水质采样怎么做？TWS来帮忙！—智慧排水之乱弹（101）

刘志迎 李萌
2023-07-20
小编按：水质采样工作是一项工作很大、责任感要求很高的工作。纯粹依赖于人工采样，面临着组织难度大、采样时间无法考核、现场危险度高等难题，且看本文带来的微型采样器，如何帮助实现代表水样的可靠、定时、定比例采集，从而大幅提高采样的可靠性和代表性，降低成本和安全风险。
随着城镇排水监测和“厂网河湖”管理的智能化发展，管理者对掌握水质时空变化的需求越来越强烈，亟需既有人工采样般灵活和又有自动采样般智能的采样设备，满足水质采样数量增加质量还可靠的要求，原位微型采样器TWS脱颖而出，为城市水环境“源头-过程-末端”全过程的水质智能管理提供助益。
自“十四五”城市黑臭水体整治环境保护行动方案的决策出台后，各地开展黑臭水体环境监测工作后，排水管网的监测点位大幅增加。在城镇排水管道和江河湖海等水环境的水质采样，大多采用人工采样或建设水质监测站的方式，但由于各地的采样工作以人工采样为主，采样工作量增加较多且时间紧。不仅要短时间内采集多个排水管网的水样，还有夜间采样工作，甚至有部分点位偏僻环境恶劣。因为山泉水的采样地点在一座小山上，采样时间较长，归途天色较晚，笔者近距离感受到大自然的“热闹”，各种蛇虫鼠蚁等小动物在夜间“聚会”，让人心跳加速惊出一把冷汗。人工采样监测工作仍存在一定的安全隐患，行业从业者和管理者都期盼能出现一种比较安全的采样方式，至少是一种便携式的自动采样器来替代完成水样采集工作，解决现有大量水样采集难题。
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对于原位监测仪如何提高水质采样的代表性，详情参见本公众号发布的#乱弹101：如何保障排水管道水质采样的代表性。笔者对目前各类水质采样方法进行对比，讲述原位微型采样器TWS如何克服水质采样的诸多难题。
一、人工采样难题多
某城镇的河道等水环境出现水质黑臭现象，依据用水量和排水量不平衡对比，初步分析某片区存在污水管混接入雨水管网的问题，城镇排水管理者需对该片区排水管网水质监测分析异常排污源头，解决水质黑臭的问题。虽然人工采样方便，适用场合较多，但在排水管网水质采样，人工采样仍面临许多难题：
①采样环境较差：因为排水管网深埋在城镇马路下，能对排水管网进行运行维护管理的设施主要是检查井、泵站和雨水排口等构筑物，要对排水管网的水质进行监测，就必须要在该类检修通道处进行采样工作。采样点大多都空间封闭狭小，充满恶臭、有毒有害的气体，一些偏心检查井的工作环境更为恶劣，需在完成密闭空间通风达到安全条件后再下井采样。
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图 1 人工采样现状
②排水管网水质具有时间性：从图2（左）可以看到，某城镇排水管网上下游各节点的污水排口水质在每天6:00、12:00、18:00和24:00时的COD浓度均有不同程度变化，因此采样方案应要求工作人员在全天不同时段对监测点多次采样，采样频率要求高的点位甚至需长时间蹲守完成采样。在恶劣环境采样时，在多次往返监测点时安全风险也会增加，另外样品数量的增加导致运输、储藏、化验成本也随之增加。图2（右）中可以看到同一监测点在周二、周四、周六同一时刻的COD浓度均有不同程度的差异，其中周六6:00时的COD浓度明显降低。因此为保障上下游管网的水质分析具有代表性，应尽量在同一天的相同时段采集，这一要求无疑对人工采样的效率提出挑战。【小编：其实这个水质随时间的规律，我们不完全测一遍是不知道的，无法提前预知准确规律；那么如果要较真“代表性”，采样成本必然大幅增加。】
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图 2 排水管网上下游不同时刻（左）和同一监测点不同日期（右）的COD浓度变化
③采样质量难保障：在现场采样时，采样人员是否会按照监测方案中采样步骤仔细完成采样工作，尤其是在采样数量较多而采样人员较少时间短的情况下，是否会遵守职业素养减少人为误差。因此为了保障水样的采集质量，监测管理者需要对采样人员培养较高的责任心和职业素养，培训人员消耗的时间成本和试错资源虽然十分必要，但仍间接促使采样成本的增加。【小编：我们的小伙伴碰到过早、中、晚三个样品的化验指标数值几乎一样，不仅深深的怀疑是不是一次采样、多次交付……】
人工采样方法为解决以上问题需要安排多队采样小组，长时间蹲守、协同配合并强化培训才能完成整个片区的科学性采样。人工采样对小型片区的水质监测或初步水质分析的分析评估方面，更多地适用于采样点位少、采样频率较低的场所。
但是，对于面积较大和汇水面积过大的片区、管网分支也较多，这种方式对采样资源消耗过大，而且对采样人员的工作素质有着较大考验，采样工作实施难度也因此增大。对于城镇排水、海绵城市、医疗废水、江河湖海等水环境的采样工作量日益增加的情况，人工采样难以满足大范围水环境精细化管理的需求。
二、自动采样限制多
自动采样不需要操作人员在场，可以避免操作人员面临恶劣天气或交通危险等情况。自动采样器仅需编程设计在指定的时间间隔就可收集多个样本，与在线监测仪联机使用还可原位检测部分水质指标：温度、浊度、溶解氧、氧化还原电位、pH、电导率等指标，其他的水质指标需转移至实验室开展人工化验分析。但现有的大型自动采样在城镇排水管理的应用仍存在很大的限制：
①可覆盖场景少：一般自动采样器都安装在重要泵站、雨水排口和闸站等排水设施处，对泵站和雨水排口闸站的水质监测。但泵站的汇水面积一般都较大，对于地势平坦的城镇，汇水面积甚至超过10km2，大约是1400个标准足球场的大小，无法对片区上游的异常排污溯源排查。
②采样设备体积大：为获取城镇排水各片区的水质特征，应在排水管网重要干管节点布设监测点位，缩小汇水面积检查水质情况。但检查竖井的检修口直径一般为80cm，空间狭小、氧气稀薄、充斥着H2S、NH3等氧化性气体、湿度高等恶劣环境，对于体积大、防水防尘性能差的自动采样器的安装有很大限制。
③安装维护成本高：现有的自动采样器需配套供电设施和专属机房，基建和安装成本较高，占地面积较大，在后续运行还需要定期更换在线监测仪校准水样和管道等配件，养护成本较高。采样管中残留水样会造成交叉污染，采样器堵塞造成测量结果不准确等。自动采样器更适用于排水系统中部或终端的长期监测，灵活性较差，不能满足城镇排水的全面管理需求。
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三、原位微型采样器显身手
那么THWater原位水质微型自动采样器（TWS）能同时解决人工采样和普通大型自动采样器的以上难题吗？且听笔者慢慢道来，THWater原位水质微型自动采样器具有以下优势：
①设计巧妙体型小：原位微型采样器的主机外形类似椭圆形飞盘，采样设备体积比普通水杯略大一些，可以节省运输空间，并且巧妙的内部空腔设计可以让主机始终漂浮于液面，通过内部设计防止翻过无法采样，主机小巧轻便单人就可以轻松携带。
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图 4 THWater原位水质微型采样器外观和漂浮采样示意图
②安装便捷维护易：主机采用电池供电方式，不需要安装人员下井，在狭小空间也能完成水质自动采样。安装时需一根牢固提拉绳牵住采样器主机，取样管和样品袋等配件安装完成后直接抛入水面或检查井中，具有空腔的采样器漂浮于水面上，不同长度的取样管能采集不同液位水样；也能通过设计好的程序在指定的时间间隔采集多个样本，能远程操纵设定取样频率采集水样，不需要工作人员值守，设定的采集时间到期，将采集完毕的采样器提拉取出，采样工作完成。TWS采样器不需要建立监测基站，从设备安装到采样完成的整个使用过程方便快捷。
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图 5THWater原位水质微型采样器在检查井的安装示意图
③积分采样效率高：该采样器还可与THWater流量主机联用（正在开发中的功能哈！），等流量体积比例实现瞬时积分混合采样，例如每监测到100m³流量采集5mL水样，多次积分级别采样获取具有代表性的具有混合性质的瞬时水样；并且在采样周期内可将流量与水样体积等比例混合为一个能代表采样周期水质的混合样品。样品数量的减少不仅可以节省运输成本、缓解储存空间压力，还能降低化验样品数量，化验成果可以作为监测周期的原位水质数据，跳过以往大量化验数据的整理统计阶段，直接用于成果应用，充分提高水质监测分析成果的产出效率。
④性价比高功能强：“性价比高”指产品性能评价值与价格评价值之比大于1，价格优美的标签与功能强大的监测设备匹配，THWater原位微型采样器（TWS）称得上是“性价比高”。因为原位微型采样器具有安装拆卸便捷和能循环使用的特性，大幅提高采样效率。TWS采样器不仅能在短时间内完成监测片区采样部署，形成点—线—面全片区覆盖；还能待采样完成设备回收后，立即开展下一片区水质监测。
四、采样技术对比
水质采样监测是水环境监测中的一个关键环节，对水质进行科学有效的采样和化验分析，确保监测数据的准确性，可推动水环境管理工作的顺利推进。因此，规范化的水质采样与化验结果是水质监测最重要的信息来源，进行高质量的取样工作，为水污染防治工作的进行奠定基础。
水质采样方法优缺点的对比见表1，THWater原位水质微型自动采样器（TWS）不仅能提高水质采样效率和取样质量，还能保障水质采样的代表性，满足日益增长的水质采样需求，是集人工采样和自动采样优势于一身的采样设备，在水质采样方法中可博得一席之地，特别是针对排水管网的大规模水质水量调查工作。
表 1 人工采样、自动采样和THWater自动采样法的优缺点比较
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综上，TWS微型采样器可以适用诸多采样需求的场合，比如城镇排水管网、医疗废水、渗滤液废水、江河湖海等水环境和海绵城市的水质监测方面，后续文章将继续讲述水质采样的故事，各位敬请期待。
其他相关监测产品可以参考：THwater排水管网在线监测产品介绍



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