專利名稱：用于高濁度、低溫度水質突變的生物監測系統及監測方法
技術領域：
本發明屬于環境監測技術領域，具體地說是 涉及一種能夠應用于高濁度、低溫度水質突變的生物監測系統及監測方法。
背景技術：
化學品的廣泛應用帶來環境污染的嚴重問題，同時在化學物質生產、運輸和儲存過程中同樣存在非常多的隱患。有毒和危險化學品向水環境的意外泄漏，不僅會對人類造成重大危害，對生物的生存形成威脅，更會破壞水生態系統平衡。水體突發性污染事故會在瞬間或短時間內大量排放污染物質，對水環境造成嚴重污染和破壞，給人民的生命和國家財產造成重大損失。它不同于一般的環境污染，具有發生突然、擴散迅速、危害嚴重等特點， 有些甚至污染物不明。鑒于國、內外水體突發性污染事故頻發的現狀，針對水體突發性污染事故進行的水質在線生物監測技術正處于蓬勃發展時期。生物行為反應是生物在環境發生變化的情況下，生物自身為了保持體內環境穩定性而采取的適應機制。通過自身行為機制的調節，水生生物在短期內保持體內環境的穩定， 并逐步適應環境，在很大程度上避免污染水環境對身體造成急性損傷。因此，通過監測生物的行為變化進行水體突發性變化的在線生物監測是有效的水體綜合毒性監測手段。目前，國內外已經出現了基于生物發光行為和運動行為變化的在線生物監測技術，其中包括 Microtox毒性測試系統、平面攝像監測系統、MFB監測系統和BEWs監測系統。Microtox 毒性測試系統只能在關鍵點進行定期監測，不能實現水體的實時監測；平面攝像系統可以通過實時記錄生物在一個平面內的行為變化，但缺乏三維空間變化，不能涵蓋生物行為生態學變化的規律特點；MFB監測系統能夠通過監測生物行為規律性變化達到在線監測的目的，但不能夠準確反映不同時期受試生物的運動行為變化；BEWs也是通過在線監測生物行為變化實現水質在線監測，但該系統需要外接水流控制系統，延緩監測水體的實時監測時間，同時，該系統不能很好的解決水體對照問題，很難滿足長期在線監測需要。同時，因為不同流域的所處緯度不同，流經區域地表植物覆蓋率差異，會導致不同流域水體在不同季節濁度和溫度的巨大差異。長江流域的豐水期間，水體濁度最高會達到 2000NTU，但依靠水庫和湖泊作為水源地的水體濁度常年維持在20NTU以下；并且長江以北地區水體的整年溫度變化在0-28°C之間，而南方省份，如廣東，福建等地的水體溫度變化處于10-30之間。因此，在基于生物分析的水體在線生物監測技術構建過程中，水體濁度和溫度變化對生物產生的影響應該考慮，否則會直接導致監測結果異常。上述生物監測技術因為都沒有有效的針對水體濁度和溫度變化的措施，導致在應用過程中，使指示生物受環境因子的影響過多，直接影響了監測技術和系統的運行穩定性。結合《中華人民共和國地表水標準》GB3838-2002的要求，水體理化因子，如溫度， 濁度，PH，溶解氧，氨氮，C0D，總磷，總氮等理化因子，除溫度和濁度的變化沒有明確規定外， 其余水體的理化指標都有明確的極限值，因此，能夠適應高濁度和低溫度水體的在線生物監測技術可以滿足GB3838-2002的要求。在傳統方法和現有在線生物監測技術難以達到和滿足不同水體水質突發性變化的在線預警要求的情況下，迫切需要發展高效、經濟、準確以及長期穩定運行的能夠應用于高濁度、低溫度水體水質突發性變化的在線生物監測技術與系統。
發明內容
本發明的目的在于克服已有技術存在的缺陷，提供一種能夠應用于高濁度、低溫度水體水質突發性變化的在線生物監測系統及監測方法。本發明的技術方案是一種用于高濁度、低溫度水質突變的生物監測系統，特點是，它包括水體預處理系統、信號采集與分析系統和信號傳輸系統，其中，水體預處理系統包括帶進水口的水體過濾裝置，在水體過濾裝置的出水口處通過管路連接水體加熱裝置，水體加熱裝置的另一端連接水體平均分配系統，水體平均分配系統上設有生物傳感器；信號采集與分析系統包括信號采集系統和信號分析系統，信號采集系統通過線路與生物傳感器連接，信號采集系統與信號分析系統連接，信號分析系統與信號傳輸系統連接。一種利用上述生物監測系統的監測方法，包括下列步驟a)指示生物的培養及選擇；b)利用水體預處理系統進行水體預處理；c)采用生物傳感器采集生物行為信號；d)將生物傳感器采集到的生物行為信號通過信號采集系統傳送至信號分析系統， 進行分析判斷；e)分析的結果由信號傳輸系統傳送至管理者。與已有技術相比，本發明提供了一種更方便、快捷和準確的能夠應用于高濁度、低溫度水體水質突發性變化的在線生物監測技術，該技術和系統能夠通過內在設計的除濁、 增溫措施，保證被監測水體為高濁度、低溫度條件下的指示生物的正常生存環境，在基于生物行為探測分析基礎上，能滿足水體綜合毒性的在線監測，并根據系統內置的標準生物行為變化趨勢，分析指示生物的行為變化，確保被監測水體內生物行為真實、準確的反應水質變化狀況，滿足不同監測部門長期監測的穩定性運轉需要。下面結合附圖及實例對本發明做詳細說明。
圖1本發明生物監測系統的結構示意圖圖2本發明中的水體過濾裝置的結構示意3本發明中的水體加熱裝置的結構示意4不同濁度水體對生物行為影響；圖5不同溫度水體對生物行為影響；圖6不同濁度水體經過預處理后的水質變化圖7不同溫度水體經過預處理后的水質變化圖8水體突發性污染下的監測結果示意圖。
附面說明1進水口，2止水閥，3水體過濾裝置，4水體加熱裝置，5水體平均分配系統，6生物傳感器，8水體溢流裝置，9出水口，10信號采集系統，11信號分析系統，12信號傳輸系統，13 水流分配器，14濾砂，15連接水管，16出水口(17反沖洗水入口)，18反沖洗水出口，19反沖洗控制裝置，20電磁閥，21過濾柱，22出水口，23水體加熱器，24加熱器固定裝置，25進水口，26加熱器電源，27溫度感應器。
具體實施例方式一、指示生物培養及選擇針對水質突發性污染的特點，可以選擇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選擇有動能力強的魚類、節肢動物類、底棲環節動物類等，魚類選擇中，主要選擇個體小，敏感性強的種類，節肢動物類主要選擇潘類和蝦類等有動能力強的動物，底棲環節動物類包括水絲蚓等。上述生物的選擇主要為在標準條件下培養后的成體生物。另外，針對不同區域的水體突發性污染事故監測，也可以通過采集當地上述物種，然后進行標準條件培養三代以上的生物作為指示生物，進行在線生物監測。二、進行水體預處理如圖1所示，本生物監測系統包括水體預處理系統、信號采集與分析系統和信號傳輸系統，其中，水體預處理系統包括帶進水口 1的水體過濾裝置3，在水體過濾裝置3的出水口處通過管路(管路上設有止水閥2)連接水體加熱裝置4，水體加熱裝置4的另一端連接水體平均分配系統5，在水體平均分配系統5的管路上設有多個水流分配器13及生物物傳感器6，生物傳感器6上連接有水體溢流裝置8及出水口 9。信號采集與分析系統包括信號采集系統10和信號分析系統11，信號采集系統10 通過線路與生物傳感器6連接，信號采集系統10與信號分析系統11連接后再與信號傳輸系統12連接。參見圖2，水體過濾裝置3可以由多個過濾柱21 (玻璃纖維罐)串聯組成，過濾柱 21內有不同規格的濾砂14，相鄰過濾柱21之間由連接水管15連通，最后一級過濾柱21上設有出水口 16與水體加熱裝置4的管路相通，在連接水管15的管路內設置有電磁閥20。水體過濾裝置3上可以設置反沖洗裝置，如圖所示，反沖洗裝置包括反沖洗水入口 17(即出水口 16)、反沖洗水出口 18及反沖洗控制裝置19，其作用是應對高濁度水體，降低水體濁度， 避免水體濁度過高對生物的影響。圖3所示的是水體加熱裝置4的結構，由進水口 25、出水口 22、水體加熱器23、加熱器固定裝置24、加熱器電源26及溫度感應器27組成，進水口 25與水體過濾裝置3的出水口 16相通，出水口 22與水體平均分配系統5的管路相連。通過進水口 1連接被監測水體，經過止水閥2以后，進入水體過濾裝置3，再過水體加熱裝置4后，進入水體平均分配系統5，并流經生物傳感器6，并通過傳感器內生物行為變化分析水質狀況。經過傳感器以后的水體經過水體溢流裝置8，從出水口 9溢流出去。每個生物傳感器內放置同等數量指示生物，在監測過程中，不給指示生物喂食。
三、相關信號的采集分析通過生物傳感器6，采用四極阻抗原理，結合生物行為信號濾除技術進行生物行為的采集，并將信號經信號采集系統傳送至信號分析系統，通過水體內生物行為變化和內嵌生物行為變化模型的對比，對指示生物行為進行分析，并作出水質分析和判斷正常，異常， 或極度異常？再結合信號傳輸系統，實現監測結果的遠程共享。與其它水質在線生物監測技術不同，本發明首先通過合理的水體預處理技術，實現對高濁度、低溫度水體水質的在線生物監測；其次，本發明提供了多通道生物傳感器，采用概率計算，對水質變化進行分析，在分析靈敏度較高的前提下，保證監測結果的準確性， 盡量避免假陽性報警；第三，本發明在水體流速控制過程中，為了保持不同傳感器內水體流速的一致，采用全新水體流速控制裝置平均分配來水，避免了使用蠕動泵一類的流速控制裝置在使用過程中的運行穩定性問題給監測結果造成的影響。實驗例1不同濁度、溫度水體對日本青鏘行為變化影響及經過本發明的預處理后水體濁度和溫度的變化水體的濁度和溫度對生物的影響非常明顯，為進一步明確行為變化與濁度和溫度之間的量化關系，本實驗例首先測試了不同溫度、濁度對日本青鏘的行為影響。在此基礎上，驗證了本發明的預處理系統對水體濁度和溫度的處理效果。指示生物日本青鏘，體長3cm左右，生物傳感器采用直徑5cm，長5cm尺寸，每個傳感器內使用3尾。實驗開始前，首先對無受試生物的生物傳感器信號歸零，然后開始輪流通過不同濃度污染物水體。通過快速傅立葉(Fast Fourier)轉換以后形成的不同頻率行為的方式顯示。采用0，5，10，15，20，25，30NTU的水體進行濁度的影響測試，采用0，5，10，15，20，25， 30°C的水體進行溫度的影響測試。水體濁度對日本青鏘行為的影響結果如圖4所示，圖中橫軸表示暴露時間，豎軸表示日本青鏘行為強度。結果表明在監測周期內，低于20NTU的水體對日本青鏘行為影響不明顯，但在 30NTU水體中，日本青鏘后期的行為變化明顯異于正常行為反應，產生非正常變化，表明水體水質異常。水體溫度對日本青鏘行為的影響結果如圖5所示，圖中橫軸表示暴露時間，豎軸表示日本青鏘行為強度。結果表明在監測周期內，低于5°C的水體對日本青鏘行為影響非常明顯，尤其是 0°C水體中，日本青鏘在其中生存不足4小時就喪失行為能力。而在高于15°C水體中，日本青鏘行為正常。為了消除不同濁度和溫度水體對監測結果的影響，本發明中的水體預處理系統對不同溫度和濁度的水體進行在線處理，處理結果如圖6和圖7所示，圖6中橫軸表示水處理次數，豎軸表示濁度，圖7中橫軸表示時間(分鐘)，豎軸表示溫度CC )。在針對水體濁度去除的實驗中，即使濁度達到280NTU以上，在經過3級處理后，水體濁度也低于20NTU，滿足在線生物監測中生物生存的水體環境，而在其他較低濁度水體處理中，有些只經過1級處理即可達到要求。
針對水體溫度處理結果顯示，2°C的水體在經過2分鐘在線加熱后，即可滿足日本青鏘生存要求，而在5分鐘后達到穩定。即使加熱再長時間，因為加熱系統的溫度控制系統工作，也不會使處理的水體溫度更高，只是維持在21°C左右，完全達到生物生存條件。實驗例2水體突發性滅多威污染的在線生物監測案例中采用不同濃度滅多威進行水體暴露，通過小流量水體流速自動控制系統控制通過每個生物傳感器的水體流速為25mL/min。共采用8組傳感器進行生物行為指標變化實驗。指示生物日本青鏘，體長3cm左右，生物傳感器采用直徑5cm，長5cm尺寸，每個傳感器內使用3尾。實驗開始前，首先對無受試生物的生物傳感器信號歸零，然后開始輪流通過不同濃度污染物水體。通過快速傅立葉(Fast Fourier)轉換以后形成的不同頻率行為的方式顯示。采用0. 1，1，5，10TU(毒性單位)的滅多威(1TU = 0. 2mg/L)水體進行在線生物安全預警。在線生物監測結果如圖8所示，圖中橫軸表示暴露時間，豎軸表示日本青鏘行為強度。結果表明在暴露一定時間以后，日本青鏘的行為變化非常明顯，并逐漸表現出行為毒性效應。并且行為變化程度與暴露時間和暴露濃度直接相關。在ITU暴露中，在線生物監測系統17個小時實現報警，結果是水體污染；在5TU暴露中，在線生物監測系統8個小時實現報警，結果是水體污染，在14小時后，結果是嚴重污染；在IOTU暴露中，在線生物監測系統1. 3個小時實現報警，結果是水體污染，在3小時后，結果是嚴重污染。
權利要求
1.一種用于高濁度、低溫度水質突變的生物監測系統，其特征是，包括水體預處理系統、信號采集與分析系統和信號傳輸系統，其中，水體預處理系統包括帶進水口(1)的水體過濾裝置(3)，在水體過濾裝置(3)的出水口處通過管路連接水體加熱裝置(4)，水體加熱裝置(4)的另一端連接水體平均分配系統 (5)，水體平均分配系統(5)上設有生物傳感器(6)；信號采集與分析系統包括信號采集系統(10)和信號分析系統(11)，信號采集系統 (10)通過線路與生物傳感器(6)連接，信號采集系統(10)與信號分析系統(11)連接，信號分析系統(11)與信號傳輸系統(12)連接。
2.根據權利要求1所述的用于高濁度、低溫度水質突變的生物監測系統，其特征是，所述水體過濾裝置(3)是由多個過濾柱(21)串聯組成。
3.根據權利要求1所述的用于高濁度、低溫度水質突變的生物監測系統，其特征是，所述水體過濾裝置(3)上設有反沖洗裝置。
4.利用權利要求1所述用于高濁度、低溫度水質突變的生物監測系統的監測方法，包括下列步驟a)指示生物的培養及選擇；b)利用水體預處理系統進行水體預處理；c)采用生物傳感器采集生物行為信號；d)將生物傳感器采集到的生物行為信號通過信號采集系統傳送至信號分析系統，進行分析判斷；e)分析的結果由信號傳輸系統傳送至管理者。
全文摘要
本發明公開了一種用于高濁度、低溫度水質突變的生物監測系統及監測方法，特點是，它包括水體預處理系統、信號采集與分析系統和信號傳輸系統，該技術和系統能夠通過內在設計的除濁、增溫措施，保證被監測水體為高濁度、低溫度條件下的指示生物的正常生存環境，在基于生物行為探測分析基礎上，能滿足水體綜合毒性的在線監測，并根據系統內置的標準生物行為變化趨勢，分析指示生物的行為變化，確保被監測水體內生物行為真實、準確的反應水質變化狀況，滿足不同監測部門長期監測的穩定性運轉需要。
文檔編號G01N33/18GK102175825SQ20101062068
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月24日 優先權日2010年12月24日
發明者李紅敏, 邵澤舫 申請人:煙臺凱思環境技術有限公司