水环境自动监测课件PPT

项目一、概述【知识目标】1.熟悉水环境监测的概念和基本组成；2.熟悉水环境自动监测系统目标与功能；3.了解水质自动监测的发展阶段和不同阶段的特点；4.熟悉...

项目一、概述【知识目标】1.熟悉水环境监测的概念和基本组成；2.熟悉水环境自动监测系统目标与功能；3.了解水质自动监测的发展阶段和不同阶段的特点；4.熟悉水质自动监测系统的发展方向和前沿技术。【能力目标】通过本项目学习，掌握水环境自动监测内涵以及水环境监测系统的组成；熟悉水质自动监测发展和前沿技术；熟悉水质自动监测的功能及作用。【素质目标】1.通过学习，引导学生树立水环境保护和水污染防治意识；2.通过学习，培养学生勇于探索、形成一定的科学研究意识和创新精神。一、水环境自动监测基本概念和构成水环境自动监测是对水环境样品进行自动采集、处理、分析及数据传输的整个过程。而水环境自动监测系统是以在线自动分析仪器为核心,运用自动控制技术、现代传感技术、自动测量技术、计算机技术以及相关的专用分析软件和通讯网络，对地表水、地下水环境和污染源污水进行连续自动采集、处理、分析和数据传输的综合性在线监测系统。水环境自动监测系统是由若干个设在河流两岸、湖泊和水库出入口等处的水质自动监测站和水质自动监测数据平台组成。水质自动监测站是完成地表水、地下水和污水水质自动监测的现场部分，一般由站房、采配水、控制、检测、数据传输等全部或者数个单元组成，简称水站；各水站连续测得的数据定时传送至一套对水站进行远程监控、数据传输统计与应用的系统，简称水质自动监测数据平台。二、水环境自动监测目标与功能水环境自动监测的目标一是实现水环境监测过程全自动化；二是通过计量和监测，及时、准确地得到水质的分析数据，为科学决策提供依据；三是快速对汇总的信息进行分析，预测水源的变化趋势，防止发生突发性污染事故；四是实现快速、准确、及时的监控，提高现代化科学管理水平；五是巩固已取得的达标成果，强化对污染源治理设施运行情况监督管理，增强企业的守法自觉性。2、水环境自动监测的功能和作用一是可连续或间歇地对系统中水质实现多种参数的在线实时监测，为水质监控提供完整的解决方案。二是可及时地掌握水处理系统中各流程点的水质状况，有效地保证饮用水、污水及废水处理系统的正常运行，及时发布重大水污染源风险预警。三是可满足企业生产高效、低耗、现场无人值守等要求。四是系统能长期储存水质检测数据，处理设施运转情况记录及各种环境资料以备检索。五是系统具有现场数据统计、数据打印、数据传输、构建中心数据库功能，可生成各种用户所要求的年、月、日、周、季报表;可根据数据库中的数据统计绘制出测量参数的年、月、日、周、季曲线。六是实现对系统状态（水环境流量、历史曲线、过程参数、信号报警）和仪表状态（仪表运行状态、参数校准、仪表故障等）进行远程监视。三、水质自动监测发展阶段和特点1.起步阶段。我国的水质自动监测起步较晚，1988年在天津试点建立了第一个水质自动监测站[1]。1996年，国家环保局发布的《排污口规范化整治技术要求(试行)》中规定：重点整治的排污口应安装流量计，污水的排污口设置堰口以便能够计量处理量。所以最初的在线监测系统就是简单地在排污口安装流量计和采样器。之后，上海、北京等地作为试点也先后建立了水质自动监测站。1999年开始，在我国部分主要流域展开了地表水水质自动监测试点工作，分别在松花江、长江、黄河及太湖流域的重点断面建立了10个水质自动监测站。20世纪末期，国产水质COD在线监测仪器在我国很多环保事业单位开始应用，并在一些重点省份、重点行业开始推广，这时COD自动检测工艺的研究开始深入。但产品受温度、酸碱度的影响大，稳定性差；市场和管理人员对该工艺缺乏认识，资金和人力投入少，设备粗简，不能形成相应的规模；经济的发展状况也使得水质的在线监测呈现了达多贫少的不均匀分布形式格局。所以这个时期技术的特点表现为：产品较单一、质量不稳定、生产规模小、安装量小等特性。2.发展阶段。经过一个时期的使用和钻研，COD自动在线监测仪技术在各个方面逐渐完善和成熟，设备零件的精密性和系统的稳定性进一步提高，相关单位和企业生产研制出了包括COD、NH3-N、TOC、TN、TP五种水质参数在线监测仪器并进行推广应用。同时国家环境保护总局对该项技术也提出了更高要求，环境监测仪器质量监督检验中心还对COD在线监测仪器进行了适用性检测，我国建设地表水水质自动监测站的步伐也逐渐加快，自2000年9月起，陆续在全国31个省市区各流域的重点断面、大型湖库以及国界出入境河流上建成了149个水质自动监测站。在这个时期，COD自动在线监测产品开始逐渐呈现多样化、产品质量稳定化、市场多元化等特点。3.网络化阶段。在2006年以后，“污染源减排三大体系能力建设”项目实施后，凡是COD污染负荷在60%以上的污染源必须安装监测仪器，并需联网运行，初步形成由地（市）、省、国家的三级网络。安装仪器数量增多、运行管理逐步规范，尤其是出现了一批专业化运营维护队伍，对水质在线监测仪器的发展起到了推动作用。2005年-2008年，基本每年新建100个以上水质自动监测站，2009 年开始，基本每年新建200个以上水质自动站。通过近些年的发展与国家对在线监测的投入，我国的主要河流湖泊断面都建立了水质自动监测站，而各大河流的支流、地方水系等也都开展了水质在线监测工作[2]，我国已经初步形成了覆盖全国主要地表水体的水质自动监测网络，2018年以来，国家继续推进水质自动站的建设工作，在全国2050个国家地表水考核断面上，除280个不具备建站条件外，1770个断面都建成了水站。这个阶段，水质自动监测技术日益成熟、发展迅速，成果应用也越来越广泛。国家水质自动监测站的监测项目包括了常规9项：水温、pH值、溶解氧、电导率、浊度、高锰酸盐指数、氨氮、总磷和总氮，部分湖库水质自动监测站包括叶绿素a监测项目，有些站包括生物毒性、挥发性有机污染物的试点监测以及重金属监测项目。四、水质在线监测系统发展及展望随着水工业行业的快速发展以及水环境监测要求的提高,使得水质在线监测仪的研制与应用面临着新的要求和挑战，也进一步推动了水质在线监测仪的应用朝着更高级的方向发展。主要表现在仪器自动化、智能化、网络化水平不断提高；分析仪器联用技术日趋势成熟；仪器向模块化和组合化结构发展；仪器在向小型化、微型化和多参数化向发展。1.重金属在线监测技术。由于重金属污染有危害性，对重金属污染进行监控变得日益紧迫，发展初期，重金属在线监测仪器基本依赖进口，价格昂贵。随着技术的发展，一些国内科技创新企业通过加大科研投入，相继推出一系列重金属在线监测仪，填补了国内空白，结束了国外技术垄断的历史。2.水质毒性在线监测技术。监测水质时，水的毒性监测是必要的。水中的有毒物质包括硫化物、酚、氟、COD、Cl2、重金属等，发光细菌与不同毒性物质反应表现出不同的效应，可用驯化后的光杆菌作为毒性的判断指标。发光细菌监测水质毒性具有简便、灵敏、适应性强、用途广、定性或定量有毒物质精确、准确度好(误差小于10％)、速度快、检测范围宽(包括铬、镉、铜、铅、镍、汞等重金属离子，DDT、有机磷等农药、洗涤剂、溶剂等有机和无机有毒物质)、检测费用低、适应性强，操作灵活，可在现场也可在实验室检测等优点，具有较大应用前景。3.生物传感器的应用。生物分子具有令人难以置信的识别功能，具有快速、连续在线监测等优点，不同的待测物质都有着各自对应效果反应的生物分子，生物分子与待测物反应，将反应现象转化为电信号的形式表达出来，以此来分辨待测物质所属物系。现在许多污染监控领域上已经运用了很多生物传感器，一些发达国家还采用了冷光型的生物传感器。纵观生物传感器的特性可知，它对水质污染剧毒性物质的监测起到独具一格的作用，生物传感器将得到更广泛的应用。4.荧光法的应用。荧光物质可以被固定波长的光激发，产生能反映出该物质特性的荧光，发挥其检测作用。常见的有荧光光谱检测和高效液相色谱法检测。可以测定水中的重金属和有机污染物，具有操作方便、灵敏度高、效果好等优点，有很好的应用前景，在各地表水监测站点已陆续使用。5.酶联免疫法(ELISA)的应用。生物法中，当生物分子为酶和抗体时，可采用酶联免疫法、聚合酶链式反应以及表面胞质团共振检测等，是当前最新发展技术。具有检测灵敏度高、选择性好、操作简便快速、精确性高等特点。在环境监测中主要应用在环境致病菌的监测、农药残留的监测等方面，我国已颁布了采用ELISA法对水和土壤等中污染物的检测方法。项目二、监测站点及相关配套单元【知识目标】1.熟悉自动水质监测站点和相关配套硬件系统的组成；2.熟悉站址选择以及不同站房建设的原则；3.熟悉采水单元和配水单元的组成、设备、特点及要求；4.熟悉控制与辅助单元组成及功能；5.了解数据处理与传输单元组成；6.了解数据平台组成。【能力目标】通过本项目学习掌握水环境自动监测系统硬件组成和功能通过本项目学习熟悉和掌握水环境自动监测站点的分类及功能通过本项目学习熟悉和掌握水环境自动监测站相关配套硬件设施的组成和功能通过本项目学习熟悉和掌握水环境自动监测站平台处理软件组成和功能【素质目标】1. 通过学习，引导学生养成不怕吃苦、敬业务实的工作作风；2.通过学习，培养学生树立良好的职业道德、行为规范和认真细致的工作态度。任务一站址选择与站房建设一、站址选择1.选择原则站址选择原则包括建站可行性、水质代表性、监测长期性、系安全性和运行经济性。2.基础条件健全为确保水质自动监测系统的长期稳定运行，所选取的站址应具备良好的交通、电力、清洁水、通讯、采水点距离、采水扬程、枯水期采水可行性和运行维护安全性等建站基础条件。3.优先选择考核断面主要包括重点生态功能区、生态补偿考核断面和国、省、市、县控考核监测断面。4.保证监测数据代表性所选取站点的监测结果能代表监测水体的水质状况和变化趋势。河流监测断面一般选择在水质分布均匀、流速稳定的平直河段，距上游入河口或排污口的距离大于1km，原则上与原有的常规监测断面一致或者相近，以保证监测数据的连续性。湖库断面要有较好的水力交换，所在位置能全面反映被监测区域湖库水质真实状况，避免设置在回水区、死水区以及容易造成淤积和水草生长处。二、站房建设站房建设根据站点的现场环境、建设周期、监测仪器设备安装条件等实际情况，采用固定站房、简易式站房、小型式站房、水上固定平台站、水上浮标（船)站等方式进行系统建设。站房的设计与施工结合地质结构、水位、气候等周边环境状况进行，同时做好防雷、抗震、防洪、防低温、防鼠害、防火、防盗、防断电及视频监控等措施。站房配套设计废液收集和生活污水收集设施。1.站房建设选取原则水站站房必须满足建设要求，针对实际情况可因地制宜选择适宜的站房类型，具体如下：（1）原则上优先选择固定式站房；（2）水站站址能满足站房建设面积要求的，优先考虑采用单层站房结构；（3）水站站址存在洪涝隐患的情况下，优先考虑双层站房结构，监测仪器室可根据站点实际情况布置在一楼或者二楼；（4）水站站址受建设条件（地基、规划、河道）影响，考虑采用简易式站房结构；（5）水站站址受建设条件（景区、城区、管制区）制约，考虑采用小型式站房结构；（6）水站站址根据建设要求需选定在河、湖中且水深在10m以内的，考虑采用水上固定平台站；（7）水站站址无法满足供电要求，可考虑采用水上浮标站或水上浮船站；（8）国界河流（湖泊）水站必须建设固定式站房。2.站房分类（1）固定式站房固定式站房包括站房建筑工程（包括采水单元）和水站自动分析仪器两部分。其中，站房建筑工程由仪器室、质控室和值班室组成。外部保障条件是指引入清洁水、通电、通讯和开通道路以及平整、绿化和固化站房所辖范围的土地。固定式站房总面积不小于100㎡，监测仪器室不小于40㎡、质控室不小于30㎡、值班室不小于30㎡，分单层或双层建设；如图2.1-1、2.1-2.（2）一体化简易式站房和小型式站房简易式站房和小型式站房适用于占地面积有限、地理情况复杂、项目建设周期较短、有移址或调整监测断面需求的水站建设。站房设计尺寸应满足仪表及系统集成装置的安装要求，站房材质宜采用轻型材料，具备恒温、隔热、防雨和报警等功能。简易式站房面积原则上不得小于40㎡，质控室和监测仪器室可合并建设。站房面积除满足基本9项参数仪器及其配套设备摆放外，还要考虑未来监测项目扩展，适当留有增配仪器的空间。如图2.1-3。图2.1-3一体化简易式站房示意图（3）水上固定平台站和水上浮标（船）站水上固定平台站和水上浮标（船）站是将监测仪器集成于平台上，并配备太阳能、风能等供电设备，具备警示防撞和报警等功能的一种监测系统。浮船站参考示意图如图2.1-4.3.站房供电（1）供电负荷等级和供电要求按现行国家标准《供配电系统设计规范》（GB50052-2009）的规定执行；（2）水站供电电源使用380V交流电、三相四线制、频率50Hz，电源容量要按照站房全部用电设备实际用量的1.5倍计算；（3）电源线引入方式符合国家相关标准，穿墙时采用穿墙管。施工参考《建筑电气工程施工质量验收规范》（GB50303-2002）；（4）在监测仪器室内为水质自动监测系统配置专用动力配电箱。在总配电箱处进行重复接地，确保零、地线分开，其间相位差为零，并在此安装电源防雷设备；（5）根据仪器、设备的用电情况，在380V供电条件下总配电采取分相供电：一相用于照明、空调及其他生活用电（220V），一相供专用稳压电源为仪器系统用电（220V），另外一相为水泵供电（220V）。同时在站房配电箱内保留一到两个三相（380V）和单相（220V）电源接线端备用；（6）电源动力线和通讯线、信号线相互屏蔽，以免产生电磁干扰。4.站房给排水（1）给水系统站房根据仪器、设备、生活等对水质、水压和水量的要求分别设置给水系统。站房内引入自来水（或井水），必要时加设高位水箱。自来水的水量瞬时最大流量3m3/h，压力不小于0.5kg/cm2，保证每次清洗用量不小于1m3。（2）排水系统站房的总排水必须排入水站采水点的下游，排水点与采水点间的距离应大于20m。各类试剂废水按照危险废物管理要求，单独收集、存放和储运，并统一处置。站房内的采样回水汇入排水总管道，并经外排水管道排入相应排水点，排水总管径不小于DN150，以保证排水畅通，并注意配备防冻措施。排水管出水口高于河水最高洪水水位的，设在采水点下游。站房生活污水纳入城市污水管网送污水处理厂处理，或经污水处理设施处理达标后排放，排放点应设在采水点下游。5.站房通讯固定站房网络通讯建设应以光纤/ADSL有线网络传输为主，现场条件不具备的情况下，可选用无线网络进行传输，站点现场应通过手机等通讯设备进行通话测试，通讯方式应选择至少2家通讯运营商，无线传输网络（固定IP优先）应满足数据传输要求及视频远程查看要求，传输带宽不小于20M。水上固定平台通讯在没有运营商网络覆盖的情况下，可采用微波中继等辅助传输方式。6.站房暖通站房结构采取必要的保温措施，站房内有空调和冬季采暖设备，室内温度应当保持在18～28℃，湿度在60%以内，空调为立柜式冷暖两用，功率不低于2匹，适用面积不低于30m2，具备来电自动复位功能，并根据温度要求自动运行。在北方寒冷地区应配备电暖气等单独供暖设备，保障室内设备的正常工作。任务二采水与配水单元采配水单元是保证整个系统正常运转、获取正确数据的关键部分，必须保证所提供的水样可靠、有效，包括采水单元、预处理单元和配水单元。采水单元包含采水方式、采水泵、采水管路铺设等。预处理单元为不同监测项目配备预处理装置，以满足分析仪器对水样的沉降时间和过滤精度等要求。配水单元直接向自动监测仪器供水，其提供的水质、水压和水量均需满足自动监测仪器的要求。一、采水单元采水单元的设置应因地制宜，针对不同情况采用最适用的采水方式，确保采集到的断面水样具有代表性，同时保证水样在传输管路中不发生物理、化学性质的变化。1.采水单元基本要求采水单元应结合现场水文、地质条件确定合适的采水方式，符合《地表水自动监测技术规范》（HJ 915-2017）和《关于加快推进国家地表水水质自动站建设工作的通知》（环办监测函〔2017〕1762号）的附件《国家地表水水质自动监测站站房及采水技术要求》，保证运行的稳定性、水样的代表性、维护的方便性。采水单元一般包括采水构筑物、采水泵、采水管道、清洗配套装置、防堵塞装置和保温配套装置。（1）采样装置采样装置的吸水口应设在水下0.5m～1m范围内，并能够随水位变化适时调整位置，同时与水体底部保持足够的距离，防止底质淤泥对采样水质的影响。做到既能保证采集到具有代表性的水样，又能保证采样单元能连续正常运行。（2）采水系统采水系统应具备双泵/双管路轮换功能，配置双泵/双管路采水，一备一用；可进行自动或手动切换，满足实时不间断监测的要求。（3）采水管道采水管道应具备防冻与保温功能，采水管道配置防冻保温装置，以减少环境温度等因素对水样造成影响；采水管道材质应有足够的强度，可以承受内压，且使用年限长、性能可靠、具有极好的化学稳定性，不与水样中被测物产生物理和化学反应，避免污染水样；采水管道应具有防意外堵塞和方便泥沙沉积后的清洗功能，其管路采用可拆洗式，并装有活接头，易于拆卸和清洗；采水管道应有除藻和反清洗设备，可以通入清洗水进行自动反冲洗，通过自动阀门切换可以将清洗水和高压振荡空气送至采样头，以消除采样头单向输水运行形成的淤积，以防藻类生长、聚集和泥沙沉积。2.采水设备及要求2.1采水泵（1）水泵选择的基本原则综合考虑采水单元采水泵的选择，需满足水质监测系统运行所需水量、水压，根据现场采水距离、水位落差配置相应功率的采水泵。当取水头位置与站房的高差小于8m，或平面距离小于80m没有高差时一般选用离心泵，否则应选用潜水泵。一般选用清水潜水泵；当监测水体浊度过大时，应选择污水潜水泵。（2）采水泵功能要求输水压力设计要充分考虑现场的采水距离和扬程落差，应保障水样顺利输送到站房内，同时还要留有一定的余量。输水量根据系统正常上水的要求，泵的供水量宜为1～4t/h。选用采水泵的材质应适应使用环境需要，做到防腐、防漏。2.2采水管道采水管道材质有足够的强度，可以承受内压和外载荷，具有极好的化学稳定性、重量轻、耐磨耗和耐油性强。（1）采水管路设计采水单元采用双泵双管路配置设计（潜水泵或离心泵），一用一备，满足实时不间断监测要求，并在控制单元中设置自动诊断泵故障及自动切换泵工作功能。采水管路配有管道清洗、防堵塞、反冲洗等设施，并在取水管道设有压力监控装置，控制单元通过该装置实时监控采水单元的运行状态。（2）采水管路清洗设计采水管路清洗设计具有管道反冲洗和自动排空管道功能，采水完成后系统自动排空管道并清洗，清洗过程不对环境造成污染。除藻装置可以定期自动或手动操作，配合清洗水和压缩空气，通过控制总管路及配水管路的电动阀门，可分别对外部采水管路和内部配水进行反冲洗，以防止管路堵塞，并达到对管路的除藻作用。（3）管路铺设为保证水管、线管等管路施工操作方便，开挖宽度不小于0.5m，深度一般不小于0.5m，冰冻地区开挖深度应满足当地防冻深度需求，管路预埋在开挖渠内靠站房并高于河涌一侧，且中间渠内无U字型地平。目录水环境自动监测的背景和意义水环境自动监测的基本原理水环境自动监测的技术与方法水环境自动监测的应用案例总结与展望水环境自动监测的背景和意义水是人类生活中必不可少的资源，而水环境的污染对人类健康和生态系统造成了巨大的威胁。传统的水环境监测方式需要人工采样和分析，耗时耗力且存在操作误差，因此引入自动监测技术就变得尤为重要。水环境自动监测可以利用先进的仪器设备和传感器，实时采集、监测和分析水质数据，帮助我们更好地了解水环境的变化，及时发现和处理污染源，保障水资源的可持续利用。水环境自动监测的基本原理水环境自动监测主要基于传感器、仪器设备和数据处理系统等技术手段，实时监测和记录水质参数的变化。这些传感器和设备可以通过不同的方式测量水中的温度、pH值、溶解氧、浊度、电导率等指标，通过数据传输系统将采集到的信息传送给数据处理系统进行分析和处理。水环境自动监测的技术与方法水环境自动监测技术主要包括传感器技术、网络传输技术和数据分析技术等。传感器技术主要用于实时监测水质参数的变化，根据测量原理和参数范围选择合适的传感器，如pH传感器、溶解氧传感器等。网络传输技术可以将监测数据传输给数据处理中心或云平台存储和分析。数据分析技术可以利用统计学和机器学习算法处理大量的监测数据，挖掘规律和异常，为决策提供科学依据。水环境自动监测的应用案例水环境自动监测已经在水资源管理、生态环境保护等领域得到广泛应用。例如，在饮用水源地保护中，水环境自动监测可以实时监测水库、河流和湖泊的水质情况，发现污染源并及时采取措施保障饮用水的安全。在工业废水处理中，可以利用水环境自动监测技术监测废水排放的水质参数，确保排放达标。此外，水环境自动监测也适用于海洋环境保护、水产养殖等领域。总结与展望水环境自动监测作为一种先进的监测手段，能够提高监测效率和准确度，快速反应水质变化。随着传感器技术、数据处理技术和网络技术的不断发展，水环境自动监测将越来越得到广泛应用，并在实践中不断完善和提高。未来，我们可以期待更先进、更智能的水环境自动监测系统的出现，进一步推动水环境保护和可持续发展。