多維矢量水質監測預警用于水源突發重金屬污染
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.濟南市市政工程設計研究院<集團>有限責任公司，山東濟南250101；2.山東省城市
供排水水質監測中心，山東濟南250021；3.濟南大學土木建筑學院，山東濟南250010；
4.山東省給水處理工程技術研究中心，山東濟南250021)
摘要：采用多維矢量水質監測預警技術，選擇鉻（Ⅵ）和錳（Ⅱ）兩種典型污染物，開展了水源水重金屬類突發污染的水質監測預警研究。結果表明，該技術可用于水源水的重金屬類突發污染的監測預警，默認權重下，鉻（Ⅵ）在0.5 mg/L時實現報警，而錳（Ⅱ）不發生報警，調整權重后在國標限值10倍時實現預警；污染物在多維矢量系統中具有特定多維矢量圖，應根據當地潛在重金屬類突發污染風險，適當調整權重建立本地數據庫，對潛在污染物的種類和濃度水平實現記憶識別，進而用于水源水的水質預警。
近年來，世界性的突發性水污染事件的危害范圍和發生頻率都呈現上升趨勢，嚴重影響了居民正常的生產生活。突發性水污染事件具有偶然性、復雜性、不可預知性等特點，增加了水質監測預警的難度。發達國家在一些大河流域上已建成的比較著名的水質預警系統有美國俄亥俄河預警系統、英國特倫特河預警系統、日本淀川河水質預警系統。而在國內大量的調查研究表明，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，采用多維矢量預警系統，擬通過建立水質基線和動態試驗，確定其多維矢量圖譜和最低檢出限，實現重金屬類突發污染的水質監測預警。
1 材料與方法
1.1 試驗裝置及原理
多維矢量水質監測預警系統（見圖1）由3部分構成：事件監測器、SW1000水質監測面板、高位水箱。事件監測器是系統的“大腦”，其主要功能是模型建立、數據和預警結果輸出、操作通訊等；水質監測面板連接系統的“觸角”，即所有選定的特征水質參數探頭，實現在線監測，對水質數據進行采集、傳輸、顯示；高位水箱的作用是提供水壓、混勻藥劑。
圖1 多維矢量水質監測預警系統
多維矢量水質監測預警系統利用水質在線探頭對水質數據進行采集，根據原水水質性質設置有機物（CODUV）、電導率、pH值、濁度、硝酸鹽氮、氨氮、氧化還原電位（ORP）、溶解氧（DO）8個參數進行模擬，探頭參數以不同權重（指標在整體評價中的相對重要程度）擬合成觸發值（trigger），初始權重為系統自動生成，屬于無量綱數值（如表1所示）。
表1 探頭參數、原理及權重
系統每分鐘獲取一次預警觸發值（trigger），初始設置觸發下限為0.7。一旦有污染物進入水體環境中，探頭采集的水質參數發生相應變化，從而影響trigger值發生波動，當接近或超過觸發下限時，則系統發生報警。對于不同濃度、不同種類的污染物，系統內置的模型分析系統可以建立多維矢量圖進行有效識別，從而達到定性、定量分析的效果。北京奧運會期間，多維矢量系統在奧運村和媒體村內每天24 h連續工作，保障了水質安全和遠程水質監測，圓滿完成了監測預警任務，系統的成功經驗也應用在廣州亞運會和大運會。
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）為試驗污染物，試驗前1 d配制成母液，存于冷藏箱內，試驗當天稀釋到指定濃度。重鉻酸鉀易溶，硫酸錳需要溶解在弱酸性環境中，調節pH值為6.5。
1.3 試驗方法
模擬突發性事件發生的過程，利用蠕動泵向高位水箱中加入試驗污染物并與原水進行混合后，以60 L/h的流量進入流通池，觀察系統的響應時間、系統預警觸發值等預警效果。
2 結果與討論
2.1 水質基線的建立
多維矢量預警系統能夠根據監測到的未出現異常的歷史水質數據匯總而形成本地基線，并根據實時監測到的新數據對基線進行微調，使得到的水質基線符合本地的水質現狀，以保證后期預警的準確性和可靠性。利用多維矢量預警系統對濟南某水廠進水水質進行了14 d的連續監測，確定系統trigger<0.01，這表明原水水質穩定，可進行污染物模擬預警試驗。
2.2 重金屬污染物試驗
以《生活飲用水衛生標準》（GB 5749—2006）中規定的限值為依據，分別配制重金屬濃度為國標限值1、10、20倍的原水進行模擬試驗。系統以計算得到的trigger值作為報警依據，研究發現trigger值>0.7則儀器發生報警。研究發現Cr（Ⅵ）濃度為1 mg/L（國標限值的20倍）時觸發值達到1.5，超過系統設置的警戒值0.7，系統發生報警，而低于此濃度時系統無響應；而Mn（Ⅱ）濃度為2 mg/L（國標限值的20倍）時系統的觸發值約為0.4，無報警響應。隨著濃度的升高，兩種重金屬的觸發值不斷增大，波形越來越陡峭，一個完整波形的事件大約歷時90 min；多維矢量技術對鉻的預警效果要好于錳。
目前應用廣泛的生物在線監測方法為生物魚和發光細菌法。生物魚在線監測發現，斑馬魚對鉻、錳的LC50分別為81.3、161.1 mg/L，在兩種重金屬濃度為國標限值20倍時對斑馬魚的行為抑制強度分別為40%、20%，但響應時間長；鉻作用下發光細菌的EC50為65.4 mg/L，在鉻、錳濃度為國標限值40倍時對發光細菌的光抑制率分別約為40%、30%，響應迅速。多維矢量預警技術可與生物在線監測聯用，實現污染物的初步定性。
2.3 污染物多維矢量圖譜
每種污染物進入多維矢量預警系統后，系統根據測定的8個理化參數，無量綱化后計算為1個八維矢量，為其建立獨特的“指紋”，作為預警識別的依據。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。污染物電解后產生帶電荷的正負離子，因為離子的加入使得電導率變化最為明顯。
圖2 Cr（Ⅵ）和Mn（Ⅱ）的多維矢量圖譜
2.4 權重調節
多維矢量預警系統出廠時對每項參數賦予了固定的權重，依次得出預警的trigger值。前面的研究發現，在此固定的權重下，系統對重金屬錳的預警效果較差，在國標限值20倍的濃度下，trigger值仍未達到報警觸發值0.7。為了提高系統報警的靈敏度，需對參數的權重進行優化調節。根據研究結果可知，重金屬對電導率的影響最大，因而將8個參數中電導率的權重加大后進行了重復試驗。
在模擬報警試驗中，將電導率參數的權重由出廠的8提升為40，當Mn（Ⅱ）濃度為2 mg/L時，trigger值達到0.7左右，系統正常預警；將電導率權重由8提升為60，當Mn（Ⅱ）濃度為1 mg/L時，trigger值達到0.7左右，系統再次預警。由此說明通過改變水質參數的權重能夠提高污染物報警的靈敏度。在實際監測中，應根據本地的潛在目標污染物，設置合適的權重，提高預警的靈敏度。
3 結論
① 多維矢量水質監測預警技術對水源水中重金屬污染物的預警具有選擇性，在默認權重下，Cr（Ⅵ）在濃度為0.5 mg/L時實現報警;而Mn（Ⅱ）不發生報警，調整權重后則在濃度為1 mg/L時實現預警。
② 鉻（Ⅵ）和錳（Ⅱ）在多維矢量系統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分別為電導率和濁度、電導率和ORP，由此可實現對記憶污染物的識別。
③ 多維矢量水質監測預警系統用于水源水的重金屬類突發污染預警時，應根據當地潛在的重金屬類突發污染風險建立本地數據庫，實現系統對污染物的種類和濃度的記憶識別，進而在突發污染發生時進行預警。
（本文發表于《中國給水排水》雜志2015年第17期“技術總結”欄目）
