智慧排水水质监测：水质传感器的应用与展望
一、引言
随着城市化进程的加速，城市排水系统规模持续扩张，其稳定运行与水质安全对城市可持续发展的影响愈发明显。智慧排水水质监测作为城市水环境管理的关键环节，正逐步融入城市基础设施建设与运营管理体系。传感器法以其在时间分辨率和空间覆盖率上的优势，成为智慧排水水质监测的重点技术手段，为城市排水系统的精细化管理提供了数据基础。
传统水质监测方法，如手工采样实验室分析，受采样频率和分析周期限制，无法及时捕捉水质动态变化。在城市排水系统中，水质的快速变化可能引发管网腐蚀、污水处理厂运行异常等问题。传感器法能够以分钟甚至秒级的时间间隔连续监测水质参数，如酸碱度（pH）、溶解氧（DO）、电导率（EC）、化学需氧量（COD）、氨氮（NH₃ - N）等，为城市排水管理部门提供实时数据，使其能够在水质异常的初期迅速响应，采取调控措施，保障排水系统的稳定运行和水环境安全。
投入式水质监测设备基于原位监测原理，将多参数传感器集成于防水外壳内，直接投放于水体中。以 pH 传感器为例，其工作原理基于玻璃电极与参比电极之间的电位差随水体氢离子浓度变化而改变，通过能斯特方程将电位信号转换为 pH 值。溶解氧传感器则多采用极谱法或荧光法，利用氧分子在电极表面的还原反应或对荧光物质的猝灭效应测定溶解氧含量。这些传感器通过数据传输模块，如 RS485、4G无线 等，将监测数据实时传输至数据采集终端。由于直接接触水体，投入式设备能快速响应水质变化，其响应时间通常在数秒至数分钟，有效提高了监测的时效性。
（二）应用场景与案例分析在河流、湖泊等自然水体水质监测中，投入式设备广泛应用于生态环境监测领域。例如，在长江某段水质监测项目中，沿江水系部署了多个投入式水质监测设备，实时监测水质变化。202X 年 X 月，某化工企业违规排放含重金属废水，投入式设备在 5 分钟内检测到水体中铜离子浓度从 0.05mg/L 迅速上升至 0.5mg/L，远超地表水 Ⅲ 类标准（0.05mg/L）。监测数据通过无线传输实时发送至环保部门监控平台，环保部门迅速启动应急响应，对违规企业进行查处，及时遏制了污染扩散，保护了长江水域生态环境。
岸边站水质监测设备通过水泵将水样抽取至站内，经预处理后进入流通池，水样在流通池中以一定流速流经各类传感器进行分析。预处理过程包括过滤、调节水温、pH 值等，以满足传感器的工作条件，减少水样杂质对监测结果的干扰。与投入式设备相比，岸边站可搭载更复杂的分析仪器，如原子吸收光谱仪、气相色谱 - 质谱联用仪等，实现对重金属、有机污染物等痕量物质的精确分析。同时，通过对水样的预处理和后处理，可有效提高监测数据的准确性和重复性。
岸边站通常设置在城市污水处理厂进水口、出水口以及排水管网关键节点。在污水处理厂进水口，通过实时监测污水的 COD、NH₃ - N、总磷（TP）等指标，为污水处理工艺的优化提供依据。例如，某污水处理厂通过岸边站监测发现，进水 COD 浓度在雨季时波动范围可达 200 - 800mg/L，根据这一数据，该厂及时调整生化处理阶段的曝气量和污泥回流比，使污水处理效率提高了 15%。在出水口，岸边站严格监测处理后水质，确保其达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918 - 2002），保障受纳水体的水质安全。
五、投入式与岸边站设备的协同应用在智慧排水水质监测体系中，投入式设备和岸边站设备相互补充，协同工作。投入式设备凭借其快速响应和大面积布点的优势，对水体进行实时动态监测，利用地理信息系统（GIS）技术，可快速定位水质异常区域。岸边站设备则针对投入式设备发现的异常区域，进行深度采样分析，确定污染物种类、浓度及来源，为污染治理提供准确的数据支持。两者结合，构建起从宏观到微观、从快速筛查到精确分析的多方面水质监测网络，提高了城市排水系统水质监测的科学性和有效性。
随着传感器技术、通信技术和数据分析技术的不断进步，智慧排水水质监测将呈现智能化、小型化、多功能化的发展趋势。智能化方面，通过机器学习算法对大量历史数据进行分析，建立水质预测模型，预测水质变化趋势，实现预警功能。小型化方面，纳米技术和微机电系统（MEMS）技术的应用，将使传感器体积更小、功耗更低，便于在复杂环境中部署。多功能化方面，新型传感器将实现对多种污染物的同时监测，如能同时检测多种重金属离子、有机污染物和微生物的集成传感器。此外，大数据、云计算和人工智能技术的深度融合，将进一步提升水质监测数据的处理能力和分析精度，为城市排水系统的智慧化管理提供更强大的技术支撑。
