污染溯源与生物毒性检测耦合的综合预警方法及装备

技术领域

本发明涉及污染预警技术领域，尤其涉及一种污染溯源与生物毒性检测耦合的综合预警方法及装备。

背景技术

以水污染为例，水污染预警是水安全保障的重要措施。支撑饮用水安全、污染源监管、水污染事故应急等重要环境监管业务中均有水污染预警的重大需求。现有的水污染预警方法是基于常规水质指标的预警方法，采用的常规指标包括电导率、pH、COD、氨氮、总氮、总磷等，但是仅能反映水质状况，测定时间长，需要多种测试试剂和仪器，只能反映污染物浓度，不能指向污染源和反映对人类和生态系统的危害，该预警方法已经不能满足现阶段预警的要求。

发明内容

本发明提供一种污染溯源与生物毒性检测耦合的综合预警方法及装备，用以解决现有技术中基于常规水质指标的预警方法仅能反映水质状况，测定时间长，需要多种测试试剂和仪器，只能反映污染物浓度，不能指向污染源和反映对人类和生态系统的危害的缺陷，本发明的方法成熟简单、工作量小、成本低，可操作性和时效性强，预警信息丰富和准确性高，有利于大范围推广，对污染溯源具有重要意义，为环境安全和污染精细化管理提供依据。

本发明提供一种污染溯源与生物毒性检测耦合的综合预警方法，包括：对采集的待溯源样品进行预处理，得到预处理样品；对所述预处理样品进行污染溯源检测，得到污染溯源检测数据；对所述预处理样品进行生物毒性检测，得到生物毒性数据；对所述污染溯源检测数据进行识别与比对，得到污染溯源强度和疑似污染源信息；对所述生物毒性数据进行处理，得到生物毒性信息；根据所述污染溯源强度和所述生物毒性信息确定预警等级；根据所述预警等级和所述疑似污染源信息确定综合预警结果。

根据本发明提供的一种污染溯源与生物毒性检测耦合的综合预警方法，所述对采集的污染源样品进行预处理，包括：所述待溯源样品包括液态样品、固态样品或气态样品；对所述液态样品进行预处理包括：用滤膜对所述液态样品进行过滤；对所述固态样品进行预处理包括：将所述固态样品用超纯水溶解，将所述固态样品浸出液用滤膜进行过滤；对所述气态样品进行预处理包括：将所述气态样品溶于超纯水，将水样用滤膜进行过滤。

根据本发明提供的一种污染溯源与生物毒性检测耦合的综合预警方法，所述对所述预处理样品进行污染溯源检测，得到污染溯源数据，包括：根据预设溯源检测方法对所述预处理样品进行污染溯源检测，以得到污染溯源数据。

根据本发明提供的一种污染溯源与生物毒性检测耦合的综合预警方法，所述对所述预处理样品进行生物毒性检测，得到生物毒性数据，包括：根据预设生物毒性检测方法对所述预处理样品进行生物毒性检测，以得到生物毒性数据。

根据本发明提供的一种污染溯源与生物毒性检测耦合的综合预警方法，所述对所述污染溯源数据进行识别与比对，得到污染溯源强度和疑似污染源信息，包括：所述预设溯源检测方法为水质指纹溯源方法；基于平行因子分析法对根据所述水质指纹溯源方法得到的污染溯源数据进行识别与比对，以得到污染溯源强度和疑似污染源信息；所述平行因子分析法为：

其中，x

根据本发明提供的一种污染溯源与生物毒性检测耦合的综合预警方法，所述对所述生物毒性数据进行处理，得到生物毒性信息，包括：所述预设生物毒性检测方法为发光菌荧光强度检测方法；计算根据所述发光菌荧光强度检测方法得到的生物毒性数据的相对发光强度的损失百分比，以得到生物毒性信息。

根据本发明提供的一种污染溯源与生物毒性检测耦合的综合预警方法，所述根据所述污染溯源强度和所述生物毒性信息确定预警等级，包括：根据所述污染溯源强度和所述生物毒性信息基于预设预警等级公式得到综合风险指数；根据所述综合风险指数与预设等级对应关系确定所述预警等级；所述预设预警等级公式为：

其中，Y为综合风险指数，X为所述污染溯源强度，Z为所述生物毒性信息，a为风险常数。

本发明还提供一种污染溯源与生物毒性检测耦合的综合预警装备，包括：样品预处理模块，用于对采集的待溯源样品进行预处理，得到预处理样品；污染溯源检测模块，用于对所述预处理样品进行污染溯源检测，得到污染溯源数据；生物毒性检测模块，用于对所述预处理样品进行生物毒性检测，得到生物毒性数据；数据计算模块，用于对所述污染溯源数据进行识别与比对，得到污染溯源强度和疑似污染源信息；对所述生物毒性数据进行处理，得到生物毒性信息；根据所述污染溯源强度和所述生物毒性信息确定预警等级；根据所述预警等级和所述疑似污染源信息确定综合预警结果。

根据本发明提供的一种污染溯源与生物毒性检测耦合的综合预警装备，还包括：进样模块，用于将采集的所述待溯源样品输送至所述样品预处理模块；数据传输模块，用于传输所述污染溯源检测模块、所述生物毒性检测模块和所述数据计算模块之间的数据；提示模块，用于提示所述综合预警结果；排水及管路清洗模块，用于排水和管路反冲洗。

根据本发明提供的一种污染溯源与生物毒性检测耦合的综合预警装备，还包括系统控制模块，用于嵌入污染源识别模型并对所述进样模块、所述样品预处理模块、所述污染溯源检测模块、所述生物毒性检测模块、所述数据传输模块、所述数据计算模块、所述提示模块和所述排水及管路清洗模块进行控制。

本发明提供的一种污染溯源与生物毒性检测耦合的综合预警方法及装备，具有以下优势：

(1)本发明采用污染溯源分析与生物毒性检测相结合，测量时间较短，灵敏度高。其中，发光细菌广谱测毒，与鱼类96h急性生物毒性试验相关性很好，比其它生物毒性检测法如硝化抑制试验、酶抑制试验、呼吸抑制试验、ATP发光分析的灵敏度都高，便于在线检测，适合大范围推广；

(2)本发明为首次提出的一种污染溯源分析与水质生物毒性检测耦合的水质综合预警方法及装备，给出多指标的复合信息，应用分级预警措施，突破了第一、第二阶段水污染预警方法不能提供监管和治理对象信息的重大局限，对污染来源和风险来源的管控有质的提升；

(3)本发明引入疑似污染源信息，利于用户掌握，并采取相应措施，可以实现高效的水污染源头监管和治理，提高水安全保障能力，提升监管效率20倍以上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种污染溯源与生物毒性检测耦合的综合预警方法的流程示意图；

图2是本发明提供的一种污染溯源与生物毒性检测耦合的综合预警装备的结构示意图；

图3是本发明提供的另一种污染溯源与生物毒性检测耦合的综合预警装备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1-图3描述本发明的一种污染溯源与生物毒性检测耦合的综合预警方法及装备。

请参考图1，图1为本发明提供的一种污染溯源与生物毒性检测耦合的综合预警方法的流程示意图。

本发明提供一种污染溯源与生物毒性检测耦合的综合预警方法，包括：

101：对采集的待溯源样品进行预处理，得到预处理样品；

102：对预处理样品进行污染溯源检测，得到污染溯源检测数据；对预处理样品进行生物毒性检测，得到生物毒性数据；

103：对污染溯源检测数据进行识别与比对，得到污染溯源强度和疑似污染源信息；对生物毒性数据进行处理，得到生物毒性信息；

104：根据污染溯源强度和生物毒性信息确定预警等级；

105：根据预警等级和疑似污染源信息确定综合预警结果。

近年来污染事故频发，污染预警是环境安全保障的重要措施。基于常规污染预警方法测定时间长，需要多种测试试剂和仪器，只能反映污染物浓度，不能指向污染源和反映对人类和生态系统的危害。该预警方法已经不能满足现阶段预警的要求。

一方面，污染治理与监管将从粗放监管转向精准监管，需合理引进新技术支撑科学决策。找准“肇事人”(即溯源)，严厉打击和制裁环境污染违法犯罪行为，从源头上扭转“违法成本低，执法成本高”的不公平现象，推动水污染源头监管和治理。另一方面，突发性环境污染事件频频发生，潜在危险源多，对环境和人类身体健康构成严重威胁。第一时间发现污染事故并掌握污染源信息，对于应急处置十分重要。

为了解决现有技术中所存在的技术问题，本发明提供了一种污染溯源与生物毒性检测耦合的综合预警方法，首先需要采集待溯源的样品，这里的待溯源样品可以为污染水、土壤、固体废物和大气样品，然后对采集的待溯源样品进行预处理，得到预处理样品。之后通过预处理样品进行污染溯源检测，得到污染溯源检测数据，这里的污染溯源检测方法可以为预设污染溯源检测方法，例如：水质指纹溯源方法、二维单射曲面数据的特征提取与匹配方法、养殖废水中腐殖酸含量的测定方法、基于三维荧光光谱的地表水有机污染的快速预警方法、基于光谱电化学的水污染源解析方法、聚类分析方法、基于紫外-可见光光谱的水污染溯源方法、基于特征污染物的水污染源解析方法、基于高分辨率质谱的水污染溯源方法。此外，也对预处理样品进行进行生物毒性检测，得到生物毒性数据，这里的生物毒性检测方法可以为预设生物毒性检测方法，例如：发光细菌法、利用斑马鱼进行水质生物毒性检测方法、利用贻贝生物毒性检测方法、基于微生物燃料电池生物毒性检测方法和基于呼吸速率的生物毒性检测方法。然后对污染溯源检测数据进行识别与比对，得到污染溯源强度和疑似污染源信息；对生物毒性数据进行处理，得到生物毒性信息。之后根据污染溯源强度和生物毒性信息确定预警等级，例如从高到低分别为Ⅲ级、Ⅱ级和Ⅰ级。最后根据预警等级和疑似污染源信息确定综合预警结果。

溯源是污染治理和监管的关键。本发明提出的综合预警以水质指纹溯源技术为例，引入污染源信息，具备迅速识别污染源头的功能，提高应急效率。荧光有机物在水体和污水中广泛存在。荧光强度与污染物浓度呈现线性关系，水质指纹谱图与污染源有对应关系，被称为水质指纹。借鉴刑侦手段中的指纹比对查找嫌疑犯的思路，发明了水质指纹溯源方法。水质指纹的检测不需要药剂，且测量时间较短，灵敏度高。建立污染源水质指纹数据库，通过污染水样的水质指纹与数据库的比对，能够精确识别污染源，从而实现水环境的精细化管理。

本发明提出耦合污染溯源分析和生物毒性信息的综合分级预警将水污染预警从水质预警、生态效应预警上升至水质预警、生态效应、污染源预警的综合预警。引入溯源结果，即疑似污染源信息，可以实现高效的水污染源头监管和治理，监管效率可以提升20倍以上，突破了传统水污染预警方法不能提供监管和治理对象信息的重大局限。疑似污染源信息是监管和治理部门急需的重要信息。将溯源技术和水质生物毒性技术耦合，既能依靠前者灵敏度高的特性及时发现污染，提高污染预警的效率，准确识别污染源，又能利用后者的生物毒性结果直接体现污染的危害，监管效率显著提升。因此，本发明可以成为解决国家水环境精准监管的重大需求的关键抓手，具有重要实际价值。

综上，本发明的污染溯源与生物毒性检测耦合的综合预警方法，成熟简单、工作量小、成本低，可操作性和时效性强，预警信息丰富和准确性高，有利于大范围推广，对污染溯源具有重要意义，为环境安全和污染精细化管理提供依据。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，对采集的污染源样品进行预处理，包括：待溯源样品包括液态样品、固态样品或气态样品；对液态样品进行预处理包括：用滤膜对液态样品进行过滤；对固态样品进行预处理包括：将固态样品用超纯水溶解，将固态样品浸出液用滤膜进行过滤；对气态样品进行预处理包括：将气态样品溶于超纯水，将水样用滤膜进行过滤。

具体的，被污染水样外，本发明也适用于土壤、固体废物和大气样品。例如：对被污染水样进行预处理包括：对水样用0.45μm滤膜过滤；对被污染土壤或固体废物样品进行预处理包括：对土壤或固体废物样品先用超纯水溶解，然后土壤或固体废物浸出液用0.45μm滤膜过滤；对被污染大气样品进行预处理包括：对气体样品溶于超纯水后用0.45μm滤膜过滤。

该方法较传统水质预警方法速度更快，提供的预警信息更丰富，适用于水源地等重要水体、近海、污水厂进水和污水、雨水等管网水质预警和污染溯源，也适用于土壤、固体废物及大气样品的预警和污染溯源。

作为一种优选的实施例，对预处理样品进行污染溯源检测，得到污染溯源数据，包括：根据预设溯源检测方法对预处理样品进行污染溯源检测，以得到污染溯源数据。

需要说明的是，这里的预设溯源检测方法可以但不仅限为水质指纹溯源方法、二维单射曲面数据的特征提取与匹配方法、养殖废水中腐殖酸含量的测定方法、基于三维荧光光谱的地表水有机污染的快速预警方法、基于光谱电化学的水污染源解析方法、聚类分析方法、基于紫外-可见光光谱的水污染溯源方法、基于特征污染物的水污染源解析方法、基于高分辨率质谱的水污染溯源方法。

以水质指纹溯源方法为例，对预处理后的被污染水样进行溯源检测得到所述被污染水样的水质指纹数据。

分析测试包括但不限于水质指纹谱图。

水质指纹谱图的激发波长扫描范围为220～600nm，发射波长扫描范围为230～650nm，分辨率2.5nm；发光检测组件的吸光度为线性测试单位0-3OD，单光子为10

作为一种优选的实施例，对预处理样品进行生物毒性检测，得到生物毒性数据，包括：根据预设生物毒性检测方法对预处理样品进行生物毒性检测，以得到生物毒性数据。

需要说明的是，这里的预设生物毒性检测方法可以但不仅限为发光细菌法、利用斑马鱼进行水质生物毒性检测方法、利用贻贝生物毒性检测方法、基于微生物燃料电池生物毒性检测方法和基于呼吸速率的生物毒性检测方法。

以发光细菌法为例，对预处理后的被污染水样进行生物毒性检测得到所述被污染水样的水质生物毒性数据。

分析测试包括但不限于天然发光细菌发光强度。

作为一种优选的实施例，对污染溯源数据进行识别与比对，得到污染溯源强度和疑似污染源信息，包括：预设溯源检测方法为水质指纹溯源方法；基于平行因子分析法对根据水质指纹溯源方法得到的污染溯源数据进行识别与比对，以得到污染溯源强度和疑似污染源信息；平行因子分析法为：

其中，x

具体的，水质指纹数据预处理为水质指纹谱图的预处理。

水质指纹数据的识别与比对为水质指纹谱图的特征提取。

水质指纹谱图的特征提取是指利用平行因子分析法获得水质指纹谱图的主要荧光组分。

作为一种优选的实施例，对生物毒性数据进行处理，得到生物毒性信息，包括：预设生物毒性检测方法为发光菌荧光强度检测方法；计算根据发光菌荧光强度检测方法得到的生物毒性数据的相对发光强度的损失百分比，以得到生物毒性信息。

具体的，对所述水质生物毒性数据进行识别包括：基于新培养的发光细菌(本发明以费氏弧菌Vibrio fischeri为例)作为标志生物。在发光细菌复苏后，分别检测暴露到被检测样品前后的发光细菌的发光强度，计算相对发光强度的损失百分比，从而得出半抑制浓度或发光抑制率等生物毒性数据。所得的生物毒性数据将代入综合预警模型进行计算，基于发光菌的生物毒性检测技术测试周期短、使用成本低、适用范围广，应用较广泛。

作为一种优选的实施例，根据污染溯源强度和生物毒性信息确定预警等级，包括：根据污染溯源强度和生物毒性信息基于预设预警等级公式得到综合风险指数；根据综合风险指数与预设等级对应关系确定预警等级；预设预警等级公式为：

其中，Y为综合风险指数，X为污染溯源强度，Z为生物毒性信息，a为风险常数。

此外，Z可以为半抑制浓度IC50，也可为1/发光抑制率，a可以为1，可根据具体案例调整，本发明在此不作特别的限定。

结合疑似污染源信息提供水质综合预警结果。综合风险指数高于15为Ⅲ级，1-15为Ⅱ级，低于1为Ⅰ级。

另外，排水及反冲洗管路，等待下一次测量。

本发明的污染溯源与生物毒性检测耦合的综合预警方法根据水样的水质指纹峰强度和水质指纹类型的变化，迅速识别污染是否发生，实现水污染早期预警；基于水质指纹溯源技术进行污染溯源；基于水质生物毒性检测技术，获得水样的生物毒性信息；根据水质指纹荧光峰强度和生物毒性信息进行预警等级计算，并结合疑似污染源信息提供综合预警等级。

下面结合具体案例及附图对本发明进一步阐述。

(1)案例1

1)被污染水样采集，并对样品进行预处理

某地有纺织企业A，对其进行样品采集。

具体地，样品经过0.45μm滤膜过滤。

2)水质指纹检测和水质生物毒性检测

水质指纹谱图的激发波长扫描范围为220～600nm，发射波长扫描范围为230～650nm，分辨率2.5nm；发光检测组件的吸光度为线性测试单位0-3OD，单光子为10

3)水质指纹数据预处理

水质指纹数据预处理为水质指纹谱图的预处理。

4)根据水质指纹和水质生物毒性综合判定预警等级

a)将A的水质指纹数据(X＝3187)及水质生物毒性数据(IC50＝0.9084)带入综合风险判断公式。

b)查看计算结果，结果表明综合风险指数为16.20。

c)根据结果给出预警等级为Ⅲ级，需重点监控。

(2)案例2

1)被污染水样采集，并对样品进行预处理

某地有化工企业B，对其进行样品采集。

具体地，样品经过0.45μm滤膜过滤。

2)水质指纹检测和水质生物毒性检测

水质指纹谱图的激发波长扫描范围为220～600nm，发射波长扫描范围为230～650nm，分辨率2.5nm；发光检测组件的吸光度为线性测试单位0-3OD，单光子为10

3)水质指纹数据预处理

水质指纹数据预处理为水质指纹谱图数据的预处理。

4)根据水质指纹和水质生物毒性综合判定预警等级

a)将B的水质指纹数据(X＝4613)及水质生物毒性数据(IC50＝1.746)带入综合风险判断公式。

b)查看计算结果，结果表明综合风险指数为9.53。

c)根据结果给出预警等级为Ⅱ级，风险等级较高。

(3)案例3

1)被污染水样采集，并对样品进行预处理

某地有生物科技企业C，对其进行样品采集。

具体地，样品经过0.45μm滤膜过滤。

2)水质指纹检测和水质生物毒性检测

水质指纹谱图的激发波长扫描范围为220～600nm，发射波长扫描范围为230～650nm，分辨率2.5nm；发光检测组件的吸光度为线性测试单位0-3OD，单光子为10

3)水质指纹数据预处理

水质指纹数据预处理为水质指纹谱图数据的预处理。

4)根据水质指纹和水质生物毒性综合判定预警等级

a)将C的水质指纹数据(X＝463.7)及水质生物毒性数据(IC50＝570.5)带入综合风险判断公式。

b)查看计算结果，结果表明综合风险指数为0.014。

c)根据结果给出预警等级为Ⅰ级，风险较低。

根据本发明实施例提出的污染溯源分析与水质生物毒性检测耦合的水质综合预警，包括样品采集、样品预处理、样品水质指纹检测和水质生物毒性检测、综合预警等级判定等。将水质指纹数据与水质生物毒性数据进行融合并应用于污染源识别。相对于传统的污染源识别方法，该方法准确、智能、成本低、可操作性强，有利于大范围推广，对污染源溯源具有重要意义。

请参考图2，图2为本发明提供的一种污染溯源与生物毒性检测耦合的综合预警装备的结构示意图。

本发明还提供一种污染溯源与生物毒性检测耦合的综合预警装备，包括：样品预处理模块201，用于对采集的待溯源样品进行预处理，得到预处理样品；污染溯源检测模块202，用于对预处理样品进行污染溯源检测，得到污染溯源数据；生物毒性检测模块203，用于对预处理样品进行生物毒性检测，得到生物毒性数据；数据计算模块204，用于对污染溯源数据进行识别与比对，得到污染溯源强度和疑似污染源信息；对生物毒性数据进行处理，得到生物毒性信息；根据污染溯源强度和生物毒性信息确定预警等级；根据预警等级和疑似污染源信息确定综合预警结果。

此外，污染溯源检测模块202可以但不仅限为水质指纹检测模块，用于对预处理后的被污染水样进行水质指纹谱图测试得到所述被污染水样的光谱数据，包括水质指纹荧光峰强度及位置信息。

生物毒性检测模块203可以但不仅限为水质指纹检测模块，用于对预处理后的被污染水样进行水质指纹谱图测试得到所述被污染水样的光谱数据，包括水质指纹荧光峰强度及位置信息。

请参考图3，图3为本发明提供的另一种污染溯源与生物毒性检测耦合的综合预警装备的结构示意图。

作为一种优选的实施例，还包括：进样模块205，用于将采集的待溯源样品输送至样品预处理模块；数据传输模块206，用于传输污染溯源检测模块202、生物毒性检测模块2032和数据计算模块204之间的数据；提示模块207，用于提示综合预警结果；排水及管路清洗模块208，用于排水和管路反冲洗。

此外，提示模块207可以但不仅限为显示模块，用于进行综合预警结果显示。

数据计算模块204具体对数据传输模块206输入的数据利用综合预警模型进行计算。

作为一种优选的实施例，还包括系统控制模块209，用于嵌入污染源识别模型并对进样模块205、样品预处理模块201、污染溯源检测模块202、生物毒性检测模块203、数据传输模块206、数据计算模块204、提示模块207和排水及管路清洗模块208进行控制。

具体的，系统控制模块209用于嵌入污染源识别模型及进行系统控制，水质指纹检测及水质生物毒性检测模块的数据传输给控制模块并利用组态软件在显示模块实时显示结果，将组态软件中收集的数据输送至数据计算模块204并代入综合预警模型，利用污染源识别模型对污染样本类别进行判别，再把结果返回至显示模块显示判别结果。

该装备适用于水源地等重要水体、近海、污水厂进水和污水、雨水等管网水质预警和污染溯源，也适用于土壤、固体废物和大气样品的预警与污染溯源。

对于本发明提供的一种污染溯源与生物毒性检测耦合的综合预警装备的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。