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实验室检测技术在水环境污染监测中的应用

2024-12-19 142 上传者：管理员

摘要：现代实验室检测技术在水环境污染监测中发挥着重要作用，包括吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）、气相色谱质谱法（GC-MS）和液相色谱质谱法（LC-MS）等多种方法。这些方法在提高检测效率、准确性和全面性方面具有显著优势，但同时也面临着检测成本高和人员素质要求高等挑战。为应对新形势下水环境污染监测，需要合理选择分析方法，做好人才储备和培训工作，并结合使用传统和前沿检测技术，为水环境监测提供更加高效、准确和便捷的解决方案。

关键词：
人员素质
有机物污染
检测技术
水环境污染
污染监测
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随着时间的推移,水环境污染的来源和性质发生了深刻的变化 [1],从最初的微生物和腐殖质污染,逐渐演变为重金属和人工合成有机物污染｡在 20 世纪 60 年代,农村地区的厕所条件简陋,生活污水与牲畜粪水混杂,缺乏有效的处理措施,导致了大量的微生物和腐殖质进入水体 [2],这是当时水环境污染的主要形式｡进入 20 世纪 70 年代,随着工业的蓬勃发展,重金属污染开始崭露头角｡这些重金属往往来源于工业生产过程中的废水排放 [3],它们在水体中积累,难以降解,对水生生物和人体健康构成严重威胁｡20世纪 80 年代以来,城市化进程的加速和大规模的经济建设进一步加剧了水环境污染问题｡沿江化工企业的迅速增加 [4],使得人工合成有机物成为水环境污染的新源头｡这些有机物结构复杂,降解困难,对水体生态系统的破坏力极大 [5]｡同时,化肥的过度使用和生活污水的肆意排放也加剧了这一问题｡时至今日,水环境污染问题依然严峻,有机物污染仍然是主要矛盾,需要加强对污染物的监测和对源头的监管,防止新的污染源的产生｡本文将探讨水环境污染物的不同类型,并进一步阐述如何运用现代实验室检测技术,实现污染物的准确､高效､快速定性与定量分析｡

1、水环境污染物的主要来源

1.1 冶金

在冶金过程中,金属矿石经过冶炼､精炼等步骤,废水中可能含有高浓度的悬浮物(SS)､重金属等污染物｡这些污染物对环境和人体健康都有潜在的危害｡

1.2 化工合成

化工合成涉及各种有机原料的合成和加工,过程中可能产生大量的有机污染物｡这些有机污染物可能包括石油类､酚类､醛类､醇类以及各种合成中间体｡这些物质如果未经处理直接排放,会对水体造成严重的污染,并可能通过食物链影响到人类的健康｡

1.3 轻工业

轻工业涵盖了造纸､皮革､印染和食品等多个领域｡这些行业在生产过程中会产生大量的废水,废水中可能含有酸､碱､硫化物､大肠杆菌等污染物｡对于食品工业来说,还可能涉及有机物的污染,包括总有机碳(TOC)等｡

1.4 石化工业

石化工业以石油为原料,通过炼制和加工生产各种石化产品｡这个过程中会产生大量的废水和废气,其中可能含有石油类､酚类､苯､多环芳烃等污染物｡这些污染物对环境和生态系统具有极大的危害,特别是那些具有持久性､生物累积性和毒性的污染物｡

2、现代实验室检测技术

2.1 微生物分析方法

水是传播肠道疾病的重要媒介,大肠杆菌来源于人和温血动物粪便,其与细菌总数常作为评估水体受微生物污染状况的指标｡平皿计数法是菌落总数的传统检测方法,需要配制培养基,且灭菌后的培养基保存时间短,培养后的菌落计数烦琐,存在较大误差｡复合酶底物法测定菌落总数相对平皿计数法要简单方便,目前已有基于此方法的产品问世,如 Simplate 菌落总数检测套装｡该方法是将水样加入到预制培养基中混匀,倾倒入 Simplate 培养盘中按规定要求培养,计数时用紫外灯照射培养盘,读出显示荧光的孔数,对照 MPN 表即可得出结果｡大肠菌群检测方法有多管发酵法､滤膜法和酶底物法,采用酶底物法,用预制培养基和 97 孔定量盘,通过培养计数荧光孔数,对照 MPN 表同样能方便快捷检测出水中大肠菌群｡近年来基于酶底物法的检测产品的问世,很好地解决了微生物检测过程中的烦琐和读数的不确定性,是应对此类污染物检测不错的选择｡

2.2 一般理化分析方法

此类方法一般分析的污染物浓度在ppm 级别,按检测方法分为酸碱滴定法､络合滴定法､沉淀滴定法､氧化还原滴定法和电化学分析法｡水体中此类主要污染物指标有 pH 值､化学需氧量､氯化物､钙离子､镁离子等｡其中高锰酸盐指数和化学需氧量是水污染中的常见指标,国内均有基于此类原理开发的全自动分析仪,能将国标方法中的添加试剂､滴定和计算过程实现自动化,本质上还是遵从国标基本方法,但效率更高,精密度､准确度和重现性也符合标准要求,尤其适用于突发污染中的连续监测｡压差法相比于传统的稀释与接种法,在 BOD5的测定中更加方便,且避免了最后溶解氧测定过程中带来的误差,采用基于此方法的分析设备对 BOD5进行污染监测,在精密度和准确度方面有可靠的保证,目前国内外已有多个研究对其可行性进行了验证｡

2.3 吸收光谱法

通过利用待测物质对不同波长光的吸收特性,建立的定性和定量分析方法,其浓度的测定基于朗伯 - 比尔定律原理｡其中,紫外吸收光谱法被广泛应用于有机物的辅助定性分析,而可见光吸收光谱法则在水污染监测领域具有更常见的应用｡为了进一步提高检测效率,基于吸收光谱法的流动注射分析法应运而生｡这种方法在连续监测挥发酚､氨氮等水污染物时,更加快速准确,并实现了小量取样的检测需求｡与此同时,近年来,国内不断涌现出基于吸收光谱法的专业分析仪器,例如全自动总磷总氮分析仪,依据国家标准分析方法开发而成,实现了前处理和检测分析过程的全面自动化,包括消解､比色和数据处理等步骤,从而确保了检测过程的一致性｡这些在传统分光光度法基础上延伸出来的先进仪器分析方法,在处理当前水环境污染问题中显示出巨大优势,尤其是在应对样品量大､前处理复杂且时效性要求高的情况下,更能发挥出其独特的价值和效能｡

2.4 电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)

在金属元素的分析领域,传统的方法如原子吸收光谱法和原子荧光光谱法,虽然在特定元素的检测中占据重要地位,但这些方法在分析水样中的多元素时存在局限,对污染水样的金属元素进行定性分析时显得较为乏力｡相比之下,ICP-MS 在多元素分析领域展现出了显著的优势,其应用范围更为广泛｡ICP-MS 技术能够同时对多种元素进行定性和定量分析,显著提升了分析的全面性和效率｡这一方法拥有极高的灵敏度和更低的检测限,能够准确捕捉到水样中微量元素的存在,为环境监测提供了强有力的技术支持｡因此,ICP-MS 在环境监测中发挥着不可替代的作用,成为当前及未来元素分析领域的重要技术手段｡

2.5 气相色谱质谱法(GC-MS)

GC-MS 在环境监测领域具有广泛的应用,如空气､水､土壤和沉积物中有机污染物的检测｡它可以用于监测持久性有机污染物(POPs)､农药残留､挥发性有机化合物(VOCs)等｡在突发环境污染应急响应中,GC-MS 能够快速准确地识别污染物的种类和浓度｡传统的气相色谱法通常需要依赖特定检测器来分别分析不同组分,这不仅要求配置多台设备,还会导致检测效率低下和成本增加｡在应对复杂样品时,传统的气相色谱法需要对已知标准品进行逐一的定性分析,这一过程既耗时又费力,而且准确度难以保证｡相比之下,GC-MS 凭借质谱的卓越性能,即使在样品中的某些组分未能通过气相色谱实现完全分离的情况下,也能根据这些组分产生的游离离子的质量特征,与标准谱库进行对比,迅速而准确地实现定性分析｡随着技术的不断发展,GC-MS 也在不断进行技术创新和升级｡例如,高分辨率质谱(HRMS)技术的应用进一步提高了GC-MS 的灵敏度和准确性;多维气相色谱(MDGC)和二维气相色谱(GCxGC)技术则提供了更高的分离能力｡三重四级杆质谱仪以其更高的灵敏度和精确度,在定量分析方面表现出显著优势,进一步提升了 GC-MS 在环境监测领域的应用价值｡GC-MS技术的应用不仅提高了分析效率,还为检测人员提供了更加全面､准确的污染物监测手段｡未来,随着新型离子源､质谱分析软件和数据库的发展以及自动化水平的提高,GC-MS 将在环境监测领域展现出更大的潜力和价值｡

2.6 液相色谱质谱法(LC-MS)

液相色谱质谱法(LC-MS)通过将液相色谱(LC)的分离能力与质谱仪(MS)的定性和定量能力相结合,展现了独特的优势｡尽管 GC-MS 在挥发性有机物的检测中表现卓越,但对于难挥发性和高分子量的有机污染物,LC-MS 成为理想的选择｡据估计,在目前已知的有机化合物中,仅有约五分之一能够通过 GC-MS 进行检测,而余下的难挥发有机物理论上均可通过 LC-MS 进行精确的分析和鉴定｡在处理高分子量有机污染物的分析任务时,LC-MS 凭借其高超的分离效果和准确的定量能力,成了不可或缺的分析工具｡

3、现代实验室检测技术的局限性

3.1 检测成本方面

上述提及的分析方法虽然在技术上非常适合对水环境污染进行连续监测,但不可忽视的是,其使用的仪器设备以及配套的试剂耗材成本相对较高｡特别是质谱仪,作为一种高端的分析设备,不仅初始投资大,而且在后续的维护､升级以及运行过程中的耗材成本也相当昂贵｡因此,在水环境污染的监测中,根据实际情况合理地选择分析方法才是首要选择｡

3.2 人员素质方面

新的检测技术对从业者的专业素养和实践能力提出了更高要求,对检测人员的理论基础和实际操作能力是巨大的考验｡特别是前沿的检测技术,对检测人员的综合能力有着更为严格的标准｡因此,为确保新技术和新设备能够有效服务于水环境监测,实验室在引进新技术和设备前,必须做好人才储备和培训工作｡包括但不限于对新技术原理的深入理解､操作技能的熟练掌握以及对设备日常维护和故障排查的能力培养｡通过这样的全面准备,才能确保软硬件的有机结合,为水环境监测提供更为精准､高效的支持｡

4、结语

现代实验室检测技术为水环境监测提供了更加便利的解决方案,但仍然存在一定的不足,将传统检测技术与前沿检测技术结合使用,能够更好地解决水环境污染监测中的各种问题｡

参考文献:

[1]屈彩云 . 水污染治理与环境保护措施研究 [J]. 皮革制作与环保科技 ,2023,4(24):115-116,122.

[2]尹玉芬 , 杜林梅 , 陈秀孔 . 农业环境污染发生机制及治理研究 [J]. 黑龙江粮食 ,2024(4):119-121.

[3]封立伟 . 生态环境保护中水污染治理的有效路径 [J].环境与生活 ,2023(12):76-79.

[4]丁瑞 , 孙芳城 . 水环境治理对长江经济带经济绿色转型的影响——基于河长制实施的准自然实验 [J]. 长江流域资源与环境 ,2023,32(12):2598-2612.

[5]周龙 . 生物炭材料在水体有机污染治理中的研究进展[J]. 资源节约与环保 ,2022(10):101-104

文章来源:钱鸿飞.实验室检测技术在水环境污染监测中的应用[J].黑龙江环境通报,2024,37(12):62-64.