在线水质毒性监测仪开发研究

摘要

人类工农业活动增加，导致水体污染物的种类及其毒性作用复杂化，尤其是检测标准不完善和相应生态毒理数据缺乏，使水质综合毒性分析成为必要。生态风险评价是环境风险评价的重要组成部分，是定量确定环境危害对人类负效应的概率及强度的过程。而有毒化学品的生态风险评价则是指预测环境污染物对生态系统或其中某些部分产生有害影响可能性的过程。在线监测技术正是顺应这种水质评价需要而逐渐发展起来的一项技术，传统的在线水质监测技术主要以常规水质指标为主，如溶解氧、COD、电导率等，这些指标虽然能快速反映水体污染情况，但是不能准确揭示污染物对人体健康危害。目前主流的研究方向是水质生物毒性在线监测技术，利用活体生物在水质变化或污染时行为生态学的改变，自动记录和分析获得数据，从生物学角度来分析水质变化，利用环境学、生态学、生物学、化学等多学科的综合知识，采用数学，概率论等风险分析技术手段来预测、分析和评价有毒物质对生态系统可能造成的伤害，从而有效监管水资源质量状况和排污动态。 本课题研究开发的水质在线毒性监测仪器，以发光菌毒性检测法为基础，结合现代光电检测技术、虚拟仪器技术，细菌冷藏复苏技术，集成为自动化程度高、环境适应性强、反应灵敏的一体化系统，能实现水源水、城市污水、自来水厂进水的生物毒性在线检测，实时、快速、全面反映水体安全状况。在线水质监测仪器的硬件主要包括水样采集和预处理套件、微弱光检测、信号采集与控制、流动分析、生物反应器、恒温配件、工控机等模块。在硬件设计的基础上，采用虚拟仪器LabVIEW组态化软件开发平台构建了水质毒性在线监测仪的软件系统，实现了设备驱动、信号采集与处理、实时监控、数据管理、远程报警等功能。 在原理机的基础上，通过试验研究探索毒性监测仪样机的相关运行条件和控制方法：根据发光菌静态培养及其生长动力学的研究，设计了发光菌冷藏复苏方案，用于实现细菌活性控制的连续培养模式；开发各种规格的预处理装置并进行实际水样模拟试验，确定了针对不同类型水质的相应前处理方法；对Zn2+、硝基苯、Cu2+、苯酚等毒物进行了快速检测，建立了水质毒性在线监测仪的工作模式；在湖泊、水库、河流、污水处理厂等纳污水体实施现场连续监测，优化了系统的运行性能和实用功效。 本研究表明，基于原理机构建的在线水质毒性监测系统，通过系统运行控制参数的优化，可以实现发光细菌活性控制，保证仪器连续在线监测，并使检测结果能达到较高的准确度和可信度。特别是把反应器-检测器-反应盘管-柱塞泵-多位阀-温控器集成为一个检测组件的设计理念，成功实现了以叠加组合方式构成基于多种发光细菌作为检测指示物的多通道水质毒性在线监测系统，大大提升了仪器的实用价值。

目录

文摘

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论文说明：图表目录

声明

引 言

1在线毒性检测技术研究进展

1.1 在线毒性检测技术的实现途径

1.1.1 分子和亚细胞水平

1.1.2 细胞和微生物水平

1.1.3 个体水平

1.1.4 种群和群落水平

1.1.5 在线毒性检测技术发展趋势

1.2 发光细菌生物毒性检测技术研究进展

1.2.1 发光细菌及其发光机理

1.2.2 发光细菌毒性检测方法

1.2.3 发光细菌毒性检测的环境标准和法规

1.3 本论文研究目的、研究内容和技术方案

1.3.1 前期技术积累简述

1.3.2 研究目的

1.3.3 研究内容和技术方案

2 发光细菌活性控制

2.1 发光细菌生长曲线构建

2.1.1 试剂与仪器

2.1.2 静态培养试验方法

2.1.3 试验结果讨论

2.2 发光细菌冷藏复苏技术研究

2.2.1 冷藏复苏方法

2.2.2 试验数据分析

2.3 本章小结

3 采样及预处理装置开发设计

3.1 中空纤维膜过滤器特性参数研究

3.1.1 中空纤维膜过滤器设计

3.1.2 清水过滤试验

3.1.3 实际水过滤试验

3.2 支流采样器开发研究

3.3 本章小结

4 系统集成与运行参数优化

4.1 系统的静态特性参数

4.1.1 系统整体结构特征

4.1.2 关键功能模块特征

4.2 系统的动态特性参数、动态误差

4.2.1 系统管路的量化

4.2.2 光电检测系统调试

4.2.3 细菌发光强度维持机制

4.3 系统运行机制

4.4 本章小结

5 发光菌毒性试验

5.1 典型污染物毒性试验

5.1.1 标准检测方法简述

5.1.2 标准方法毒性试验

5.1.3 在线监测仪毒性试验

5.2 实际水样毒性试验

5.2.1 地表水

5.2.2 生活污水

5.2.3 工业污水

5.3 本章小结

6 结论

6.1 全文总结

参考文献

致谢

导师简介

作者简介及读研期间主要科研成果