CN101424678A - 水质突变生物行为指标监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水质突变生物行为指标监测系统及监测方法，通过监测生物的行为指标变化，实时分析水质状况，实现水体突发性污染事故的在线生物监测，本系统不仅提供多个平行，更提供水体监测的对照，同时通过本系统的水流控制装置，实现水质突变生物行为指标监测技术不同生物传感器水流的平衡分配，避免了因水流变化导致的生物行为变化给监测结果造成的影响。

Description

水质突变生物行为指标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水质突变生物行为指标监测系统及监测方法。

背景技术

目前，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。水体突发性污染在线生物监测技术可以通过在线监测生物某一指标的反应，实时分析水质变化状况，并对水体综合毒性作出判断，弥补了单纯依靠水体理化监测指标对水质变化进行在线监测分析的不足。目前，国内外已经出现了基于生物发光指标和行为指标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。因此，在传统方法和现有在线生物监测技术难以达到和满足水体在线环境监测要求的情况下，迫切需要发展高效、经济、准确以及便于长期运行的水体在线生物监测技术。

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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水质突变生物行为指标监测系统及监测方法，实现水体突发性污染事故的在线生物监测。

本发明的技术方案是：一种水质突变生物行为指标监测系统，包括数据采集装置和数据分析系统，两者之间由数据传输线路连接，特点是，数据采集装置内设有监测水箱和对照水体水箱，对照水体水箱内设有对照水体生物传感器及对照水体进水系统和对照水体出水系统，在监测水箱内设有被监测水体生物传感器及出水口，数据采集装置上设有进水口，进水口通过管道与监测水箱相连通，在数据采集装置上还设有信号采集装置，对照水体生物传感器和被监测水体生物传感器通过数据线路分别与信号采集装置连接。

为了防止水体的冲力导致的不同生物传感器内水流速度的差异对监测信号的影响，在管道与监测水箱连通处设有水流冲力延缓装置，还可以在管道上设置水流流速控制装置。

一种水质突变生物行为指标监测系统的监测方法，其步骤包括：

a、受试生物培养及选择

选择在标准条件下培养后的有动能力强的水生生物，分别放入对照水体生物传感器和被监测水体生物传感器中；

b、监测系统的水路连接及相关电信号采集

通过进水口连接被监测水体，并经过管道进入监测水箱，被监测水体生物传感器内放置步骤中的水生生物，生物行为信号经过生物传感器收集后，传输到信号采集装置中；

同时，在对照水体生物传感器内通入标准水体，对照水体生物传感器内放置与被监测水体生物传感器内相同数量和个体的相同水生生物，生物行为信号经过生物传感器收集后，传输到信号采集装置中，为被监测水体内生物行为提供对照；

c、分析数据，进行在线生物监测，实时分析水质状况

将信号采集装置中的信号传输至数据分析系统中，分析数据，提供水质状况分析结果。

本发明与其它水质在线生物监测技术不同，它通过多个生物传感器平行，实现水质分析的多个通道同时分析；其次，本发明通过标准水体提供生物在标准状态下的生物行为反应，并为多个生物传感器内生物行为变化提供参比、对照；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，采用了水体流速控制装置平均分配来水，同时避免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；第四，本发明进一步引入了针对河流截面的水质在线生物监测。本系统不仅能满足水体综合毒性的在线监测，并根据系统内设置的对照生物行为，确保被监测水体内生物行为真实、准确的反映水质变化状况，并满足不同监测部门长期监测的稳定性运转需要。

下面结合附图及实施例对本发明做详细地解释说明。

附图说明

图1、本发明监测系统的结构示意图；

图2、不同浓度对硫磷暴露下大型溞行为变化；

图3、不同浓度敌百虫暴露下大型溞行为变化。

附图图面说明：

1 进水口，2 水流冲力延缓装置，3 出水口，4 荧光灯，5 被监测水体生物传感器，6 对照水体生物传感器，7 对照水体进水系统，8 对照水体出水系统，9 透气栅，10 监测水箱，12 对照水体水箱，14 水流流速控制装置，15 信号采集装置，16 数据传输线路，17 河流生物传感器及信号采集传输装置，18 数据分析系统，19 远程控制系统，20 数据采集装置，21 管道。

具体实施方式

参见图1，本监测系统主要由数据采集装置20和数据分析系统18组成，两者之间由数据传输线路16连接，在数据采集装置20内安装监测水箱10和对照水体水箱12，其中，对照水体水箱12内设有对照水体生物传感器6及单独的对照水体进水系统7和对照水体出水系统8，在监测水箱10内设有被监测水体生物传感器5及出水口3。在外面的数据采集装置20上设置进水口1，进水口1上连接管道21与监测水箱10相连通，在数据采集装置20上还设有信号采集装置15，对照水体生物传感器6和被监测水体生物传感器5通过数据线路分别与信号采集装置15连接。为了保证生物正常生存，在数据采集装置20上还可安装荧光灯4及透气栅9。

为了平衡控制流速，在管道21与监测水箱10连通处可以设置水流冲力延缓装置2(如在管道出口处放置尺寸配套的钢珠，减缓水流冲力)，并且可进一步在管道21上在安装水流流速控制装置14(如阀门)。

监测工作原理简述如下：

1、受试生物培养及选择

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。其中，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。

2、水质突变生物行为指标监测系统的水路连接及相关电信号采集

本发明通过进水口1连接被监测水体，并经过管道21进入监测水箱10后，首先经过水流冲力延缓装置2，防止水体的冲力导致的不同生物传感器内水流速度的差异对监测信号的影响。经过监测水箱10，在水体达到一定量以后，会通过溢流的方式，通过出水口3流出监测水箱。被监测水体生物传感器5内放置足够的，与传感器尺寸相匹配的水生生物，生物行为信号会经过生物传感器收集以后，传输到信号采集装置15中。同时，在对照水体水箱12内通入标准水体，标准水体在维持温度为22±2℃情况下，通过水体循环装置(对照水体进水系统7和对照水体出水系统8)进入对照水体生物传感器6内，该生物传感器内放置与被监测水体生物传感器5内相同数量和个体的相同水生生物，生物行为信号经过生物传感器收集后，也传输到信号采集装置15中，以便为被监测水体内生物行为提供对照。对照水体内每隔3天添加适量生物食物，而在被监测水体内，在监测过程中，无食物添加。

本发明提供的生物行为信号可以采用实时信号显示，也可以通过快速傅立叶(Fast Fourier)转换以后形成的不同频率行为的方式显示。

信号采集以后，可以通过不同的信号传输方式，实现信号的上行传输。目前已经实现数据的有线传输方式，无线网络传输和GPRS传输等。上述信号传输都基于一定传输协议。

3、水质突变生物行为指标监测系统的被监测水体预处理

正常情况下，被监测水体在进入监测水箱以前不进行任何预处理。但是，当水体理化指标变化超出生物的适应范围以后，需要进行水体预处理。如果温度过低或过高，会通过恒温控制装置对被监测水体适当控温，保证生物的正常生存；如果水体浊度过高时(>20NTU)，通过外接水体过滤装置(小于50NTU)或小型絮凝沉淀装置(大于50NTU)对水体浊度进行处理，保证生物正常生存。如果水体溶解氧过低，需要增加曝气装置；如果水体酸碱度变化剧烈，通过自动添加醋酸或碳酸氢钠的方式调节pH值；如果监测水体内含有余氯，需要通过水体余氯在线消除系统将水体内余氯消掉以后进行监测。

4、分析数据，进行在线生物监测，实时分析水质状况

将信号采集装置15中的信号传输至数据分析系统18中，分析数据，提供水质状况分析结果。

本水质突变生物行为指标监测系统还可将分析数据传输到远程控制系统19中，同时提供远程数据传输和控制，便于远程查看水质突变生物行为指标监测系统的运行情况。

5、针对河流进行的水质突变生物行为指标监测技术

本发明还可同时提供针对河流截面水质变化的在线生物监测。组成该技术的生物传感器为河流生物传感器及信号采集传输装置17(一般不包括对照水体的生物行为变化)，河流生物传感器及信号采集传输装置17通过数据传输线路16与数据分析系统18连接。该技术提供的生物传感器主要以有线信号传输方式，处于河流的生物传感器同时提供无线信号发射方式，其自身具有信号采集和发射装置，另有蓄电池提供电能。

结合上述操作，本发明通过生物行为变化的在线监测提供一种更方便、快捷和准确的水质在线生物监测系统和技术。通过监测水体内生物行为变化和对照水体内生物行为变化的对比，并结合一段时间内上述两种行为变化差异，对被监测水体内生物行为进行分析，并作出水质分析和判断：正常，异常，或极度异常？

实验例1：

不同浓度对硫磷暴露下大型溞行为变化，参考图2所示：

为了验证水体突发性污染对水生生物的行为指标影响，利用浓度分别为0.07ppm，0.015ppm，0.002ppm和0.001ppm对硫磷的水体用作被监测水体，采用大型溞为受试生物。

受试生物：大型溞，成体，每个传感器内5只。

生物传感器采用圆柱形黑色PVC塑料通过内壁缠绕铜线圈实现，直径为50mm，长度为50mm。采用8个平行传感器，其中2个为对照，其余6个为监测水体体直接通过。水质变化综合监测采用24小时监测周期。单生物传感器内水体流速为25mL/min。上述标准水体获得方式为将曝气24小时自来水，保持温度20±2℃条件下。

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。

结果如图2所示，图中横坐标表示时间，纵坐标表示行为强度。

结果表明在监测周期内，不同浓度的对硫磷对大型溞产生的行为变化影响明显。并且行为强度变化会随着暴露时间的增加和暴露污染物浓度的升高而更加剧烈。而在对照水体内，大型溞的行为变化未表现异常。

水质报警结果：在监测进行6～10小时以后，系统报警，报警结果：水体污染。

实验例2：

水体敌敌畏污染后对生物行为变化的影响，参考图3所示：

案例中采用不同浓度敌百虫进行水体暴露，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6组传感器进行生物行为指标变化实验，其中2组对照水体通过活性炭过滤获得，另外4组直接流入被监测水体。暴露过程中，保持水体理化指标符合大型溞的正常生存条件：温度20±2℃，浊度2NTU，光照3000Lx，pH7.5等。

受试生物：大型溞，成体，每个传感器内5只。

生物传感器：采用圆柱形透明有机玻璃作主体，长度20mm，直径15mm，内壁通过缠绕铜丝构成。形成的生物传感器通过四极阻抗原理采集大型溞的行为变化。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。

监测结果如图3所示，图中横坐标表示时间，纵坐标表示行为强度。

结果表明在暴露一定时间以后，大型溞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。但是对照组内大型溞的行为变化未出现异常。系统报警水体污染。

Claims (6)

1、一种水质突变生物行为指标监测系统，包括数据采集装置(20)和数据分析系统(18)，两者之间由数据传输线路(16)连接，其特征是，数据采集装置(20)内设有监测水箱(10)和对照水体水箱(12)，对照水体水箱(12)内设有对照水体生物传感器(6)及对照水体进水系统(7)和对照水体出水系统(8)，在监测水箱(10)内设有被监测水体生物传感器(5)及出水口(3)，数据采集装置(20)上设有进水口(1)，进水口(1)通过管道(21)与监测水箱(10)相连通，在数据采集装置(20)上还设有信号采集装置(15)，对照水体生物传感器(6)和被监测水体生物传感器(5)通过数据线路分别与信号采集装置(15)连接。

2、根据权利要求1所述的水质突变生物行为指标监测系统，其特征是，在管道(21)与监测水箱(10)连通处设有水流冲力延缓装置(2)。

3、根据权利要求1所述的水质突变生物行为指标监测系统，其特征是，在管道(21)上设有水流流速控制装置(14)。

4、根据权利要求1所述的水质突变生物行为指标监测系统，其特征是，设有河流生物传感器及信号采集传输装置(17)，河流生物传感器及信号采集传输装置(17)通过数据传输线路(16)与数据分析系统(18)连接。

5、一种根据权利要求1所述水质突变生物行为指标监测系统的监测方法，其步骤包括：

a、受试生物培养及选择

选择在标准条件下培养后的有动能力强的水生生物，分别放入对照水体生物传感器(6)和被监测水体生物传感器(5)中；

b、监测系统的水路连接及相关电信号采集

通过进水口(1)连接被监测水体，并经过管道(21)进入监测水箱(10)，被监测水体生物传感器(5)内放置(a)步骤中的水生生物，生物行为信号经过生物传感器收集后，传输到信号采集装置(15)中；

同时，在对照水体生物传感器(6)内通入标准水体，对照水体生物传感器(6)内放置与被监测水体生物传感器(5)内相同数量和个体的相同水生生物，生物行为信号经过生物传感器收集后，传输到信号采集装置(15)中，为被监测水体内生物行为提供对照；

c、分析数据，进行在线生物监测，实时分析水质状况

将信号采集装置(15)中的信号传输至数据分析系统(18)中，分析数据，提供水质状况分析结果。

6、根据权利要求5所述的监测方法，其特征是，在(c)步骤前设有被监测水体预处理步骤：当被监测水体的水体理化指标变化超出生物的适应范围，需要进行水体预处理，调节水体理化指标，保证生物传感器内的生物正常生存。

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