TWI438422B - Monitoring device for chemical oxygen demand and its monitoring method - Google Patents
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- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Description
本發明係有關於一種化學需氧量之監測裝置及其監測方法，其係使用非接觸的方式量測化學需氧量，以提高量測水質之化學需氧量之量測效率。
水污染是指被任何進入液體的物質，造成水中生態環境變化的狀態，即液體因某種物質的介入，而導致其化學、物理、生物或者放射性等方面特徵的改變，從而影響水的有效利用，危害人體健康或者破壞生態環境，造成水質惡化。
液體在自然狀態中，有一定的空氣溶解到水中，是支援水中生物呼吸的主要來源，其中最重要的指數是溶解氧(DO)，外來物質進入液體後，可以被微生物分解，被溶解氧氧化，這都要消耗一定的溶解氧，這叫做液體的“自淨能力”，如果外來物質太多，溶解氧被完全消耗，就是超過了液體的自淨能力，水中生物會因缺氧窒息死亡，或中毒，這就是污染狀態。
目前地球表面雖然有70%是被水覆蓋，但人類可利用的淡水資源不足1%，淡水資源又是經常被人類活動污染的物件，被污染的液體要想恢復是非常困難的，因此進行水污染控制是非常必要和迫切的。而生化需氧量與化學需氧量兩種測試都是水汙染物的相對缺氧作用的量測。此二者皆廣泛應用在污染作用的量測上。
生化需氧量(BOD)亦稱生化耗氧量。是表示水中有機化合物
等需氧物質含量的一個綜合指標。當水中所含有機物與空氣接觸時，由于需氧微生物的作用而分解，使之無機化或氣體化時所需消耗的氧量，就稱為生化需氧量，以ppm或毫克/升表示。其值越高，說明水中有機汙染物質越多，汙染就越厲害。
化學需氧量(COD)是以化學方法測量水樣中需要被氧化的還原性物質的量。水樣在一定條件下，以氧化1升水樣中還原性物質所消耗的氧化劑的量為指標，折算成每升水樣全部被氧化後，需要的氧的毫克數，以mg/L表示。它反映了水中受還原性物質污染的程度。該指標也作為有機物相對含量的綜合指標之一。
各行業廢水處理單元之出流水水質與水量隨著每天的生產製程與產量不同而改變，各廢水處理單元也會因應水質與水量之變化而進行處理單元操作與控制條件之改變，因此，生化需氧量與化學需氧量並無法準確量測。若未能即時監控或量測各種廢水變化與異常資訊並進行因應性之調整與控制，則容易使水物染之情形加劇。
現今之廢水水質自動監測裝置與系統其價格昂貴，且大部分為接觸式儀器。以化學需氧量的量測裝置為例，傳統的化學需氧量量測裝置需將設置於惡劣之水中環境，因此容易使設置老化，造成設備維護費用增加、雜訊干擾嚴重、監測數據不穩定等問題。且傳統的化學需氧量如以重絡駿針迴流法，在完成檢測時間上需要三至四小時，在重絡酸針迫流法也必須使用大量之藥劑，因此造成環境的污染。若能使用非接觸的方式量測化學需氧量，又不需污染環境，則必定可提升化學需氧量之量測效率。
因此，本發明提供一種化學需氧量之監測裝置及其監測方法，其係不會污染環境，即可提高量測水質之化學需氧量之量測效
率，進而提升污水之處理之效率及成本。
本發明之目的之一，在於提供一種化學需氧量之監測裝置及其監測方法，其係不需接觸液體而量測一液體之一吸光度資料，並依據吸光度資料而對照產生一懸浮物濃度資料，如此則不需接觸液體即可量測出懸浮物濃度資料，如此以提升液體之懸浮物濃度資料量測之便利性，更增加儀器之使用壽命。
本發明之目的之一，在於提供一種化學需氧量之監測裝置及其監測方法，其係依據懸浮物濃度資料與水質參數資料以產生一化學需氧量之量測資料。如此不需使用化學藥劑而污染環境即可監測液體之化學需氧量，不但可提高量測水質之化學需氧量之量測效率，進而提升污水之處理之效率及成本。
本發明提供一種化學需氧量之監測裝置及其監測方法，其包含至少一光源、至少一光感測器、一處理單元、至少一水質檢測裝置與一計算單元，光源照射於一液體，液體內具有複數個懸浮物，液體表面間隔設置至少一檢測區，光源之一入射光經由液體內之懸浮物散射與吸收而產生複數個散射光以穿出檢測區，光感測器分別設置於檢測區之上方並接收散射光，處理單元接設於光感測器並計算液體之一吸光度資料，處理單元對照吸光度資料而產生一懸浮物濃度資料，水質檢測裝置檢測液體並產生至少一水質參數資料，計算單元接收懸浮物濃度與水質參數資料以產生一化學需氧量之量測資料。如此不需使用化學藥劑而污染環境即可監測液體之化學需氧量，不但提高量測水質之化學需氧量之量測效率，進而提升污水之處理之效率及成本。
10‧‧‧光源
12‧‧‧入射光
14‧‧‧散射光
20‧‧‧光感測器
30‧‧‧處理單元
40‧‧‧水質檢測裝置
42‧‧‧水質感測器
50‧‧‧計算單元
60‧‧‧液體
62‧‧‧檢測區
第一圖為本發明較佳實施例之化學需氧量之監測裝置之結構示意圖；第二圖為本發明較佳實施例之光於液體中入射、反射、穿透及吸收示意圖；第三A圖為本發明較佳實施例之雷射光垂直拍攝穿透率之示意圖
第三B圖為本發明較佳實施例之雷射光傾斜拍攝穿透率之示意圖；第四A圖為本發明較佳實施例之化學需氧量之監測方法之步驟示意圖；以及第四B圖為本發明較佳實施例之與量測液體之吸光度資料之步驟示意圖。
茲為使 貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：請參閱第一圖至第三B圖，其係為本發明較佳實施例之化學需氧量之監測裝置之結構示意圖與光入射、反射、穿透及吸收示意圖、雷射光垂直與傾斜拍攝穿透率之示意圖；如圖所示，本發明化學需氧量之監測裝置包含至少一光源10、至少一光感測器20、一處理單元30、至少一水質檢測裝置40與一計算單元50，光源10照射於一液體60，液體60為渠道內之水體，液體60內具有複數個懸浮物，液體60表面間隔設置至少一檢測區62，光源10之一入射光12經由液體60內之懸浮物散射與吸收而產生複數個散射光14以穿出檢測區62，光感測器20分別設置於檢測區62之上方並接收
散射光14，處理單元30接設於光感測器20並計算液體60之一吸光度資料。處理單元30對照吸光度資料而產生一懸浮物濃度資料。
本發明是利用光源10量測懸浮物濃度，不需接觸液體60即可進行量測。本發明之光源10為一雷射，其量測原理係利用雷射光投射至待測液體60中而形成一光柱，光感應器即時擷取待測液體60中雷射光柱之散射光14，雷射光柱與物體的光作用機制使其雷射散射光14強度隨距離逐漸衰減。
當光照射於物體上，光與物體組成的物質發生作用，由於組成物質分子間結構不同，光作用於物體上會產生吸收、反射、散射及穿透作用，使物體顯現出顏色。而在一定的波長下，光的吸收量與光徑長度成正比，且在一定的波長下，光的吸收量與溶液濃度成正比，如圖二所示，當單色光束通過厚度b溶液濃度為c之溶液時，此則溶液之吸光度A、溶液濃度c及光徑長度b之關係式如式(1)所示，其吸光度與溶液濃度及光徑長度乘積成正比，稱為Beer-Lambert’s law。
A：吸光度
a：莫爾吸光係數(L/mol*cm)
b：光徑長度(cm)
c：溶液濃度(mol/L)
Pinput：入射光強度
Poutput：穿透光強度
Tr：穿透率
懸浮物濃度在紫外光、可見光及近紅外光等造成的光譜，主要為散射作用，而散射量大小與其表面積、表面性質、粒徑有關，當雷射光源10投射至水體時，雷射光源10會產生水面反射、水體中顆粒的散射，此時利用光感應器即時擷取液體60中雷射光束之散射光14強度，藉由雷射光束散射光14衰減強度資訊，計算液體60之吸光度，並建立吸光度與實際懸浮物濃度關係式，作為量測懸浮物濃度方法。
雷射光源在傳播介質中的傳播路徑主要係以直線前進，當存在其它介質阻擋了光的直線行進過程，會發生之主要作用機制可分為散射與吸收作用，散射廣泛定義包含反射、折射及繞射等作用，考量必須有足夠之光徑長度計算穿透率與吸光度，故使用傾斜入射之雷射光。
現實世界中光與顆粒之作用機制與過程為一非常複雜之事件，因此本發明設定雷射光所行經之路線為直線穿透以及朝向光感測器20散射之散射光路線，故根據實際拍攝雷射光與水體作用結果影像資訊，計算每一單位時間光強度在水體中空間分布上每一長方體的總輸出散射光強度。如圖三A和三B所示，使用長方體作為光傳播路徑的分析。當光傳播路徑與參數建立完成後，利用光感測器20拍攝、擷取及分析實際雷射散射光14在水體中強度的變化，求其雷射光束在水體中的散射率與穿透率。
垂直拍攝垂直雷射光單位穿透率計算，如圖三A所示，b單元強度=單位散射率*I0*單位散射率=I1；c單元強度=單位散射率*I0*單位穿透率*單位散射率=I2；d單元強度=單位散射率*I0*單位穿透率*單位穿透率*單位散射率=I3；單位穿透率=I2/II=I3/I2；之後將所有得到之單位穿透率計算平均值，並利用
Beer-Lambert’s law，將穿透率換算成吸光度。
傾斜拍攝傾斜入射雷射光單位穿透率計算，如圖三B所示，b單元強度=單位穿透率*I0*單位散射率=I1；c單元強度=單位穿透率* I0*單位穿透率*單位散射率=I2；d單元強度=單位穿透率*I0*單位穿透率*單位穿透率*單位散射率=I3；單位穿透率=I2/II=I3/I2；之後將所有得到之單位穿透率計算平均值；並利用Beer-Lambert’s law，將穿透率換算成吸光度。
當液體60中的顆粒分佈呈現均勻狀態時，雷射光柱其衰減隨光徑長度與待測液體60中懸浮物濃度成一比例關係衰減，透過光感應器即時擷取並分析雷射光柱之衰減強度，即時計算待測液體60之平均穿透率，並將穿透率換算為吸光度。將所獲得之吸光度資訊與人工檢測之懸浮物濃度建立其關係式，即完成方法之建立。如此則不需接觸液體60而量測吸光度資料，免除了一般接觸式容易老化損壞之問題，亦避免水體性質與環境的干擾，能即時提供正確之懸浮物濃度。
另外，因工業廢水之廢水特性會因時間之不同而有不同的性質，故懸浮物粒徑亦會在不同時間而會有些微差異，不同的懸浮物粒徑也會影響吸光度數據的量測，也因此會影響量測懸浮物濃度之準確性。因此使用不同波長的光源10，如一紅光雷射、一綠光雷射與一藍光雷射等，進行量測，更可提高懸浮物濃度量測的精準度。
本發明之水質檢測裝置40檢測液體60，水質檢測裝置40具有一水質感測器42，水質感測器42用以量測液體60之一水質參數資料，水質檢測裝置40包含一酸度計(pH meter)、一氧化還原計(ORP meter)、一溶氧計(DO meter)、一導電度計與一溫度
計等，而水質感測器42也因應不同的水質檢測裝置40而有所不同。水質檢測裝置40使用前必須將其感測器校正，以增加其準確度。
待水質參數資料一一量測出後，在利用計算單元50接收懸浮物濃度與水質參數資料以產生一化學需氧量之量測資料。
本發明之計算單元50為一類神經網路。類神經網路是一種計算系統，包括軟體與硬體，類神經網路使用大量簡單的相連人工神經元來模仿生物神經網路的能力。人工神經元是生物神經元的簡單模擬，它從外界環境或者其它人工神經元取得資訊，並加以非常簡單的運算，並輸出其結果到外界環境或者其它人工神經元。因此本發明將將分析所得之水質參數資料、雷射光學影像所得之懸浮物濃度與吸光度進行類神經網路學習與模擬，可推估出較正確之化學需氧量之濃度值。如此可不需使用化學藥劑而污染環境即可監測液體60之化學需氧量，不但可提高量測水質之化學需氧量之量測效率，進而提升污水之處理之效率及成本。
請參閱第四A圖與第四B圖，其係為本發明較佳實施例之化學需氧量之監測方法之步驟示意圖與量測液體之吸光度資料之步驟示意圖；如圖所示，本發明之化學需氧量之監測方法，首先，進行步驟S1，量測一液體60之一吸光度資料，之後，進行步驟S2，依據吸光度資料而對照一懸浮物濃度資料，接著，進行步驟S3，使用至少一水質檢測裝置42以量測至少一水質參數資料，而在使用質檢測裝置40前需進行步驟S30，將水質檢測裝置40校正，以提升水質參數資料之精確性，最後，進行步驟S4，依據懸浮物濃度資料與水質參數資料以產生一化學需氧量之量測資料。
而在步驟S1之量測液體60之吸光度資料之步驟中更包含下列
更包含下列步驟，首先，進行步驟S12，使用至少一光源10照射設液體60，光源10之一入射光經由液體60內之複數個懸浮物散射與吸收而產生複數個散射光，接著，進行步驟S14，使用至少一光感測器20接收複數散射光，而在使用光感測器20之前，先進行步驟S13，校正光感測器20，以增加光感測器20量測之準確性。最後，進行步驟S16，使用一處理單元40以計算散射光之一吸光度資料。
綜上所述，本發明係有關於一種化學需氧量之監測裝置及其監測方法，其係使用至少一光源照射於一液體，並使用至少一光感測器接收穿出液體之複數個散射光，以藉由一處理單元計算液體之一吸光度資料，並且對照吸光度資料而產生一懸浮物濃度資料，並且使用一計算單元接收懸浮物濃度與液體之至少一水質參數資料以產生一化學需氧量之量測資料。如此不需使用化學藥劑而污染環境即可監測液體之化學需氧量，更可提高量測水質之化學需氧量之量測效率。
故本發明係實為一具有新穎性、進步性及可供產業利用者，應符合我國專利法所規定之專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈 鈞局早日賜准專利，至感為禱。
惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10‧‧‧光源
12‧‧‧入射光
14‧‧‧散射光
20‧‧‧光感測器
30‧‧‧處理單元
40‧‧‧水質檢測裝置
42‧‧‧水質感測器
50‧‧‧計算單元
60‧‧‧液體
62‧‧‧檢測區
Claims (11)
- 一種化學需氧量之監測裝置，包含：至少一光源，照射於一液體，該液體內具有複數個懸浮物，該液體表面間隔設置至少一檢測區，該光源之一入射光經由該液體內之該些懸浮物散射與吸收而產生複數個散射光以穿出該檢測區；至少一光感測器，分別設置於該檢測區之上方並接收該些散射光；一處理單元，接設於該些光感測器並計算該液體之一吸光度資料，該處理單元對照吸光度資料而產生一懸浮物濃度資料；一計算單元，接收該懸浮物濃度與至少一水質參數資料以產生一化學需氧量之量測資料；以及至少一水質檢測裝置，檢測該液體並產生對應該液體之該水質參數資料。
- 如申請專利範圍第1項所述之化學需氧量之監測裝置，其中該光源為一雷射。
- 如申請專利範圍第2項所述之化學需氧量之監測裝置，其中該雷射為一紅光雷射。
- 如申請專利範圍第2項所述之化學需氧量之監測裝置，其中該雷射為一綠光雷射。
- 如申請專利範圍第2項所述之化學需氧量之監測裝置，其中該雷射為一藍光雷射。
- 如申請專利範圍第1項所述之化學需氧量之監測裝置，其中該水 質檢測裝置係選自一酸度計(pH meter)、一氧化還原計(ORP meter)、一溶氧計(DO meter)、一導電度計、一溫度計或上述任一組合之其中之一者。
- 如申請專利範圍第1項所述之化學需氧量之監測裝置，其中該計算單元為一類神經網路。
- 一種化學需氧量之監測方法，包含下列步驟：量測一液體之一吸光度資料；依據該吸光度資料而對照一懸浮物濃度資料；使用至少一水質檢測裝置檢測該液體，以獲得該液體之至少一水質參數資料；依據該懸浮物濃度資料與該水質參數資料以產生一化學需氧量之量測資料。
- 如申請專利範圍第8項所述之化學需氧量之監測方法，其中於量測一液體之一吸光度資料之步驟中更包含下列步驟：使用至少一光源照射設一液體，該光源之一入射光經由該液體內之複數個懸浮物散射與吸收而產生複數個散射光；使用至少一光感測器接收該些散射光；以及使用一處理單元以計算該些散射光之一吸光度資料。
- 如申請專利範圍第9項所述之化學需氧量之監測方法，其中於使用至少一光感測器接收該些散射光之步驟前更包含一步驟，其係校正該光感測器。
- 如申請專利範圍第8項所述之化學需氧量之監測方法，其中於使用至少一水質檢測裝置以量測至少一水質參數資料之步驟前更包含一步驟，其係校正該水質檢測裝置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW99122529A TWI438422B (zh) | 2010-07-08 | 2010-07-08 | Monitoring device for chemical oxygen demand and its monitoring method |
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| TW99122529A TWI438422B (zh) | 2010-07-08 | 2010-07-08 | Monitoring device for chemical oxygen demand and its monitoring method |
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| TW201202682A TW201202682A (en) | 2012-01-16 |
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| TW99122529A TWI438422B (zh) | 2010-07-08 | 2010-07-08 | Monitoring device for chemical oxygen demand and its monitoring method |
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| TW (1) | TWI438422B (zh) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI611183B (zh) * | 2016-07-26 | 2018-01-11 | 吳志偉 | 遠端水質監測系統 |
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|---|---|
| TW201202682A (en) | 2012-01-16 |
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