CN102175657A - 废水资源化处理关键过程产物在线检测仪 - Google Patents

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CN102175657A CN2011100002183A CN201110000218A CN102175657A CN 102175657 A CN102175657 A CN 102175657A CN 2011100002183 A CN2011100002183 A CN 2011100002183A CN 201110000218 A CN201110000218 A CN 201110000218A CN 102175657 A CN102175657 A CN 102175657A
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尚丽平
王俊波
邓琥
武志翔
李占锋
马有良
王顺利
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Abstract

本发明涉及一种废水资源化处理关键过程产物在线检测仪，属于光电检测领域。该检测仪，包括阵列式光源模块，为仪器提供三种激发光信号；阵列式激发单色模块，将激发光信号转成284nm、360nm、440nm的单色激发光信号；流通样品池，将水样导入、受激产生特征波长分别为360nm、460nm、526nm的荧光信号、再导出；阵列式发射单色模块，将三种荧光信号转成中心波长分别为360nm、455nm、532nm的单色荧光信号；阵列式探测模块，将三种单色荧光信号同时转成模拟信号；数据处理模块，将三种模拟信号转换成数字信号，经分析获得色氨酸、辅酶和核黄素的浓度。该检测仪，可同时、直接、在线检测废水资源化处理关键过程产物的浓度，具有操作简单、选择性好、价格低廉的优点。

Description

废水资源化处理关键过程产物在线检测仪
技术领域
本发明涉及一种废水资源化处理过程中关键产物的荧光在线检测仪，特别是一种配有阵列式光源模块、阵列式激发单色模块、流通样品池、阵列式发射单色模块和阵列式探测模块的荧光在线检测仪器，属于光电检测领域。
背景技术
大部分化工、轻工和纺织印染等行业的废水浓度高、有毒、有害、难生化降解、成分复杂，不同废水中还含有如硝基苯、苯胺类、酚类等各种不同的生物毒害物质，而且混合废水的BOD5/CODcr很低(＜0.2)，远小于业界公认的较难生化值0.3和不宜生化值0.25。
对于高浓度有机废水中的综合治理在我国一直未得到根本解决，特别是难生物降解的高浓度有机废水的治理更为困难。国外从20世纪60年代开始研究高浓度有毒、有害化工废水的治理工艺，已用于生产规模的主要有湿式氧化法、膜分离法、吸附法和焚烧法等。但是由于处理费用较高(通常为15～30元/t，甚至更高)，国内很少有企业采用。目前工厂企业排放出的高浓度有机废水一般用两类方法处理：一种是采用化学氧化和催化氧化为主的工艺；另一种是预处理提高可生化性后再采用生化处理。目前国内还仅限于小流量高浓度难生化降解的废水处理，其推广应用受到很大限制。生化法由于其经济、高效，一直以来在有机废水的二级和深度处理中占有重要的地位，是废水达标排放的重要保障。生化法目前是国内大多数高浓度有机废水处理工程实践中的必选方法，也只有生化法才能在组合工艺的末端，较经济的满足我国目前“分散治理、达标排放”所要求的较低排放浓度。
厌氧废水处理是一种低成本的废水生化处理技术，它又是把废水处理和降解毒性物质相结合的一种技术。厌氧生物处理是指在无溶解氧的条件下，通过厌氧微生物的作用，将污水中所含有的各种复杂有机物，如碳水化合物(糖)、脂肪、蛋白质等经厌氧分解转化成无机物和少量的细产物(沼气和水)，从而达到废水处理和资源化的目的。这种技术有效、简单且费用低廉，特别适合我国国情。厌氧生物处理技术作为一种经济有效的污水处理工艺，尤其在处理高浓度有机废水方面取得了良好的效果。
生物反应器在废水厌氧降解过程中扮演着最重要的角色，反应器的正常运行是保证降解过程良好处理效果的前提，对其进行实时监测显得尤为重要。在废水处理过程中，微生物会产生多种化合物，如色氨酸、核黄素以及辅酶等。它们的种类和浓度与微生物反应过程、反应器运行状态有着密切的联系。传统的化学分析方法难以实时反映反应器的状态，而电化学方法又需要频繁校正。若能实现废水生物处理反应器的在线监控，将大大提高废水处理效率。
色氨酸、辅酶和核黄素在紫外或可见光的激发下，会产生出荧光，在荧光光谱图上亦有其特征位置。根据文献报道，蛋白荧光主要归因于其蛋白中色氨酸残基的荧光，可以反映出水中蛋白浓度的变化。辅酶NADH在340nm的紫外光照射下会发出460nm的荧光，而其氧化态NAD+不具有荧光活性。NADH在氧化磷酸化的过程中会将电子传递给氧，自身被氧化成NAD+，同时生成ATP。在缺氧的状态下，这一过程受到抑制，NADH不能够通过氧化磷酸化的作用被氧化而出现积累。因此，当反应器从好氧状态变化为厌氧状态时，NADH荧光会出现突跃。这一特征可以被用来监控生物反应器的状态变化。此外，核黄素是辅酶黄素单核苷酸(FMN)和黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)中的荧光基团，它在370nm或430nm的入射光激发下可以发射出520nm的荧光，NADH可以将氢传递给FMN或FAD而生成其还原型FMNH2和FADH2，而FMNH2或FADH2并没有荧光活性。因此，核黄素的荧光变化显示了FMN或FAD浓度的变化。上述荧光变化让我们能够洞察三羧酸循环，通过色氨酸、核黄素和辅酶浓度的变化反映反应器是否出现异常，进而通过调节水力停留时间、底物浓度和温度的变化，建立荧光物质浓度变化与反应器操作参数之间的响应关系，明确其中的生物反应过程，实现反应器的实时监测。
传统的检测方法需要取样后在实验室进行测定，测定需要时间长、需要消耗化学试剂、可能造成二次污染。荧光光谱能有效地对废水厌氧降解过程中色氨酸、核黄素和辅酶进行多组分同时定性定量检测，但实验室常规荧光光谱仪结构复杂、体积庞大、成本昂贵、使用条件苛刻、维护费用高、光谱解析速度慢，无法应用于在线检测。而废水资源化处理关键过程产物在线检测仪能对废水资源化处理关键过程产物进行直接、在线、实时、非接触检测，不消耗试剂。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种废水资源化处理关键过程产物在线检测仪。
本发明主要采用阵列式光源模块代替单一光源、阵列式激发单色模块代替激发单色仪、流通样品池代替比色皿或光纤、阵列式发射单色模块代替发射单色仪、阵列式探测模块代替单一探测器，从而实现废水资源化处理关键过程产物在线检测仪。
显然，本发明采用阵列式光源模块代替单一光源，可根据色氨酸、辅酶和核黄素的荧光发射效率差异选取不同能量的光源，可使色氨酸、辅酶和核黄素均产生最大发射荧光强度；若采用单一光源，光源则必须覆盖色氨酸、辅酶和核黄素的激发波长范围，一旦光源确定，各波长的能量差异也就随之确定，对色氨酸、辅酶和核黄素同时检测时，由于其存在荧光发射效率差异，无法使色氨酸、辅酶和核黄素均产生最大发射荧光强度。
显然，本发明采用阵列式激发单色模块代替激发单色仪，可为色氨酸、辅酶和核黄素同时产生最佳激发单色波长，且无内部转动部件；而激发单色仪是由步进电机和转动光栅构成，存在步进电机引起的误差、体积大、不能同时产生色氨酸、辅酶和核黄素的最佳激发单色波长。
显然，本发明采用流通样品池代替比色皿或光纤，可为在线检测提供基础，且由于窗口尺寸大、带有荧光反射镜和光源反射镜，能为提高荧光发射效率和荧光收集效率；若采用比色皿，则无法实现在线检测；若采用光纤进行光源和荧光传导，由于光纤的芯径和数值孔径的限制，导光效率低。
显然，本发明采用阵列式发射单色模块代替发射单色仪，可为阵列式探测模块同时产生色氨酸、辅酶和核黄素的特征波长的单色荧光信号，且无内部转动部件；而发射单色仪是由步进电机和转动光栅构成，存在步进电机引起的误差、体积大、不能同时产生色氨酸、辅酶和核黄素的特征波长的单色荧光信号。
显然，本发明采用阵列式探测模块代替单一探测器，可根据色氨酸、辅酶和核黄素产生的荧光信号选取不同波长、不同灵敏度的探测器，在保证灵敏度的前提下降低了仪器成本；若采用单一探测器，探测器则必须兼顾色氨酸、辅酶和核黄素荧光信号的中心波长、荧光强度，且无法实现色氨酸、辅酶和核黄素荧光信号的同时探测。
显然，本发明可以方便的同时、直接、在线检测色氨酸、辅酶和核黄素的浓度，是废水资源化处理关键过程产物在线检测的理想仪器，也可以方便的同时、直接、在线检测水中其他的荧光性有机污染物的浓度。本发明还具有操作简单、选择性好、价格低廉的优点。
附图说明
图1是本发明的废水资源化处理关键过程产物在线检测仪总体结构示意图。
图2是本发明的阵列式光源模块结构示意图。
图3是本发明的阵列式激发单色模块剖面放大示意图。
图4是本发明的流通样品池俯视图。
图5是本发明的阵列式发射单色模块剖面放大示意图。
图6是本发明的阵列式探测模块结构示意图。
图7是本发明的数据处理模块结构示意图。
其中：
1：阵列式光源模块     2：阵列式激发单色模块  3：流通样品池
4：阵列式发射单色模块 5：阵列式探测模块      6：数据处理模块
11：光源驱动电路      12：284nm光源          13：360nm光源
14：440nm光源
21：激发单色模块外壳  22：激发上层单色通道   23：激发中层单色通道
24：激发下层单色通道  221：284nm带通滤光片   222：平凸透镜
231：360nm带通滤光片  232：平凸透镜          241：440nm带通滤光片
242：平凸透镜
31：流通池            32：荧光反射镜         33：光源反射镜
41：发射单色模块外壳  42：发射上层单色通道   43：发射中层单色通道
44：发射下层单色通道  421：360nm带通滤光片   422：平凸透镜
431：455nm带通滤光片  432：平凸透镜          441：532nm带通滤光片
442：平凸透镜
51：探测器驱动电路   52：探测器I       53：探测器II
54：探测器III
61：中央处理电路     62：信号采集电路  63：键盘输入电路
64：控制信号输出电路 65：通信接口      66：显示电路
具体实施方式
以下将对本发明的废水资源化处理关键过程产物在线检测仪结合附图作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明的废水资源化处理关键过程产物在线检测仪具有阵列式光源模块1、阵列式激发单色模块2、流通样品池3、阵列式发射单色模块4、阵列式探测模块5、数据处理模块6。阵列式光源模块1用于为整个仪器提供稳定的三种激发光信号；阵列式激发单色模块2用于将三种激发光信号转换成中心波长分别为278nm、360nm、440nm的三种单色激发光信号；流通样品池3用于将废水处理过程中的水样导入流通样品池、受激产生特征波长分别为360nm、460nm、526nm的荧光信号、再导出流通样品池；阵列式发射单色模块4用于将三种荧光信号转换成中心波长分别为360nm、455nm和532nm的三种单色荧光信号；阵列式探测模块5用于将三种单色荧光信号同时转换成对应的三种模拟信号；数据处理模块6用于将三种模拟信号转换成数字信号，并通过光谱处理软件分析获得色氨酸、辅酶以及核黄素的浓度，同时实现键盘输入和显示、通信、控制信号输出。
如图2所示，本发明的阵列式光源模块1由纵向紧密排列的284nm光源12、360nm光源13、440nm光源14，以及光源驱动电路11连接构成。
上述284nm光源12、360nm光源13、440nm光源14可选取脉冲氙灯、LED或激光器等。
如图3所示，本发明的阵列式激发单色模块2嵌在激发单色模块外壳21内的纵向紧密排列的激发上层单色通道22、激发中层单色通道23、激发下层单色通道24构成；激发上层单色通道22由横向紧密排列的平凸透镜222和284nm带通滤波器221构成，其作用是为流通样品池3水样中的色氨酸提供284nm单色激发光信号；激发中层单色通道23由横向紧密排列的平凸透镜232和360nm带通滤波器231构成，其作用是为流通样品池3水样中的辅酶提供360nm单色激发光信号；激发下层单色通道24由横向紧密排列的平凸透镜242和440nm带通滤波器241构成，其作用是为流通样品池3水样中的核黄素提供440nm单色激发光信号。
如图4所示，本发明的流通样品池3由两端开口的流通池31、紧贴于流通池31内壁的荧光反射镜32和光源反射镜33构成；光源反射镜33的作用是提高荧光发射效率；荧光反射镜32的作用是增加荧光收集效率；流通池31的作用是为阵列式发射单色模块3提供特征波长分别为360nm、460nm、526nm的三种荧光信号，其中特征波长为360nm的荧光信号是由284nm单色激发光信号激发流通池31水样中的色氨酸产生，特征波长为460nm的荧光信号是由360nm单色激发光信号激发流通池31水样中的辅酶产生，特征波长为526nm的荧光信号是由440nm单色激发光信号激发流通池31水样中的核黄素产生。
上述流通池31是由石英玻璃、玻璃或塑料构成。
如图5所示，本发明的阵列式发射单色模块4嵌在发射单色模块外壳41内的纵向紧密排列的发射上层单色通道42、发射中层单色通道43、发射下层单色通道44构成；发射上层单色通道42由横向紧密排列的平凸透镜422和360nm带通滤波器421构成，其作用是将特征波长为360nm的荧光信号转换成中心波长为360nm的单色荧光信号；发射中层单色通道43由横向紧密排列的平凸透镜432和455nm带通滤波器431构成，其作用是将特征波长为460nm的荧光信号转换成中心波长为455nm的单色荧光信号；发射下层单色通道44由横向紧密排列的平凸透镜442和532nm带通滤波器441构成，其作用是将特征波长为526nm的荧光信号转换成中心波长为532nm的单色荧光信号。
如图6所示，本发明的阵列式探测模块5由纵向紧密排列的探测器I52、探测器II53、探测器III54，以及探测器驱动电路51连接构成；探测器I52的作用是将中心波长为360nm的单色荧光信号转换成模拟信号；探测器II53的作用是将中心波长为455nm的单色荧光信号转换成模拟信号；探测器III54的作用是将中心波长为532nm的单色荧光信号转换成模拟信号。
上述探测器I52、探测器II53、探测器III54可选取光电倍增管、光电二极管或雪崩二极管等。
如图7所示，本发明的数据处理模块由中央处理电路61、信号采集电路62、键盘输入电路63、控制信号输出接口64、通信接口65、显示电路66连接构成；信号采集电路62的作用是将由阵列式探测模块5获得的三种模拟信号转换成数字信号；中央处理电路61的作用是响应信号采集电路62、键盘输入电路63、通信接口65和显示电路66，为控制信号输出接口64提供阵列式光源模块1和阵列式探测模块5提供控制信号。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种废水资源化处理关键过程产物在线检测仪，其特征在于，阵列式光源模块(1)用于为整个仪器提供稳定的三种激发光信号；阵列式激发单色模块(2)用于将三种激发光信号转换成中心波长分别为284nm、360nm、440nm的三种单色激发光信号；流通样品池(3)用于将废水处理过程中的水样导入流通样品池、受激产生荧光信号、再导出流通样品池，其过程为：导入流通样品池的水样含有表征废水资源化效率的关键产物——色氨酸、辅酶以及核黄素，色氨酸受284nm单色激发光信号辐射后产生特征波长为360nm荧光信号，辅酶受360nm单色激发光信号辐射后产生特征波长为460nm荧光信号，核黄素受440nm单色激发光信号辐射后产生特征波长为526nm荧光信号，将特征波长分别为360nm、460nm、526nm的三种荧光信号导入随后的阵列式发射单色模块(4)，最后将水样导出流通样品池；阵列式发射单色模块(4)用于将三种荧光信号转换成中心波长分别为360nm、455nm和532nm的三种单色荧光信号；阵列式探测模块(5)用于将三种单色荧光信号同时转换成对应的三种模拟信号；数据处理模块(6)用于将三种模拟信号转换成数字信号，并通过光谱处理软件分析获得色氨酸、辅酶以及核黄素的浓度，同时实现键盘输入和显示、通信、控制信号输出。
2.如权利要求1所述的废水资源化处理关键过程产物在线检测仪，其特征在于，该阵列式光源模块(1)由纵向紧密排列的284nm光源(12)、360nm光源(13)、440nm光源(14)，以及光源驱动电路(11)连接构成。
3.如权利要求2所述的废水资源化处理关键过程产物在线检测仪，其特征在于，上述284nm光源(12)、360nm光源(13)、440nm光源(14)可选取脉冲氙灯、LED或激光器等。
4.如权利要求1所述的废水资源化处理关键过程产物在线检测仪，其特征在于，该阵列式激发单色模块(2)嵌在激发单色模块外壳(21)内的纵向紧密排列的激发上层单色通道(22)、激发中层单色通道(23)、激发下层单色通道(24)构成；激发上层单色通道(22)由横向紧密排列的平凸透镜(222)和284nm带通滤波器(221)构成，其作用是为流通样品池(3)水样中的色氨酸提供284nm单色激发光信号；激发中层单色通道(23)由横向紧密排列的平凸透镜(232)和360nm带通滤波器(231)构成，其作用是为流通样品池(3)水样中的辅酶提供360nm单色激发光信号；激发下层单色通道(24)由横向紧密排列的平凸透镜(242)和440nm带通滤波器(241)构成，其作用是为流通样品池(3)水样中的核黄素提供440nm单色激发光信号。
5.如权利要求1所述的废水资源化处理关键过程产物在线检测仪，其特征在于，该流通样品池(3)由两端开口的流通池(31)、紧贴于流通池(31)内壁的荧光反射镜(32)和光源反射镜(33)构成；光源反射镜(33)的作用是提高荧光发射效率；荧光反射镜(32)的作用是增加荧光收集效率；流通池(31)的作用是导入、导出水样，并为阵列式发射单色模块(3)提供特征波长分别为360nm、460nm、526nm的三种荧光信号，其中特征波长为360nm的荧光信号是由284nm单色激发光信号激发流通池(31)水样中的色氨酸产生，特征波长为460nm的荧光信号是由360nm单色激发光信号激发流通池(31)水样中的辅酶产生，特征波长为526nm的荧光信号是由440nm单色激发光信号激发流通池(31)水样中的核黄素产生。
6.如权利要求5所述的废水资源化处理关键过程产物在线检测仪，其特征在于，上述流通池(31)是由石英玻璃、玻璃或塑料构成。
7.如权利要求1所述的废水资源化处理关键过程产物在线检测仪，其特征在于，该阵列式发射单色模块(4)嵌在发射单色模块外壳(41)内的纵向紧密排列的发射上层单色通道(42)、发射中层单色通道(43)、发射下层单色通道(44)构成；发射上层单色通道(42)由横向紧密排列的平凸透镜(422)和360nm带通滤波器(421)构成，其作用是将特征波长为360nm的荧光信号转换成中心波长为360nm的单色荧光信号；发射中层单色通道(43)由横向紧密排列的平凸透镜(432)和455nm带通滤波器(431)构成，其作用是将特征波长为460nm的荧光信号转换成中心波长455nm的单色荧光信号；发射下层单色通道(44)由横向紧密排列的平凸透镜(442)和532nm带通滤波器(441)构成，其作用是将特征波长为526nm的荧光信号转换成中心波长为532nm的单色荧光信号。
8.如权利要求1所述的废水资源化处理关键过程产物在线检测仪，其特征在于，该阵列式探测模块(5)由纵向紧密排列的探测器I(52)、探测器II(53)、探测器III(54)，以及探测器驱动电路(51)连接构成；探测器I(52)的作用是将中心波长为360nm的单色荧光信号转换成模拟信号；探测器II(53)的作用是将中心波长为455nm的单色荧光信号转换成模拟信号；探测器III(54)的作用是将中心波长为532nm的单色荧光信号转换成模拟信号。
9.如权利要求8所述的废水资源化处理关键过程产物在线检测仪，其特征在于，上述探测器I(52)、探测器II(53)、探测器III(54)可选取光电倍增管、光电二极管或雪崩二极管等。
10.如权利要求1所述的废水资源化处理关键过程产物在线检测仪，其特征在于，该数据处理模块由中央处理电路(61)、信号采集电路(62)、键盘输入电路(63)、控制信号输出接口(64)、通信接口(65)、显示电路(66)连接构成；信号采集电路(62)的作用是将由阵列式探测模块(5)获得的三种模拟信号转换成数字信号；中央处理电路(61)的作用是响应信号采集电路(62)、键盘输入电路(63)、通信接口(65)和显示电路(66)，为控制信号输出接口(64)提供阵列式光源模块(1)和阵列式探测模块(5)的控制信号。
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