在環保領域，「源解析」是一項耳熟能詳的技術。「北京PM2.5源解析報告引發質疑 中科院：4%只是直接排放」、「北京發布PM2.5源解析結果 本地汙染佔七成」、「中國9大城市完成大氣源解析 北廣深首要汙染源機動車」，一項項研究成果在各大媒體和朋友圈傳播，管理者和公眾都理所當然的認為：了解一個城市或地區的霧霾來源並不是難事。那麼，水汙染領域呢?我國水汙染狀況同樣不容樂觀，是否有技術手段可以實現汙染排放源的溯源，以支持水環境質量的管理呢?
清華大學環境學院吳靜副研究員的團隊歷時13年通過對不同來源水樣的水質螢光指紋進行分析和判別，建立了不同來源汙水的水質螢光指紋資料庫，通過對水體水質指紋的比對，從而判斷水體受到了何種汙水的汙染。其實螢光光譜技術並不是一個新技術，國內外有很多團隊將其用在水質分析中，但大多是對天然有機物和溶劑性有機物進行定性和定量分析。
那麼，吳靜老師是如何想到將螢光光譜技術應用於水質汙染溯源的呢?水質螢光指紋識別技術在水汙染溯源方面的實際應用效果如何呢?此應用又給客戶的環境管理帶來了哪些好處呢?近日，儀器信息網編輯針對相關問題採訪了吳靜老師。
清華大學環境學院 吳靜副研究員
國外學習經歷+松花江事件 催生水質預警溯源技術
「2003年的時候，學校給了我一個去法國科學研究中心做博士後的機會，我就去了。過去之後才知道，合作導師的課題是與監測相關的，是用螢光光譜技術分析汙水廠進水水質變化。那段時間，我腦子裡存了很多汙水的光譜。回國後不久，松花江事件爆發，我就想是否可以用這個技術來對水體汙染進行排放源的溯源，以便快速鎖定汙染源。當時國內外快速的水汙染溯源的技術基本空白。」吳靜老師如此描述了自己與汙染源溯源點子的「初遇」。
水質螢光光譜的檢測技術已經很成熟，國內外有不少廠商可以生產相關的儀器。吳靜老師利用螢光光譜儀作為信號採集單元，開展了創造性工作。信號採集之後，吳靜老師的主要工作包括：「一是信號的提取與解析，這是核心部分。我們將解析的過程轉換成算法。二開發關鍵硬體部件，並完成硬體集成，形成一套可定時自動完成進樣、預處理、測量、分析、給出結果的新型在線水質分析儀，我們叫它水質預警溯源儀。此款儀器就只有三個主要功能：預警、汙染源溯源和汙染留證。」
與一般利用螢光光譜方法測定水質的儀器不同，水質預警溯源儀測定的不是某種汙染物的濃度，而是水體水質是否有異常，並自動判斷水體中最可能混入了哪種汙水。目前，此臺儀器可識別包括生活汙水、印染廢水、電子廢水、石化廢水、焦化廢水、造紙廢水和金屬製造廢水等10餘種廢水。
吳靜與汙染預警溯源儀合影
實際應用 發揮環境監管作用
吳靜老師從2004年有了這個想法，在2009年推出了第一臺樣機，2015年全面實現了儀器的產業化生產。目前此款儀器已經在多個地區得到了實際應用。
「我們有一臺設備安裝在一個超大型水源地。有一天指紋突然出現了異常，儀器報警可能是電鍍廢水，環保部門就打電話問上遊的工業園區是否有電鍍廠。由於工業園區只有一家電鍍廠，所以就要求企業停產整改了。企業停產後，信號就消失了。過了兩天，又有同樣的信號出現，原來是電鍍廠恢復生產了。環保部門再次要求對方整改，這次連雨水管也接到汙水處理廠，之後信號就再沒出現過。」這次經歷表明，儀器可以快速發現企業的偷排行為。
那麼對於相同的行業廢水，是否能夠識別呢?吳靜老師為筆者介紹了最近的一個項目：「我們最近正在給南方某工業園區安裝我們的水質預警溯源儀。這個園區一共有22家企業，全部是電鍍廠，園區排放口的重金屬汙染物濃度總超標，又找不到排放企業，環保部門對此很頭疼。接觸之初，當地環保局也懷疑我們是否能識別出如此相近的廢水，為此先是實地考察了我們用戶的使用情況，然後組織了包括外請專家在內的11名專業人士的團隊、帶了四個工廠的水樣來我們學校親自做了盲樣測試，測試結果良好才最終決定採用我們的儀器。現在項目已經接近實施的尾聲了。」
若干「關鍵點」
對於此儀器的設計思路，吳靜老師這麼為筆者做了形容：「這個技術就跟警察抓小偷時的指紋比對思路一樣，我們的設備就是在水汙染犯罪現場掃描嫌疑指紋，如果能與指紋庫對比上，那麼就可能找到汙染源。」但是汙水水質與人體指紋畢竟還是有一些不同的地方，環境管理與警察破案的思路雖然在大方向上有一致的地方，但在實際操作層面是否有自己的特點呢?針對筆者在這方面的一些疑問，吳靜老師耐心細緻地一一作答。
水質螢光指紋識別技術檢測的是有機物，那麼這個技術是如何識別以重金屬為主的電鍍廢水的呢?「雖然電鍍廢水以重金屬元素為主，但是由於其生產過程中添加了少量有機物，且不同工廠的原料來源、管理水平、工藝水平等存在差異，加上水質螢光指紋檢出限很低，因此可以識別不同工廠排放的電鍍廢水。」
汙水進入水體之後會被稀釋，隨著從上遊到下遊的流動，水質會發生變化，這會給識別工作帶來哪些困難呢?「首先，螢光信號的靈敏度很高，微克/升量級的汙染物就能被檢出，所以稀釋後汙染還是能檢出。其次，很多螢光化合物本身穩定性好。以印染廢水為例，印染廢水需要經過水解、厭氧處理、好氧處理，然後混入生活汙水後再次經過水解、厭氧處理、好氧處理、高級氧化後排放，其中的化學耗氧量(COD)降解90%以上，但是螢光信號的降解才30%，這表明很多螢光化合物是難降解的，作為指示物比較合適。汙染排入水體後，肯定沒有在汙水廠變化快，所以容易被發現。」
即使能夠比較精準的實現汙染源的定位，但是目前水質螢光指紋的數據是無法用來作為環境執法依據的，對於這些問題，該如何解決呢?「目前環境執法主要還是依賴實驗室數據做支撐。我們最大的用途是快速提供用戶能開展業務的指向性信息，快速提供排查方向，縮小排查範圍，顯著提高效率。我們在開放的預警溯源系統中，實現了預警信息實時傳送給執法人員。我們還採用自動留樣器，開發了移動式溯源儀。前者可自動保存汙染水樣，後者在儀器預警後，可以即趕到現場用水質指紋來排查汙染排放源。溯源是個複雜的事情，也是要靠專業的手段來實現的。」
展望未來 希望發揮更大作用
雖然在採訪過程中，筆者和吳靜老師大多時候聊到的是此臺儀器在管理企業偷排方面的作用，其實結合不同的監管手段，此臺儀器還可以實現多尺度汙染溯源：一是大流域尺度。在大流域範圍內，可以利用此技術識別流域的重點汙染段以及汙染類型，比如每一段的主要汙染源是生活汙水、工業汙水還是面源汙染?這點和當前的河長制考核非常契合。如果能夠提供汙染來源信息，這無疑提供了更豐富的考核依據。二是城市尺度。在城市範圍內，可以判斷汙染來自哪個區域和哪個單位，是從哪個途徑進入水體的，面源貢獻有多大等等，給管理者提供汙染治理的關鍵信息。三是工業園區。此系統既可以幫助管理者迅速定位偷排單位，也可以對園區汙水廠運行提供水質預警服務。
「我們與別人最大的不同是我們的工作思路不一樣，我們提供的不是汙染物的濃度數據，而是可以和環保業務直接掛鈎、支撐環保業務開展的一些信息。對於儀器硬體研發，我們肯定比不了電機系、電子系或者精儀系的老師，但是我們的優勢在於更懂環境業務、更懂環境需求，從而開發的儀器也能更好的滿足環境業務的需要。」吳靜老師說。
（採訪編輯：李學雷）
後記：
從2003年到2016年，吳靜老師和她的合作夥伴所研發的這款產品實現了從零到一、一到十的跨越，此臺儀器也獲得了一些認可，如2014年獲得第十六屆中國國際工業博覽會高校展區優秀展品獎二等獎、2016年獲得第九屆國際發明展覽會銀獎。2015年，「水十條」正式發布，對河流和斷面規定了明確的考核要求。近日，國務院辦公廳正式發文推廣「河長制」。水質環境質量管理被提到了越來越重要的位置，而水汙染溯源對水環境質量管理是一大助力，我們期待吳靜老師的團隊以及所研發的產品在未來環境管理中能提供更多的技術支撐。