CN104020083B - 一种确定水中悬浮颗粒物散射特性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定水中悬浮颗粒物散射特性的方法，1）首先构建由散射光产生单元、散射光采集单元和散射光分析单元构成的检测装置；2）向水槽中加入纯净水，激光功率计测量得到通过纯净水后出射光的光功率I₀；3）将浊度水加入水槽中，测量通过浊度水后出射光的光功率I₁；同时得到散射光斑的半径x；4）计算该浊度水的散射系数和散射角，从而得到散射特性；5）分别改变颗粒物的浓度，出射光波长，颗粒物大小，颗粒物的种类，重复上述步骤得到不同情形下的散射特性。本方法能够准确、简便地测定生活污水和工业废水中悬浮粒子散射特性，能有效控制水体中悬浮颗粒物的悬浮状态，为水环境处理减少浊度影响提供技术支持。

Description

一种确定水中悬浮颗粒物散射特性的方法

技术领域

本发明涉及污水分析技术，具体指一种确定水中悬浮颗粒物散射特性的方法，属于污水处理和固体废弃物处理领域。

背景技术

近年来，随着我国经济的快速发展，环境污染问题日趋严重，而水污染以其影响范围大、与人类生存生活息息相关，备受人们的关注。经济发展与环境保护之间的矛盾日益突出，以牺牲流域内水体（质）环境为代价发展地方经济的案例时有发生。水是生命之源，水体（质）的优劣与人类健康密切相关，因此水质监测越来越引起人们的关注，目前的水质监测主要是直接光谱法。

然而，水体中不同程度地存在着悬浮物及其他颗粒物或污染源，它们不仅对直接光谱法所测得的光谱产生严重的散射影响，而且还可能对一定波长的光源有吸收作用，这种散射与吸收会对基于直接光谱法进行水体的测量产生严重的干扰，直接影响光谱法的检测结果。因此如何降低或减少水体中悬浮颗粒物的光散射影响是直接光谱法检测水质需要解决的关键技术问题之一。要消除水体中悬浮物及其他颗粒物散射对水质监测的影响，首要的是研究分析水体中悬浮颗粒物的光散射特性。浊度反映水样使光散射和吸收的光学性质，即悬浮物对光线透过产生的阻碍程度。

传统的测量悬浮粒子散射特性的方法主要有：1、连续取样法。连续取样法是针对微小颗粒物的传统检测方法之一，其优点是精度测量高，缺点是由于采样输送管容易沉积污染物且有高能辐射，需要频繁的添加滤纸。2、差分吸收光谱法。差分吸收光谱法主要适合于气体微粒成分，其数学方法较复杂且易受各种因素的影响。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种确定水中悬浮颗粒物散射特性的方法，本方法可准确、简便地计算出悬浮粒子对于特定波长的散射系数及相应的散射角，为水环境处理减少浊度影响提供技术支持。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种确定水中悬浮颗粒物散射特性的方法，按如下步骤进行，

1）首先构建由散射光产生单元、散射光采集单元和散射光分析单元构成的检测装置，在散射光产生单元和散射光采集单元之间设有用于盛放水样的水槽；散射光采集单元包括激光功率计和目视系统；

2）然后向水槽中加入浊度为零的纯净水，散射光产生单元发出特定波长的光从水槽一端平行射入，通过水样后从水槽另一端射出，散射光采集单元中的激光功率计测量得到通过纯净水后出射光的光功率I₀；

3）接着测量浊度非零的浊度水中颗粒物的浓度和颗粒物大小；检测完毕将浊度水加入水槽中，散射光产生单元发出的光从水槽一端平行射入，通过水样后从水槽另一端射出，由激光功率计测量得到通过浊度水后出射光的光功率I₁；同时散射光采集单元中的目视系统采集散射光斑，并测量得到散射光斑的半径x；

4）散射光采集单元的数据送入散射光分析单元，应用Lambert-Beer定律：及散射角公式，即可计算出该波长的光通过该颗粒物浓度和该颗粒物大小的浊度水的散射系数和散射角，根据散射系数可以计算出射光的散射光强，从而得到该情形下与散射角和散射光强相关的散射特性；

公式中l为激光功率计探头和光信号输入端之间的距离，即水槽的长度；表示散射光斑的半径，和分别表示散射光的散射系数及散射角；

5）保持散射光产生单元出射光波长和浊度水中颗粒物大小不变，仅仅改变颗粒物的浓度，重复步骤2）-4），得到该波长的光通过该颗粒物大小确定但浓度不同的浊度水的散射系数和散射角，从而得到随浓度改变的散射特性；

6）改变散射光产生单元出射光波长，重复步骤2）-5），得到不同波长的光通过该颗粒物大小确定但浓度不同的浊度水的散射系数和散射角，从而得到随波长改变的散射特性；

7）改变颗粒物大小，重复步骤2）-6），得到不同颗粒物大小下对应的散射系数和散射角，从而得到随颗粒物大小改变的散射特性；

8）改变浊度水中颗粒物的种类，将颗粒物分为有机物、吸收类和非吸收类三种类型，重复步骤2）-7），得到不同颗粒物种类下对应的散射系数和散射角，从而得到随颗粒物种类改变的散射特性。

进一步地，可将未知水样放入水槽，进行步骤2）-4）的操作，得到未知水样的散射特性；将未知水样的散射特性与步骤8）得到的随颗粒物种类改变的散射特性进行匹配，由此确定未知水样中悬浮颗粒物的种类、大小和浓度。

本发明浊度水按如下方法配制，先分别称取一定质量不同种类的颗粒物，每种颗粒物配制成一定浓度的母液，将不同量的母液加入纯净水中即可配制得到不同浓度的浊度水。

本发明散射光产生单元采用的光源为氘-钨卤组合式光源，该光源在同一光路中集成了氘灯和钨卤光源，通过连续输出光谱可产生200-1000nm的稳定光谱输出，输出的光束扩束后变为平行光，平行光经过可变光阑，去除入射光的杂散部分并调节入射光束，经过准直透镜准直后入射到水样，通过调节光器调节出射光的偏振方向。

本方法能够准确、简便地测定生活污水和工业废水中悬浮粒子散射特性，能有效控制水体中悬浮颗粒物的悬浮状态，为水环境处理减少浊度影响提供技术支持。基于本方法设计的系统结构简单，制作成本低，重复利用率高，实用性强；并且能够实时，有效地检测水中悬浮粒子的光散射特性情况。

附图说明

图1为本发明水中悬浮颗粒物散射特性测量示意图。

图2为本发明水中悬浮颗粒物散射特性测量流程图。

图3为藻类悬浮粒子在不同入射光波长条件下的散射光强分布随散射角变化的结果图。

图4为泥沙类悬浮粒子在不同入射光波长条件的散射光强分布随散射角变化的结果图。

图5为藻类及泥沙类两种颗粒物在不同波长下的散射光强随散射角变化的比较分析图。

具体实施方式

本发明确定水中悬浮颗粒物散射特性的方法，按如下步骤进行，

1）首先构建由散射光产生单元、散射光采集单元和散射光分析单元构成的检测装置，在散射光产生单元和散射光采集单元之间设有用于盛放水样的水槽；散射光采集单元包括激光功率计和目视系统；激光功率计用于测量透过水样的光功率，目视系统对输出的光信号进行采集，对散射光斑的尺寸进行测量。

2）然后向水槽中加入浊度为零的纯净水，散射光产生单元发出特定波长的光从水槽一端平行射入，通过水样后从水槽另一端射出，散射光采集单元中的激光功率计测量得到通过纯净水后出射光的光功率I₀；倒出纯净水。

3）接着测量浊度非零（即有悬浮颗粒物）的浊度水中颗粒物的浓度和颗粒物大小；检测完毕将浊度水加入空的水槽中，散射光产生单元发出的光从水槽一端平行射入，通过浊度水后从水槽另一端射出，由激光功率计测量得到通过浊度水后出射光的光功率I₁；同时散射光采集单元中的目视系统采集散射光斑，并测量得到散射光斑的半径x；

4）散射光采集单元的数据送入散射光分析单元，应用Lambert-Beer定律：及散射角公式，即可计算出该波长的光通过该颗粒物浓度和该颗粒物大小的浊度水的散射系数和散射角，根据散射系数可以计算出射光的散射光强，从而得到该情形下（特定波长、特定颗粒物种类、特定颗粒物浓度和特定颗粒物大小）出射光的散射特性，散射特性即散射角和散射光强之间的对应关系。通过步骤4）可以得到图中的一个点，如图3（a）最上面一条曲线中的某个点。

公式中、表示通过水样的出射光在放入悬浮粒子前后（即纯净水和浊度水）的光功率值；l为激光功率计探头和光信号输入端之间的距离，即水槽的长度；表示散射光斑的半径，和分别表示散射光的散射系数（衰减系数）及散射角；

5）保持散射光产生单元出射光波长和浊度水中颗粒物大小不变，仅仅改变颗粒物的浓度，重复步骤2）-4），得到该波长的光通过该颗粒物大小确定但浓度不同的浊度水的散射系数和散射角，从而得到随浓度改变的散射特性。通过步骤5）可以得到图中的一条线，如图3（a）最上面一条曲线，就是由若干与浓度对应的点连接而成。

6）改变散射光产生单元出射光波长，重复步骤2）-5），得到不同波长的光通过该颗粒物大小确定但浓度不同的浊度水的散射系数和散射角，从而得到随波长改变的散射特性。通过步骤6）可以得到彼此独立的若干条线，每个波长对应着一条线，从而得到整个图3（a）。

7）改变颗粒物大小，重复步骤2）-6），得到不同颗粒物大小下对应的散射系数和散射角，从而得到随颗粒物大小改变的散射特性。通过步骤7）可以得到彼此独立的若干与图3（a）类似的图，每个颗粒物大小对应着一个这样的图，从而得到整个图3。

8）改变浊度水中颗粒物的种类，将颗粒物分为有机物、吸收类和非吸收类三种类型，重复步骤2）-7），得到不同颗粒物种类下对应的散射系数和散射角，从而得到随颗粒物种类改变的散射特性。

得到不同水样的散射特性后，相当于建立了一个水样样本库，只要把未知水样的散射特性与样本库进行匹配，即可确定未知水样中悬浮颗粒物的特点。具体按如下进行，先将未知水样放入水槽，进行步骤2）-4）的操作，得到未知水样的散射特性。再将未知水样的散射特性与步骤8）得到的随颗粒物种类改变的散射特性进行匹配，由此即可确定未知水样中悬浮颗粒物的种类、大小和浓度。未知水样中悬浮颗粒物的特性确定后，就可以比较容易消除该颗粒物对光谱检测法的干扰。

其中用于样本库的浊度水按如下方法配制，先分别称取一定质量不同种类的颗粒物，每种颗粒物配制成一定浓度的母液，将不同量的母液加入纯净水中即可配制得到不同浓度的浊度水。

本发明散射光产生单元采用的光源为氘-钨卤组合式光源，该光源在同一光路中集成了氘灯和钨卤光源，通过连续输出光谱可产生200-1000nm的稳定光谱输出，输出的光束扩束后变为平行光，平行光经过可变光阑（可变光阑的调节范围为1~50mm），去除入射光的杂散部分并调节入射光束，经过准直透镜准直后入射到水样，通过调节光器调节出射光的偏振方向。

图1为本发明水中悬浮颗粒物散射特性测量示意图，图2为本发明水中悬浮颗粒物散射特性测量流程图。从图上可以看出，本发明主要由散射光信号的产生、散射光信号的获取、散射光信号的计算三部分构成。待测区域是通过水样提取配制不同类型悬浮粒子所形成的。水样提取可从三种模式（地表水，生活污水及工业废水）来进行分析。

图3、图4和图5中横坐标为散射角，纵坐标为散射光强。图3中的四个图a、b、c、d分别对应的是藻类悬浮颗粒物大小为1um、10um、50um、200um下的散射光强分布随散射角变化的结果。图4中的四个图a、b、c、d分别对应的的是泥沙类悬浮颗粒物大小为1um、10um、50um、200um下的散射光强分布随散射角变化的结果。在图3和图4的每个图上，如图3（a），图中的5条曲线分别反映了光谱波长为200nm、400nm、600nm、800nm和1000nm下的散射特性随浓度的变化趋势。

图3所示为水中藻类悬浮粒子在不同入射光波长条件下的散射光强分布随散射角变化的结果。对于吸收性的悬浮粒子，在不同波长条件下，散射光强主要集中于前向。且波长越大，前向集中越明显；对于特定波长，随着颗粒物尺寸的增大而后向，散射强度也相应增大，说明大尺寸颗粒物后向散射效应较为明显。此外，颗粒物尺寸不变时，随着光波长的增大，散射光强呈现逐渐增大趋势。当颗粒物尺寸小的时候，前向和后向散射强度其本对称，波动较小。但随着颗粒物的尺寸增大，前向散射振荡加剧，前后向散射光强分布不再呈对称分布，说明颗粒物尺寸对前向散射光强分布影响显著，尺寸越大，光强分布越复杂。

图4所示为水中泥沙类悬浮粒子在不同入射光波长条件下的散射光强分布随散射角变化的结果。与藻类颗粒物相比，泥沙悬浮颗粒物复折射率的虚部较小，其对光的吸收较弱，因此，与藻类粒子光强分布不同的是，泥沙粒子的散射强度曲线出现了较强的振荡，后向散射振荡尤为剧烈。对于给定大小的粒子，不同入射波长之间的强度曲线互相重叠，并未体现出藻类粒子的强度随波长增加而增加的特性。随着波长和颗粒物半径的增大，前后散射光强失去对称性，前向散射光强强度逐渐稳定增加；而受夫琅和费衍射效应的影响，后向散射振荡加剧，强度曲线中存在较多不规则分布的最大值和最小值。

图5所示为藻类及泥沙类两种颗粒物在不同波长下，相对散射光强随散射角变化的情况进行了比较分析，对于泥沙类粒子，属于非吸收悬浮颗粒物，其散射光强分布相对复杂。除部分变化特性跟藻类类似外，随着入射光波长和粒子尺寸的增大，在散射光强逐渐偏离对称性的同时，散射光强曲线出现了剧烈振荡。但两种粒子光强分布在散射角较小时吻合程度较高，曲线平稳且振荡较少。因此，限定较小波长入射光，在较小散射角度内记录，干扰较少，效果更好。

最后说明的是，以上实施例仅用特定的藻类及泥沙类，代表两种吸收和非吸收性的悬浮颗粒物，同样可以采用本方法对其他类型的悬浮颗粒物进行测量和计算。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (3)

1.一种确定水中悬浮颗粒物散射特性的方法，其特征在于：按如下步骤进行，

1)首先构建由散射光产生单元、散射光采集单元和散射光分析单元构成的检测装置，在散射光产生单元和散射光采集单元之间设有用于盛放水样的水槽；散射光采集单元包括激光功率计和目视系统；

2)然后向水槽中加入浊度为零的纯净水，散射光产生单元发出特定波长的光从水槽一端平行射入，通过水样后从水槽另一端射出，散射光采集单元中的激光功率计测量得到通过纯净水后出射光的光功率I₀；

3)接着测量浊度非零的浊度水中颗粒物的浓度和颗粒物大小；检测完毕将浊度水加入水槽中，散射光产生单元发出的光从水槽一端平行射入，通过水样后从水槽另一端射出，由激光功率计测量得到通过浊度水后出射光的光功率I₁；同时散射光采集单元中的目视系统采集散射光斑，并测量得到散射光斑的半径x；

4)散射光采集单元的数据送入散射光分析单元，应用Lambert-Beer定律：I_l(l)＝I₀e^-αl及散射角公式即可计算出该波长的光通过该颗粒物浓度和该颗粒物大小的浊度水的散射系数α和散射角θ，根据散射系数α可以计算出射光的散射光强，从而得到该情形下与散射角θ和散射光强相关的散射特性；

公式中l为激光功率计探头和光信号输入端之间的距离，即水槽的长度；x表示散射光斑的半径，α和θ分别表示散射光的散射系数及散射角；

5)保持散射光产生单元出射光波长和浊度水中颗粒物大小不变，仅仅改变颗粒物的浓度，重复步骤2)-4)，得到该波长的光通过该颗粒物大小确定但浓度不同的浊度水的散射系数α和散射角θ，从而得到随浓度改变的散射特性；

6)改变散射光产生单元出射光波长，重复步骤2)-5)，得到不同波长的光通过该颗粒物大小确定但浓度不同的浊度水的散射系数α和散射角θ，从而得到随波长改变的散射特性；

7)改变颗粒物大小，重复步骤2)-6)，得到不同颗粒物大小下对应的散射系数α和散射角θ，从而得到随颗粒物大小改变的散射特性；

8)改变浊度水中颗粒物的种类，将颗粒物分为有机物、吸收类和非吸收类三种类型，重复步骤2)-7)，得到不同颗粒物种类下对应的散射系数α和散射角θ，从而得到随颗粒物种类改变的散射特性；

散射光产生单元采用的光源为氘-钨卤组合式光源，该光源在同一光路中集成了氘灯和钨卤光源，通过连续输出光谱可产生200-1000nm的稳定光谱输出，输出的光束扩束后变为平行光，平行光经过可变光阑，去除入射光的杂散部分并调节入射光束，经过准直透镜准直后入射到水样，通过调节光器调节出射光的偏振方向。

2.根据权利要求1所述的确定水中悬浮颗粒物散射特性的方法，其特征在于：将未知水样放入水槽，进行步骤2)-4)的操作，得到未知水样的散射特性；将未知水样的散射特性与步骤8)得到的随颗粒物种类改变的散射特性进行匹配，由此确定未知水样中悬浮颗粒物的种类、大小和浓度。

3.根据权利要求1所述的确定水中悬浮颗粒物散射特性的方法，其特征在于：浊度水按如下方法配制，先分别称取一定质量不同种类的颗粒物，每种颗粒物配制成一定浓度的母液，将不同量的母液加入纯净水中即可配制得到不同浓度的浊度水。