水环境污染事故与应急监测

来源：《现代科学仪器》期刊2016-09-20点击：751

【核心介绍】应急监测贯穿在突发性水环境污染事故的全过程中,建立突发性水污染事故的应急监测体系，对快速响应的应急监测技术也提出了更高的要求。采用小型、便携的监测仪器和设备可以在尽可能短的时间内对现场污染物质的种类、浓度、污染范围和影响程度等作出判断，以便为决策者快速有效地处理事故提供科学依据。　

水环境污染事故与应急监测

尹洧

北京市化工研究院北京100022

摘要 应急监测贯穿在突发性水环境污染事故的全过程中,建立突发性水污染事故的应急监测体系，对快速响应的应急监测技术也提出了更高的要求。采用小型、便携的监测仪器和设备可以在尽可能短的时间内对现场污染物质的种类、浓度、污染范围和影响程度等作出判断，以便为决策者快速有效地处理事故提供科学依据。

关键词 突发性水污染事故，应急监测，便携式监测仪器

中图分类号 X832

Water Environmental Pollution Accident and Emergency Monitoring

Yin Wei

Beijing Chemical Industrial Research Institute，Beijing 100022

Abstract Emergency monitoring is throughout the whole process of sudden water pollution accident. Establishing emergency monitoring system of sudden water pollution accidents makes more requests of the rapid response of the emergency monitoring technology. Using small and portable monitoring instruments and equipment can determine the type, concentration, range and impact degree of pollutant in the scene in the shortest possible time. It is the scientific basis for decision makers to dispose accident quickly and effectively.

Key words Water environmental pollution accident；Emergency monitoring；Portable monitoring instrument

突发性水污染事故形式多样，事发突然，有很强的偶然性、瞬时性和意外性，污染物的排放途径和排放方式不定，没有固定的排放时间和排放方式，往往来势凶猛，在瞬间或极端的时间内就能造成污染和危害，属于一种“瞬时污染”。在没有得到污染物的名称和冲击量的信息时，很难采取有效合理的控制措施来处置这些污染物。这就需要建立突发性水污染事故的应急监测体系，对快速响应的应急监测技术提出了更高的要求。

1. 应急监测体系

应急监测贯穿在突发性环境污染事故的全过程（初期、中期、后期）中。在初期阶段，需要快速定性和定量（或半定量）污染物的种类和浓度，迅速提供污染物的理化性质、毒理性质和污染范围，快速提出适当的应急处理处置措施，为决策者（现场总指挥）及有关方面提供充分的信息，确保尽可能快地对事故做出迅速的应急反应，将事故的影响降低到最低限度；在中期阶段，连续、实时地监测突发性污染事故发生后污染物浓度变化范围和影响程度，判断其发展趋势，一方面进一步了解污染物对环境和人体健康的危害，另一方面不断修正事故处置措施，确保环境安全；在后期阶段，跟踪监测突发性污染事故的污染浓度及范围，为事故发生后环境、生态的修复不断提供充分的监测数据^[1]。实施应急监测是做好突发性环境污染事故处置的前提和关键，要求监测人员迅速到达现场，采用小型、便携的监测仪器和设备在尽可能短的时间内对污染物质的种类、浓度、污染范围和影响程度等快速作出判断。应急监测体系是指在水污染事故发生后，能在最短的时间内组织技术专家根据事故的性质、情况及时制定合理、可行的监测方案，由监测人员迅速对污染水体的污染物种类、浓度、污染量及污染范围进行监测及数据分析。再由部门领导和专家对污染物的危害程度进行评估，从而为决策者快速有效地处理事故提供科学依据。应急监测体系包括事故报警、现场监测、数据分析处理、污染评估等。该应急监测体系流程如图1所示。

图1 突发性水污染事故的应急监测体系流程

环境应急监测技术是随着环境污染事故的发生与现场需求而逐渐发展起来的，应急监测的监测仪器和设备、监测的新技术与新方法不断问世，为环境监测部门应对突发性环境污染事故提供了前有力的技术支撑^[2]。

2突发性水污染事故应急对策

应对突发性环境污染事故应采取“预防为主，防治结合”的对策。上海市环境监测中心在应对突发性污染事故中，水环境应急能力的建设就包括硬件和软件两个方面^[3]，硬件包括监测车辆、监测仪器、试剂、药品以及防护设备等^[4]，软件包括应急监测的工作计划、信息支持、技术支持、应急监测运行系统、应急预案和环境污染事故预警系统等^[5~6]。现场应急监测设备主要包括应急监测车、便携式水质检测仪、便携式紫外-可见分光光度计、便携式GC-MS（含顶空设备）、快速检测箱、便携式油份测定仪、发光细菌毒性检测仪等，还应具备对水环境中大部分理化指标、无机指标、有机综合指标、挥发性有机物以及流速、流量现场监测的能力。对于石油类、半挥发性有机物等项目前处理过程较为复杂的仍在现场采集样品后，再送回实验室进行分析测定。

突发性环境污染事故具有突发性、危害性、复杂性的特点，这给监测人员提出了更加严格的要求，需要在尽可能快的时间内将污染物定性、半定量或定量、判断污染扩散的程度、范围及变化趋势，便于为应急事故处理处置提供依据。相对于实验室仪器而言，对应急监测的仪器要求是体积小型化、操作简单化、应答快速化、设计智能化。同时还要备有水速、水量测定的装备，配上远程传输系统快速发送信息。针对突发事件的突发性、不可预见性的特点，以常规实验室检测的手段难以满足现场快速测定的需要，对便携式快速测定仪器的要求就应运而生了^[7]。

3. 现场应急监测技术特点

现场监测最突出的技术特点是要“快速”，必须提供最一般的监测技术，以达到较快地启动各种仪器，迅速有效地进行较为全面的现场应急监测的目的。

如果突发性水污染事故的污染物是已知的，就可以根据其特点，采用适当的方法加以测定；如果污染物是未知的，一般可以从事故的性质、现场调查初步确定可能存在的污染物及需要现场应急分析的项目。同时，采用检测试纸、快速检测管、便携式监测仪器，加以确定。现场需要具有丰富经验的专家快速判断，综合各方面的信息资料，选择合适的方法进行定性或半定量分析，整个过程需要突出一个“快”，要为下一步的应急处置赢得宝贵的时间，尽可能地减少事故的扩散及损失。

环境应急监测对于防范突发性环境污染事故，在事故之前预防、事故中报警、检测事故后生态环境恢复的各个过程中都起着十分重要的作用。事故初期快速应该放在第一位，而准确性就不能过分强调，一般说来，能达到定性、半定量即可。在事故处置过程中，要求监测数据要有一定的可比性，以判断处置的效果如何。在生态环境的恢复期，则要求监测数据要有一定的准确性和可比性。

4. 预制试剂

“预制试剂”是一类预先完成某种分析所需几种试剂的称量、溶解、混合、分装等流程的化学试剂产品，供分析用的预制试剂就是将每个参数的试剂，按每次所需要的浓度和分量，通过严格的生产流程，混合、称重、包装，预先分装成单次分析所需的包装产品，在水质快速检测中得到应用。分析人员每次进行样品分析时，可以直接拆封使用所需参数的预制试剂，并按照规定的标准分析流程进行工作。采用预存有标准曲线的分光光度计等分析仪器设备，就能很容易地读取所需的分析数据，无需进行繁琐的化学试剂的配制及标准曲线的制作，简化了操作人员的劳动强度，提高了工作效率采用这类预制试剂和分析方法，可以在事故现场实地分析，快速得到分析数据，为事故处理决策及时提供依据^[8]。近年来，发达国家用于检测生物毒性或有毒物质的酶联免疫吸附测定（ELISA）^[9]、聚合酶链式反应（PCR）以及ATP（Adenosine Triphosphate，腺嘌呤核苷三磷酸，又叫三磷酸腺苷）荧光监测仪器等也可用于现场监测。

5突发性水污染事故应急监测技术

5.1地理信息系统

对于环境污染事故的应急处理不仅需要快速了解事故的类型，还要快速了解事故的发生地点、污染范围、可能扩散面积等空间信息，突发性环境污染事故具有不确定性、发生的突然性、持续性、且有巨大的破坏性，这就要求我们必须有针对性地建立并管理一个有效的数据库，这就需要引入地理信息系统（GIS）的数据管理功能^[10]。GIS在环境事故应急处置系统中的作用有以下几个方面：①提供空间数据和相关属性数据的快速存取和管理功能；②提供分层的可视化的显示功能；③提供空间和属性数据间的互动查询；④提供空间、属性数据一体化的统计分析功能；⑤提供多种空间决策功能；⑥GIS还可与环境污染分析预测模型相结合，生成有效的决策支持信息^[11]。

5.2 GPS导航定位技术

将GPS导航定位技术应用到环境应急监测车载系统中，可以提高指挥决策的科学性及应急监测的工作效率，有效解决当前环境应急监测技术的问题已成为当务之急^[12]。应急监测车载移动端为跟踪系统由车载电台、通讯控制器、GPS接收机、PDA及相应软件所组成，在结构上车载电台与通讯控制器结合在一起，PDA电脑与GPS结合在一起，软件运行在PDA上，车载电台与PDA用数据线紧密连接，通过嵌入在PDA中的GPS模块，不断地接受GPS对本机的定位信息，运行在PDA中的软件所接受的定位数据进行分解和打包，按照不同功能需求将定位信息存储在本机，或根据指挥中心的需求将数据通过通信控制器进行调制，再通过车载电台发送。当监控中心收到定位数据后，在电子地图上便可显示出车辆的确切位置，实时准确地将其显示在监控中心的大屏幕上，这些就可以为突发性环境事件的处理提供详实的前期资料。这套系统的功能包括应急监测车辆跟踪、中心指挥监控、中心辅助导航、下达指挥命令、终端主动报警、命令语音提示、中心互通电文、数据信息查询和地理信息显示。显示内容有监控车辆图标编号、车辆行驶轨迹、任意时段的连续轨迹显示与清除、按用户要求显示所指定车辆的当时位置、在地图上突显目标、显示监控车辆的目标编号、时间、速度、经纬度、状态等信息；当车辆报警时，实时进行该车辆档案查询，实时更新显示所有监控车辆最新状态信息；在紧急状态下，对车辆进行控制，包括发动机点火控制和车门控制等；监控车辆运行数据的存储回放与查询，可调出某车辆、某日期、某时间段的历史数据，在电子地图上重现车辆的运行状况；车辆网络实时报警服务功能，提供各种常用地图工具，包括方大、缩小、漫游、测距、面积计算等；图像的编辑管理功能，为用户提供简单的修补地图的能力；可以自动生成车辆运行信息日报表；当车辆超出规定区域时，触发监控中心报警^[13]。

5.3 水质环境监测车

水质环境监测车类似一个可移动的水质分析实验室，除需要以上所说的GPS导航定位技术之外，车内的基本配置有发电系统、车载式冰箱、专业实验台（配备基本的快速分析仪器及必要的辅助设备）、实验用水供应系统、各种采样器及无线电通讯系统，可以进行现场水质采样、现场储存和现场分析等^[14]。适用于在野外条件下对河流、湖泊等各种水体进行监测。用于水环境应急监测的专用车还得考虑到监测对象的包容性，要完成快速检测，对检测仪器的快速稳定性也有很高的要求。

5.4遥感技术

水体的遥感监测是以污染水和清洁水的反射率以及在遥感图像上显示图像颜色的差异来监测水的污染情况的，影响水质的主要污染因子包括悬浮物（浑浊度）、溶解有机物、病原体、油类物质、化学污染物及藻类等，根据水体的光学和温度特征，可以采用可见光和热红外遥感技术对水体污染进行监测。清澈未被污染的水反射率较低（往往小于10%），水体对光有着较强的吸收性，可以采用以其光谱特性和水色作为指标的遥感技术，来判断水体在浑浊度、热污染、富营养化和油类等方面的污染情况^[15]。在500～600nm的波段适宜于用来监测水中的悬浮物，在700～900nm波段的反射率对于悬浮物浓度的变化最为敏感，这也是用来估算水体悬浮物浓度的最佳波段。通过遥感图像，观察波峰出现的位置，就可清楚地了解水体浑浊度的变化情况^[16]。遥感技术可以根据浮游植物中的叶绿素与可见、红外光之间具有的特殊陡坡效应来监测水体的富营养化分布范围，陡坡效应是源于叶绿素含量高的地方反射率的峰值也大，我们就可以从彩色红外图像上的颜色变化来监测富营养化的污染程度。结合高光谱的实验数据，可以建立基于MODIS数据对太湖水体富营养化的识别模型，有效提取了水体富营养化的遥感信息^[17]。海洋和港口的石油污染为大家所密切关注，遥感技术利用了水和油对太阳辐射的反射不同，显示在遥感影像上就是同物异谱和同谱异物现象，用此就可以来监测水体是否被油层覆盖。有人在可见光波段对不同厚度的煤油、轻柴油、润滑油、重柴油的监测中发现，油膜反射率的大小与油膜厚度有关^[18]。还有人总结了油膜在可见光近红外波段的地物光谱特征，为识别油膜厚度提供了参考^[19]。有报道，利用小型机载成像光谱仪分析了发生在英国Shetlands的溢油事故，结果证明，在440～900nm是油膜提取的最有效波段^[20]。有研究搜集了我国东海西部在2002～2005年石油泄漏的SAR图像，分析了不同类型的石油泄漏昼夜变化和季节变化的规律，为控制和治理大面积石油污染提供了科学指导^[21]。不同厚度的油膜对太阳光的反射不同，通过对水面影响上反射率的变化来监测水体的油污染、溢油事故以及油层覆盖厚度，从遥感影像上观察石油泄漏的时空分布特点核扩散规律，从而实现对石油污染大面积、全方位地快速监测。

5.5便携式分析仪器

便携式分析仪器在应急监测中具有广泛的应用。袖珍式单参数比色计中有一个滤光模块，可以提供特定波长范围内对特定污染物进行比色测定。其技术参数为：发光二极管为光源，硅光电二极管为检测器，光度计精度为±0.0015Abs，滤波带宽为15nm，波长600 nm，样品池为25mm（10mL），可以测定Fe³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、O₃、Cl^-、F^-、MoO₄^-、PO₄^3-等。多参数比色计与实验室所用的分光光度计相类似，在应急监测中使用广泛，为了便于携带到现场，仪器的体积和重量均较实验室台式机来的小。一般的多参数比色计测定波长范围为240～900 nm，带宽5 nm，具体检测波长则根据事故涉及的污染物而定，波长校准为自动校准，读数方式有吸光度、浓度、透过率。为现场快速监测的方便，仪器生产厂家已经将紫外-可见分光光度计制成小型的，相比实验室的台式机，在尺寸和重量上，都有了大幅度的减小，以便于携带。产品化的便携式水质快速测定仪可存储30多个检测项目，30多条内置曲线对用户开放。相应的化学试剂又分为测定试剂、预处理试剂两类，每种试剂独立包装，完全根据客户需要自由组合，更加人性化。具体应用的报告有采用二苯碳酰二肼法测定废水中的六价铬^[22]、采用纳氏试剂法测定生活用水中的氨氮^[23]、采用异烟酸-巴比妥酸测定废水中的氰化物^[24]，并经过t检验，证明这些方法测定结果与国标法没有显著性差异。

便携式荧光分光光度计以反映被分析对象的特征为目的，更显得体积小，重量轻，结构简单紧凑。仪器结构中，以光纤替代传统的透镜作为光传导通路，使得光能损失减小，集光能力增强，提高了信号的准确度和可靠性，避免了复杂的光学结构，光纤探头实现了光信号的采集和传输。便携式荧光光谱仪可以在现场或在线测量分子水平的微观物理量和化学量。荧光定性分析在现场应急监测中可以用于海洋中油污种类的鉴别，通过对溢油样品和可疑源油样的发射光谱进行比较鉴别，便可确定溢油来自哪一个油源。在标准GB11895－89中，就是采用的乙酰化滤纸层析荧光分光光度法测定水中的苯并(a)芘^[25]。便携式的荧光法溶解氧仪的传感器被一层荧光物质覆盖，当LED光源发出的蓝光照射到传感器表面的荧光物质时，荧光物质收到激发释放出红光，从发出的蓝光到释放的红光这段时间被记录下来，水中的溶解氧含量越高，释放红光的时间就越短，在红光释放时间与溶解氧含量之间建立相关性，从而测出水中溶解氧的浓度。

一般便携式气相色谱仪的主要配置有光离子检测器（PID）和电子捕获检测器（ECD检测器），内置三组毛细管色谱柱，保护预柱和自动反吹功能，配有两个加热的进样口，一为自动进样口，另一位手动注射进样口，充电电池和充电器，内置小型载气瓶，专用的伸缩取样探头，专用色谱工作软件及数据通讯电缆。在分析检测时，便携式GC仪内置恒流采样泵抽取一定体积空气样品，当气流流经装有吸附剂的预浓缩器时，待测组分在室温下被捕集，解吸时瞬间加热预浓缩器到 400℃，通过逆向载气流将化合物吹入毛细色谱柱，经色谱柱分离后以微氩电离检测器检测，并用保留时间定性，峰面积定量。便携式GC仪能快速采样，准确分析，便于携带，需要配备的工作条件简单，适用于应急监测现场快速测定。一般只需要10 min左右，分析速度快，并重现性好^[26]。

便携式质谱仪采用标准的电离子化和四级杆技术，分析系统包括主机系统（由离子源、四级杆质量过滤器和检测器电子倍增管组成）和便携式顶空仪，可以对水质及大气介质中的有机污染物进行快速定性和定量分析。移动式气质联用仪（GC-MS）相当于可携带的小型实验室，有便携式和车载式两种。气质联用仪结合了GC良好的分离性能和MS的定性、定量功能，有机地融合了两者的优点之处，这在应对应急监测中显现了其优越性。GC-MS分析的关键在于设置合适的分析条件，在GC中混合样品的组分得以充分分离，从而得到很好的总离子色谱图和质谱图。移动式GC-MS/MS分析仪由采样系统、GC系统、GC-MS联接系统、MS系统和软件系统所组成，具有两个进样口（一为针注射口，另一为通用进样口）。仪器采用低热质气相色谱技术，将智能型热敏元件固化在专业色谱柱的外围，利用低热质材料快速吸收和释放热量的特点，实线色谱柱的快速加热与降温，最快升温速度可达100℃/min，最高柱温可达425℃，从而可实现半挥发性样品和高沸点有机物的快速分离^[27]。气质联用技术可以快速鉴定出多数常见的有机化合物，因而在应急监测中起着重要的作用。以吹扫捕集-气质联用对水中62种挥发性有机物的检测时间小于25min，检测限在0.16～0.63μg/L，回收率在74.1％～115.9％；以液液微萃取-气质联用对水中63种半挥发性有机物的检测时间小于50min，检测限在0.073～3.1μg/L，回收率在34.2％～135.5％^[28]。

采用电化学方法应用于应急监测的主要有阳极溶出伏安法（ASV）、离子选择性电极法（ISE）和电导法等。阳极溶出伏安法的原理是：将待测离子先富集在工作电极上，再使电位从负极正扫描，使其自电极溶出，并记录溶出过程的电流-电位曲线。在一定条件下，曲线的风高于离子浓度呈线性关系，而且不同离子在一定的电离液中具有不同的峰电位。因而，峰电流和峰电位可作为定性和定量分析的基础。有的进口的便携式ASV分析仪在检测前仅需准备数分钟，检测只需20s～5min，检测范围在4μg/L～30mg/L。由于ASV法的重金属传感器技术的测量时间通常只有几分钟，可以满足一般的在线及快速响应的要求，因而在应急监测中有着广泛的应用^[29]。

生物传感器通常被定义为是整合了生物材料的分析仪器，主要由生物分子识别系统和信号传输转换系统组成。其工作原理为：将具有分子识别功能的生物物质固定在固态载体上，形成功能膜，当其与被测物质相接触时，膜内的感应物质首先与被测物质发生作用，产生光、热、质量或电化学等的变化，通过这种变化就能够检测到，并转换为可输出信号，从而达到分析检测的目的。生物传感器在有机污染物的检测中具有广泛的应用，如用于生化需氧量（BOD）、酚类化合物、多氯有机物等的监测。随着分子生物学和基因工程的迅速发展，多肽核酸（PNA）和分子印迹聚合物（MIP）等新型生物识别系统的应用，将不断提高生物传感器的准确性、精确性和可逆性，同时，微电子、微阵列配置和纳米技术应用，也将使生物传感器向着微型化、多元化和自动化的方向发展，也为加快有机污染物的监测提供新的分析方法^[30]。

发光细菌监测是以一种非致病的明亮发光杆菌作指示生物，以其发光强度的变化为指标，测定环境中有害物质生物毒性的方法。细菌的发光过程是菌体内一种新陈代谢的生理过程，是光呼吸过程，呼吸链上的一个侧枝，即菌体是借助活体细胞内具有ATP、萤虫素（FMN）和萤虫素酶发光的，光的波长在490nm左右，这种发光过程极易受到外界条件的影响，凡是干扰或损害细菌呼吸或生理过程的任何因素都能使细菌发光强度发生变化，当有毒有害物质与发光细菌接触时，发光强度立即改变，并随着毒物浓度的增加而发光减弱，这种发光强度的变化，就可以用精密测定仪定量地进行测定。利用发光细菌法可以监测工业废水的综合毒性、快速检测渔业水域污染物急性毒性、农残检测、致癌物质等的检测^[31]。发光细菌法采用发光菌为检测活体，通过发光强度实现对化学毒性物质的测定。对于事故造成的污染，发光细菌法生物毒性试验可以在5～30min内快速测定饮用水中毒性的变化，以便及时采取应急措施^[32]。

6、总结

随着突发性环境事故应急监测研究进一步深入，应急监测应该有规范性的技术指导，使得监测技术更加完善应急监测人员有章可循，使得监测质量不断提高，使得应急监测的数据快速、准确、可靠、具有代表性和时效性^[33]。

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