水質(zhì)總磷總氮在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

摘要：文章針對(duì)水質(zhì)總磷總氮測(cè)定方法進(jìn)行比較分析，圍繞臭氧紫外聯(lián)合-分光光度法、順序注射與微控技術(shù)、光譜法水質(zhì)多參數(shù)檢測(cè)、微型分光光度計(jì)與超聲輔助技術(shù)五個(gè)層面，探討了水質(zhì)總磷總氮在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用方法，以期為水質(zhì)總磷總氮指標(biāo)監(jiān)測(cè)與水污染防治工作提供參考，提升水質(zhì)檢測(cè)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)檢測(cè);氮磷含量;自動(dòng)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：X832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2020）10-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.10.073

Abstract：This paper compares and analyzes the determination methods of total phosphorus and total nitrogen in water quality，focusing on five levels of ozone-ultraviolet combined-spectrophotometry，sequential injection and micro-control technology，multi-parameter detection of water quality by spectrometry，micro-spectrophotometer and ultrasonic assist technology the online automatic monitoring technology of total phosphorus and total nitrogen in water quality and its application method are discussed，with a view to providing a reference for the monitoring of total phosphorus and total nitrogen in water quality and the prevention and control of water pollution， and improving the quality of water quality detection.

Key words：Water quality detection;Nitrogen and phosphorus content; Automatic monitoring

總磷是水樣含氮化合物中磷的總含量，總氮是不同形態(tài)無(wú)機(jī)氮、有機(jī)氮中氮的總含量，這兩項(xiàng)指標(biāo)與水體富營(yíng)養(yǎng)化具有直接關(guān)聯(lián)。2006-2016年，我國(guó)共發(fā)生874余起突發(fā)水污染事件，水污染事件發(fā)生頻率逐年提升、空間分布差異漸趨明顯，對(duì)于在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新提出了迫切需求。

1 水質(zhì)總磷總氮測(cè)定方法比較分析

總磷、總氮指標(biāo)是衡量水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化的重要依據(jù)，當(dāng)水體中含氮、磷化合物含量超標(biāo)時(shí)，將為水體內(nèi)的微生物繁殖創(chuàng)設(shè)適宜條件，致使水中溶解氧含量大幅下降，進(jìn)而造成水質(zhì)惡化問(wèn)題。國(guó)標(biāo)方法主要在溫度不低于60℃的水溶液中將過(guò)硫酸鉀進(jìn)行氧化分解，利用高溫條件與堿性介質(zhì)將水中的氮化合物、磷化合物轉(zhuǎn)化為鹽類，借助紫外線分光光度法分別在200nm、275nm波長(zhǎng)位置完成吸光度測(cè)定，校正后將兩參數(shù)的差值作為其的吸光度值，其檢出限為0.05mg/L[1]。傳統(tǒng)檢測(cè)方法具有檢測(cè)周期長(zhǎng)、精度差、工序復(fù)雜等特點(diǎn)，無(wú)法滿足水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)需求，需加強(qiáng)對(duì)新型在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)總磷總氮指標(biāo)的快速監(jiān)測(cè)，提升監(jiān)測(cè)質(zhì)量與效率。

2 水質(zhì)總磷總氮在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用探討

2.1 臭氧紫外聯(lián)合-分光光度法

采用臭氧紫外聯(lián)合-分光光度法作為水質(zhì)總磷總氮指標(biāo)的測(cè)定方法，配合PLC控制器、LabVIEW開(kāi)發(fā)工具與GPRS遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)構(gòu)成水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，可有效提高檢測(cè)數(shù)據(jù)精度與監(jiān)測(cè)效率。

在控制單元設(shè)計(jì)上，該裝置的總體結(jié)構(gòu)由PLC控制器與取樣、氧化消解、檢測(cè)、清洗、數(shù)據(jù)采集與傳輸、PC與無(wú)線傳輸?shù)葐卧K組成，基于一體柜式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用PLC控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)臭氧發(fā)生器、光譜儀等儀器設(shè)備的控制，既可由檢測(cè)人員采用手動(dòng)模式進(jìn)行裝置調(diào)試，也可基于梯形圖編程實(shí)現(xiàn)對(duì)取樣、氧化消解、檢測(cè)與清洗等環(huán)節(jié)的自動(dòng)化控制，并利用定時(shí)器進(jìn)行各程序的計(jì)時(shí)，控制不同器件的通斷。

在軟件界面設(shè)計(jì)上，選取LabVIEW作為開(kāi)發(fā)工具，由現(xiàn)場(chǎng)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控兩個(gè)界面組成。遠(yuǎn)程監(jiān)控界面則包含總界面、總氮含量、總磷含量與數(shù)據(jù)查詢界面等模塊，基于PLC與DTU發(fā)送控制界面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并將總磷、總氮含量與濃度等測(cè)定結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，兼具在線監(jiān)測(cè)、預(yù)警與即時(shí)反應(yīng)功能。

在GPRS無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用上，主要由水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置、PC、DTU載體、無(wú)線基站、GGSN移動(dòng)網(wǎng)關(guān)、Internet與監(jiān)控中心構(gòu)成無(wú)線傳輸系統(tǒng)，其中DTU載體與PC端主要采用串口連接方式，基于VISA函數(shù)實(shí)現(xiàn)通信功能，完成總磷總氮濃度檢測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸。

2.2 順序注射與微控技術(shù)

基于國(guó)標(biāo)法進(jìn)行水質(zhì)中總磷總氮的聯(lián)合測(cè)定，主要采用順序注射與微控技術(shù)建立多量程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。聯(lián)合測(cè)定原理主要利用自主設(shè)計(jì)的消解池，在高溫高壓條件下進(jìn)行含磷、氮化合物的密閉消解，將堿性過(guò)硫酸鉀溶液在60℃以上的水溶液中分解生成原子態(tài)氧。再在120℃高壓水蒸氣條件下進(jìn)行含磷、氮化合物的氧化，生成硝酸鹽與正磷酸鹽。接下來(lái)將消解液分別送至檢測(cè)池內(nèi)，在總磷檢測(cè)池內(nèi)通過(guò)與鉬酸銨反應(yīng)生成藍(lán)色絡(luò)合物，可結(jié)合吸光度計(jì)算出具體的磷濃度值;在總氮檢測(cè)池內(nèi)分別采集220nm、275nm兩處的吸光度值，計(jì)算出相應(yīng)的氮濃度數(shù)值。

在消解池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，主要由消解管、PTC加熱片、固定架、散熱扇、密封接頭、紫外輔助消解模塊組成，將消解池骨架與紫外輔助消解模塊連接，將PTC加熱片固定在消解管上并連接固定架，經(jīng)由密封接頭將消解管固定在消解池骨架上，再將散熱扇安裝在消解池背面，基于PID溫控、紫外燈輔助消解技術(shù)控制消解溫度，提升消解效率。在檢測(cè)池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，選取220nm、275nm光電二極管與氘燈作為總氮檢測(cè)池的檢測(cè)管和光源，選取光電二極管、700nm發(fā)光二極管作為總磷檢測(cè)池的檢測(cè)管和光源，結(jié)合水樣濃度進(jìn)行高光程、低光程檢測(cè)區(qū)的設(shè)定，共設(shè)有10mm、20mm、40mm三類光程檢測(cè)區(qū)，分別對(duì)應(yīng)總磷量程2.5-5μg·mL-1、1.2-2.5μg·mL-1、0-1.2μg·mL-1，以及總氮量程20-40μg·mL-1、10-20μg·mL-1、0-10μg·mL-1。隨后基于微控技術(shù)進(jìn)行順序注射平臺(tái)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)處理顯示與控制、水樣預(yù)處理、順序注射、高溫密閉消解、檢測(cè)池、光源-光電二極管檢測(cè)等模塊，將順序注射平臺(tái)與太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能控制器、溫控儀、蓄電池等模塊共同組成多參數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)總磷、總氮指標(biāo)的聯(lián)合檢測(cè)，有效提升檢測(cè)精度與效率。

2.3 光譜法水質(zhì)多參數(shù)檢測(cè)

在多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)光譜的設(shè)計(jì)上，由上位機(jī)軟件向控制系統(tǒng)發(fā)送指令，使特定波長(zhǎng)光源發(fā)出單色光，將水質(zhì)傳感器置于環(huán)境水樣中，利用光電轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷海?jīng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器、無(wú)線傳輸模塊傳回上位機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)參數(shù)含量的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)。在水質(zhì)多參數(shù)檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)上，主要選取多通道各參數(shù)順序檢測(cè)法，基于MCU與嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與遠(yuǎn)程傳輸，采用LED作為傳感器光源，利用硅光電池作為光電轉(zhuǎn)換元件，由外殼體、發(fā)光源、硅光電池、石英玻璃等構(gòu)成傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)硬件電路由傳感器MCU、AD694芯片、硅光電池組成，并基于脈寬調(diào)試調(diào)節(jié)LED亮度，實(shí)現(xiàn)對(duì)光程、量程的控制。利用該傳感器進(jìn)行某污水中總磷、總氮含量的檢測(cè)，樣機(jī)準(zhǔn)確度分別在-5.6%～9.4%、-9%～9%范圍內(nèi)，均符合國(guó)家環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，且檢測(cè)效率與精度較高，具備良好實(shí)用價(jià)值[3]。

2.4 微型分光光度計(jì)

選用微型分光光度計(jì)進(jìn)行多參數(shù)水質(zhì)在線分析儀的優(yōu)化，分光光度計(jì)包含光纖連接器、準(zhǔn)直鏡、光柵、聚焦鏡、光電探測(cè)器等部件，可利用光纖將復(fù)合光束導(dǎo)入連接器內(nèi)，利用準(zhǔn)直鏡入射至光柵上，經(jīng)由分解處理后利用聚焦鏡將平行光束聚焦在光電探測(cè)器中，配合采集電路將信號(hào)傳輸至上位機(jī)?；谖⑿头止夤舛扔?jì)建立多參數(shù)水質(zhì)在線分析系統(tǒng)，由光學(xué)測(cè)量、總氮分析、總磷分析、電氣控制模塊完成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，其中總磷、總氮分析模塊均設(shè)有石英反應(yīng)池、自動(dòng)控制、順序注射等部件，用于完成對(duì)水質(zhì)中各項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)，經(jīng)由進(jìn)樣、測(cè)量、清洗等流程進(jìn)行測(cè)量值的校準(zhǔn)、輸出、存儲(chǔ)，完成整體水質(zhì)測(cè)定流程。將氮磷參數(shù)分析模塊收集到的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，可得出測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度為0.847%、重復(fù)性為0.809%，符合國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程要求，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水樣總磷、總氮含量的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.5 超聲輔助技術(shù)

利用超聲輔助消解技術(shù)進(jìn)行水樣消解方法的改進(jìn)優(yōu)化，基于超聲化學(xué)原理設(shè)計(jì)超聲系統(tǒng)，可在水質(zhì)中總氮、總磷檢測(cè)的消解環(huán)節(jié)提供超聲輻照，加快水樣消解速率。通過(guò)分析樣機(jī)性能可知，其測(cè)定結(jié)果的相對(duì)誤差低于±10%，符合國(guó)標(biāo)要求，且重復(fù)性優(yōu)良，可有效提升多參數(shù)快速在線水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用性能。未來(lái)還需圍繞檢測(cè)試劑優(yōu)化、超聲場(chǎng)研究、聲化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)等層面進(jìn)行完善，便于更好地提升超聲輔助技術(shù)在水質(zhì)總磷、總氮指標(biāo)檢測(cè)中的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)論

相較于傳統(tǒng)國(guó)標(biāo)檢測(cè)方法而言，在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)在檢測(cè)條件、檢測(cè)時(shí)間、測(cè)量范圍與自動(dòng)化性能等方面占據(jù)明顯優(yōu)勢(shì)，基于自動(dòng)采樣、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)快速收集等流程進(jìn)行水質(zhì)總磷、總氮指標(biāo)的測(cè)定。未來(lái)還應(yīng)圍繞低溫條件、常壓條件進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)化與創(chuàng)新，更好地拓展其在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2020-08-13

作者簡(jiǎn)介：韓衛(wèi)儉（1988-），女，漢族，本科學(xué)歷，助理工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)境工程。