)限值40倍時(shí)對(duì)發(fā)光細(xì)菌的光抑制率分別約為40%、30%，響應(yīng)迅速。多維矢量預(yù)警技術(shù)可與生物在線監(jiān)測(cè)聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)污染物的初步定性。

2.3 污染物多維矢量圖譜

每種污染物進(jìn)入多維矢量預(yù)警系統(tǒng)后，系統(tǒng)根據(jù)測(cè)定的8個(gè)理化參數(shù)，無(wú)量綱化后計(jì)算為1個(gè)八維矢量，為其建立獨(dú)特的“指紋”，作為預(yù)警識(shí)別的依據(jù)。圖2為重金屬鉻和錳的多維矢量圖譜。可以看出，二者的圖譜形式極為相似，且同一種污染物不同濃度下的矢量圖譜基本相同。污染物電解后產(chǎn)生帶電荷的正負(fù)離子，因?yàn)殡x子的加入使得電導(dǎo)率變化最為明顯。

圖2 Cr（Ⅵ）和Mn（Ⅱ）的多維矢量圖譜

2.4 權(quán)重調(diào)節(jié)

多維矢量預(yù)警系統(tǒng)出廠時(shí)對(duì)每項(xiàng)參數(shù)賦予了固定的權(quán)重，依次得出預(yù)警的trigger值。前面的研究發(fā)現(xiàn)，在此固定的權(quán)重下，系統(tǒng)對(duì)重金屬錳的預(yù)警效果較差，在國(guó)標(biāo)限值20倍的濃度下，trigger值仍未達(dá)到報(bào)警觸發(fā)值0.7。為了提高系統(tǒng)報(bào)警的靈敏度，需對(duì)參數(shù)的權(quán)重進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)。根據(jù)研究結(jié)果可知，重金屬對(duì)電導(dǎo)率的影響最大，因而將8個(gè)參數(shù)中電導(dǎo)率的權(quán)重加大后進(jìn)行了重復(fù)試驗(yàn)。

在模擬報(bào)警試驗(yàn)中，將電導(dǎo)率參數(shù)的權(quán)重由出廠的8提升為40，當(dāng)Mn（Ⅱ）濃度為2 mg/L時(shí)，trigger值達(dá)到0.7左右，系統(tǒng)正常預(yù)警；將電導(dǎo)率權(quán)重由8提升為60，當(dāng)Mn（Ⅱ）濃度為1 mg/L時(shí)，trigger值達(dá)到0.7左右，系統(tǒng)再次預(yù)警。由此說(shuō)明通過(guò)改變水質(zhì)參數(shù)的權(quán)重能夠提高污染物報(bào)警的靈敏度。在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，應(yīng)根據(jù)本地的潛在目標(biāo)污染物，設(shè)置合適的權(quán)重，提高預(yù)警的靈敏度。

3 結(jié)論

① 多維矢量水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)對(duì)水源水中重金屬污染物的預(yù)警具有選擇性，在默認(rèn)權(quán)重下，Cr（Ⅵ）在濃度為0.5 mg/L時(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)警;而Mn（Ⅱ）不發(fā)生報(bào)警，調(diào)整權(quán)重后則在濃度為1 mg/L時(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)警。

② 鉻（Ⅵ）和錳（Ⅱ）在多維矢量系統(tǒng)中具有不同的多維矢量圖譜，但不同濃度水平下其矢量圖一致，二者的主要影響參數(shù)分別為電導(dǎo)率和濁度、電導(dǎo)率和ORP，由此可實(shí)現(xiàn)對(duì)記憶污染物的識(shí)別。

③ 多維矢量水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)用于水源水的重金屬類(lèi)突發(fā)污染預(yù)警時(shí)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貪撛诘闹亟饘兕?lèi)突發(fā)污染風(fēng)險(xiǎn)建立本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)污染物的種類(lèi)和濃度的記憶識(shí)別，進(jìn)而在突發(fā)污染發(fā)生時(shí)進(jìn)行預(yù)警。

（本文發(fā)表于《中國(guó)給水排水》雜志2015年第17期“技術(shù)總結(jié)”欄目）