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水质实时监测

时间:2020-12-10   访问量:355

水资源水质控制与管理对于为公众提供清洁、安全的水十分重要。由于其面积大,收集、分析和管理大量的水质数据至关重要。水质数据主要通过人工现场采样收集,最近实时传感器监测越来越多地用于高效数据收集。然而,实时传感器监测仍然仅依赖于几个参数,如水位、速度、温度、电导率、溶解氧 (DO) 和 pH。虽然先进的传感技术,如高光谱图像(HSI),已被用于藻类开花的线监测,其他水质传感器的有机化合物,磷(P)和氮(N)仍然需要进一步发展和改进,为现场应用。利用信息和通信技术(ICT)和传感器技术,在监测、传输和管理外地水质数据,从而发展有效的水质管理方面显示出巨大的潜力。本文综述了信息通信技术和领域适用传感器技术在水质监测方面的最新进展,主要关注河流、湖泊等水资源,并讨论了面临的挑战和未来的方向。


水质监测的传感技术


近年来,对水生环境和资源的自然和人为压力显著增加。为了保护水体的完整性,并加快人类系统应对生态危急情况(如洪水、富营养化和近海溢油)的效能,有必要开发水质监测系统,为快速数据分析提供实时测量。了解水质趋势需要详细和广泛的覆盖水质波动在多个时间尺度,是地区依赖。例如,沿海边缘受到沉积物和养分的偶发性输送,这些沉积物和养分可以通过养分和有毒物质的负荷输送和再悬浮影响珊瑚礁生态系统,这可能在洪水事件期间造成生态威胁。河流和溪流等过渡性水道也受到高污染的影响。管理机构的水质监测传统上成本高昂、耗费人力和耗时,样本收集在时间和空间尺度上是可变的。历史上,船只和船只等船只需要到达感兴趣的监测地点,这些监测点装有笨重的仪器,需要手动处理才能收集样品,然后必须运回陆上实验室进行分析。这种漫长而乏味的过程可能非常昂贵,导致信息不能完全代表时间的变化,因为采样和分析之间的延迟会损害样品的完整性。

水质评估包括物理、化学和生物指标。常见的相应参数包括pH值、电导率(EC)、溶解氧(DO)、浊度、温度、总有机含量、总悬浮固体(TSS)和营养物质浓度,如氮(N)和磷(P),它们代表水的污染程度。通常,传感器检测来自环境的刺激,这些刺激被转换为信号(例如 mV 和 pA),并存储在数据平台中以供进一步使用。无线水质监测系统包括几个步骤:数据收集;信号处理,如噪声控制;数据放大和传输;和数据管理,包括计算过程。Geetha 和 Gouthami (2016) 指定了以下三个步骤:首先,现场水质数据由无线传感器收集,并通过无线或有线系统传输到控制器。其次,数据传输系统将收集的数据从控制器传输到数据存储云。最后,云中存储的数据用于系统的分析和操作。


化学监测传感器

化学传感器最常见和最广泛的溶质是pH和硝酸盐(NO3+)。传统上,水化学监测是通过自动水样机进行的,但由于需要定期采集样品和实验室分析,因此费用很高,而且这些方法受到性能和试剂浪费的影响。分光光度计使河流动力学的高频采样得以进行。对于其他吸水剂,湿分析化学仍然是最可行的方法,"片上实验室"传感器技术降低了功率要求,同时减少了与光学吸收度测量相关的异常和干扰。也有可部署的光学传感器,如荧光计,能够测量光合作用颜料和有机物质,如Chl-a。

作为水质的指标,pH值被定义为氢离子(H+)浓度的负对数,表示水是酸性还是碱性。pH 值范围为 0~14,如果 pH 值分别低于或高于 7,则水样为酸性或基本值。高值和低pH值可对人体健康造成有害影响。通常,通过测量工作 pH 探头与参考电极之间的电位差来测量 pH 值。电极的电压输出 (mV) 和水样的 pH 值之间有直接关联

根据Mills和Fones(2012年),有两种主要方法测量pH位:(1)电位测量,使用压力平衡玻璃电极和Ag/AgCl参考探头,和(2)光纤,使用直接添加到测试溶液或放置在传感细胞/矩阵中的指示器染料。然而,虽然这些技术具有出色的精度和精度,但它们非常适合流经系统,并观察在研究船上工作最佳。此外,他们指出,流量注入分析仪(FIA),包括泵,探测器,和狭窄的管歧管,可以提供一种光谱方法,其彩色产品后试剂可以通过可见波长光谱或荧光测量检测。然而,FIA 方法受到水体大变化的影响,这些变化可能导致数据收集中的明显偏差。因此,FIA 可能最适合更深层的环境,如热液喷口位置,或局部和包含的水体

电化学传感器和生物传感器也是潜在的可行水质监测方法。市售的 CDT 仪器使用电导度电极测量盐度,Ag2S 电极测量硫,以及电位测量方法检测氧气和一氧化二氮。磷酸盐离子电极是传感系统最重要的部分之一,由于Co是磷酸盐敏感电极材料,因此建议使用钴(Co)基磷酸盐微电极。微机电系统(MEMS)与微电极阵列传感器结合,用于磷酸盐检测,具有足够可靠的原位测量和多分析检测,样品量小;但由于微电子阵列传感器的配置,在高流量或湍流水环境中可能很脆弱[30]。微流体器件可与电化学和光学传感器集成,用于微通道系统中重金属、营养物质或病原体的水质监测。使用微流体的优点包括需要少量的样品、更好的处理控制、减少废物产生和系统紧凑性。

生物传感器通常根据识别单元的类型或传感器的性质进行分类;DNA、酶、免疫系统和受体蛋白可由电化学、化学和压电机制为基础的转导成分支持。电化学传感器和生物传感器具有高度特异性、灵敏度,可在各种矩阵中工作,但工业生产和长期部署通常因校准和验证困难而变得复杂。生物传感器在环境中应用不广泛,在原位水监测中应用较少,但在研究饮用水净化或水处理厂以检测活生物体(如寄生虫和病原体)时具有一定的潜力

尽管原位传感器具有突出和广泛使用性,但收集样品所需的手动操作和仪器仍存在许多缺点。过滤和未经过滤的水样通常收集,冷冻,并分析在实验室,使用光化学方法总氮(TN)和总磷(TP)。CDT 探头和插件设备价格昂贵且笨重,限制了它们在敏感传感器网络中的角色。必须进行就地取样,通常是对需要大量时间、努力和财政支持的研究船进行,以便到达感兴趣的领域。在Adamo等人(2014年)的研究中,一个符合标准的海水探针被用来指示水富营养化,但它无法识别垂直水柱的组成,只提供与固定深度相关的信息。压力感应自动传感器需要对数据进行线性插值,以提供高质量的时间匹配观测值,而异常的消除可能会导致数据缺失。精密校准设备(稳定的试剂和标准)、支持基础设施(如流量系统和间隔频率一致性)是影响就地监控的主要问题。硝酸盐传感器特别需要一致的清洁来去除生物膜或不需要的污染物。此外,在长期部署期间很难保持校准参数


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