CN108507955A

CN108507955A - 多光谱同步检测水体化学需氧量的装置及方法

Info

Publication number: CN108507955A
Application number: CN201810241168.XA
Authority: CN
Inventors: 王志平; 于晓娟; 陈辉; 余丽娟
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2018-03-22
Publication date: 2018-09-07

Abstract

一种多光谱同步检测水体化学需氧量的装置及方法，包括：组合式光源、滤光器、三向光通路检测池、光信号检测模块和COD检测模块，其中：组合式光源输出的紫外光和可见光经滤光器滤光后得到所需波长的紫外光和可见光并穿透三向光通路检测池中的水样被双光束光信号检测模块接收；同时，在垂直于该光通路的侧面设置双光束光信号检测器检测荧光信号；由光信号检测模块将检测到的紫外光光谱信号、可见光光谱信号以及特征荧光光谱信号分别输出至COD检测模块，并通过内置的典型有机物特征吸收‑发射光谱神经网络单元计算得到水体化学需氧量。本发明依靠纯物理光学测量，无需消耗化学试剂、无二次污染且维护周期长，可广泛用于各类水体的在线原位监测。

Description

多光谱同步检测水体化学需氧量的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种水质监测领域的技术，具体是一种利用紫外可见与荧光光谱同步检测水体化学需氧量的装置及方法。

背景技术

作为衡量水环境质量的重要指标，COD(化学需氧量)反映了水体受还原性有机污染物的污染程度，在《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)、《生活饮用水水源水质标准》(CJ3020-93)和《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)等国家标准中都有明确的浓度限制。因此，对各种水环境COD的快速、准确检测都有重要的现实意义。

水体中溶解性有机物组分主要包括腐殖酸、富里酸、亲水性有机酸、核酸、氨基酸和表面活性剂等有机污染物，其中氨基酸等类蛋白有机物是生活污水的标志性污染物。这些污染物分子结构大多具有共轭双键芳香烃或碳基、羧基等共轭体系，在受到特定波长紫外光照射时不仅会产生明显的紫外吸收，同时也能激发发射不同波长的荧光；当样品浓度较低时，特定波长的紫外光吸收及所激发荧光强度与有机物浓度成正相关。基于上述理论，可以采用紫外-荧光光谱分析法定性区分和定量测定污水中的有机污染物。尽管如此，单纯采用特征谱线的紫外吸收或荧光强度很难准确反映水体有机污染物含量，尤其在检测含有一定色度或浊度的水样时偏差较大。因此，开发基于紫外可见吸收光谱和荧光发射光谱的COD检测系统能够显著提升COD检测的准确度，尤其适应于水体在线监测要求的快速、免维护、无污染特性。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种多光谱同步检测水体化学需氧量的装置及方法，依据废水中有机污染物在紫外光谱区的特征吸收，结合荧光发射光谱和可见光谱校正，实现水体化学需氧量的快速准确测定。本发明依靠纯物理光学测量，无需消耗化学试剂、无二次污染且维护周期长，可广泛用于各类水体的在线原位监测。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种多光谱同步检测水体化学需氧量的装置，包括：组合式光源、滤光器、三向光通路检测池、光信号检测模块和COD检测模块，其中：组合式光源输出的紫外光和可见光经滤光器滤光后得到所需波长的紫外光和可见光并穿透三向光通路检测池中的水样被双光束光信号检测器接收，同时，垂直于该光通路的侧面连接双光束检测器检测荧光信号；光信号检测模块将检测到的紫外光光谱信号、可见光光谱信号以及特征荧光光谱信号分别输出至COD检测模块，由COD检测模块通过内置的典型有机物特征吸收-发射光谱神经网络单元计算得到水体化学需氧量。

所述的组合式光源内置氘灯、钨灯、标准无极灯、氙灯和/或LED白光源中的至少两种。

所述的滤光器采用但不限于固定式衍射狭缝或连续可调的衍射光栅。

所述的三向光通路检测池为顶部敞口式六面体结构，其中前后与左侧为高透石英玻璃材质，右侧与底侧为外表面磨砂玻璃材质。

所述的双光束光信号检测模块为利用光子效应引起电子跃迁从而将光信号转变为电信号的光子探测器。

所述的COD检测模块是依据水体典型有机物特征吸收-发射光谱神经网络单元计算出水样的校正吸光度，进而根据校正吸光度与标准COD耦合关系计算得出COD值。

本发明涉及一种基于上述装置的多光谱同步检测水体化学需氧量的方法，即由组合光源发射的紫外光和可见光经滤光器滤光后得到所需波长并穿透三向光通路检测池所载水样，两个光子探测器分别接收对应波长的紫外光和可见光后转化为相应的电信号；同时，第三光子探测器在三向光通路检测池垂直于光通路的侧面检测经滤光器滤光后水样发射的特征荧光光谱；检测到的紫外可见、荧光光信号经COD检测模块数据处理转化为COD数值进行存储和显示。

技术效果

与现有技术相比，本发明基于对水体有机污染物及相关干扰因素的深刻理解，在常规紫外特征光谱检测的基础上引入可见吸收光谱与荧光发射光谱进行校准，结合组合式光源系统、三向光通路检测池及检测系统、神经网络计算模块，实现了对复杂水质COD的快速、准确检测；该方法与设备具有良好的环境适应性，可以准确反映水体有机污染物含量及各类有机污染物的相对含量，可用于各类水体和污水处理设施的在线监控。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图中：1组合式光源、2、3、5第一至第三单色滤光器、4三向光通路检测池、6、7、8第一至第三光子探测器、9COD检测模块、10显示输出模块。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及的一种多光谱同步检测水体化学需氧量的装置，其中包含：能稳定发射紫外可见特征光谱的组合式光源1、三个单色滤光器2、3、5、三向光通路检测池4、三个光子探测器6、7、8、以典型有机物特征吸收-发射光谱神经网络模块为计量依据的COD检测模块9和显示输出模块10。

由组合光源1发射的紫外光和可见光经设置于光源1与三向光通路检测池4间的第一和第二单色滤光器2、3滤光后得到所需波长的紫外光和可见光；穿透三向光通路检测池4所载水样，被第一和第二光子探测器7、8分别接收后转化为相应的电信号；在三向光通路检测池垂直光路的侧面，经第三单色滤光器5滤光后由第三光子探测器6检测水样发射的特征荧光光谱；检测到的紫外可见、荧光光信号经COD检测模块9将数据处理转化为COD数值进行存储并在显示输出模块10展示。

所述的组合式光源1为紫外线低压汞灯与绿光点光源LED构成，单色滤光器2、3、5为254nm、546nm和325+425nm固定式衍射狭缝，三向光通路检测池4为三面石英玻璃材质的敞口比色皿，光子探测器6、7、8为相应类型的硅光电池，COD检测模块9为依据校正吸光度与标准COD耦合关系计量的COD模块。依此构建的COD在线监测系统对于不同水样的检测结果如下表所示：

水样	UV	Vis	Flu	COD_测	COD_Cr	偏差
							污水厂进水	0.94	0.17	5763	328.96	320.62	2.6％
污水厂排水	0.22	0.08	2084	37.33	35.83	4.2％
							城市河水	0.06	0.04	829	10.70	12.49	14.3％
天然河水	0.03	0.01	517	3.44	4.54	24.2％
							自来水	0.01	0.00	434	1.65	2.16	23.5％

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims

1.一种多光谱同步检测水体化学需氧量的装置，其特征在于，包括：组合式光源、滤光器、三向光通路检测池、光信号检测模块和COD检测模块，其中：组合式光源输出的紫外光和可见光经滤光器滤光后得到所需波长的紫外光和可见光并穿透三向光通路检测池中的水样被双光束光信号检测器接收；同时，在垂直于该光通路的侧面设置双光束光信号检测器检测荧光信号；由光信号检测模块将检测到的紫外光光谱信号、可见光光谱信号以及特征荧光光谱信号分别输出至COD检测模块，并通过内置的典型有机物特征吸收-发射光谱神经网络单元计算得到水体化学需氧量。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的组合式光源内置氘灯、钨灯、标准无极灯、氙灯和/或LED白光源中的至少两种。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的滤光器采用固定式衍射狭缝或连续可调的衍射光栅。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的三向光通路检测池为顶部敞口式六面体结构，其中前后与左侧为高透石英玻璃材质，右侧与底侧为外表面磨砂玻璃材质。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的双光束光信号检测模块为利用光子效应引起电子跃迁从而将光信号转变为电信号的光子探测器。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的COD检测模块依据水体典型有机物特征吸收-发射光谱神经网络单元计算出水样的校正吸光度，进而根据校正吸光度与标准COD耦合关系计算得出COD值。