水質總磷總氮在線自動監測技術

摘要：文章針對水質總磷總氮測定方法進行比較分析，圍繞臭氧紫外聯合-分光光度法、順序注射與微控技術、光譜法水質多參數檢測、微型分光光度計與超聲輔助技術五個層面，探討了水質總磷總氮在線自動監測技術及其應用方法，以期為水質總磷總氮指標監測與水污染防治工作提供參考，提升水質檢測質量。

關鍵詞：水質檢測;氮磷含量;自動監測

中圖分類號：X832 文獻標識碼：A 文章編號：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，總氮是不同形態無機氮、有機氮中氮的總含量，這兩項指標與水體富營養化具有直接關聯。2006-2016年，我國共發生874余起突發水污染事件，水污染事件發生頻率逐年提升、空間分布差異漸趨明顯，對于在線自動監測技術的研發與創新提出了迫切需求。

1 水質總磷總氮測定方法比較分析

總磷、總氮指標是衡量水質富營養化的重要依據，當水體中含氮、磷化合物含量超標時，將為水體內的微生物繁殖創設適宜條件，致使水中溶解氧含量大幅下降，進而造成水質惡化問題。國標方法主要在溫度不低于60℃的水溶液中將過硫酸鉀進行氧化分解，利用高溫條件與堿性介質將水中的氮化合物、磷化合物轉化為鹽類，借助紫外線分光光度法分別在200nm、275nm波長位置完成吸光度測定，校正后將兩參數的差值作為其的吸光度值，其檢出限為0.05mg/L[1]。傳統檢測方法具有檢測周期長、精度差、工序復雜等特點，無法滿足水質在線自動監測需求，需加強對新型在線自動監測技術的研究，實現對水質總磷總氮指標的快速監測，提升監測質量與效率。

2 水質總磷總氮在線自動監測技術及其應用探討

2.1 臭氧紫外聯合-分光光度法

采用臭氧紫外聯合-分光光度法作為水質總磷總氮指標的測定方法，配合PLC控制器、LabVIEW開發工具與GPRS遠程傳輸技術構成水質在線監測裝置，實現對水質的遠程在線實時監控，可有效提高檢測數據精度與監測效率。

在控制單元設計上，該裝置的總體結構由PLC控制器與取樣、氧化消解、檢測、清洗、數據采集與傳輸、PC與無線傳輸等單元模塊組成，基于一體柜式結構設計，采用PLC控制器實現對臭氧發生器、光譜儀等儀器設備的控制，既可由檢測人員采用手動模式進行裝置調試，也可基于梯形圖編程實現對取樣、氧化消解、檢測與清洗等環節的自動化控制，并利用定時器進行各程序的計時，控制不同器件的通斷。

在軟件界面設計上，選取LabVIEW作為開發工具，由現場控制、遠程監控兩個界面組成。遠程監控界面則包含總界面、總氮含量、總磷含量與數據查詢界面等模塊，基于PLC與DTU發送控制界面的監測數據，并將總磷、總氮含量與濃度等測定結果進行實時顯示，兼具在線監測、預警與即時反應功能。

在GPRS無線通信技術的應用上，主要由水質在線自動監測裝置、PC、DTU載體、無線基站、GGSN移動網關、Internet與監控中心構成無線傳輸系統，其中DTU載體與PC端主要采用串口連接方式，基于VISA函數實現通信功能，完成總磷總氮濃度檢測數據的傳輸。

2.2 順序注射與微控技術

基于國標法進行水質中總磷總氮的聯合測定，主要采用順序注射與微控技術建立多量程在線監測系統。聯合測定原理主要利用自主設計的消解池，在高溫高壓條件下進行含磷、氮化合物的密閉消解，將堿性過硫酸鉀溶液在60℃以上的水溶液中分解生成原子態氧。再在120℃高壓水蒸氣條件下進行含磷、氮化合物的氧化，生成硝酸鹽與正磷酸鹽。接下來將消解液分別送至檢測池內，在總磷檢測池內通過與鉬酸銨反應生成藍色絡合物，可結合吸光度計算出具體的磷濃度值;在總氮檢測池內分別采集220nm、275nm兩處的吸光度值，計算出相應的氮濃度數值。

在消解池結構設計上，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控制消解溫度，提升消解效率。在檢測池結構設計上，選取220nm、275nm光電二極管與氘燈作為總氮檢測池的檢測管和光源，選取光電二極管、700nm發光二極管作為總磷檢測池的檢測管和光源，結合水樣濃度進行高光程、低光程檢測區的設定，共設有10mm、20mm、40mm三類光程檢測區，分別對應總磷量程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。隨后基于微控技術進行順序注射平臺的設計，系統包含數據處理顯示與控制、水樣預處理、順序注射、高溫密閉消解、檢測池、光源-光電二極管檢測等模塊，將順序注射平臺與太陽能電池板、太陽能控制器、溫控儀、蓄電池等模塊共同組成多參數在線監測系統，實現對水質總磷、總氮指標的聯合檢測，有效提升檢測精度與效率。

2.3 光譜法水質多參數檢測

在多參數水質檢測光譜的設計上，由上位機軟件向控制系統發送指令，使特定波長光源發出單色光，將水質傳感器置于環境水樣中，利用光電轉換器將光信號轉變為電壓，經由模數轉換器、無線傳輸模塊傳回上位機，即可實現對水質參數含量的在線實時檢測。在水質多參數檢測傳感器的設計上，主要選取多通道各參數順序檢測法，基于MCU與嵌入式操作系統進行數據存儲與遠程傳輸，采用LED作為傳感器光源，利用硅光電池作為光電轉換元件，由外殼體、發光源、硅光電池、石英玻璃等構成傳感器機械結構，系統硬件電路由傳感器MCU、AD694芯片、硅光電池組成，并基于脈寬調試調節LED亮度，實現對光程、量程的控制。利用該傳感器進行某污水中總磷、總氮含量的檢測，樣機準確度分別在-5.6%～9.4%、-9%～9%范圍內，均符合國家環境標準技術要求，且檢測效率與精度較高，具備良好實用價值[3]。

2.4 微型分光光度計

選用微型分光光度計進行多參數水質在線分析儀的優化，分光光度計包含光纖連接器、準直鏡、光柵、聚焦鏡、光電探測器等部件，可利用光纖將復合光束導入連接器內，利用準直鏡入射至光柵上，經由分解處理后利用聚焦鏡將平行光束聚焦在光電探測器中，配合采集電路將信號傳輸至上位機?；谖⑿头止夤舛扔嫿⒍鄥邓|在線分析系統，由光學測量、總氮分析、總磷分析、電氣控制模塊完成系統結構的設計，其中總磷、總氮分析模塊均設有石英反應池、自動控制、順序注射等部件，用于完成對水質中各項指標的檢測，經由進樣、測量、清洗等流程進行測量值的校準、輸出、存儲，完成整體水質測定流程。將氮磷參數分析模塊收集到的檢測數據進行匯總，可得出測試結果的準確度為0.847%、重復性為0.809%，符合國家計量檢定規程要求，可實現對水樣總磷、總氮含量的在線實時監測。

2.5 超聲輔助技術

利用超聲輔助消解技術進行水樣消解方法的改進優化，基于超聲化學原理設計超聲系統，可在水質中總氮、總磷檢測的消解環節提供超聲輻照，加快水樣消解速率。通過分析樣機性能可知，其測定結果的相對誤差低于±10%，符合國標要求，且重復性優良，可有效提升多參數快速在線水質檢測系統的應用性能。未來還需圍繞檢測試劑優化、超聲場研究、聲化學反應器設計等層面進行完善，便于更好地提升超聲輔助技術在水質總磷、總氮指標檢測中的應用價值。

3 結論

相較于傳統國標檢測方法而言，在線自動監測技術在檢測條件、檢測時間、測量范圍與自動化性能等方面占據明顯優勢，基于自動采樣、實時監測與數據快速收集等流程進行水質總磷、總氮指標的測定。未來還應圍繞低溫條件、常壓條件進行自動監測技術的優化與創新，更好地拓展其在水質監測中的發展前景。

參考文獻

[1]蘇艷超，張偉利.水質自動監測技術在水環境保護中的應用[J].環球市場，2018（23）：389.

[2]黎樺標.水質重金屬自動在線監測技術研究[J].環境與發展，2018（10）：189+191.

[3]萬金穎，何佳睿，楚國棟.水質總氮在線分析儀的設計與測試[J].價值工程，2018（31）：257-258.

收稿日期：2020-08-13

作者簡介：韓衛儉（1988-），女，漢族，本科學歷，助理工程師，研究方向為環境工程。