饮用水管网水质重金属浓度遥测研究

吴俊，吴平，朱彤丹，肖金球

（1.苏州科技学院电子与信息工程学院，江苏苏州215009；2.苏州科技学院环境科学与工程学院，江苏苏州215009）

饮用水管网水质重金属浓度遥测研究

吴俊1，吴平2，朱彤丹1，肖金球1

（1.苏州科技学院电子与信息工程学院，江苏苏州215009；2.苏州科技学院环境科学与工程学院，江苏苏州215009）

基于EDTA试剂络合有颜色重金属离子变化为更深色的原理，采用长光程光度比色传感器来监测自来水管网的重金属总量浓度。长光程光度比色传感器采用了GSM-GRPS无线通信传输技术来实现数据的遥传，试验结果表明：此设计符合实时监测的要求。

水质；重金属；在线监测技术

兰州自来水管网发生污染事故，引起全国高度警觉。不言而喻，城乡饮用水管网水质的昼夜监控问题必须重视起来。然而，水质微量重金属浓度的在线监测仍存在一定的技术难点[1－2]。它既要确保监测结果的精准性，又要实现结构简单的自动控制[3－4]。为此，试验采用长光程光度比色传感器进行水质重金属离子（Cu、Cr、Ni）总量的灵敏分析，利用EDTA（Ethylenediamlnetetraacetic Acid）试剂和表观有颜色的重金属离子可生成稳定的络合物（加深了色泽）的机理[5]，实现水溶液微量重金属总量浓度的光度检测。另外，GSM（Global System for Mobile Communications）无线通信传输系统，以GPRS（General Packet Radio Service）分组交换技术[6]，将水质微量重金属总量的检测数据远程接入，实现两地之间快速实时数据传输[7]。笔者经过反复试验研究，取得了较理想的效果。

1 饮用水重金属检测的实验过程

1.1 检测分析水中重金属离子的基本原理

EDTA（乙二胺四乙酸）试剂是特效氨羧络合剂。它能够和很多金属离子生成水溶性络合物。而Cu、Cr、Ni等重金属离子表观溶液本身具有蓝颜色。当它和EDTA发生络合作用，溶液的表观颜色会进一步加深，形成强化的增敏作用。溶液定量比色的灵敏度大幅提升。微量检测效果得到提高。虽然，此方法不能选择性的检测单组分浓度，它只能检测Cu、Cr、Ni等重金属的组合总量（无色的金属离子如Na、Ca、Mg、Fe等不会发生干扰）。然而，EDTA检测方法操作简单，非常适用水质在线自动监控和预警。文中试验以铜为代表，进行重金属总量浓度的检测分析。

1.2 试剂配制

（1）Cu标准贮备溶液：称取CuSO4·5H2O 0.392 9 g，溶于水后，加入1 mL H2SO4（1+4）酸化，以水稀释至1 L。此液浓度为100 mg·L-1；（2）Cu标准使用溶液1 mg·L-1：吸取上述贮备液10.0 mL，以水准确稀释到1 L；（3）EDTA溶液5%（m·V-1）：称取乙二胺四乙酸二钠盐（简称EDTA）50 g溶于1 L水中。

1.3 在线自动检测实验部件

采样电磁阀（DC24 V）、单色激光光源（650 nm）、硅兰光电池组合隔离放大器（输出0-200 mV）、DAM-70 A/D电子模块（RS232输出）、嵌入式WINCE PC（北京兰海微芯公司）、恒流泵（5 mL·min-1）、GRPS数据发送器、长光程比色传感器（500 mm）（直径10 mm玻璃管外套不锈钢材质，玻璃管两端以平面玻璃封口）。

1.4 饮用水管网水质重金属自动监测实验装置（如图1）

图1 管网水质重金属在线自动监测示意图

昼夜自动控制连续监测操作过程：昼夜每隔4 h运行自动监测一次。实时开启电磁阀后，管网的水样直接进入长光程光度比色传感器，进行参比采样检测（吸光值为0）。随后开启低流量恒流泵（5 mL·min-1）1 min，水样和EDTA试剂混合（显蓝色），关阀，即可进行水样显色吸光值测量。激光光源发出650 nm线状单色红光。光电池接收透射的光强I并转换为电流信号，放大后隔离输出0-200 mV，并进入DAM-70型A/D电子模块，实现数据RS232串行输出，WINCE触控PC的应用程序（C#语言编制）采集到实时检测信号数据后，完成吸光值及回归统计运算，最终得到水中重金属总量浓度值（mg·L-1）的结果，然后再将此计算结果数据或通过GPRS无线传输网发送到远端服务器存储。城乡某区域的自动采样检测点，一旦检测到超标数据，远端服务中心即可获得异常的数据信息，并可迅速采取应急对策。

2 长光程比色（500mm）传感检测水质重金属总量浓度

2.1 手动方式绘制水质重金属比色标准曲线（长光程500 mm）

（1）显色步骤：由上述1.2节配制的Cu标准使用溶液（1 mg·L-1），分别吸取0、2.50、5.00、10.00、25.00 mL，加入一组50 mL具塞比色管中。加入1 mL EDTA（5%）溶液，加水至刻度，摇匀。构成不同标准浓度的显色溶液（0、0.05、0.10、0.20、0.50、1.0 mg·L-1）；（2）采用长光程（500 mm）吸光值测定：以手动方式，采用恒流泵分别将不同标准浓度显色溶液注入长光程比色皿，进行650 nm单色光吸光值测定，见表1。

表1 标准重金属溶液（以铜为代表）长光程比色测定

2.2 不同光程的吸收光度法测定水样重金属（EDTA法）

同样，采用上述配制的标准系列重金属溶液（Cu离子溶液），在721型分光光度计上进行吸光值测试。光程长度比色皿厚度选用3 cm，单色光波长选为650 nm。表2分析两种不同光程的光度分析数据。

表2 不同光程的吸光度测定比较

表2数据表明：采用普通721型分光光度计（3 cm比色皿），灵敏度低，误差大，测定效果并不理想。水样微量Cu浓度1 mg·L-1以下，检测不出。采用长光程光度比色传感器（50 cm比色皿），测定灵敏度大增，检测效果较好。最低检测限可达0.1 mg·L-1。水样微量Cu溶液1 mg·L-1，测定的吸光值可高达0.165。实验效果如图2所示。

图2 两种光程光度测定的线性回归图

2.3 长光程吸收光度精确度分析

在试验研究中发现，EDTA（5%）加入量在0.5-2 mL之间测定值较稳定，见表3。通过几次的加标回收准确度实验，效果较好，见表4。

表3 不同EDTA试剂量的检测结果（标样1.00 mg·L-1）

表4 加标回收准确度分析

标量1.00 mg·L-1重复性测定（8次）均值为1.01 mg·L-1，标准方差S为0.015 mg·L-1

估测最低检测限：XL=Xb+3S=0.01+3×0.015=0.055 mg·L-1。其中，Xb为空白值，S为标准差。

2.4 长光程吸收光度法测定水中重金属特点

（1）EDTA和蓝绿色重金属离子发生增敏反应，例如，Cu2+、Cr3+、Ni2+等。增深增敏的显色溶液相当稳定（可达数月之久），吸光值测定数据长时期不变，精密度较高。（2）在线自动监测的机电结构十分简单。只需添加一种化学试剂溶液（EDTA）即可进行光度检测。操作方便，运行可靠。（3）采用长光程光度比色传感器（50 cm比色皿）进行光度检测，增强了微量浓度的分析灵敏度，适用水质重金属自动在线监测和区域预警。

3 无线传感网络数据传输（GSM-GPRS技术）

3.1 水质重金属检测数据的传送

长光程光度传感的数据信号，经隔离直流放大器和模数转换（A/D），直接输入嵌入式WINCE触控PC，完成数据处理。并以一定信令格式和信道单元，加载目标地址，接通GPRS数据发送器（它们是西门子TC35标准的GSM模块），它以小流量动态检测数据的短信发送。

3.2 嵌入式WINCE触控PC的智能作用

WINCE触控PC在仪器设备中：（1）完成对中枢的关键控制；（2）实现人机交互的智能触控操作。PC有两个RS232接口，接口A可以连接DAM-70电子A/D模块，可以从模块中，采集到水质监测的电压数据。接口B连接GPRS数据发送器，它把最终的结果数据发送给远端服务器或者以短信形式发送给某部手机。

3.3 C#语言编制的采集信号和发送结果数据的应用程序

WINCE触控PC机是WINCE操作系统支持的嵌入式微机。采用C#语言完成接口A采集传输来的电压信号，程序代码省略（计算的重金属浓度结果由B口输出，C#语言程序代码省略）。

3.4 无线传感网络在水质自动监测中的优势

城乡饮用水管网星罗棋布，通过多节点的在线水质仪器自动监测，实时监测数据可以通过无线通信方式形成一个网络系统。而GPRS统一的通信协议、大量的IP地址以及先进的通信技术构成了它的优势。相比较而言，GPRS技术充分利用了GSM网络中个别带宽的信道资源，具备了实施速度快、漏误码低、采集数据实时性强等特点。它的广域式无线远程小流量数据连接极为突出。GPRS是先进的无线通信技术，它的运行费用非常低廉。我国的饮用水管网水质的自动监管需要城乡多点布局及昼夜传感检测水质数据，并能快速实现与远程监管中心间的数据通信。

4 结语

环境水体的污染可能会引发饮用水管网水质的变化。全国各地已经发生多起恶性事故。因此，强化构建城乡多个管网水质自动监测点，非常重要。一旦发现水质（如重金属）不正常，即可从上至下引起事态警觉，可以迅速赶往现场区域，进行深入取样分析[8－9]，排查事故。笔者研究了长光程光度传感及EDTA络合比色方法，这是一种简单稳定的重金属在线检测手段。而GSM-GRPS无线数据传输又是使用可靠的数据遥传技术。今后一定会在实践应用中得到进一步发展。

[1]孙立岩，姚志鹏，薛荔栋，等.浅谈地表水重金属污染监测现状及对策[J].环境监控与预警，2012，4（6）：29-31.

[2]贺鹏，孙海林，左航，等.镉水质自动在线监测系统的安装和建设[J].环境科学与管理，2013，38（4）：121-126.

[3]张能，任杰，王设计，等.生活饮用水水质在线监控平台建设[J].自动化与仪器仪表，2013（6）：35-37.

[4]吴俊，吴平，张妮，等.自来水管网水质总悬浮颗粒浓度的昼夜监测[J].环境研究与监测，2014，27（3）：15-18.

[5]华东理工大学化学系，四川大学化工学院.分析化学[M].5版.北京：高等教育出版社，2007：107.

[6]张俊涛，姜澜波，陈晓莉.基于无线传感网络的城市照明控制系统[J].测控技术，2013，32（7）：53-56.

[7]商孔明.基于无线传感器网络和GPRS的温湿度远程监控系统[J].科学技术与工程，2012，12（24）：234-237.

[8]翟慧泉，金星龙，岳俊杰.重金属快速检测方法的研究进展[J].湖北农业科学，2012，49（8）：1995-1998.

[9]中华人民共和国卫生部，中国国家标准化管理委员会.GB/T 5750.4-2006生活饮用水标准检验方法[S].北京：中国标准出版社，2007.

Study of heavy metal remote measure of water quality in the drinking water networks

WU Jun1，WU Ping2，ZHU Tongdan1，XIAO Jinqiu1
（1.School of Electronic&Information Engineering，SUST，Suzhou 215009，China；2.School of Environmental Science and Engineering，SUST,Suzhou 215009，China）

Based on the principle of EDTA complexing with heavy metallic ions deepening the color of the solution,the concentration of the metallic summation of drinking water can be measured by long-optical-path colorimetric sensor.The long-optical-path colorimetric sensor adopted GSM-GPRS wireless communication transmission technology to transmit data remotely.The experimental results show that this design meets the requirements of real-time monitoring.

water quality；heavy metal；online monitoring technology

X84

A

1672－0687（2015）02－0069－04

责任编辑：艾淑艳

2014－09－12

江苏省科技厅前瞻性产学研基金资助项目（BY2011132）

吴俊（1978-），男，江苏苏州人，工程师，硕士，研究方向：无线环境传感网络，人工智能。