CN102175825A - 用于高浊度、低温度水质突变的生物监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高浊度、低温度水质突变的生物监测系统及监测方法，特点是，它包括水体预处理系统、信号采集与分析系统和信号传输系统，该技术和系统能够通过内在设计的除浊、增温措施，保证被监测水体为高浊度、低温度条件下的指示生物的正常生存环境，在基于生物行为探测分析基础上，能满足水体综合毒性的在线监测，并根据系统内置的标准生物行为变化趋势，分析指示生物的行为变化，确保被监测水体内生物行为真实、准确的反应水质变化状况，满足不同监测部门长期监测的稳定性运转需要。

Description

用于高浊度、低温度水质突变的生物监测系统及监测方法

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，具体地说是涉及一种能够应用于高浊度、低温度水质突变的生物监测系统及监测方法。

背景技术

化学品的广泛应用带来环境污染的严重问题，同时在化学物质生产、运输和储存过程中同样存在非常多的隐患。有毒和危险化学品向水环境的意外泄漏，不仅会对人类造成重大危害，对生物的生存形成威胁，更会破坏水生态系统平衡。水体突发性污染事故会在瞬间或短时间内大量排放污染物质，对水环境造成严重污染和破坏，给人民的生命和国家财产造成重大损失。它不同于一般的环境污染，具有发生突然、扩散迅速、危害严重等特点，有些甚至污染物不明。鉴于国、内外水体突发性污染事故频发的现状，针对水体突发性污染事故进行的水质在线生物监测技术正处于蓬勃发展时期。

生物行为反应是生物在环境发生变化的情况下，生物自身为了保持体内环境稳定性而采取的适应机制。通过自身行为机制的调节，水生生物在短期内保持体内环境的稳定，并逐步适应环境，在很大程度上避免污染水环境对身体造成急性损伤。因此，通过监测生物的行为变化进行水体突发性变化的在线生物监测是有效的水体综合毒性监测手段。目前，国内外已经出现了基于生物发光行为和运动行为变化的在线生物监测技术，其中包括Microtox毒性测试系统、平面摄像监测系统、MFB监测系统和BEWs监测系统。Microtox毒性测试系统只能在关键点进行定期监测，不能实现水体的实时监测；平面摄像系统可以通过实时记录生物在一个平面内的行为变化，但缺乏三维空间变化，不能涵盖生物行为生态学变化的规律特点；MFB监测系统能够通过监测生物行为规律性变化达到在线监测的目的，但不能够准确反映不同时期受试生物的运动行为变化；BEWs也是通过在线监测生物行为变化实现水质在线监测，但该系统需要外接水流控制系统，延缓监测水体的实时监测时间，同时，该系统不能很好的解决水体对照问题，很难满足长期在线监测需要。

同时，因为不同流域的所处纬度不同，流经区域地表植物覆盖率差异，会导致不同流域水体在不同季节浊度和温度的巨大差异。长江流域的丰水期间，水体浊度最高会达到2000NTU，但依靠水库和湖泊作为水源地的水体浊度常年维持在20NTU以下；并且长江以北地区水体的整年温度变化在0-28℃之间，而南方省份，如广东，福建等地的水体温度变化处于10-30之间。因此，在基于生物分析的水体在线生物监测技术构建过程中，水体浊度和温度变化对生物产生的影响应该考虑，否则会直接导致监测结果异常。上述生物监测技术因为都没有有效的针对水体浊度和温度变化的措施，导致在应用过程中，使指示生物受环境因子的影响过多，直接影响了监测技术和系统的运行稳定性。

结合《中华人民共和国地表水标准》GB3838-2002的要求，水体理化因子，如温度，浊度，pH，溶解氧，氨氮，COD，总磷，总氮等理化因子，除温度和浊度的变化没有明确规定外，其余水体的理化指标都有明确的极限值，因此，能够适应高浊度和低温度水体的在线生物监测技术可以满足GB3838-2002的要求。在传统方法和现有在线生物监测技术难以达到和满足不同水体水质突发性变化的在线预警要求的情况下，迫切需要发展高效、经济、准确以及长期稳定运行的能够应用于高浊度、低温度水体水质突发性变化的在线生物监测技术与系统。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术存在的缺陷，提供一种能够应用于高浊度、低温度水体水质突发性变化的在线生物监测系统及监测方法。

本发明的技术方案是：一种用于高浊度、低温度水质突变的生物监测系统，特点是，它包括水体预处理系统、信号采集与分析系统和信号传输系统，其中，

水体预处理系统包括：带进水口的水体过滤装置，在水体过滤装置的出水口处通过管路连接水体加热装置，水体加热装置的另一端连接水体平均分配系统，水体平均分配系统上设有生物传感器；

信号采集与分析系统包括信号采集系统和信号分析系统，信号采集系统通过线路与生物传感器连接，信号采集系统与信号分析系统连接，信号分析系统与信号传输系统连接。

一种利用上述生物监测系统的监测方法，包括下列步骤：

a)指示生物的培养及选择；

b)利用水体预处理系统进行水体预处理；

c)采用生物传感器采集生物行为信号；

d)将生物传感器采集到的生物行为信号通过信号采集系统传送至信号分析系统，进行分析判断；

e)分析的结果由信号传输系统传送至管理者。

与已有技术相比，本发明提供了一种更方便、快捷和准确的能够应用于高浊度、低温度水体水质突发性变化的在线生物监测技术，该技术和系统能够通过内在设计的除浊、增温措施，保证被监测水体为高浊度、低温度条件下的指示生物的正常生存环境，在基于生物行为探测分析基础上，能满足水体综合毒性的在线监测，并根据系统内置的标准生物行为变化趋势，分析指示生物的行为变化，确保被监测水体内生物行为真实、准确的反应水质变化状况，满足不同监测部门长期监测的稳定性运转需要。

下面结合附图及实例对本发明做详细说明。

附图说明

图1：本发明生物监测系统的结构示意图：

图2：本发明中的水体过滤装置的结构示意图；

图3：本发明中的水体加热装置的结构示意图；

图4：不同浊度水体对生物行为影响；

图5：不同温度水体对生物行为影响；

图6：不同浊度水体经过预处理后的水质变化；

图7：不同温度水体经过预处理后的水质变化；

图8：水体突发性污染下的监测结果示意图。

附图图面说明：

1进水口，2止水阀，3水体过滤装置，4水体加热装置，5水体平均分配系统，6生物传感器，8水体溢流装置，9出水口，10信号采集系统，11信号分析系统，12信号传输系统，13水流分配器，14滤砂，15连接水管，16出水口(17反冲洗水入口)，18反冲洗水出口，19反冲洗控制装置，20电磁阀，21过滤柱，22出水口，23水体加热器，24加热器固定装置，25进水口，26加热器电源，27温度感应器。

具体实施方式

一、指示生物培养及选择

针对水质突发性污染的特点，可以选择的生物包括淡水水生生物和海水水生生物。其中，淡水生物和海水水生生物主要选择有动能力强的鱼类、节肢动物类、底栖环节动物类等，鱼类选择中，主要选择个体小，敏感性强的种类，节肢动物类主要选择溞类和虾类等有动能力强的动物，底栖环节动物类包括水丝蚓等。

上述生物的选择主要为在标准条件下培养后的成体生物。另外，针对不同区域的水体突发性污染事故监测，也可以通过采集当地上述物种，然后进行标准条件培养三代以上的生物作为指示生物，进行在线生物监测。

二、进行水体预处理

如图1所示，本生物监测系统包括水体预处理系统、信号采集与分析系统和信号传输系统，其中，

水体预处理系统包括：带进水口1的水体过滤装置3，在水体过滤装置3的出水口处通过管路(管路上设有止水阀2)连接水体加热装置4，水体加热装置4的另一端连接水体平均分配系统5，在水体平均分配系统5的管路上设有多个水流分配器13及生物物传感器6，生物传感器6上连接有水体溢流装置8及出水口9。

信号采集与分析系统包括信号采集系统10和信号分析系统11，信号采集系统10通过线路与生物传感器6连接，信号采集系统10与信号分析系统11连接后再与信号传输系统12连接。

参见图2，水体过滤装置3可以由多个过滤柱21(玻璃纤维罐)串联组成，过滤柱21内有不同规格的滤砂14，相邻过滤柱21之间由连接水管15连通，最后一级过滤柱21上设有出水口16与水体加热装置4的管路相通，在连接水管15的管路内设置有电磁阀20。水体过滤装置3上可以设置反冲洗装置，如图所示，反冲洗装置包括反冲洗水入口17(即出水口16)、反冲洗水出口18及反冲洗控制装置19，其作用是应对高浊度水体，降低水体浊度，避免水体浊度过高对生物的影响。

图3所示的是水体加热装置4的结构，由进水口25、出水口22、水体加热器23、加热器固定装置24、加热器电源26及温度感应器27组成，进水口25与水体过滤装置3的出水口16相通，出水口22与水体平均分配系统5的管路相连。

通过进水口1连接被监测水体，经过止水阀2以后，进入水体过滤装置3，再过水体加热装置4后，进入水体平均分配系统5，并流经生物传感器6，并通过传感器内生物行为变化分析水质状况。经过传感器以后的水体经过水体溢流装置8，从出水口9溢流出去。每个生物传感器内放置同等数量指示生物，在监测过程中，不给指示生物喂食。

三、相关信号的采集分析

通过生物传感器6，采用四极阻抗原理，结合生物行为信号滤除技术进行生物行为的采集，并将信号经信号采集系统传送至信号分析系统，通过水体内生物行为变化和内嵌生物行为变化模型的对比，对指示生物行为进行分析，并作出水质分析和判断：正常，异常，或极度异常？再结合信号传输系统，实现监测结果的远程共享。

与其它水质在线生物监测技术不同，本发明首先通过合理的水体预处理技术，实现对高浊度、低温度水体水质的在线生物监测；其次，本发明提供了多通道生物传感器，采用概率计算，对水质变化进行分析，在分析灵敏度较高的前提下，保证监测结果的准确性，尽量避免假阳性报警；第三，本发明在水体流速控制过程中，为了保持不同传感器内水体流速的一致，采用全新水体流速控制装置平均分配来水，避免了使用蠕动泵一类的流速控制装置在使用过程中的运行稳定性问题给监测结果造成的影响。

实验例1

不同浊度、温度水体对日本青鳉行为变化影响及经过本发明的预处理后水体浊度和温度的变化：

水体的浊度和温度对生物的影响非常明显，为进一步明确行为变化与浊度和温度之间的量化关系，本实验例首先测试了不同温度、浊度对日本青鳉的行为影响。在此基础上，验证了本发明的预处理系统对水体浊度和温度的处理效果。

指示生物：日本青鳉，体长3cm左右，生物传感器采用直径5cm，长5cm尺寸，每个传感器内使用3尾。

实验开始前，首先对无受试生物的生物传感器信号归零，然后开始轮流通过不同浓度污染物水体。通过快速傅立叶(Fast Fourier)转换以后形成的不同频率行为的方式显示。采用0，5，10，15，20，25，30NTU的水体进行浊度的影响测试，采用0，5，10，15，20，25，30℃的水体进行温度的影响测试。

水体浊度对日本青鳉行为的影响结果如图4所示，图中横轴表示暴露时间，竖轴表示日本青鳉行为强度。

结果表明在监测周期内，低于20NTU的水体对日本青鳉行为影响不明显，但在30NTU水体中，日本青鳉后期的行为变化明显异于正常行为反应，产生非正常变化，表明水体水质异常。

水体温度对日本青鳉行为的影响结果如图5所示，图中横轴表示暴露时间，竖轴表示日本青鳉行为强度。

结果表明在监测周期内，低于5℃的水体对日本青鳉行为影响非常明显，尤其是0℃水体中，日本青鳉在其中生存不足4小时就丧失行为能力。而在高于15℃水体中，日本青鳉行为正常。

为了消除不同浊度和温度水体对监测结果的影响，本发明中的水体预处理系统对不同温度和浊度的水体进行在线处理，处理结果如图6和图7所示，图6中横轴表示水处理次数，竖轴表示浊度，图7中横轴表示时间(分钟)，竖轴表示温度(℃)。

在针对水体浊度去除的实验中，即使浊度达到280NTU以上，在经过3级处理后，水体浊度也低于20NTU，满足在线生物监测中生物生存的水体环境，而在其他较低浊度水体处理中，有些只经过1级处理即可达到要求。

针对水体温度处理结果显示，2℃的水体在经过2分钟在线加热后，即可满足日本青鳉生存要求，而在5分钟后达到稳定。即使加热再长时间，因为加热系统的温度控制系统工作，也不会使处理的水体温度更高，只是维持在21℃左右，完全达到生物生存条件。

实验例2

水体突发性灭多威污染的在线生物监测

案例中采用不同浓度灭多威进行水体暴露，通过小流量水体流速自动控制系统控制通过每个生物传感器的水体流速为25mL/min。共采用8组传感器进行生物行为指标变化实验。

指示生物：日本青鳉，体长3cm左右，生物传感器采用直径5cm，长5cm尺寸，每个传感器内使用3尾。

实验开始前，首先对无受试生物的生物传感器信号归零，然后开始轮流通过不同浓度污染物水体。通过快速傅立叶(Fast Fourier)转换以后形成的不同频率行为的方式显示。采用0.1，1，5，10TU(毒性单位)的灭多威(1TU＝0.2mg/L)水体进行在线生物安全预警。

在线生物监测结果如图8所示，图中横轴表示暴露时间，竖轴表示日本青鳉行为强度。

结果表明在暴露一定时间以后，日本青鳉的行为变化非常明显，并逐渐表现出行为毒性效应。并且行为变化程度与暴露时间和暴露浓度直接相关。在1TU暴露中，在线生物监测系统17个小时实现报警，结果是水体污染；在5TU暴露中，在线生物监测系统8个小时实现报警，结果是水体污染，在14小时后，结果是严重污染；在10TU暴露中，在线生物监测系统1.3个小时实现报警，结果是水体污染，在3小时后，结果是严重污染。

Claims (4)

1.一种用于高浊度、低温度水质突变的生物监测系统，其特征是，包括水体预处理系统、信号采集与分析系统和信号传输系统，其中，

水体预处理系统包括：带进水口(1)的水体过滤装置(3)，在水体过滤装置(3)的出水口处通过管路连接水体加热装置(4)，水体加热装置(4)的另一端连接水体平均分配系统(5)，水体平均分配系统(5)上设有生物传感器(6)；

信号采集与分析系统包括信号采集系统(10)和信号分析系统(11)，信号采集系统(10)通过线路与生物传感器(6)连接，信号采集系统(10)与信号分析系统(11)连接，信号分析系统(11)与信号传输系统(12)连接。

2.根据权利要求1所述的用于高浊度、低温度水质突变的生物监测系统，其特征是，所述水体过滤装置(3)是由多个过滤柱(21)串联组成。

3.根据权利要求1所述的用于高浊度、低温度水质突变的生物监测系统，其特征是，所述水体过滤装置(3)上设有反冲洗装置。

4.利用权利要求1所述用于高浊度、低温度水质突变的生物监测系统的监测方法，包括下列步骤：

a)指示生物的培养及选择；

b)利用水体预处理系统进行水体预处理；

c)采用生物传感器采集生物行为信号；

d)将生物传感器采集到的生物行为信号通过信号采集系统传送至信号分析系统，进行分析判断；

e)分析的结果由信号传输系统传送至管理者。

Images