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Journal of Tropical Oceanography >

2018 , Vol. 37 >Issue 5: 7 - 12

DOI: https://doi.org/10.11978/2018004

Orginal Article

Biofouling protection for water quality monitoring buoy and sensors

  • CAO Wenxi , 1 ,
  • SUN Zhaohua 2 ,
  • LI Cai 1 ,
  • ZOU Guowang 1
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  • 1. State Key Laboratory of Tropical Oceanography (South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences), Guangzhou, 510301, China
  • 2. CAS Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China;
Corresponding author: CAO Wenxi. E-mail:

Received date: 2018-01-04

  Request revised date: 2018-03-12

  Online published: 2018-10-13

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National Key Research and Development Plan (2017YFC0506305, 2016YFC1400603)

Welfare Project of the Oceanic Administration (201305019)

National Natural Science Foundation of China (41406205)

Science and Technology Planning Project of Guangzhou City China (201504010034)

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热带海洋学报编辑部
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Abstract

Antifouling techniques are important for water quality monitoring sensors, especially for those sensors used in coastal and estuarine waters. In this paper, several biofouling prevention methods used for the Pearl River Estuary water quality monitoring buoys are introduced. For optical monitoring instruments, the automatic anti-biofouling brush can clear the pollutants on the surface of optical windows. For the sensors that cannot use automatic anti-biofouling brush, anti-biofouling material enveloping or anti-biofouling filter head of seawater injection pipeline could achieve limited anti-biofouling effect. To ensure normal operation of long-term underwater observation instruments, the instrument warehouse needs to be manually cleaned periodically.

Key words： water quality monitoring buoy; underwater sensor; biofouling protection method; Pearl River Estuary

Cite this article

CAO Wenxi , SUN Zhaohua , LI Cai , ZOU Guowang . Biofouling protection for water quality monitoring buoy and sensors[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2018 , 37(5) : 7 -12 . DOI: 10.11978/2018004

海洋水质长期监测是掌握海洋环境现状、变化趋势和潜在风险的重要手段, 是做好海洋环境保护和海洋综合管理的必要支撑, 是保障海洋产业优化布局和海洋经济科学发展的科学依据, 近年来海洋水质监测浮标的应用有逐年增加的趋势。
在水质浮标长期监测中, 标体本身以及标体上安装的传感器的污染问题是普遍存在而又不可忽视的问题(Delauney et al, 2010; Laurent et al, 2015), 尤其在近岸、河口、海湾等海区表现得更为突出。污染对水质监测浮标长期监测的影响主要体现在: 1) 可能会损坏标体和设备: 标体和传感器外壳上严重的生物附着可能会损坏标体和设备, 在一定程度上影响浮标的水动力性能, 为后期维护清理增加工作量, 对于需要观测前后标定的设备来说, 清洗外壳的生物附着, 很可能会损坏探头, 影响探头的校正工作, 而且外壳大量生物附着时, 不仅会影响某些参数的测量准确性, 也会使探头部分更容易产生附着; 2) 对观测数据质量产生影响: 无论是声学、光学、电极和湿化学等传感器, 探头表面的生物污染都会对观测数据质量产生巨大影响, 即便针对不同传感器采用了相应的防污染措施, 随着时间的延续, 观测数据质量下降的问题也不可避免; 3) 增加水质监测浮标长期监测的运行成本: 为减少生物污染对水质监测浮标长期监测的影响, 定期人为维护和后期的数据校正质控必不可少, 会极大增加水质监测浮标长期监测的运行成本。
生物污染的机制异常复杂, 报道的生物污染种类超过4000种(Yebra et al, 2004), 而且和水温、盐度、光照、溶解氧、pH、水深等多参数相关; 因此, 无法找到一种通用的防污方法解决海洋中所有的生物污染问题。对于标体和传感器外壳, 常用的防污方法有选材、表面处理、喷涂防污漆和铜膜包裹等(Bringhurst et al, 2011); 对于光学类传感器, 采用纯铜包裹探头(不遮挡观测光路), 并用铜刷定期清洁光学窗口是常用的防污方法(Manov et al, 2004); 对于电极和湿化学类传感器, 常用纯铜包裹探头或者抽水口、缓释清洗液和增加多级过滤装置等防污方法; 生物污染对声学类传感器观测的影响较小, 而且由于观测原理的不同, 换能器外表面可喷涂不影响声学性能的防污漆减少生物附着。由于生物污染机制的复杂性及观测仪器和防污措施的多样性, 针对水质监测浮标长期监测具体应用案例, 对不同类型传感器采用不同针对性防污染方法, 并结合定期原位维护和浮标返厂维护等方案, 形成一整套防污措施, 才是保证观测数据质量、降低运行和维护成本的有效策略。
目前国内在近岸、河口、海湾等海区已大量使用水质监测浮标(杜立彬 等, 2011; 刘松堂 等, 2013; 戴洪磊 等, 2014), 以便获取实时水质监测数据; 但是对水质监测浮标的防污染措施的报道并不多, 导致相关工作都无迹可寻, 影响到水质监测的效果。本文介绍了珠江口水质量监测浮标及相关传感器的防污染措施, 希望可以对将来在同类海洋环境下工作的水质监测浮标的防污技术和运行维护提供借鉴。

1 珠江口水质监测浮标的观测量

珠江口水质监测浮标包含了可以进行水文、生化等二类观测的浮标, 这些监测传感器可分为几种类型: 1) 光学传感器: 它们发射光束到水体, 探测到的是经过水体返回的光信号, 这些光信号包含了水体的相关信息, 经过定标就可以测定相关参数。这类传感器的特点是有光学窗口, 如浊度、叶绿素、COD (chemical oxygen demand)等, 对于这类传感器, 关键问题就是其光学窗口的防污染; 2) 营养盐传感器: 也就是湿化学类传感器, 虽然这些传感器也是利用光吸收来测定各类物质的浓度, 但其共同的特点是都要利用海水进样管路, 将海水注入仪器内部, 经过湿化学反应后才进行测量; 因此, 对于这类传感器, 关键问题是海水进样管路的防污染。

2 观测传感器防污染措施

2.1 自动防污染装置

珠江口水质环境比较恶劣, 据《2010年广东省海洋环境质量公报》(广东省海洋与渔业局, 2018)显示, 珠江三角洲沿岸海域接纳污水47.09亿吨, 占广东近海总纳污量的78%, 是广东入海污染物的主要接纳海域。2010年监测结果显示, 由珠江八大口门径流携带入海的COD、油类、氨氮、磷酸盐、砷和重金属等主要污染物的总量约为71.7万吨。这种水质环境对长期在水下监测的传感器有很强的污染, 如不采取措施, 传感器工作一段时间后, 获得的数据将是不准确的, 甚至无法获取数据。因此, 传感器防污染是长时间水下监测的最大难点。
对于近岸、河口这样的环境恶劣海区, 自动清洗刷是保护仪器窗口不受污染的良好措施(李彩 等, 2003)。根据早年在珠江口布放的光学浮标的试验结果(杨跃忠 等, 2009), 发现在2个月的水下运行时间内, 虽然仪器外壳及清洗刷都长满了污染物, 但是仪器窗口还是受到了自动清洗刷很好的保护, 窗口明亮, 有效地确保了监测数据的质量, 达到了很好的防污染效果, 如图1所示。
Fig. 1 Effect of automatic anti-biofouling brush mounted on the buoy (a) and working principle of anti-biofouling brush (b)

图1 海洋浮标自动清洗刷的清洗效果(a)及其工作原理(b)

基于已有技术及应用效果, 在珠江水质监测浮标中, 针对仪器的原理及工作特点, 对于适合采用自动清洗刷的传感器, 如COD、叶绿素、浊度等传感器, 均采用了这一措施。自动清洗刷完全由数据采集软件控制, 每次开机时或者关机前自动清刷窗口。由于传感器每天要开机测量十次左右, 每次可以清刷窗口数圈; 因此, 每个传感器窗口每天可以确保清刷几十圈, 保证了传感器窗口的清洁, 确保监测数据质量。如图2所示为布放前和回收后传感器照片, 可见, 仪器外壳已经布满了污染物, 但光学窗口依然清洁, 达到了防污染效果。
Fig. 2 The water quality monitoring buoy with automatic anti-biofouling brush. (a) COD sensor with anti-biofouling brush; (b) Chlorophyll sensor with anti-biofouling brush; (c) the biofouling situation of COD sensor after having been in the water for a period of time; (d) the biofouling situation of chlorophyll sensor after having been in the water for a period of time

图2 水质监测浮标中采用自动清洗刷的仪器设备
a. COD传感器; b. 叶绿素传感器; c. 工作一段时间后COD传感器外壳受污染的情况; d. 工作一段时间后叶绿素传感器外壳受污染的情况

这种自动防污染刷子的长期效果与布放海区的污染程度有关, 在外海尤其是外海的深水层, 由于污染源较少, 防污染效果可以达一年以上, 但是在近岸或者河口这样的污染严重海区, 建议每隔三个月把传感器吊上浮标甲板进行检查和人工清理, 才能取得良好的效果, 确保数据质量可靠。

2.2 防污染材料保护

对于某些传感器, 由于其结构特点和工作方式特殊, 不方便安装自动清洗刷; 因此, 采取了铜质材料作为盖板, 可以一段时间内起到防污染的作用。铜质材料对生物附着有一定的防护作用, 这早已有报道(Yebra et al, 2004), 如图3所示为采用纯铜包裹的传感器(如电导率传感器、PH传感器等)布放前后的照片。从中可见, 纯铜包裹部分并无污染物的大量生长, 而其他材料的外壳则长满了污染物。当然, 铜质材料也是一种轻度的有毒材料, 不宜过多使用, 所以并不是仪器外壳都应采用铜质做成, 这点是要注意的。
Fig. 3 The anti-biofouling effect of pure copper envelope. (a) The sensor with pure copper envelope; (b) the biofouling situation of the sensor after having been in the water for a period of time

图3 用纯铜包裹传感器的防污染效果
a. 采用纯铜包裹的传感器布放前的照片; b. 传感器布放后的照片, 纯铜包裹部分(圆柱体)并无污染物的大量生长, 而其他材料的外壳则长满了污染物

2.3 进样过滤器的防污染

还有些传感器, 需要将海水注入仪器内部才能进行测量; 因此, 海水进样管路首先要经过过滤头, 然后才进入仪器内部, 过滤头的设计最为关键, 它除了确保测量溶液的适用性还关系到进样管路的防污染效果。微型阶梯形多级在线过滤装置是实现水样过滤和管路防污处理的最佳方案。该装置第一层采用多层钛粉烧结网, 第二层为孔径小于第一层的过滤网(或过滤器), 经过上述逐级过滤后的水样, 即达到了监测样品标准需求, 同时也保证了仪器内部管路的清洁。第一层采用多层烧结钛合金网既增加了过滤网的硬度和有效过滤寿命, 又可以有效防止进样口被海水腐蚀。图4所示为第一层多层钛粉烧结网在珠江口连续使用1个月后的实物对比图, 从图中可以看出, 虽然多层钛粉烧结网在实现过滤的同时可以对管路起到一定的防污作用, 但依然会有生物等随着时间的推移附着在其上; 因此, 使用一段时候后, 必须对第一层烧结网进行更换, 更换周期与过滤器的过滤面积、使用海域等直接相关。
Fig. 4 The anti-biofouling effect of multi-layer Ti powder sintered mesh filter

图4 多层钛粉烧结过滤网的防污染效果

2.4 仪器舱定期人工除污

由于珠江口海区水质环境恶劣, 监测浮标工作一段时间后, 除其中装载的仪器设备外, 水质监测浮标体及其锚系也容易受到污染物的影响; 因此, 每隔一段时间对浮标及其仪器进行人工清理是非常必要的。这里可分二步进行, 一是专门清理仪器; 二是仪器、浮标体整体维护、清理。
为便于仪器舱体定期人工维护, 设计了便于操作更换的浮标舱, 即在浮标体内预留一个垂直窗口, 内有滑动卡槽, 且与仪器舱的卡槽对接, 便于安装、布放。需要取出仪器舱时, 用安装在浮标上的葫芦吊吊起仪器舱,仪器舱安装时, 进行类似的操作, 安装完成后, 盖好盖板并拧紧螺栓, 当仅需要对仪器进行人工清理时, 可打开浮标中的仪器盖板, 取出仪器舱, 如图5所示。待清理完仪器污染、安装好仪器后, 对整套仪器进行上电检查, 确保运行无误后, 再次布放。
Fig. 5 (a) Deployment of the instruments and (b) mannual cleaning of biofouling on the instruments

图5 仪器吊放(a)及人工清理(b)

仪器舱及其起吊装置、浮标盖板专门防盗螺栓等一整套装置的设计, 为水质浮标中的仪器进行及时的人工清理提供了技术保障, 起到了既方便、又实用的效果。

3 浮标系统整体维护

当需要对浮标体及其上面的整套仪器设备进行整体清理、维护时, 可以把浮标拉回岸边并起吊到岸上, 进行各种维护。为此, 需要在浮标体建造前进行标体的科学的规划和设计, 使浮标体及其安装的仪器设备在海水中拖动时不进水、不受破坏。浮标布放时也是拖到海区预定位置的, 浮标到位后, 在布放前要进行详细的检测, 检测项目包括浮标体进水、仪器电路故障、通信故障等, 这就要求数据采集系统软件具有对此进行检测的能力。图6所示为浮标拖动航行及收回到岸上进行维护的照片, 由图可见, 浮标体已经受到严重污染, 需要重新上油漆、更换牺牲阳极等。
Fig. 6 The dragging process of the buoy and its maintenance on land

图6 浮标拖动及上岸维护

浮标体及仪器设备的整体维护方法和维护要点可参照相关海洋环境监测浮标运维管理技术规程进行, 在此不赘述。

4 结语

防污染是近海、海湾和河口海洋水质监测浮标及其监测传感器需要解决的关键问题之一。本文结合珠江口海水水质监测浮标的应用实例, 讨论分析了传感器及浮标舱体防污染的几种方法。对于有光学窗口的监测仪器, 采用自动防污染装置可以清除窗口表面的污染物, 达到较好的防污染效果; 对于一些不便于采用自动防污染刷的传感器, 可以根据情况采用防污染材料包裹, 或者采用海水注入管路安装防污染过滤头等方式, 也可以达到一定的防污染效果; 对于长期水下观测仪器而言, 人工清洗污染物是必要的, 仪器舱及其安装结构、吊放方式的设计为人工防污染提供了便捷的渠道。浮标体结构的设计使得浮标可以拖航, 为浮标系统的整体维护提供了方便。

The authors have declared that no competing interests exist.

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