光纖傳感系統在塔里木河流域污水檢測中的應用研究

吐爾洪·肉斯旦

(塔里木河流域干流管理局，新疆 庫車 843200)

我國是一個工業生產大國，河流污染對區域水生態環境造成了嚴重的破壞[1- 3]。目前我國高精度水質檢測設備還比較依賴進口，成本高且使用、維修不便，因此，引入合理的水質檢測設備對水環境污染治理十分重要。

目前，我國對污水水質檢測相關技術手段的研究較少。高麗等[4]提出一種利用“靜態頂空進樣+氣相色譜法火焰離子化”的新型檢測方法，利用該技術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、易于商業化的特殊優勢。劉紅[5]利用多種不同處理方法(鉻酸鉀檢測法、氯氣檢測法、水樣檢測數據分析法、高錳酸鉀檢驗法、消解處理技術、密封消除法、間接標準曲線法)對高氯廢水展開了化學需氧量(COD)檢測，深入分析了各種檢測方法的優勢與缺點，并強調了廢水檢測在水資源保護與處理工作中重要性。倪豐穎[6]研究了多種化學技術在廢水水質檢測中的應用情況及技術效果，強調了化學檢測的技術優勢在于簡單高效、檢測結果直觀。

綜上所述，現有檢測技術比較依賴于進口設備或化學試劑，成本較高。本文詳細介紹了一種光纖傳感檢測系統，基于室內試驗深入分析了光纖傳感檢測系統檢測結果和現有設備檢測結果，驗證了其可靠性。

1 基于光譜分析的光纖傳感檢測系統

1.1 理論基礎

光譜信號能夠反映出物質內部分子不同能級之間產生了躍遷情況，分子的總能量E可以近似表達為[7- 8]：

E=Ee+Er+Ev

(1)

式中，Ee—電子能量；Er—分子轉動能量；Ev—分子振動能量。根據普朗克量子理論，分子的3種運動能量都是量子化態的，且具有不連續性。在正常狀態下(基態)，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，分子也由基態轉化為激發態。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。基于普朗克量子理論，結合物質的差異性，可以知道：由于不同物質對于不同的光的吸收能力不同，在光照條件下，不同物質會選擇性吸收ΔEe，ΔEr以及ΔEv輻射的光子能量。物質收到能量接近于Ee的紫外可見光(200～800mm)的輻射時，產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]。在水質分析化學中，根據光譜的吸收波長范圍、吸光強度的大小，可以分析得到被測物質的組分和濃度。

1.2 光纖傳感檢測系統

本次試驗采用的光纖傳感檢測系統結構設備如圖1所示，由圖1可知，該檢測系統主要由光源、光纖、浸入式傳感器、陣列傳感器、數據采集控制設備以及計算機設備。其中，光源采用DH- 2000型氘鹵素燈，能夠提供波長范圍在215～2500μm的穩定連續輸出，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介質、透鏡和全反射面設備組成，光纖則是2條長2.0m的光纖，光譜掃描軟件為系統自帶的嵌入式軟件。由圖1可知，光纖傳感檢測系統具有設備結構簡單、設備成本較低、檢測效率高等優勢。

圖1 光纖傳感檢測系統結構示意圖

2 試驗檢測

2.1 工程背景與樣品準備

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。根據現場調查顯示，由于河流沿線有化工廠、制衣廠等相關小型企業，存在污染物排放管理制度差、排放不達標等嚴重污染問題，因此河流水質污染較為嚴重，對水生態、周圍居民生活以及農作物灌溉問題造成極大的困擾。因此，該河流水質污染問題亟需處理。本次研究的取樣目標為近污染點的河流水體。取樣工作共設置20個采樣點，取水點大部分選擇于污水排放點附近。采用聚乙烯水桶取樣，在到達采樣點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，桶滿后應迅速提出水面。此外，應當避免漂浮物進入，影響水體分析試驗結果。最后，室內將所取到的水體試樣按取樣點分組，最終得到的污染水體樣品。

2.2 檢測流程

室內利用光纖傳感檢測系統開展污水水質檢測工作，具體工作流程如下：

(1)水質檢測。單色光通過光纖傳導到污染水源樣品后經過光線探頭檢測再次返回到系統中。

(2)數據轉換。經過陣列傳感器和數據采集控制器的光電轉換、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)數據處理分析。將獲得的光譜和數據進行篩選、處理、分析，獲得污水樣品的污染相關數據。

3 檢測結果分析與討論

3.1 參考值

為了驗證光纖傳感檢測系統在河流污水水質檢測中的可行性，本次研究需要先利用現有的、檢測精度高、認可度高的檢測設備對污水樣品進行水質檢測，以獲得檢測結果參考值。利用DRB200消解器和DR1010分光光度計進行檢測，該儀器的基本工作原理為COD快速消解分光光度法，其應用效果得到了廣大研究院所和檢測單位的認可。最終，基于上述設備檢測，得到所有水樣本的試驗數據見表1。由表1可知，該河流20個取樣點所取水樣的COD值在42.21～80.13mg/L之間，平均值達到60.83mg/L。根據GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》，該河道水COD值大于40mg/L(五類水)，由此可見，該河道的水質污染情況較為嚴重，水污染問題亟需改善。

表1 污水樣品測試結果參考值

3.2 測試結果及對比

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

圖2 不同檢測設備下污水樣品COD值檢測結果對比

進一步分析不同檢測設備下污水樣品COD值檢測結果與參考值的關系，對二者之間的關系進行數值擬合，擬合結果如圖3所示。由圖3可知，基于光纖傳感檢測系統結構的污水COD檢測結果與參考值之間符合正線性關系，線性相關系數達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)上。因此可見，通過校正設備或試驗數據，可以有效消除基于光纖傳感檢測系統結構的污水COD檢測結果與DRB200消解器和DR1010分光光度計的檢測結果之間的誤差。

圖3 污水COD檢測值與參考值擬合結果

4 結論

本次研究對20個取樣點的污水展開了室內COD值檢測試驗，深入探討了光纖傳感檢測系統在污水水質檢測中的可行性，研究主要結論如下：

(1)新型光纖傳感檢測系統設備結構簡單、設備成本較低且檢測效率高，污水COD檢測結果與參考值之間符合正線性關系，檢測結果可靠性高。

(2)河流20個取樣點所取水樣的COD參考值在42.21～80.13mg/L之間，平均值達到60.83mg/L；基于光纖傳感檢測系統結構得到的污水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備對COD值檢測結果的可靠性，應當進一步探討設備在磷、氮和重污染元素檢測中的可行性。