全光譜分析的水質化學耗氧量在線監測技術分析

王春梅+張文革

摘 ?要 ?在某種特定條件下，將強氧化劑投入水時消耗氧化劑的量，即為化學耗氧量（COD），水質監管部門可根據該數值判斷水體有機污染嚴重程度，是評估水質的重要指標。近年來，水質化學耗氧量在線監測需求與日俱增，如何充分發揮出技術優勢，落實好水質化學耗氧量在線監測工作是每一位從業者均需認真思考的一個問題。本文結合全光譜的原理特點，構建了一種基于全光譜分析的水質化學耗氧量監測系統，并對該系統的可行性進行了分析。

關鍵詞 ?全光譜;化學耗氧量;水質監測

中圖分類號：X832 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1671-7597（2014）22-0061-01

水體COD的測定方法有很多種，其中以高錳酸鉀鹽指數法最為常見。不過，傳統的檢測方法分析周期長，容易受到各方面因素干擾，出現監測結果不穩定的情況。相較之下，光學法檢測水質耗氧量優勢更明顯，無需消耗試劑，監測準確度高，分析速度快，能夠實現對環境水樣的在線監測。本文對全光譜分析的水質化學耗氧量在線檢測技術進行研究，為光學分析法在水質化學耗氧量在線監測中的應用價值提供可靠依據。

1 ?全光譜分析水質化學耗氧量的基本原理

光學檢測法最早起源于20世紀60年代，國外研究人員首次提出，使用紫外線吸收光譜法測量COD。光學法檢測從最初的單波長法、雙波長法逐漸演變成全光譜法。相較于其他兩種方法，單/雙波長光度計結構簡單，操作方便，不過該方法的使用具有一定局限性，往往只能對成分單一的水質進行COD檢測。當水樣水質復雜，有機物組分多時，使用單/雙波檢測準確度并不高。

相較之下，全光譜法檢測COD效果更為理想，大多數有機物均能在200～400nm紫外波段被吸收，所以檢測人員完全可以通過對水中有機物在紫外波段的吸光度值，了解水體中的有機物含量，最終為水中有機物的定性、定量測量創造有利條件。

全光譜法COD監測系統選擇的是流通式進水方式，進水口處設有水泵控制系統，能夠控制水流速度，排水處設有電磁閥，能夠控制排水流量。光源由光纖燈射出，波長范圍為200～1100nm。光源在光纖的護送下進入樣品池，樣品池兩側各設有型號為SMA980接口，以確保入射光與透射光的傳輸速率有所保障。樣品池四周配有透鏡組，光譜檢測設備以微型光譜儀作為檢測終端，主要功能為采集光譜型號。控制單元是測量系統在的重要環節，主要功能是控制光源輸出，協調好進水泵、電磁閥等系統組成部分的工作。

2 ?基于全光譜分析COD的實踐應用

1）實驗數據的選擇。

本次研究使用5種不同COD的鄰苯二甲酸氫鉀溶液，5種溶液投入水體中吸光度光譜圖詳情如圖1所示，經檢測證實波長范圍大約在250～700nm之間。由圖1不難發現，5種濃度的溶液在400～700nm波段中無明顯吸收。故本文將250～450min波段范圍內的數據，作為本次實驗數據。

2）系統模型的構建。經實驗獲取光譜值后，采集原始光譜時一般會產生大量噪音，利用小波濾波的方法對光譜進行預處理，能有效改善環境中的散光干擾，光譜計算結果也會更為準確。吸光度計算公式為：A=-lg（I/In），其中A代表吸光度，I代表投射光強度，In代表入射光強度。按照吸光度計算結果，將特征波長處吸光度用作模型計算。

圖1 ?250～700nm波長吸光度曲線

參量繁衍數學模型：將250～450min博長短的吸收光譜分為若干個區間，構建吸光度系數α與濃度c的方程式。取任意一個區間的中心波長作為特征波長，特征波長設為n。精處理后特征光譜映射為COD值的特征向量，故可得出以下計算公式：x0α10+x1am1|+∧+xnnαmn=cm。其中α代表吸光度，x代表傳遞系數，c代表COD值。故吸光度α可經計算得出。正式獲取COD值后，可通過最小二乘法，對方程組進行多元線性回歸處理。本組研究數據中，n值設為25，m值設為40。

3）精密度監測分析。選用COD值為為20mg/L的鄰苯二甲酸氫鉀標準溶液，對水樣測定15次，相對偏差低于3.2%，精密度符合標準。對質量濃度為1.0mg/L的鄰苯二甲酸氫鉀標準溶液進行平行檢測，共計10次，經計算得出檢出值為0.1521mg/L。

4）水樣COD檢測。

本組式樣制造18種模擬水樣，利用本文涉及的檢測系統，對水樣COD進行檢測，并通過實驗室測量數據加以驗證。由設計本模型建立的最小二乘法模擬系統計算出的數據與實驗室檢測數據對比，為了解兩組數據現行關系，本文對兩組數據進行線性擬合，詳情如圖2所示。經研究證實，兩組數值滿足線性關系。由此可知，模型計算結果和實驗室檢測數據吻合度高，模型計算結果的準確率得以證實，完全符合現場檢測的要求，具有良好的應用價值。

圖2 ?實驗室測量數據與模型計算數據的線性擬合

3 ?結束語

綜上所述，隨著先進技術的日益普及，各行各業均獲得了良好發展。本文結合水質的光譜吸收特點，建立了一個以全光譜作為檢測法的水質COD在線檢測模型。經實驗證實，該模型計算結果與實驗室檢測數據基本吻合，準確率高，且無需消耗任何試劑，節約了檢測成本，完全符合實時監測的要求，具備推廣應用的意義與價值。另外，有關該課題的研究還應繼續跟進，爭取通過技術的不斷改良，為水質監控事業做出更多貢獻。

參考文獻

[1]曾甜玲，溫志渝，溫中泉，等.基于紫外光譜分析的水質監測技術研究進展[J].光譜學與光譜分析，2013，25（04）：1098-1103.

[2]魏康林，溫志渝，武新，等.基于紫外-可見光譜分析的水質監測技術研究進展[J].光譜學與光譜分析，2011，13（04）：1074-1077.

[3]項光宏，聞路紅，王靜，等.水質在線監測技術研究及應用[J].控制工程，2010，26（11）：111-113.endprint

摘 ?要 ?在某種特定條件下，將強氧化劑投入水時消耗氧化劑的量，即為化學耗氧量（COD），水質監管部門可根據該數值判斷水體有機污染嚴重程度，是評估水質的重要指標。近年來，水質化學耗氧量在線監測需求與日俱增，如何充分發揮出技術優勢，落實好水質化學耗氧量在線監測工作是每一位從業者均需認真思考的一個問題。本文結合全光譜的原理特點，構建了一種基于全光譜分析的水質化學耗氧量監測系統，并對該系統的可行性進行了分析。

關鍵詞 ?全光譜;化學耗氧量;水質監測

中圖分類號：X832 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1671-7597（2014）22-0061-01

水體COD的測定方法有很多種，其中以高錳酸鉀鹽指數法最為常見。不過，傳統的檢測方法分析周期長，容易受到各方面因素干擾，出現監測結果不穩定的情況。相較之下，光學法檢測水質耗氧量優勢更明顯，無需消耗試劑，監測準確度高，分析速度快，能夠實現對環境水樣的在線監測。本文對全光譜分析的水質化學耗氧量在線檢測技術進行研究，為光學分析法在水質化學耗氧量在線監測中的應用價值提供可靠依據。

1 ?全光譜分析水質化學耗氧量的基本原理

光學檢測法最早起源于20世紀60年代，國外研究人員首次提出，使用紫外線吸收光譜法測量COD。光學法檢測從最初的單波長法、雙波長法逐漸演變成全光譜法。相較于其他兩種方法，單/雙波長光度計結構簡單，操作方便，不過該方法的使用具有一定局限性，往往只能對成分單一的水質進行COD檢測。當水樣水質復雜，有機物組分多時，使用單/雙波檢測準確度并不高。

相較之下，全光譜法檢測COD效果更為理想，大多數有機物均能在200～400nm紫外波段被吸收，所以檢測人員完全可以通過對水中有機物在紫外波段的吸光度值，了解水體中的有機物含量，最終為水中有機物的定性、定量測量創造有利條件。

全光譜法COD監測系統選擇的是流通式進水方式，進水口處設有水泵控制系統，能夠控制水流速度，排水處設有電磁閥，能夠控制排水流量。光源由光纖燈射出，波長范圍為200～1100nm。光源在光纖的護送下進入樣品池，樣品池兩側各設有型號為SMA980接口，以確保入射光與透射光的傳輸速率有所保障。樣品池四周配有透鏡組，光譜檢測設備以微型光譜儀作為檢測終端，主要功能為采集光譜型號。控制單元是測量系統在的重要環節，主要功能是控制光源輸出，協調好進水泵、電磁閥等系統組成部分的工作。

2 ?基于全光譜分析COD的實踐應用

1）實驗數據的選擇。

本次研究使用5種不同COD的鄰苯二甲酸氫鉀溶液，5種溶液投入水體中吸光度光譜圖詳情如圖1所示，經檢測證實波長范圍大約在250～700nm之間。由圖1不難發現，5種濃度的溶液在400～700nm波段中無明顯吸收。故本文將250～450min波段范圍內的數據，作為本次實驗數據。

2）系統模型的構建。經實驗獲取光譜值后，采集原始光譜時一般會產生大量噪音，利用小波濾波的方法對光譜進行預處理，能有效改善環境中的散光干擾，光譜計算結果也會更為準確。吸光度計算公式為：A=-lg（I/In），其中A代表吸光度，I代表投射光強度，In代表入射光強度。按照吸光度計算結果，將特征波長處吸光度用作模型計算。

圖1 ?250～700nm波長吸光度曲線

參量繁衍數學模型：將250～450min博長短的吸收光譜分為若干個區間，構建吸光度系數α與濃度c的方程式。取任意一個區間的中心波長作為特征波長，特征波長設為n。精處理后特征光譜映射為COD值的特征向量，故可得出以下計算公式：x0α10+x1am1|+∧+xnnαmn=cm。其中α代表吸光度，x代表傳遞系數，c代表COD值。故吸光度α可經計算得出。正式獲取COD值后，可通過最小二乘法，對方程組進行多元線性回歸處理。本組研究數據中，n值設為25，m值設為40。

3）精密度監測分析。選用COD值為為20mg/L的鄰苯二甲酸氫鉀標準溶液，對水樣測定15次，相對偏差低于3.2%，精密度符合標準。對質量濃度為1.0mg/L的鄰苯二甲酸氫鉀標準溶液進行平行檢測，共計10次，經計算得出檢出值為0.1521mg/L。

4）水樣COD檢測。

本組式樣制造18種模擬水樣，利用本文涉及的檢測系統，對水樣COD進行檢測，并通過實驗室測量數據加以驗證。由設計本模型建立的最小二乘法模擬系統計算出的數據與實驗室檢測數據對比，為了解兩組數據現行關系，本文對兩組數據進行線性擬合，詳情如圖2所示。經研究證實，兩組數值滿足線性關系。由此可知，模型計算結果和實驗室檢測數據吻合度高，模型計算結果的準確率得以證實，完全符合現場檢測的要求，具有良好的應用價值。

圖2 ?實驗室測量數據與模型計算數據的線性擬合

3 ?結束語

綜上所述，隨著先進技術的日益普及，各行各業均獲得了良好發展。本文結合水質的光譜吸收特點，建立了一個以全光譜作為檢測法的水質COD在線檢測模型。經實驗證實，該模型計算結果與實驗室檢測數據基本吻合，準確率高，且無需消耗任何試劑，節約了檢測成本，完全符合實時監測的要求，具備推廣應用的意義與價值。另外，有關該課題的研究還應繼續跟進，爭取通過技術的不斷改良，為水質監控事業做出更多貢獻。

參考文獻

[1]曾甜玲，溫志渝，溫中泉，等.基于紫外光譜分析的水質監測技術研究進展[J].光譜學與光譜分析，2013，25（04）：1098-1103.

[2]魏康林，溫志渝，武新，等.基于紫外-可見光譜分析的水質監測技術研究進展[J].光譜學與光譜分析，2011，13（04）：1074-1077.

[3]項光宏，聞路紅，王靜，等.水質在線監測技術研究及應用[J].控制工程，2010，26（11）：111-113.endprint

摘 ?要 ?在某種特定條件下，將強氧化劑投入水時消耗氧化劑的量，即為化學耗氧量（COD），水質監管部門可根據該數值判斷水體有機污染嚴重程度，是評估水質的重要指標。近年來，水質化學耗氧量在線監測需求與日俱增，如何充分發揮出技術優勢，落實好水質化學耗氧量在線監測工作是每一位從業者均需認真思考的一個問題。本文結合全光譜的原理特點，構建了一種基于全光譜分析的水質化學耗氧量監測系統，并對該系統的可行性進行了分析。

關鍵詞 ?全光譜;化學耗氧量;水質監測

中圖分類號：X832 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1671-7597（2014）22-0061-01

水體COD的測定方法有很多種，其中以高錳酸鉀鹽指數法最為常見。不過，傳統的檢測方法分析周期長，容易受到各方面因素干擾，出現監測結果不穩定的情況。相較之下，光學法檢測水質耗氧量優勢更明顯，無需消耗試劑，監測準確度高，分析速度快，能夠實現對環境水樣的在線監測。本文對全光譜分析的水質化學耗氧量在線檢測技術進行研究，為光學分析法在水質化學耗氧量在線監測中的應用價值提供可靠依據。

1 ?全光譜分析水質化學耗氧量的基本原理

光學檢測法最早起源于20世紀60年代，國外研究人員首次提出，使用紫外線吸收光譜法測量COD。光學法檢測從最初的單波長法、雙波長法逐漸演變成全光譜法。相較于其他兩種方法，單/雙波長光度計結構簡單，操作方便，不過該方法的使用具有一定局限性，往往只能對成分單一的水質進行COD檢測。當水樣水質復雜，有機物組分多時，使用單/雙波檢測準確度并不高。

相較之下，全光譜法檢測COD效果更為理想，大多數有機物均能在200～400nm紫外波段被吸收，所以檢測人員完全可以通過對水中有機物在紫外波段的吸光度值，了解水體中的有機物含量，最終為水中有機物的定性、定量測量創造有利條件。

全光譜法COD監測系統選擇的是流通式進水方式，進水口處設有水泵控制系統，能夠控制水流速度，排水處設有電磁閥，能夠控制排水流量。光源由光纖燈射出，波長范圍為200～1100nm。光源在光纖的護送下進入樣品池，樣品池兩側各設有型號為SMA980接口，以確保入射光與透射光的傳輸速率有所保障。樣品池四周配有透鏡組，光譜檢測設備以微型光譜儀作為檢測終端，主要功能為采集光譜型號。控制單元是測量系統在的重要環節，主要功能是控制光源輸出，協調好進水泵、電磁閥等系統組成部分的工作。

2 ?基于全光譜分析COD的實踐應用

1）實驗數據的選擇。

本次研究使用5種不同COD的鄰苯二甲酸氫鉀溶液，5種溶液投入水體中吸光度光譜圖詳情如圖1所示，經檢測證實波長范圍大約在250～700nm之間。由圖1不難發現，5種濃度的溶液在400～700nm波段中無明顯吸收。故本文將250～450min波段范圍內的數據，作為本次實驗數據。

2）系統模型的構建。經實驗獲取光譜值后，采集原始光譜時一般會產生大量噪音，利用小波濾波的方法對光譜進行預處理，能有效改善環境中的散光干擾，光譜計算結果也會更為準確。吸光度計算公式為：A=-lg（I/In），其中A代表吸光度，I代表投射光強度，In代表入射光強度。按照吸光度計算結果，將特征波長處吸光度用作模型計算。

圖1 ?250～700nm波長吸光度曲線

參量繁衍數學模型：將250～450min博長短的吸收光譜分為若干個區間，構建吸光度系數α與濃度c的方程式。取任意一個區間的中心波長作為特征波長，特征波長設為n。精處理后特征光譜映射為COD值的特征向量，故可得出以下計算公式：x0α10+x1am1|+∧+xnnαmn=cm。其中α代表吸光度，x代表傳遞系數，c代表COD值。故吸光度α可經計算得出。正式獲取COD值后，可通過最小二乘法，對方程組進行多元線性回歸處理。本組研究數據中，n值設為25，m值設為40。

3）精密度監測分析。選用COD值為為20mg/L的鄰苯二甲酸氫鉀標準溶液，對水樣測定15次，相對偏差低于3.2%，精密度符合標準。對質量濃度為1.0mg/L的鄰苯二甲酸氫鉀標準溶液進行平行檢測，共計10次，經計算得出檢出值為0.1521mg/L。

4）水樣COD檢測。

本組式樣制造18種模擬水樣，利用本文涉及的檢測系統，對水樣COD進行檢測，并通過實驗室測量數據加以驗證。由設計本模型建立的最小二乘法模擬系統計算出的數據與實驗室檢測數據對比，為了解兩組數據現行關系，本文對兩組數據進行線性擬合，詳情如圖2所示。經研究證實，兩組數值滿足線性關系。由此可知，模型計算結果和實驗室檢測數據吻合度高，模型計算結果的準確率得以證實，完全符合現場檢測的要求，具有良好的應用價值。

圖2 ?實驗室測量數據與模型計算數據的線性擬合

3 ?結束語

綜上所述，隨著先進技術的日益普及，各行各業均獲得了良好發展。本文結合水質的光譜吸收特點，建立了一個以全光譜作為檢測法的水質COD在線檢測模型。經實驗證實，該模型計算結果與實驗室檢測數據基本吻合，準確率高，且無需消耗任何試劑，節約了檢測成本，完全符合實時監測的要求，具備推廣應用的意義與價值。另外，有關該課題的研究還應繼續跟進，爭取通過技術的不斷改良，為水質監控事業做出更多貢獻。

參考文獻

[1]曾甜玲，溫志渝，溫中泉，等.基于紫外光譜分析的水質監測技術研究進展[J].光譜學與光譜分析，2013，25（04）：1098-1103.

[2]魏康林，溫志渝，武新，等.基于紫外-可見光譜分析的水質監測技術研究進展[J].光譜學與光譜分析，2011，13（04）：1074-1077.

[3]項光宏，聞路紅，王靜，等.水質在線監測技術研究及應用[J].控制工程，2010，26（11）：111-113.endprint