第 1 章 緒 論

我國經(jīng)濟迅猛發(fā)展，人民生活質(zhì)量不斷提高，與此同時環(huán)境問題也日益凸顯，尤其是近年來，我國沿海水域富營養(yǎng)化嚴重，赤潮、綠潮等災(zāi)害頻發(fā)，持續(xù)加劇的水污染嚴重地破壞了人類的生存環(huán)境及生活質(zhì)量。黨的十八大會議上對我國嚴峻的環(huán)境問題作出重要指示：把生態(tài)文明建設(shè)放在突出地位，努力建設(shè)美麗中
國，實現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展。

1.1 課題研究背景和意義

生態(tài)環(huán)境與人類的生存發(fā)展休戚相關(guān)，水環(huán)境作為生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，對人類至關(guān)重要。然而隨著中國人口數(shù)量的增加、物質(zhì)文化需求的提高，資源消耗不斷增長，污染物排放速率不斷加快，加之未能及時有效地監(jiān)測、治理，導(dǎo)致各類污染物直接匯入大海，嚴重破壞了海洋環(huán)境。

中國海洋環(huán)境狀況公報顯示：2014 年，我國管轄海域海水環(huán)境狀況總體較好，但是近海口污染嚴重，前 3 個季度分別有 52 280、41 140 和 57 360 平方公里海域劣于規(guī)定的第四類海水水質(zhì)標(biāo)準。入海口污染物量呈逐年上升趨勢，其中 48%的排污口未達到排污標(biāo)準，直接導(dǎo)致海水赤潮和綠潮災(zāi)害加重，近海岸淤泥砂石大量堆積，海水渾濁程度加大。中國海洋災(zāi)害公報顯示：2014 年，我國管轄海域發(fā)現(xiàn)赤潮 56 次之多，污染面積達 7 290 平方公里。綠潮災(zāi)害影響范圍極廣，覆蓋面積于 7 月 14 日達到最大值，約 540 平方公里；最大分布面積 50 000 平方公里，分布面積為近 5 年最大。2014 年，河北秦皇島沿岸海域發(fā)生特大抑食金球藻赤潮，持續(xù) 85 天，受害面積 2 000 平方公里，為 2014 年持續(xù)時間單次影響面積
最大的赤潮，對當(dāng)?shù)睾Ｑ蟓h(huán)境造成巨大影響。2014 年 4 月，漂浮綠潮藻萌生，僅在江蘇如東沿岸海域有所發(fā)現(xiàn)；到了 5 中下旬，綠潮持續(xù)向偏北方向偏移，面積不斷擴大；6 月中旬，影響到日照、青島等海域，對當(dāng)?shù)氐臐O業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、海洋環(huán)境、生態(tài)等造成一定的影響，直接影響了沿海城市的經(jīng)濟發(fā)展。

水質(zhì)污染速度之快，嚴重制約了我國漁業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、旅游業(yè)的發(fā)展，使海水富營養(yǎng)化加劇、次生災(zāi)害頻發(fā)，直接影響著海洋生物的生存，同時有毒赤潮會向周邊地下蔓延，污染著周邊人群的飲水，威脅著周邊人群的安全。造成水質(zhì)污染的原因眾多，其中，主要原因是生活污水及工業(yè)廢水的直接排放，使得江海
中各種藻類營養(yǎng)過剩、大片生長。海水富營養(yǎng)化有多種表現(xiàn)，其中重要的指標(biāo)有：化學(xué)需氧量(Chemical Oxygen Demand，簡稱 COD)、葉綠素含量、藻紅蛋白含量等。其中，COD 作為水環(huán)境質(zhì)量的一項重要指標(biāo)，反映了水環(huán)境中還原性物質(zhì)的含量，還原性物質(zhì)主要為有機物。葉綠素廣泛的存在于藍綠藻中，其含量反映了海水中藍綠藻的含量。藻紅蛋白具有非常好的熒光特性，其含量反映出海水藻類的含量。濁度是海洋環(huán)境水質(zhì)優(yōu)劣的另一項重要的指標(biāo)，既反映海水的感官質(zhì)量，也反映海水的內(nèi)在質(zhì)量。

中國的可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，直接威脅著人類的永續(xù)生存，研制一種快速、有效的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)對海洋環(huán)境的治理起到至關(guān)重要的作用。

1.2 水質(zhì) COD、葉綠素、濁度的研究現(xiàn)狀

1.2.1 COD 研究現(xiàn)狀

COD 是指采用一定的強氧化劑處理水樣時，被水樣中還原性物質(zhì)消耗的氧化劑的量。海水中有機物具有還原性，其含量作為海水 COD 濃度的標(biāo)準。傳統(tǒng)的水質(zhì) COD 濃度檢測方法有：重鉻酸鉀標(biāo)準法（國標(biāo)法）、高錳酸鉀法（國標(biāo)法）、高氯化物廢水測定法等。新型的水質(zhì) COD 濃度檢測方法為：分光光度法
。

重鉻酸鉀標(biāo)準法是我國測量水質(zhì) COD 濃度的國標(biāo)方法。重鉻酸鉀具有強氧化性，一定量的足量重鉻酸鉀在一定條件下與水體中還原性物質(zhì)反應(yīng)，然后加入指示劑，通過測量過量的重鉻酸鉀含量，得出水體中 COD 濃度。這種直接檢測的方法具有測量準確、測量范圍大等優(yōu)點。但檢測過程中需添加試劑，引起二次污染物，同時其測量成本高、測量周期長、測量難度大，不能實現(xiàn)實時在線檢測等。高錳酸鉀法、高氯化物廢水測定法同此檢測方法類似，同時，高錳酸鉀法易受氯離子的干擾[10]，且不可用于工業(yè)分析
。

分光光度法是通過光學(xué)方法對待測物含量進行分析、測定的方法。不同種物質(zhì)的能級譜不同，當(dāng)某波段光打到待測物質(zhì)上，若光子能量與待測物質(zhì)能級躍遷能量相同，待測物質(zhì)會將該波長光子吸收，發(fā)生能級跳變至高能態(tài)，高能態(tài)一般不穩(wěn)定，可能再次跳變至其他低能態(tài)，同時釋放光子。通過測量吸光度或釋放光
子的光強度來對該物質(zhì)進行定性和定量分析。相比之下，基于光譜分析的分光光度法具有無污染、測量成本低、測量周期短、測量難度小等優(yōu)點。

另外，測量方法還有臭氧氧化法、電化學(xué)法等，這些方法雖然相比國標(biāo)法減小了污染，但它們?nèi)詼y量成本高、測量周期長、測量難度大、不能實時在線檢測。

近些年，Norio等建立了制漿廢水、染色體廢水以及天然水體等的 COD濃度與紫外吸光度的關(guān)系模型；Matsche[18]等研究了紫外 254nm 和可見 380nm 光譜的 COD 濃度與吸光度的關(guān)系；AntonioC.Sousa等提出了一種基于近紅外光譜的新方法，用來測定生活廢水的 COD 濃度。

1.2.2 葉綠素研究

現(xiàn)狀葉綠素是綠色植物光合作用的重要物質(zhì)，在一定程度上反映了海水中綠藻含量。其檢測方法包括：丙酮萃取分光光度法、熒光法、高效液相色譜法。

丙酮萃取分光光度法是我國測量葉綠素含量的國標(biāo)方法。這種檢測方法是利用丙酮來萃取綠色植物的葉綠素，來配置一系列不同濃度的葉綠素標(biāo)準液，然后分別測量 667nm 光的吸光度，得到 667nm 吸光度和葉綠素濃度的關(guān)系曲線，與待測水樣葉綠素吸光度進行比較，從而得出待測水樣的葉綠素濃度。該方法測量精度高，但測量復(fù)雜、周期長、不能實現(xiàn)實時在線。

熒光法葉綠素的測量與分光光度法相似，當(dāng) 430nm 光通過葉綠素溶液，會被葉綠素吸收，同時放出 667nm 熒光，萃取葉綠素，得到葉綠素標(biāo)準液，然后配置不同濃度的葉綠素溶液，分別測量 90 度處 667nm 波長的光強，得到光強和葉綠素濃度的關(guān)系曲線，與待測水樣葉綠素激發(fā)光強進行比較，從而得出待測水樣葉綠素濃度。該方法同樣測量精度高，但測量復(fù)雜、周期長、不能實現(xiàn)實時在線。

高效液相色譜法同樣利用丙酮來萃取綠色植物的葉綠素，配成一系列不同濃度的葉綠素標(biāo)準液，將其色譜圖作為參照圖，通過對比待測葉綠素溶液的色譜，得到待測液葉綠素濃度。此方法操作簡單,但測量精度偏低、分析周期長。近些年，B. Ruth利用氦氖激光器進行了綠色植物的內(nèi)部熒光誘導(dǎo)動力學(xué)的研究，對自然環(huán)境下生長的水藻中葉綠素含量進行了測量；John. J. Cullen等利用葉綠素激發(fā)熒光理論，利用輻射計對日光下海藻激發(fā)出的葉綠素?zé)晒鈴姸冗M行了測量，并建立了海藻葉綠素濃度與熒光光強的關(guān)系模型；青島海洋大學(xué)以532 nm 可見光為激發(fā)波長，利用激光感生熒光原理研制出用于測量海水表層葉綠素濃度的激光雷達系統(tǒng)。

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