远程监控饮用水管网水质低浓度氨氮

吴 俊， 吴 平

(苏州科技学院 a. 电子与信息工程学院; b. 环境科学与工程学院， 江苏 苏州 215009)



远程监控饮用水管网水质低浓度氨氮

吴 俊a， 吴 平b

(苏州科技学院 a. 电子与信息工程学院; b. 环境科学与工程学院， 江苏 苏州 215009)

水质氨氮是污染分级的敏感参数，针对管网饮用水的低浓度氨氮的昼夜遥测具有方向标的警示作用。水质氨氮浓度检测普遍以纳氏试剂吸收光度分析法为检测依据,然而，该方法采用的短光程光度法，分析灵敏度较低。长光程光度法可以提升在线检测低浓度结果的准确度效果。另外，自动控制笼头水阀实现昼夜实时采样，可进行管网水质氨氮的定时监测，测量的电信号迅速由嵌入式PC机完成统计运算，并通过GPRS及时传输给远程服务器。

水质氨氮浓度； 长光程光度传感； GPRS无线网络通信

0 引 言

我国7大水系中30%河段水质污染超标，污染物主要以氨氮、挥发酚和耗氧有机物为主。环境水体导致管网饮用水污染每年频发千余次。近来,兰州的管网水质污染是一起重大的恶性事故，它引起了全国高度警觉。自来水在供水过程中，管网的工程接缝、陈旧的管材、水箱侵蚀和二次供水的污染等因素都会继发水质变化。其中，水质的氨氮是敏感指标，一旦受到环境污染，管网自来水氨氮浓度即会发生剧变波动。剖析氨氮数据即可快速查清管网过程的突发污染原因，因此，它是监控预警的方向标[1-9]。

按照《生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)》饮用水源的一级标准应小于0.5 mg/L，因此，研究管网低浓度氨氮的灵敏在线检测技术，意义较大，尤其针对突发事故的污染分级预警，更为重要。以标准方法(纳氏试剂法)为基础，采用长光程(13 cm)光度检测技术，取得灵敏度高，精密度好等效果。另外，利用GSM无线数据通信系统，以GPRS分组交换技术将数据远程接入，实现两地之间的快速传输。经过反复试验研究，效果比较理想。远程数据传输和智慧网络管理，不仅可对管网水质事故点作出快速判断，而且能摸清污染范围，加快处置速度，使水质危害降到最低限度。

1 管网自来水氨氮检测的试验

1.1 纳氏试剂分光光度法(GB7479-87)

水中氨氮与纳氏试剂生成黄棕色胶态化合物。酒石酸钾钠可以掩蔽水中钙镁铁等离子的干扰。

水样采集为50 mL，加入1 mL酒石酸钾钠溶液，匀后加入1.5 mL纳氏试剂，匀后静置10 min，在420 nm处以长光程(13 cm)进行吸光值测定。

1.2 试 剂

酒石酸钠钾溶液(50%)：称取50 g酒石酸钠钾溶于100 mL水中。

纳氏试剂：称7 g碘化钾和10 g碘化汞溶于50 mL水中，缓慢加入氢氧化钾溶液(30%)50 mL中。

铵标准贮备液(1.00 mg氨氮/mL)：称3.819 g干燥氯化铵溶于水中，稀至1 L容量瓶。

铵标准使用液(0.010 mg氨氮/mL)：移取10.00 mL铵标准贮备液，稀至1 L容量瓶。

1.3 自动检测的实验部件

采样电磁阀(DC24V)；发光单色光源(420 nm)；硅兰光电池组合隔离直流放大器(输出0-200mv)；DAM-70 A/D转换电子模块(RS232)；嵌入式触控 PC(北京兰海公司)；恒流泵(5 mL/min)；镀膜直角玻璃棱镜；GPRS无线数据发送器。

1.4 管网水质氨氮自动检测实验装置[10-11]

如图1所示，嵌入式触控PC机实时控制电磁阀和液泵，可进行昼夜自动周期监测，每隔4 h自动运行1次，启动时打开电磁阀，水样自动进入玻璃反应器(直径65 mm)，溢流管可使水样达50 mL，开启恒流液泵加1 mL酒石酸钾钠溶液，匀后加1.5 mL纳氏试剂。静置10 min，长光程光度比色测试吸光值(单色光420 nm，光程长度13 cm)。

图1 管网自来水氨氮自动监测示意图

1.5 注意事项

(1) 应选用优质酒石酸钾钠溶液(避免干扰离子)。配制的溶液应加碱达pH 12，最好用前煮沸10 min后再使用(减少溶液中铵空白)。

(2) 管网水质氨氮浓度一旦超标0.5 mg/L，即应预警检查该区域管网的水质污染原因。

(3) 在线监测周期运行结束后，设置程序可以连续开启电磁阀，利用自来水来冲洗净反应器的剩余液。

2 测定结果分析

2.1 长光程吸收光度测定

采用国家氨氮标准溶液GSB05-1145-2000(500mg/L)或自配铵标准使用液(10 mg/L)进行比例稀释。在多支50 mL容量瓶中，配制0.050,0.100,0.200,0.300,0.400和0.500mg/L氨氮标准溶液50 mL。并加1 mL酒石酸钾钠溶液，匀后加1.5 mL纳氏试剂，匀后放置10 min，以发光二极管420 nm单色波长处，长光程为13 cm，测量吸光值。

2.2 普通分光光度和长光程光度实验比较

优质饮用水氨氮浓度很低，国家标准规定必须低于0.5 mg/L。采用钠氏试剂进行检测分析，结果如图2所示。选用不同光程进行光度分析，其检测的灵敏度有显著性差异，两种测定的回归方程斜率数据差异较大，显示长光程光度测定具有较高灵敏度，以此可提升低浓度检测的精确度。

图2 两种光程光度测定线性回归图

2.3 长光程光度检测的精密度和准确度分析

将氨氮标准使用液(0.01 mg/mL)20.0 mL移入1 L容量瓶，并用无氨蒸馏水稀至刻度，摇匀。此液为0.200 mg/L氨氮标样溶液。将此作为标准水样，连续进行7次长光程氨氮检测,测定值分别为：0.200，0.200，0.201，0.202，0.199，0.200，0.201 mg/L，平均值0.200 mg/L,偏差RD0.001 mg/L,相对偏差RSD=0.5%。

加标试验1：吸取氨氮标准使用液(0.01 mg/L)5 mL，置于另配的氨氮标样溶液(0.200 mg/L)1 L体积中，此液构成原试样为0.200 mg/L，加标量为0.050 mg/L的水样溶液(加标水样)。进行加标试验及回收率计算，如表1所示。

表1 准确度分析(加标回收率)

配制极低浓度氨氮标样0.011 mg/L(约估值检出限LOD的3～5倍)，进行测值5次的精密度分析，测定值分别为：0.011，0.013，0.011，0.012，0.014 mg/L，计算出标准偏差RD=0.001 8。依据LOD=3RD/K(K为测值线性回归方程斜率)，计算最低检出浓度LOD=0.004 mg/L。

3 无线传感网络的数据传输

3.1 管网水质氨氮自动监测遥传

昼夜水质周期监测可以按要求进行，一般控制几小时1次的自动采样和水质检测。长光程光度传感的数据信号经过隔离放大器和模数转换(A/D)，直接输入嵌入式WINCE触控PC机(现场机)。触控PC起到承上启下的智能作用，一方面它要完成控制中枢的关键作用;另一方面还要实现人机交互的触控操作。它设有2个RS232接口，接口A可接收实时检测的信号数据;接口B则连接专用GPRS数据发送器，可把换算的数据按格式要求发送到远端服务器或以短信形式发送给某部手机。远端服务中心收到数据，并实现存储及打印功能，还能再次通过GSM网络发送给更上一级监管中心[12-16]。

3.2 采集信号和发送结果的应用程序

WINCE触控PC机是现场专用的嵌入式微机，它实施的是WINCE操作系统。本文采用C#语言编制应用程序，实现接口A(RS232)传输来的氨氮化学检测数据，部分代码如下：

for (int i = 0; i < 10; i++)

{sum = 0.0;

for (int j = 0; j < 10; j++)

{temp = "";

sp1.Send(t1);

Thread.Sleep(100);

temp = sp1.Recieve(50);

temp = temp.Trim('>');

data[i, j] = Convert.ToDouble(temp);

sum = sum + data[i, j];

this.progressBar1.Value += 1;}

avgtemp[i] = sum / 10.0;}

sp1.Close();

sum = 0.0;

for (int i = 0; i < 10; i++)

{sum = sum + avgtemp[i];}

sum /= 10.0;

textBox1.Text = sum.ToString();

嵌入式PC采集到检测数据后，由编制的应用计算程序计算出氨氮结果值，再通过数据发送应用程序传到专用GPRS器，并通过无线数据网送达终端服务器,实现感知层面传递到网络应用层面的过程。发送数据的C#语言程序详细代码从略。GPRS统一的通信协议，大量的IP地址以及优等的通信技术形成了优势。相比较而论，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，在我国管网自来水监控方面应用推广价值较大。

4 结 语

自来水管网水质受到环境水体的污染事故，每年全国频发高达千余起。因此，构建城乡管网水质自动监测点，是很重要的水务战略目标。水质氨氮昼夜在线的监测可对突发水质污染，发挥监控和预警作用。试验研究长光程传感技术，解决了自来水低浓度氨氮在线精准检测的难点问题。实现了高灵敏监控水质污染的目的。一旦管网监控发现异常问题，便可及时赶往现场区域，进行深入取样分析[17]，排查事故原因。本研究成功采用GSM-GPRS无线数据传输手段，强化了管网水质数据的昼夜遥传，进一步实现了“智能水务”的目标。

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Remote Monitor on Low Concentration of Ammonia Nitrogen of the Water Quality of the Drinking Water Network

WUJuna，WUPingb

(a. School of Electronic and Information Engineering; b． School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China)

The water quality of drinking water network is vulnerable to the pollution accidents. Therefore, it is necessary to enforce the observation nodes and remote automatic monitoring of water to alarm the pollution accidents. Because the ammonia nitrogen in water is a sensitivity index of pollution, the pollution accidents could be early warned to study and develop the online monitor device of low concentration of ammonia nitrogen. The nowadays experiments adopt Nessler absorption spectrophotometric analysis method of national standards as test basis. But it contains short-optical-path method which leads to relatively low analytical sensitivity. The new technology of long-optical-path sensor could obtain the low concentration of ammonia nitrogen sensitively. Besides, the automatic-controlled tap water valve could realize real-time sampling day-and-night, which could carry on the periodic monitoring the ammonia nitrogen of the water quality. By using GSM-GPRS wireless data transmission system, the device could timely transmit online analyzed data result of ammonia nitrogen to remote server.

water quality of the concentration of ammonia nitrogen; long-optical-path colorimetric sensor; GPRS wireless network communication

2015-04-13

吴 俊(1978-)，男，江苏苏州人，硕士，实验师，从事计算机图形学、无线环境传感网络、人工智能研究。

Tel.：18605120934; E-mail:wujun_szusts@163.com

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A

1006-7167(2015)12-0040-04