现场水质自动分析仪：水文现代化与新技术

很多水质参数只能用人工在实验室内进行分析，以达到一定的准确性。这些分析也可以是自动进行的，但不能在野外现场自动进行。为了适应野外自动测量的需要，研制了一批自动分析仪器。这些现场水质自动分析仪能在野外自动采集水样，自动进行实验室里的分析工作，并得到某种水质参数的分析结果。

1.工作原理

水质分析方法很多，原理复杂。主要有下述几种基本原理：

（1）加入某种试剂与待测物反应，直至这种物质消失。测定加入的试剂量，得到某一水质参数含量。同时要应用某种方法测定这种物质反应消失的时间，才能测得加入的试剂量。也可以加入过量的试剂，保证被测物消失，然后再测出加入试剂的残留量。

（2）通过各种光学方法测定某些物质含量，如紫外分光光度仪常被应用，紫外光也被用来催化反应。

（3）使用内置测量电极测量自动分析过程中某种物质的浓度，从而换算得知需测定的水质参数量。

（4）用其他方法转变或消耗掉需测物，再测定转变后的物质量或转变时需要的某种物质量，从而确定需测的水质参数量。

现场水质自动分析仪实际工作时，先将被测水样抽入分析仪中，按不同参数分析要求，水样可能被加热，加入各种试剂，被内部的电极、光学测量器测量。这些过程都是自动的，加热和加入试剂的时间、速度、量以及其他动作都是自动控制的。自动分析结束后，仪器应能自动完成放水、排液、冲洗内部管道等动作并回到等待状态。测得数据能自动处理计算、存储和自动输出。

一个水质自动分析单元只用于分析一个水质参数，同时需要相应的分析试剂。自动分析是一个操作测定过程，需要一定时间。视仪器和被测参数的不同，这一过程多数在数十秒至数十分钟的范围。

水样从被测水体中抽来后，在进入自动分析仪前要进行水样预处理。水样预处理的时间差别很大，水样可以直接进入仪器，也可能要经过沉淀过滤，去除泥沙、杂物等。

2.性能特点

（1）现场水质自动分析仪的特点如下：首先，功能完善，可以分析大多数实验室内才能分析的水质参数。它将实验室分析过程自动化，所以能满足大部分水质参数的自动化监测要求；其次，方法准确，测量准确性高。由于它没有改变公认的标准分析方法，所以它的测量准确度高于电极法，总的来讲可以达到1%～5%的误差范围。

（2）现场水质自动分析仪的局限性如下：结构复杂、庞大，价格昂贵；野外安装难度大；需要设计安装抽取水设备，有时候，抽、取水设备的制造安装成本是很高的；水样预处理以及对仪器和抽、取水管道的清洗比较繁杂。

3.应用

现场水质自动分析仪都安装在一较大的机柜中，也可能在一个机柜中装有一个以上的水质参数测量单元，一般不会超过三个。装有需用的各种试剂的容器也在机柜中，或在机柜下。工作时，仪器会自动将需用的各种试剂定时定量地抽吸入自动分析装置。应用时将仪器安装在离需测水体较近的地点，将测点处的水抽引到仪器水样进口，设置好工作方式就可以自动工作。测得数据均经由标准接口输出。图2.123是两种现场水质自动分析仪的外观图，机柜中是水质参数测量单元，也包括了自动分析装置。左图中的①、②、③、④分别为测量控制部分、水质参数测量单元、管路和分析用试剂，右图是“YZF型水质—高锰酸盐指数测试仪”。

每个水质自动分析仪都是独立工作的，如果几台仪器在同一处测量几个水质参数，就可能需要一台测站设备将这几台水质自动分析仪的测得参数收集起来再传输出去。这台测站设备也可以有检测和控制多台水质自动分析仪的功能，也可以同时接入电极法水质仪。

现场水质自动分析仪可以用于绝大多数水质参数的自动监测，常用于监测化学需氧量（COD）、生物需氧量（BOD）、总碳（TC）、总有机碳（TOC）、总无机碳（TIC）、氨氮（NH4-N）、硝酸氮（NO3-N）、亚硝酸氮（NO2-N）、总氮（TN）、总磷（TP）、某些重金属及其他参数。

图2.123　现场水质自动分析仪

4.现场水质自动分析仪典型产品介绍

以“YZF型水质—高锰酸盐指数测试仪”为例来阐述现场水质自动分析仪的典型产品。

（1）该仪器按国家标准GB 11892—89《水质—高锰酸盐指数的测定》的办法，采用精确的蠕动泵、专门设计的光度滴定传感器，利用光度法检测滴定终点，采用PLC实现监测过程的全自动化，数据自动记录、显示、远程传输。中文操作界面，操作维护方便，测量结果精确、数据重复精度高，适用于地表水高锰酸盐指数的测定，是江河、湖泊水中可氧化有机物含量的测定仪器。

（2）仪器结构由水样采集装置、试样计量器、试剂计量器、氧化反应器、反应终点测定装置、数据显示装置、药液输送装置、试液排出装置、自动清洗装置、程序控制装置、数据传输装置（通信接口）以及机箱、面板等部件组成，如图2.123中右图所示。(www.xing528.com)

该仪器采用温度传感器用于加热器控制，终点判定采用光度法检测颜色变化；采用PLC技术实现滴定过程控制以及数据计算、记录、显示、远程传输，仪器在测量周期可调，使用已知浓度的标准溶液可进行自动标定。同时，根据需要可在任意时间进行手动校准。采用多种安全报警措施，包括电子切换装置，自动校准程序，为用户提供了一个简单的菜单设置程序，以满足使用要求。

（3）工作原理。在反应容器中加入体积计量精确的测试水样，并在样品中加入已知量的高锰酸钾和硫酸，利用酸化的高锰酸钾作为氧化剂把被测水样中的还原性物质充分氧化，为此将消耗掉与被测试样中的还原性物质相当的一部分高锰酸钾，因此，反应容器中的高锰酸钾浓度相应的减少了，减少量正好与被测试样中的还原性物质相当。反应结束后，在反应容器中加入与开始时加入的高锰酸钾等当量的草酸钠。加入的草酸钠与剩余的高锰酸钾发生反应。显见，剩余的高锰酸钾就不足以完全反应掉草酸钠，这样，测试水样中就会有和与被测试样中的还原性物质相当的草酸钠过剩，再用高锰酸钾标准溶液回滴过剩的草酸钠。当所有的草酸钠都被反应掉时，即为滴定终点。此时，仪器会自动把滴定值换算成以mg/L为单位表示的被测试样的高锰酸盐指数值。

（4）主要技术指标。包括工作条件、技术条件、性能等。

1）工作条件。环境温度：1～40℃；环境相对湿度：≤90%；电源功耗：AC（220±10%）V，200W。

2）技术指标。测量原理：酸性高锰酸钾消解、光度滴定测量法；测量范围：0～8mg/L、0～24mg/L；测量准确度：±5%；测量重复性：±3%；单次最大测量时间：50min；最低检出限：0.5mg/L；外形尺寸：50cm×61cm×166cm。

3）性能。在线检测；自动标定和清洗；自动性能检查；通信接口：RS—232C；显示方式：液晶中文图文方式。

（5）特点。考虑到要有较高的可维修性，故具备了故障自动检测报警功能。其平均无故障工作时间均已超过8000h。数据完全与人工测试相一致，不需要按照样品种类或者浓度来校正或标定。仪器维护保养周期长于60天，每次保养时间在30min左右。更换一次新的药液，可持续工作30天以上。

5.现场水质自动分析仪需要的附加设备及设计要点

（1）取水装置。使用现场水质自动分析仪时，可以将取水管的取水头安在水中测点处，直接抽水进入仪器进行水质自动分析。但在大部分情况下，测点离仪器较远，水边线和水位变化较大，对取水点的位置也有要求。这些因素使得要在指定的地点取到水样必须设计安装一套复杂程度不一的取水装置。对取水装置的要求是：取水头应能自动位于要求的地方，能满足于水下一定深度的要求；所有动作都必须能自动运行；有储水、沉淀、过滤，以及自动冲洗容器、管道的要求，还有吹洗管道、除去藻类生物要求。

（2）冲洗和水样预处理功能。取水设备中有一些储水装置和输水管道，应该有完善的自动冲洗功能，才能保证其内部的洁净，满足水质分析对水样的要求。水质自动分析仪自己也需要清洗，一般都具有自动冲洗功能，但需要水源。

天然水体还含有各种物理、生物成分，在进行自动化学分析前要去除水样中这些成分，可能要进行沉淀、过滤、除菌、除藻处理。这些过程也必须是自动化的，还必须能较长时期地免维护工作。

（3）取水装置设计要点。水样采集系统主要设备为采水泵与取水管道。采水泵分为潜水泵和离心泵两种，当取水头位置与站房的高差小于9m，平面距离也不远时一般选用离心泵，否则应选用潜水泵。水质很差时，应选择污水潜水泵。取水管道材质应有足够的强度，可以承受内压和外载荷，具有极好的化学稳定性，以避免污染所采水样。

水样采集系统需要具有保温、防冻、防淤、防藻等措施。

保温的目的是使水样在传输过程中少受环境温度的影响，要求使水样的温度变化不大于2℃。

冬季的冰冻将致使水泵、管道、线路损坏而停止采水，采样系统的采样泵（可能在室内）和取水头应放置在水体冰冻层以下。取水管道应首先考虑敷设在冰冻深度以下，敷设在地面上的取水管道应视情况采取保温和加热措施。

取水管道应铺设平顺并具有一定坡度，尽可能减少弯头数量，避免管道内部存水；设计采水管道管径和流量时应使水样在管道内部有较大的流速，以形成对管壁的冲刷清洗作用。

还可能考虑设置反冲洗措施和一些机械辅助清洗功能，并采用一定的化学清洗方法，以防止淤泥和藻类的形成和生长。但应注意化学清洗对设备、环境造成的二次污染。

一般规定，取水系统提供的流量至少应能满足所有仪器用水量的150%；同时应考虑取水管路的滞后时间不能大于30s。一般情况下，所选用的仪器和设备都有一个对水样流量和压力的适用范围，因此取水系统应使流量和压力值尽可能在这个范围内。否则就可能要设置流量和压力监测及自动调节仪表。

对于泥沙含量较高的水样，因不同仪器对水样的含沙量要求不同，有时需设置预沉淀装置，在进行一定时间沉降后，取其上清液进入仪器进行分析。有时需采取恰当的过滤措施，以除去水样中的细泥沙、藻类等物。沉淀和过滤对仪器正常工作可能是必须的，但会引起堵塞、吸附和藻类生物的生长。应注意有合理的设计和相应的其他配合处理措施。

如系统运行为间断模式，应在每次采样分析后即进行系统清洗；如连续运行，则应每隔数小时进行一次清洗。清洗用水可以用符合要求的自来水源。如果没有自来水源，或自来水不符要求，要自行制备清洗用水。

（4）取水装置的形式。取水装置基本上都是抽水式的，使用水泵抽吸。也可以利用已有的取水管道，从中接取水样，但要注意能达到对取水装置的上述各项要求。在很少数特殊场合，不宜使用抽水式。例如：在很高的垂直岸边，可考虑用取水桶自动升降，直接“打水”。

测量水质时往往需要同时测量流量，以确定排污总量。有些水质自动监测装置会提供一个水位测量值，用以流量计算。如果要达到较高的准确性，应该另外选用流量自动测量设备。