移动水质分析技术——应用与发展

　　迄今为止，移动水质分析技术还没有权威的明确定义，不过，顾名思义，相对于仪器安装位置相对固定的实验室水质分析和在线水质分析这两种分析技术而言，移动水质分析技术，是指通过间断或连续移动水质分析仪器设备，以缩短待测水样和水质分析仪器设备的空间距离为手段，实现水质快速、实时、现场就地分析的技术。通过移动水质分析技术，实时获得水质数据，可以对水质状况进行快速评估，还能够从三维尺度对水深或岸线变化给水质带来的影响进行立体分析;也可以实时分析在广大的水域范围内，由于水的流动性和其他因素所引起的水质在时间和空间上的变化。

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　　传统的移动水质分析技术

　　移动水质分析技术，是在水质现场快速分析技术的基础上发展起来的，最初是用于满足水质现场快速分析的需求(有些水质参数如：水温、透明度、电导率、残余消毒剂、溶解性气体等，由于水样保存条件的要求和限制，其最佳的测试地点就是现场)。采用现场快速分析，既能节省用户将样品带到实验室的时间，还可防止样品在运输过程中的成分改变，及时获得更准确的分析数据。

　　标准和规范对“现场与原位监测”提出了要求

　　在我国HJ/T 91《地表水监测技术规范》中，就明确规定：“凡能做现场测定的项目(pH、溶解氧、水温、电导率、透明度、盐度等)，均应在现场测定，并尽量原位监测。” 在HJ/T166《地下水监测技术规范》中，也对现场测定的水质指标作了相应要求。HJ91.1《污水监测技术规范》中，也明确要求：“水温、pH 值等能在现场测定的监测项目或分析方法中要求须在现场完成测定的监测项目，应在现场测定。”最近倍受关注的黑臭水体，仅用了4个水质参数作为黑臭等级的评估依据，其中透明度、溶解氧(DO)和氧化还原电位(ORP)3个参数都要求采用现场分析。

　　移动水质分析技术自出现以来，由于其具有不需要固定的检测场所，试剂和仪器都是可携带的，检测速度快、操作简便，非水质分析专业人员也可熟练掌握等众多优点，在许多领域都得到了应用和发展，有了明确定义和详细的技术要求，如在卫生监督领域，其特定的名称叫做“现场快速检测”(Rapid Detection)，主要用于对食品和水以及其他涉及卫生健康安全的产品进行现场快速监测，相应的行业标准是WS/T458《卫生监督现场快速检测通用技术指南》;在环境保护领域，叫做“应急监测”(Emergency Monitoring)，是指在突发性环境事件发生后，为发现和查明环境污染情况和污染范围而进行的环境监测，具体是对水污染物、污染物浓度、污染范围及其变化趋势进行的监测，相应的行业标准是HJ589《突发性环境事件应急监测技术规范》。

　　除了饮用水卫生安全和环境监测领域，在水质分析仪器日益增多的过程分析领域，也有移动水质分析技术的大量应用。过程分析技术(PAT)中的“近线”(at-line)分析方法，也常常采用便携式水质分析仪器，比较重要的应用有：电力行业便携式电导率分析仪、微量溶解氧、溶解氢分析仪分析纯水及蒸汽品质;供水行业浊度、余氯的测试;污水处理行业的便携式污泥浓度分析仪、便携式溶解氧分析仪以及污泥沉降比(SV)分析等等。

　　传统移动水质分析技术的核心要素：可移动的水质分析设备以及载体

　　当然，人是最有效率的载体，典型的场景是：人们携带水质分析仪器设备在水边完成水质分析工作。

　　传统的移动水质分析设备一般由以下几部分组成：

　　1、 可移动的水质分析仪器;

　　2、 与仪器配套的预制试剂;

　　3、 采样工具;

　　4、 水样储存装置;

　　5、 分析废液储存或处置装置;

　　6、 为大型分析仪器供电的装置。

　　7、 上述设备的载体(便携箱、车、船等);

　　传统移动水质分析技术采用的分析仪器设备，从形式上讲，有试纸、试剂盒、手持式仪器、便携式仪器、便携式水质实验室、移动水质实验室(车载、船载)等。

　　近年来，便携式水质分析仪器、预制试剂(各种包装的即开即用型化学试剂包或化学试剂套装，使用时无需进行称量稀释等配制工作)以及车、船改装技术的进步和发展，特别是市场对水质现场快速检测技术的需求，共同推动了移动水质分析技术的应用和普及。

　　便携式水质分析仪器从可携带性(重量轻、体积小、能耗低等)、抗震性、可靠性以及可分析水质参数的数量上都得到了很大的提高，不仅可以完成水质物理、化学指标分析，还出现了可现场分析大肠杆菌/肠球菌等微生物指标的便携式分析仪器;

　　用于水质分析的预制试剂在种类、质量可靠性、废液产生量的减少等方面也有了长足的进步;

　　车、船改装技术的进步，为水质移动实验室的产品化和自动化提供了可靠的技术支持，通过将“水质分析实验室搬到水样面前”，便携式色谱、质谱仪以及各种光谱仪等大型仪器都能到达水质分析现场，原本微量有机污染物、重金属等只能在实验室分析的水质指标也实现了现场快速分析，可以现场分析的水质参数越来越多。

　　移动水质分析技术的迅速发展和普遍应用，推动了移动水质实验室产品的标准化，为了规范移动水质实验室以及相应可移动仪器设备的生产、销售与应用，国家发布了一系列的国家标准，如：GB/T 29476《移动实验室仪器设备通用技术规范》、GB/T 38118《地表水快速检测移动实验室通用技术规范》和GB/T35401《地下水快速检测移动实验室通用技术规范》。各种通用技术规范的发布和实施，既为移动水质实验室产品的生产、验收提供了依据，也标志着移动水质实验室技术走向了成熟。

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　　不断发展的新一代移动水质分析技术：

　　水的三种属性：自然属性、社会属性和生态属性

　　虽然传统的移动水质分析技术和实验室水质分析及在线水质分析一道，提供了大量瞬时水样或者固定位置水样的水质分析数据，但是，由于水的特殊性：“地球上最重要的资源、地球生物生存的基本要素、对于人类和我们赖以生存的环境有着无可替代的独特价值。。。”，让水同时具备了自然属性、社会属性和生态属性这三种属性。水天然的流动性决定了水质会随着时间和空间的不同而发生变化，仅仅是知道固定位置或者瞬时水样的水质状况是远远不够的;在水的生态属性层面，还需要了解自然水体在时空变化的情况下的水质状况;在社会属性层面的饮用水安全领域，也需要了解水在输配过程中的水质变化，特别是微生物滋生的风险;城市排水领域，还需要及时了解污水在排水管网的运行状况，是否有“客水”渗入、污水外排等问题;尤其是在突发性环境事件出现时，由于污染物进入环境后会不断发生迁移和变化，想要及时掌握有关的污染证据、对进入水体的污染物浓度随时间和空间的变化情况进行了解，以及污染范围的评估和确定，单靠传统的移动水质分析技术也很难实现。

　　名词解释：瞬时水样(instantaneous water sample)-指从水中不连续地随机(就时间和断面而言)采集的单一样品，一般在一定的时间和地点随机采集。

　　新一代的移动水质分析技术应运而生

　　进入移动通信时代以来，为了实时分析一定时空序列中水质的变化情况以及对一定区域范围的水质进行总体监测，结合了现场快速检测、移动测量(mobile measurement)以及实时移动通信技术、云计算等多种技术特点的新一代的移动水质分析技术应运而生。

　　除了实时移动通信技术、云计算等赋能技术的加持，和传统的移动水质分析技术一样，新一代的移动水质分析技术的发展也是伴随着可移动水质分析仪器的技术进步，以及载体的多元化而发展的。

　　(从传统移动水质分析技术的两种核心要素-可移动的水质分析设备以及载体来看，通过卫星或无人机搭载光谱仪对江河湖海进行遥感监测从广义上讲也算是一种新型移动水质分析技术，限于篇幅，这里不讨论遥感技术)

　　“可移动水质分析仪器+云+移动网络”三位一体

　　与移动通信时代的主要工具--智能手机一样，可移动水质分析仪器在智能化、小型化(可移动性)上一直都在进步;同时，各种新材料、新方法也不断进入水质分析仪器领域，以核酸特异性酶、三维荧光光谱等为代表的各种新的测量原理也开始应用于现场水质分析，进一步提高了水质现场分析的速度、灵敏度，可现场分析的水质参数种类也不断增多。移动互联网的普及和云计算的出现，使得移动水质分析的数据实时共享成为现实：现场获取的水质数据，将同步存储在云端，通过云端可对多个不同位置、不同来源的水质数据同时进行处理、存储、运算，对水质在一定时空范围内进行动态分析，水质分析数据还可实时发布、展示，真正实现数据共享，这对于突发性污染事件发生时污染范围的评估和确定是非常有价值的。新一代的移动水质仪器已经变成了“可移动水质分析仪器+云+移动网络”三位一体的真正的智能化移动水质分析仪器。

　　在适当载体的支持下,移动水质分析还可以获得比传统固定式在线水质分析成本更低、覆盖范围更广，信息量更大的一定区域和流域内的大量实时水质数据。目前，在各种新型载体的支持下，这些移动水质分析的场景正在成为现实：无人船(艇)搭载水质传感器，结合定位系统，实现一定水域范围内水面的水质连续监测;水下机器人搭载水质传感器及深度传感器，可对一定深度范围内以及水下分层水体按照各层级的不同情况从三维角度进行立体化水质分析;一种搭载了多个不同水质传感器，能够在管道内随水流自由游动的“浮球式”下水道动态监测工具也已经面市，可实时识别排水管网内“客水”渗入或雨水渗漏风险，保证城市排水管网运行安全;

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　　“移动技术正在重塑世界”，当下的地球，移动技术已经深入了人类生活的方方面面。新一代的移动水质分析技术不仅具有在线水质分析这类实时分析技术通常意义上的时间和空间的特点：即从时间上，是即时分析;从空间上，是位于或者接近样品所在地分析。而且，结合特定载体的移动、移动通信技术和云计算、物联网等赋能技术，移动水质具有更广泛的时空分析意义：相对于只能提供固定时间(瞬时水样)水质数据的实验室水质分析技术或固定空间水质数据的在线水质分析技术，新一代移动水质分析技术不仅能够监测连续时空序列内水质的变化情况，还能实现广大区域内的水质数据实时共享，为从系统角度统筹考虑水环境、水生态、水资源、水安全、水文化和岸线等多方面的联系提供数据支持，达到对自然水体进行生态系统整体性和流域系统性的评估和治理的目的;还能够结合地理信息系统(GIS)等工具，为对城市供排水系统进行系统性和整体性综合管理提供支持。

　　水无处不在，借用一句老东家的slogan：“有水的地方就有移动水质分析”。

（供稿：重庆昕晟环保科技有限公司  总经理程立）