一種紫外法和熒光法相結(jié)合的智能水質(zhì)監(jiān)測儀及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及環(huán)境監(jiān)測和水處理領(lǐng)域，尤其涉及一種紫外法和熒光法相結(jié)合的智能 水質(zhì)監(jiān)測儀及其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自然水體中的溶解性有機(jī)物，特別是腐殖質(zhì)類和蛋白類等物質(zhì)，參與光化學(xué)反應(yīng)、 污染物迀移轉(zhuǎn)化、微生物活動和碳循環(huán)等地球生物化學(xué)過程。在飲用水和污水處理過程中， 溶解性有機(jī)物是主要的去除對象，特別是在飲用水處理過程中，腐殖質(zhì)類和蛋白類物質(zhì)是 氯化消毒工藝中重要的消毒副產(chǎn)物前驅(qū)體，影響輸送管道中細(xì)菌的滋生。溶解性有機(jī)物的 組成和性質(zhì)，對活性污泥、混凝、膜過濾、高級氧化、吸附與離子交換等工藝的處理效果均具 有重要影響。由于水質(zhì)波動，各種水處理工藝在實(shí)際運(yùn)行過程中存在藥劑、能源和材料的過 度消耗或不足的問題。因此在給排水領(lǐng)域，迫切需要一種靈敏、快速、高效、經(jīng)濟(jì)、簡易的在 線監(jiān)測裝置，以便實(shí)現(xiàn)水處理過程中的節(jié)能減排和輸配水過程的水質(zhì)預(yù)警。
[0003]目前對水體中溶解性有機(jī)物進(jìn)行監(jiān)測分析的常用方法主要包括：化學(xué)需氧量 (ChemicalOxygenDemand，C0D)、總有機(jī)碳（TotalOrganicCarbon，T0C)、紫外光譜、三 維熒光光譜。與COD和T0C方法相比，光譜法無需化學(xué)試劑，且快速、靈敏、方便，更適合 為自動化水處理系統(tǒng)提供在線負(fù)反饋信號。目前一些特定波長的紫外吸收值，如254nm， 280nm等，被廣泛用于對溶解性有機(jī)物的定量研究，部分溶解性有機(jī)物在吸收特定波段的 紫外光后會發(fā)生電子躍迀，在電子從激發(fā)態(tài)落回到基態(tài)的過程中發(fā)出特定波長的熒光。由 于水體中蛋白類和腐殖質(zhì)類物質(zhì)所固有的熒光特性，近年來三維熒光光譜在對各類水體 中溶解性有機(jī)物的表征方面得到廣泛運(yùn)用。Wen-TaoLi，et.al.，HPLC/HPSEC-FLDwith multi-excitation/emissionscanforEEMinterpretationanddissolvedorganic matteranalysis, 2013,WaterResearch, 1246-1256 (基于高效液相色譜和體積排阻色譜 分離的多激發(fā)、多發(fā)射熒光掃描用于溶解性有機(jī)物分析及其三維熒光圖譜解釋），運(yùn)用高效 液相色譜或體積排阻色譜結(jié)合多波長紫外吸收和多激發(fā)或多發(fā)射熒光掃描技術(shù)，對溶解性 有機(jī)物的三維熒光光譜進(jìn)行解釋：（1)同一種物質(zhì)可以產(chǎn)生具有相似發(fā)射波長但激發(fā)波長 不同的熒光峰，（2)腐殖質(zhì)類物質(zhì)會由于含有苯胺、苯酚類結(jié)構(gòu)而同時(shí)具有與蛋白類物質(zhì)相 似的熒光峰，（3)自然水體和生活污水中對>240nm的紫外光有吸收的物質(zhì)主要是蛋白類或 腐殖質(zhì)類物質(zhì)。其不足之處在于：對于水體中不同有機(jī)物的測定需要特定波長的激發(fā)光與 特定帶通濾光片的組合才能實(shí)現(xiàn)，如對于蛋白類物質(zhì)熒光需選用峰值波長280 ± 5nm的LED 光源，濾光片選用帶通波長范圍為330~350nm;對于腐殖質(zhì)類焚光，LED燈光源選用峰值波 長為265±5nm，濾光片選用帶通波長范圍為420~440nm;使用的光學(xué)器件多，光路復(fù)雜。
[0004] 與傳統(tǒng)的萊燈、氣燈相比，發(fā)光二極管（LightEmittingDiode，LED)具有單色性 好，體積小、能耗低和壽命長等一系列優(yōu)點(diǎn)。近幾年來深紫外波段（波長小于300nm)LED技 術(shù)獲得突破，已具備商業(yè)化大批量生產(chǎn)能力。目前深紫外LED(UV-LED)主要運(yùn)用在消毒領(lǐng) 域，而基于深紫外LED的檢測技術(shù)方面的專利申請主要集中運(yùn)用特征波長的紫外吸收值對 水質(zhì)指標(biāo)COD或某種污染物的預(yù)測。相對于紫外法，熒光法具有更高的選擇性和靈敏度，特 別是可以有效反映水體中腐殖質(zhì)和蛋白類熒光團(tuán)的豐度變化，但目前以LED燈為光源的熒 光檢測專利主要以葉綠素或石油為監(jiān)測對象，其采用的激發(fā)和發(fā)射波長均較高，未能對水 處理過程中所關(guān)心的蛋白類和腐殖質(zhì)類物質(zhì)進(jìn)行有效監(jiān)測。
[0005]目前已有以深紫外LED為光源同時(shí)探測紫外和熒光信號的在線水質(zhì)監(jiān)測裝置，需 要特定波長的發(fā)光管與特定帶通的濾波片相匹配才能測量，對于蛋白類物質(zhì)熒光需選用峰 值波長280±5nm的LED光源，濾光片選用帶通波長范圍為330~350nm;對于腐殖質(zhì)類熒 光，LED燈光源選用峰值波長為265 ±5nm，濾光片選用帶通波長范圍為420~440nm;裝置 光學(xué)器件利用率低，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對于腐殖質(zhì)類熒光，亦可采用280nm的LED為光源，其缺點(diǎn)是 所產(chǎn)生的熒光信號非常微弱；現(xiàn)有的水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備大都需要定期校準(zhǔn)，否則隨著時(shí)間推移 裝置測量誤差會逐漸加大，因而無法長時(shí)間置于水下監(jiān)測，無法做到真正的在線監(jiān)測。
[0006] 中國發(fā)明專利，【申請?zhí)枴?01410502662. 9,申請日：2014. 09. 26,公開了一種以LED 發(fā)光二極管為光源的紫外熒光雙信號水質(zhì)監(jiān)測裝置及其應(yīng)用方法，由樣品采集部分和檢測 部分組成，此發(fā)明的應(yīng)用方法，是根據(jù)三維熒光圖譜選擇特定波長的深紫外LED燈光源和 光電探測器組件，對特定波長的熒光強(qiáng)度和紫外吸收進(jìn)行同時(shí)檢測，并計(jì)算熒光強(qiáng)度與對 應(yīng)的紫外吸收之間的比值。其不足之處在于：對于水體中不同有機(jī)物的測定需要特定波 長的激發(fā)光與特定帶通濾光片的組合才能實(shí)現(xiàn)，如對于蛋白類物質(zhì)熒光需選用峰值波長 280±5nm的LED光源，濾光片選用帶通波長范圍為330~350nm;對于腐殖質(zhì)類熒光，LED 燈光源選用峰值波長為265±5nm，濾光片選用帶通波長范圍為420~440nm;光學(xué)器件多， 光路復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 1.發(fā)明要解決的技術(shù)問題
[0008] 針對現(xiàn)有技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測裝置需要定期校準(zhǔn)而無法長時(shí)間置于水下監(jiān)測，不能對 水處理過程中所關(guān)心的蛋白類和腐殖質(zhì)類物質(zhì)進(jìn)行有效監(jiān)測的問題，本發(fā)明提供了一種紫 外法和熒光法相結(jié)合的智能水質(zhì)監(jiān)測儀及其使用方法。它能夠?qū)崿F(xiàn)對水體中蛋白類和腐殖 質(zhì)類物質(zhì)進(jìn)行在線監(jiān)測，自動校準(zhǔn)，裝置結(jié)構(gòu)簡單，采用紫外法和熒光法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對水體 中蛋白類和腐殖質(zhì)類物質(zhì)組分和濃度的動態(tài)變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測。
[0009] 2?技術(shù)方案
[0010] 為解決上述問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：
[0011] 一種紫外法和熒光法相結(jié)合的智能水質(zhì)監(jiān)測儀，包括檢測部分、電源，它還包括光 路部分和校準(zhǔn)部分，其中，所述的光路部分包括恒流源電路、深紫外LED、比色皿、紫外接收 管、熒光濾光片和熒光接收管；
[0012] 所述的恒流源電路與深紫外LED電路連接，所述的深紫外LED照射在比色皿的一 個(gè)面，與比色皿這個(gè)面平行的一個(gè)面上，設(shè)有紫外接收管；
[0013] 與比色皿這兩個(gè)面垂直的一個(gè)面的外側(cè)，設(shè)有兩個(gè)在同一平面內(nèi)的熒光濾光片， 所述的熒光濾光片的外側(cè)設(shè)有熒光接收管；
[0014] 所述的直線步進(jìn)電機(jī)上設(shè)有傳動桿，所述的傳動桿與所述的熒光接收管相互垂 直，所述的傳動桿上設(shè)有固定框架，兩個(gè)所述的熒光濾光片設(shè)置在所述的固定框架內(nèi)；深紫 外LED的光源照射后在相同方向得到衰減的紫外光，在其垂直方向產(chǎn)生焚光，便于傳動桿 在狹小空間的移動。
[0015] 所述的檢測部分包括放大電路、微處理器、存儲器和液晶顯示屏；
[0016] 所述的紫外接收管和所述的熒光接收管產(chǎn)生的信號傳輸給放大電路；
[0017] 所述的恒流源電路、所述的直線步進(jìn)電機(jī)和所述的放大電路均與所述的微處理器 電路連接，所述的微處理器將處理后的信號分別發(fā)送給存儲器、液晶顯示器和ZIGBEE模 塊，所述的ZIGBEE模塊與上位機(jī)PC連接；
[0018] 所述的校準(zhǔn)部分由校準(zhǔn)池，微型電磁閥II和微型電磁閥III組成；
[0019] 所述的校準(zhǔn)池與所述的比色皿連通的管道上設(shè)有微型電磁閥II，所述的校準(zhǔn)池的 下側(cè)設(shè)有一微型電磁閥III，所述的微型電磁閥II和所述的微型電磁閥III均與所述的微 處理器連接；
[0020] 所述的電源置于所述的監(jiān)測儀內(nèi)部，分別與微處理器，放大電路和恒流源電路連 接。電源采用2-3節(jié)5號電池，通過電源插槽與上述各部分電路相連。
[0021] 優(yōu)選地，所述的恒流源電路輸出20mA的恒定電流點(diǎn)亮深紫外LED，并控制深紫外 LED以連續(xù)或脈沖形式照射；與現(xiàn)有的以汞燈或脈沖氙燈為光源的在線光譜儀相比，采用 紫外LED作為光源，具有體積小、壽命長、能耗低的優(yōu)點(diǎn)，更適合于長期水質(zhì)在線監(jiān)測。
[0022] 所述的比色皿與流通池連通的管道上設(shè)有微型電磁閥I，所述的微型電磁閥I與 微處理器相連；
[0023] 所述的流通池左右端口上裝有粗過濾網(wǎng)，所述的比色皿的斷口處裝有細(xì)過濾網(wǎng)；
[0024] 所述的紫外接收管和所述的熒光接收管產(chǎn)生的電流信號，通過電流電壓轉(zhuǎn)換后， 傳輸給放大電路。通過放大電路的優(yōu)化對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行無失真提取，從而大大簡化了 裝置的復(fù)雜性。
[0025] 優(yōu)選地，所述的放大電路能夠自動調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，能夠進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
[0026] 優(yōu)選地，所述的深紫外LED的光源為LED紫外燈，選用波長為280±5nm的LED燈 作為蛋白類熒光和腐殖質(zhì)類熒光的激發(fā)光源，選用波長為340±10nm的熒光濾光片用于蛋 白類熒光的監(jiān)測，選用波長為430±10nm或460±10nm的熒光濾光片用于腐殖質(zhì)類熒光的 監(jiān)測。使用一