工業污水排放監測與水質預警研究綜述*

楊秀美，郭 瑩，廖 健

1.凱里學院，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

當前，作為世界第二經濟體的中國是世界唯一具有完整工業體系的國家。然而應看到在中國工業化的發展進程中，水污染事故時有發生，污染給國民經濟造成重大損失，對水環境產生惡劣影響。據統計資料分析，其主要原因為企業事前缺乏信息支持，難以在水質惡化警情發生之前，及時、有效地予以警告，從而給當地的生態環境造成無法挽回的損失[1]。在工業生產中所產生的污水量大，水質成分復雜，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，危害嚴重。近年為改善生態環境，減少水污染事件的發生，各級政府和企業投入大量人力、物力和財力支持工業污水監測和預警系統構建。經過不斷實踐，新理念、新技術和新工藝在工業污水監測和預警中得到應用，通過對工業污水排放情況和水質特點進行預警，有效地預防水污染事故的發生。文章就近年涌現的工業污水排放監測與預警新方法、新工藝及其特點和實際應用進行評述。

1 污水在線監測研究及應用

污水在線監測是用監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、水質預警和環境影響評價提供依據。

1.1 水質在線監測技術

如果對控制參數不能有效準確的監測，控制就成為無本之木。為此，對水質在線監測的研究一直關注技術創新和應用。21 世紀初在線水質監測儀器已應用于污水處理廠的實際監測[2]，國際水質監測儀器技術已成熟。武萬峰等[3]總結了水質監測技術主要包括光學分析法、光譜法、電化學分析法、色譜分析法等測量儀在水質自動檢測中的應用；也有具體監測儀器研究，黃志敏等[4]研發的基于IPC 的水質在線監測虛擬儀器，獲得中國分析測試協會“2001BCEIA”金獎。這些儀器分析法具有快速、靈敏的特點。

近年來，基于物聯網技術、大數據技術和無線通信技術在水質在線監測中的應用成為新的研究領域。王新鵬等[5]研究基于物聯網技術的實時高效新型水質監測系統，實時監測水溫、pH 值、溶解氧和生化需氧量，通過水面基站將數據上傳至水質監測云平臺。宋岳[6]針對先前注重水質數據監測忽略數據資源屬性及海量數據信息的挖掘，該系統在大數據技術、傳感器技術和云計算技術等支持下構建的智能化系統，特別是能將水質監測的數據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技術建立無線水質監測系統，ZigBee 端節點通過傳感器模塊對水質和水質參數開展數據采集，再經過ZigBee 網絡通過參數信息將數據發送至ZigBee 協調器，匯總形成遠程數據。這些新技術的融入，實現水質實時高效的動態監管，提高水質監測準確度、完善性和效率。

1.2 水質在線監測系統

發達國家的污水在線監測起步比較早，20 世紀70 年代，美國等一些發達國家就開始對河流和湖泊等地表水和企業污水排放實行自動在線監測。監測指標包括敏感因子pH 值、COD、BOD5、TN、TP、Hg、DO、氟化物和氰化物等，流量、溫度、電導率、渾濁度等物理量，通過網絡傳輸系統自動把在線監測數據，上傳至各級環保主管部門和環境監測部門。Sergio Bermejo[8]通過一種離子選擇性場效應管的智能陣列來傳送存儲的離子檢測濃度，設計出一個低功耗、簡便且小型的水質實時監測系統，比傳統實驗室水質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（SOM）的自適應多變量方法，能處理大量的測量數據，以簡單、方便和靈活的方式提供基本信息，為工業污水監控提供新的工具。

中國的污水在線監測系統研究起步比較晚，最先是利用水質環境在線監測系統應用于工業生產[10]，隨著社會的發展，構建基于大數據技術[11]、物聯網、LabVIEW 軟件平臺和ZigBee 技術的水質在線監測系統[12-14]。如利用LabVIEW 軟件平臺，研制一種集數據采集、濾波、分析、實時視頻監測和數據庫管理等功能于一體，具有人機交互能力的工業污水在線監測系統，能長期實時測量、預測分析和歷史數據管理，實現工業污水水質監測、管理和控制。采用ZigBee 技術的工業污水監測系統，可以進行遠程實時監測數據，提高監測精度，實現實時監測和預警。這些污水在線監測系統研究主要聚焦于如何實現實時、快速和精確地分析檢測水質和反饋。

2 水質預警研究及應用

水質預警指對一定時空的水質狀況進行監測、分析和評價，對水環境發生的影響變化進行監測和分析，對其發生及未來發展狀況進行預測，確定水質狀況和水質變化的趨勢和速度等，預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的綜合性對策，對未出現或即將出現的問題給出防范措施及相應級別的警戒信息。水質預警是有效預防和控制水質突發事件，最大限度地減少可能造成的損失的主要手段。

2.1 廣域性地表水水質預警

20 世紀80 年代，美國企業危機和策略管理研究首先提出預警理論。當前，預警理論逐步被應用于水質管理中，最先被應用于廣域性地表水質監測與預警。數理統計方法和灰色模型被廣泛應用于構建各種水質預警系統，Inoul T 等[15]、史根香等[16]、唐宗鑫等[17]、沈煜恒等[18]、張亞麗等[19]應用數理統計法、灰色理論建立水質參數預測模型和QUAL2K模型建立水質預警系統，實現對水質水域參數的監測和預測，精準度比較高。朱燦等[20]以地理信息系統（GIS）和數據庫管理系統（DBMS）為平臺，采用集成GIS 組建和水量水質數值模型耦合方式，建立數字西江水質預警預報系統。其系統數據傳輸準確，運行可靠，實用性與應用價值良好。

近幾年運用的方法和技術比較多元化，張靜等[21]基于物聯數據感知、數據傳輸和數據處理體系構架，構建新型河流湖泊水質監測和預警系統，實現水質的智能化監測和預警。遲盼盼等[22]將Petri 網的躍階思想納入傳統評價指標體系，實現對模型邏輯拓撲網絡的結構性調整，結合模糊綜合評價法和BP 神經網絡，構建可對突發式水環境污染事故做出及時反應的預警模型，并在實際應用中實現準確預警。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水污染事件數據庫，采用典型相關系數準確揭示污染事件發生后多元水質參數之間的協同反饋規律的預警方法。其主要特點是精確度高，對水質監測基線的平均誤報率為0.16%。廣域性地表水水質預警研究為突發水環境污染事故預警提供新思路和理論依據，也為企業個體污水排放監測和預警提供豐富的理論和實踐經驗。

2.2 企業污水水質預警

企業污水水質預警首先在污水處理廠和區域開展研究和應用。張嘉治等[24]以某污水處理廠為例，在分析全年出水COD 在線監測數據變化規律的基礎上，建立基于頻次分析法的預警閾值確定方法，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。也有學者專門針對工業聚集型城鎮排水系統，向倫宏等[25]以水質生物毒性為核心指標，綜合分析排水系統泵站、污染源和污水處理廠進水水質特征，基于層次分析法構建污水處理廠綜合預警模型。白曉瑞等[26]借助模糊綜合評價法，對某化工園區各企業生產狀況，結合污水排放相關的標準建立污水水質評價指標，對各企業排放污水水質進行分級，綜合評價各個企業污水排放達標情況，以更好地開展環境監督和整改措施。區域和污水處理廠水質預警能綜合反映較小尺度的水質情況，但還需要進一步確定具體的超標污染源。

當前，為了快速找到達到預警閾值的企業，工業污水水質預警研究已開展工業企業內部污水排放監測與預警系統的研究和項目開發。針對企業水樣人工采集方式不能全程跟蹤企業污水排放情況，陳天麟[27]研究工業污水排放口超標預警裝置及按照濃度收費系統的技術方案，以快速識別企業個體超標排放。張偉[28]針對造紙行業污水處理工藝特點以及污水檢測參數，設計“水質監測傳感器+單片機+管理軟件”的污水檢測、排污監控和排污預警系統。Zhao S 等[29]基于沉積型微生物燃料電池的工業廢水六價鉻實時監測預警系統，以沉積型微生物電池為生物傳感器，對六價鉻進行現場實時監測。解決目前工業廢水處理無法實現六價鉻現場和實時監測的問題。企業個體水質預警系統的開發，讓水質突發事件在企業內部得以解決，減小影響范圍。

3 展望

工業污水排放監測與水質預警將會被越來越重視，就目前國內外在工業污水排放監測與水質預警方面的研究成果，以及未來工業污水成分不斷更新和復雜化，采用單一的方法進行在線監測和預警很難實時、準確的實現預警，今后仍需要在以下方面進行系統研究。

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

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

（3）預警模型研究的發展方向應為建立不同行業污水性質信息數據庫，建立基于大數據技術、物聯網技術和模擬分析技術的工業污水排放監測與水質預警體系。