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1、重大科学仪器设备项目WQMS水质自动监测系统项目名称： WQMS水质自动监测系统 牵头单位： 合作单位： 填报时间： 青岛海纳光电环保有限公司 青岛崂山应用技术研究所 二一四年九月 WQMS水质自动监测系统 目 录1.项目概括11.1项目意义和必要性11.1.1项目意义11.1.2产业化前景分析31.2国内外现状和发展趋势41.2.1 国内外技术、产业发展和应用现状及趋势41.2.2国内外专利申请情况91.2.3目标科学仪器设备与市场同类仪器对比情况112.技术方案与产品实现142.1水质在线监测系统的发展历程142.2 水质自动监测技术发展方向152.3 技术方案172.3.1总体方案172
2、.3.1.1原理框图172.3.1.2程序方案182.3.2分析仪器选型要求232.3.2.1水质在线监测分析仪器主要监测的参数项232.3.2.2 通常标准监测项目232.3.2.3自动监测仪器分析方法232.3.2.4在线监测仪器选型要求242.3.3水质自动监测系统建设说明292.3.3.1系统构成及性能要求292.3.3.2 控制系统及中心软件312.3.3.3 水质自动站监测系统主要参数要求332.3.3.4水样预处理系统373现有工作基础523.1牵头企业青岛海纳光电环保有限公司基础及发展能力523.1.1生产经营状况及管理水平523.1.2 产品研发投入及研发能力523.1.2.
3、1 研发机构情况523.1.2.2 研发投入、研发队伍情况533.1.2.3 技术创新情况533.1.2.4 产学研合作情况543.1.2.5 产品产业化能力543.2合作企业青岛崂山应用技术研究所基础及发展能力54121.项目概括1.1项目意义和必要性1.1.1项目意义 近年来我国水污染问题十分突出。据有关部门对118个城市2-7年的连续监测资料显示：约有64%的城市水遭受了严重污染，33%的城市水受到轻度污染，基本清洁的城市水仅有3%；全国近20%的城市的集中式水水源水质劣于类，部分城市水饮用水水源水质超标因子除常规化学指标外，甚至出现了重金属（如汞、铬、镉、铅、砷等）、有机物（如苯、四氯
4、化碳、三氯乙烯等）和“三氮”（氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮）等有毒有害污染物。特别是近年来的一些地区的无良企业直接将污水注入地下，造成水的严重污染，引起了社会、民众的广泛关注和国家环保管理部门的高度重视。加强水污染监测能力建设是我国水污染防治工作的重要任务。2011年由国务院批复的全国水污染防治规划（20112020年）（以下简称规划）中明确将建立健全水环境监管体系列为8大任务之一，规划中明确指出，“加大对水环境监测仪器、设备的投入，建立专业的水环境监测队伍”，“建立水污染突发事件应急预案和技术储备体系”，“到2015年，全面建立水环境监管体系，到2020年，水环境监管能力全面提升”。国务院近日
5、批准的华北平原水污染防治工作方案中提出，“针对华北平原城镇集中式水饮用水源补给径流区布设水环境监测网，组织开展水质例行监测，每年至少开展一次全指标分析，重点加强重金属、有机污染物和“三氮”污染指标监测。提升检测能力是我国水监测技术体系发展的迫切需求。目前我国水监测网分属环保部、国土部、水利部规划和管理，共有水监测站24515处，主要分布在黄淮平原、华北平原、东辽平原、长江三角洲等地区以及全国217个开发利用水的城市及大中型水水源地，随着我国水监测网络的不断完善，在一些水重点污染源，（如简易垃圾填埋场、危险废物处理处置场、废弃矿井、加油站、农业活动区等）将会增加大量的新监测井，水监测能力本已不足
6、的问题将更加突出。因此，建立和发展水检测技术体系，提升我国水检测能力是当务之急。发展野外现场检测技术是保障水样品高效准确检测重要手段。水环境及样品特点决定了要科学地、准确地获取其某些监测指标和污染物含量水平必须进行野外现场监测。首先，水特殊的黑暗、低温、贫氧状态决定其某些特征指标易在样品从地下转移至地表、从采样现场运输至分析实验室过程中受外界环境的变化而发生不可逆转的改变，如温度、溶解氧、氧化还原电位等，从而干扰关键指标因子的分析，加大指标检测误差产生风险；其次，水环境中污染物含量水平多为ppb至ppt数量级，且样品采集量大，富集倍数高，运输保存较为不便；再者，某些污染物或容易被吸附在采样器具
7、上（如痕量金属），或易于从溶液体系中挥发至空气中（如VOCs），从而影响水污测数据的准确性与客观性。基于此，本项目拟开发一套国际先进的水污染采样与检测一体化设备。该设备可实现水代表性样品采集，重金属、挥发性有机化合物（VOCs）、微生物准确检测，并可集成水水位、水温、硝酸盐等指标，对水污染状况进行更加全面、精确、快速的现场监测并建立技术示范。本项目的实施填补我国在水野外现场监测设备的空白，有利于提升我国水环境监测设备的国产化水平，有利于推动我国水环保产业的发展。1.1.2产业化前景分析如前所述，我国水污染防治工作在近些年得到了国家和社会的广泛重视，随着这一工作的广泛、深入的开展，对水现场采样与
8、监测等仪器和设备的需求将大幅增加。规划中明确提出 “加大对水环境监测仪器、设备的投入，建立专业的水环境监测队伍”，以逐步适应和满足我国在水环境监测方面的需求。按照规划提出的目标，我国将在未来几年内健全水环境监测体系，初步估算，需新增井5万处以上，水的监测工作量将提高2-3倍。目前，在我国具有水监测能力的单位主要是省级监测站和一些专业的分析测试公司，随着水监测任务量的增加和监测技术的发展，各市或者是县级的监测站将逐步承担水监测的任务，这将形成广阔的水监测仪器与设备的市场，特别是对一些能够实现准确、快速的现场采样与检测一体化设备的需求将大幅增加。由于样品采集与分析的特殊性，获取科学准确、有代表性水
9、数据的最有效途径是发展和完善水野外现场监测技术，实现一些在样品运送过程中易造成质量损耗的监测指标的现场分析。目前我国在水现场采样与监测一体化设备方面尚处空白。因此，在当前我国水污染防治工作逐步开展，对监测技术和设备有迫切需求的背景下，开展科学准确、快速的现场采样与监测一体化设备产品研发与产业化推广具有良好的前景。 1.市场前景分析目标仪器预期价格范围（万元）同类仪器国内市场需求规模预测（提供2015年、2016年两个年度的预测数据）项目完成后进入国际市场规模预测3502015年5000万2016年10000万20000万2.目标科学仪器设备潜在用户分析序号需求单位名称主要应用领域拟解决的主要问
10、题1环境监测站水饮用水源地日常监测与水突发性事故应急监测解决水环境监测污染物浓度准确性以及工作效率，完善水环境质量监测网，提高水环境监管能力。2水利相关部门水环境监测移动式快速监测水资源污染状况。3国土资源相关单位水资源污染状况监测移动式快速监测水资源污染状况。4科研单位科学研究工作解决野外采集样品，送样分析获取的数据不准确的问题，避免研究工作中出现的误差。5环保企业污染修复监测提高实际工程效率，减少实验室分析时间长所产生的工程停滞问题。1.2国内外现状和发展趋势1.2.1 国内外技术、产业发展和应用现状及趋势水采样技术及设备大多依靠进口，开发我国自主知识产权的水采样技术与产品是必然趋势。水样
11、品采集技术先进与否直接关系到环境监测数据真实性和可靠性。目前，发达国家在水污染调查取样、检测技术研究、设备开发、以及技术应用等方面已取得了很多的成果。我国的水采样技术及设备大部分源自进口。在国外，水采样设备发展过程是从最初的只取出水样品到采集具有一定代表性的水样品，再到无扰动、定深度、科学的采集水样品。在这个发展过程中，科研人员通过不断改进和研发新设备解决采样时遇到的各种问题，并先后研制了一批针对不同问题的采样设备。目前市场上或研究单位的水采样设备主要有：贝勒管、惯性泵、蠕动泵、气囊泵、离心潜水泵、齿轮泵、活塞泵等。这些已有的设备在实际应用中既有自身的优点也存在着各自的不足。总体来说，目前国内
12、的现有水采样设备应用所面临的问题主要有：样品采集前，洗井会对水体扰动较大同时也会增加采样时间和采样成本；样品采集过程中，设备会对水产生不同程度的扰动；部分设备的配套设备过多，降低了设备可操作性的同时也增加了维护成本；国外进口设备价格昂贵，难以普及。因此，借鉴国外的先进技术方法，开展无需洗井且无扰动水采样设备研发工作是未来水采样设备研发的必然趋势，也将促进水污染调查工作的快速发展。重金属、挥发性有机物以及微生物现场检测是水检测技术手段发展的方向现阶段，水污染监测手段主要有现场测试和实验室分析，由于自身技术的局限性，目前对于水环境中污染物，特别是重金属、挥发性有机物、微生物的准确检测还未能实现，但
13、这几类污染物的分析检测技术也有了长足的发展。重金属：目前，对水中重金属的检测技术，国内外多停留在实验室阶段，最常用的方法是原子吸收分光光度法（AAS）、原子荧光分光光度法（AFS）、电感耦合等离子-质谱法（ICP-MS）、电感耦合等离子体-发射光谱法（ICP-AES）、化学比色法和电化学分析方法。其中石墨炉原子化原子吸收分光光度法（GF-AAS）是现行大多数重金属分析的标准方法之一。一般情况下原子光谱分析技术（如AAS、AFS）一次仅能分析一种元素。尽管配备多个空心阴极灯和探测器的多通道原子光谱技术可以同时实现几种重金属污染物定量分析，但这种技术无疑增加了系统的复杂性和成本。电感耦合等离子-质
14、谱法和电感耦合发射光谱法能够同时分析多种元素，且检出限较低。除此之外，液相中重金属检测方法还包括X射线荧光法、中子活化法、离子色谱等等，以及在此基础上的联用技术等。但是，上述提及的仪器价格昂贵、结构复杂、体积较大、原子化的温度极高，这些特点都给仪器微型化带来了巨大挑战。另外上述方法的运行成本也很高，很难实现重金属污染物的现场分析。国内外真正应用于水中重金属现场分析的技术主要是阳极溶出伏安法和光学比色法。这两种方法都需要人工参与，自动化程度不高；阳极溶出伏安法受复杂样品干扰较大，其重现性、准确度难以满足现场分析要求。而光学比色法检测水环境重金属时，由于谱线重叠引起的光谱干扰比较严重，导致该方法的选择性差、检出限太高。如果样品存在一定浊度，测量的结果会更加不准确。随着光谱技术的完善，基于介质阻挡放电技术的低温微等离子体激发源发射光谱法是近年来在光谱分析领域出现的一种崭新的分析手段。该技术的激发源是低温等离子体，其具有工作温度低（室温）、能耗少（数瓦）、体积小（数厘米）、激发能力强（能激发20余种重金属）等优点，是实现原子发射光谱仪器微型化的关键。也是极具价值、非常有前景的分析工具。由于水中重金属含量较低，且水质量标准GB/T14848-93中规定的重金属检出限极很低（ppb数量级），因此采用电沉积技术对水样中痕量重金属进行预富集
