光纖傳感系統(tǒng)在塔里木河流域污水檢測中的應(yīng)用研究

吐爾洪·肉斯旦

(塔里木河流域干流管理局，新疆 庫車 843200)

我國是一個工業(yè)生產(chǎn)大國，河流污染對區(qū)域水生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞[1- 3]。目前我國高精度水質(zhì)檢測設(shè)備還比較依賴進(jìn)口，成本高且使用、維修不便，因此，引入合理的水質(zhì)檢測設(shè)備對水環(huán)境污染治理十分重要。

目前，我國對污水水質(zhì)檢測相關(guān)技術(shù)手段的研究較少。高麗等[4]提出一種利用“靜態(tài)頂空進(jìn)樣+氣相色譜法火焰離子化”的新型檢測方法，利用該技術(shù)有效測定了水樣中的8種苯系化合物和12種氯苯類化合物，并指出該方法具有簡單、高效、無溶劑、易于商業(yè)化的特殊優(yōu)勢。劉紅[5]利用多種不同處理方法(鉻酸鉀檢測法、氯氣檢測法、水樣檢測數(shù)據(jù)分析法、高錳酸鉀檢驗(yàn)法、消解處理技術(shù)、密封消除法、間接標(biāo)準(zhǔn)曲線法)對高氯廢水展開了化學(xué)需氧量(COD)檢測，深入分析了各種檢測方法的優(yōu)勢與缺點(diǎn)，并強(qiáng)調(diào)了廢水檢測在水資源保護(hù)與處理工作中重要性。倪豐穎[6]研究了多種化學(xué)技術(shù)在廢水水質(zhì)檢測中的應(yīng)用情況及技術(shù)效果，強(qiáng)調(diào)了化學(xué)檢測的技術(shù)優(yōu)勢在于簡單高效、檢測結(jié)果直觀。

綜上所述，現(xiàn)有檢測技術(shù)比較依賴于進(jìn)口設(shè)備或化學(xué)試劑，成本較高。本文詳細(xì)介紹了一種光纖傳感檢測系統(tǒng)，基于室內(nèi)試驗(yàn)深入分析了光纖傳感檢測系統(tǒng)檢測結(jié)果和現(xiàn)有設(shè)備檢測結(jié)果，驗(yàn)證了其可靠性。

1 基于光譜分析的光纖傳感檢測系統(tǒng)

1.1 理論基礎(chǔ)

光譜信號能夠反映出物質(zhì)內(nèi)部分子不同能級之間產(chǎn)生了躍遷情況，分子的總能量E可以近似表達(dá)為[7- 8]：

E=Ee+Er+Ev

(1)

式中，Ee—電子能量；Er—分子轉(zhuǎn)動能量；Ev—分子振動能量。根據(jù)普朗克量子理論，分子的3種運(yùn)動能量都是量子化態(tài)的，且具有不連續(xù)性。在正常狀態(tài)下(基態(tài))，分子具有一定的能級E1，在入射光的作用下，能夠從E1能級躍遷到E2能級，分子也由基態(tài)轉(zhuǎn)化為激發(fā)態(tài)。此時，分子需要吸收一定量的光子，獲得能量，其能量增量(光子能量)可表達(dá)為：

ΔE=E2-E1

(2)

μ=ΔE/h

(3)

式中，ΔE—吸收的光子能量；μ—ΔE能量的光子頻率；h—普朗克常數(shù)?；谄绽士肆孔永碚?，結(jié)合物質(zhì)的差異性，可以知道：由于不同物質(zhì)對于不同的光的吸收能力不同，在光照條件下，不同物質(zhì)會選擇性吸收ΔEe，ΔEr以及ΔEv輻射的光子能量。物質(zhì)收到能量接近于Ee的紫外可見光(200～800mm)的輻射時，產(chǎn)生電子能級的躍遷而形成的吸收光譜，稱作紫外可見光譜，特征為帶狀譜[9- 10]。在水質(zhì)分析化學(xué)中，根據(jù)光譜的吸收波長范圍、吸光強(qiáng)度的大小，可以分析得到被測物質(zhì)的組分和濃度。

1.2 光纖傳感檢測系統(tǒng)

本次試驗(yàn)采用的光纖傳感檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)備如圖1所示，由圖1可知，該檢測系統(tǒng)主要由光源、光纖、浸入式傳感器、陣列傳感器、數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備以及計(jì)算機(jī)設(shè)備。其中，光源采用DH- 2000型氘鹵素?zé)簦軌蛱峁┎ㄩL范圍在215～2500μm的穩(wěn)定連續(xù)輸出，工作溫度在5～30℃之間，能夠較好地適用于室溫下的污水檢測中。光纖傳感器探頭由光路傳導(dǎo)介質(zhì)、透鏡和全反射面設(shè)備組成，光纖則是2條長2.0m的光纖，光譜掃描軟件為系統(tǒng)自帶的嵌入式軟件。由圖1可知，光纖傳感檢測系統(tǒng)具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備成本較低、檢測效率高等優(yōu)勢。

圖1 光纖傳感檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗(yàn)檢測

2.1 工程背景與樣品準(zhǔn)備

本次研究依托于塔里木河某支流河道污染治理工程開展工作。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查顯示，由于河流沿線有化工廠、制衣廠等相關(guān)小型企業(yè)，存在污染物排放管理制度差、排放不達(dá)標(biāo)等嚴(yán)重污染問題，因此河流水質(zhì)污染較為嚴(yán)重，對水生態(tài)、周圍居民生活以及農(nóng)作物灌溉問題造成極大的困擾。因此，該河流水質(zhì)污染問題亟需處理。本次研究的取樣目標(biāo)為近污染點(diǎn)的河流水體。取樣工作共設(shè)置20個采樣點(diǎn)，取水點(diǎn)大部分選擇于污水排放點(diǎn)附近。采用聚乙烯水桶取樣，在到達(dá)采樣點(diǎn)前先用清水沖洗桶體3～5次。在取樣時，使桶口迎著水流方向緩慢浸入，桶滿后應(yīng)迅速提出水面。此外，應(yīng)當(dāng)避免漂浮物進(jìn)入，影響水體分析試驗(yàn)結(jié)果。最后，室內(nèi)將所取到的水體試樣按取樣點(diǎn)分組，最終得到的污染水體樣品。

2.2 檢測流程

室內(nèi)利用光纖傳感檢測系統(tǒng)開展污水水質(zhì)檢測工作，具體工作流程如下：

(1)水質(zhì)檢測。單色光通過光纖傳導(dǎo)到污染水源樣品后經(jīng)過光線探頭檢測再次返回到系統(tǒng)中。

(2)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。經(jīng)過陣列傳感器和數(shù)據(jù)采集控制器的光電轉(zhuǎn)換、信號分析和處理等過程，獲得全波段的污水吸收光譜、吸光度和透射率。

(3)數(shù)據(jù)處理分析。將獲得的光譜和數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、處理、分析，獲得污水樣品的污染相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 檢測結(jié)果分析與討論

3.1 參考值

為了驗(yàn)證光纖傳感檢測系統(tǒng)在河流污水水質(zhì)檢測中的可行性，本次研究需要先利用現(xiàn)有的、檢測精度高、認(rèn)可度高的檢測設(shè)備對污水樣品進(jìn)行水質(zhì)檢測，以獲得檢測結(jié)果參考值。利用DRB200消解器和DR1010分光光度計(jì)進(jìn)行檢測，該儀器的基本工作原理為COD快速消解分光光度法，其應(yīng)用效果得到了廣大研究院所和檢測單位的認(rèn)可。最終，基于上述設(shè)備檢測，得到所有水樣本的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。由表1可知，該河流20個取樣點(diǎn)所取水樣的COD值在42.21～80.13mg/L之間，平均值達(dá)到60.83mg/L。根據(jù)GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，該河道水COD值大于40mg/L(五類水)，由此可見，該河道的水質(zhì)污染情況較為嚴(yán)重，水污染問題亟需改善。

表1 污水樣品測試結(jié)果參考值

3.2 測試結(jié)果及對比

為驗(yàn)證光纖傳感檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(圖1)在污水COD值檢測中的應(yīng)用，本次研究利用該設(shè)備分別對上述污水樣品進(jìn)行了檢測，并將檢測結(jié)果與DRB200消解器和DR1010分光光度計(jì)的檢測結(jié)果進(jìn)行對比并展開深入分析探討。室內(nèi)試驗(yàn)得到光纖傳感檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的檢測結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，基于光纖傳感檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到的污水COD值檢測結(jié)果整體要略高于DRB200消解器和DR1010分光光度計(jì)的檢測結(jié)果，但是二者相差較小?；诠饫w傳感檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到的污水COD值在45.09～81.61mg/L之間，略高于參考值；檢測結(jié)果平均值為63.18mg/L，較參考值大3.86%，測量誤差在5%以內(nèi)。由此可見，基于光纖傳感檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的污水COD檢測結(jié)果與現(xiàn)有高精度檢測設(shè)備的檢測結(jié)果接近，檢測結(jié)果可靠。

圖2 不同檢測設(shè)備下污水樣品COD值檢測結(jié)果對比

進(jìn)一步分析不同檢測設(shè)備下污水樣品COD值檢測結(jié)果與參考值的關(guān)系，對二者之間的關(guān)系進(jìn)行數(shù)值擬合，擬合結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，基于光纖傳感檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的污水COD檢測結(jié)果與參考值之間符合正線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)達(dá)0.9950；擬合曲線的斜率接近于1，檢測值與參考值的誤差主要存在于截距(起點(diǎn))上。因此可見，通過校正設(shè)備或試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以有效消除基于光纖傳感檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的污水COD檢測結(jié)果與DRB200消解器和DR1010分光光度計(jì)的檢測結(jié)果之間的誤差。

圖3 污水COD檢測值與參考值擬合結(jié)果

4 結(jié)論

本次研究對20個取樣點(diǎn)的污水展開了室內(nèi)COD值檢測試驗(yàn)，深入探討了光纖傳感檢測系統(tǒng)在污水水質(zhì)檢測中的可行性，研究主要結(jié)論如下：

(1)新型光纖傳感檢測系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備成本較低且檢測效率高，污水COD檢測結(jié)果與參考值之間符合正線性關(guān)系，檢測結(jié)果可靠性高。

(2)河流20個取樣點(diǎn)所取水樣的COD參考值在42.21～80.13mg/L之間，平均值達(dá)到60.83mg/L；基于光纖傳感檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到的污水COD值略高于參考值，在45.09～81.61mg/L之間，平均值為63.18mg/L。

(3)本次研究僅探討了該設(shè)備對COD值檢測結(jié)果的可靠性，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步探討設(shè)備在磷、氮和重污染元素檢測中的可行性。