基于全光譜技術的水質在線監測技術

何勝輝

七善科技有限公司，廣東 深圳 518132

近年來，隨著我國科學技術水平的快速發展，國內外與水質有關的在線監測技術得到了較大的進步，研究者將比色法等傳統的化學監測技術與現代化的計算機輔助功能、自動控制及測量技術等相結合，獲得了更準確的監測效果。但隨著我國環境保護意識的不斷加強及對環境在線監測技術要求的提高，比色法等傳統的化學監測技術已不能滿足水質的在線監測市場的要求，因而亟待高效、環保的新水質在線監測技術的出現。在這種水質在線監測新形勢的要求下，越來越多的水質在線監測技術被廣泛應用于水質監測中。其中，全光譜技術被認為是目前最具開發意義及價值的新型水質在線監測技術之一，得到了越來越多研究者的關注與認同。

1 基于全光譜技術的水質在線監測技術原理

全光譜技術主要利用不同污染程度的水質對光的吸收度不同的原理進行監測，提高了水質參數測量的準確性[1]。全光譜在線監測技術摒棄了傳統監測技術的劣勢，提高了在線監測技術的操作便捷性、數據的準確性，減少了在線監測的成本投入，可實現實時的水質在線監測與管理[2]。全光譜技術主要利用水中的物質不同，其呈現出來不同的吸收光譜，分析待測水質的成分、濃度等，以準確監測水質的污染指標。全光譜技術以比爾-朗伯定律為基本的水質監測原理，即在特定的波長范圍內，利用水質中物質含量與水質吸光度之間的線性關系，計算水質中物質含量及污染程度。其過程是基于比爾-朗伯定律，在一定的吸收光程下建立水質吸光度與水質參數之間的關系模型，利用水質吸光度推算水質參數。基于全光譜技術的環境監測技術具有高效、一分鐘響應等優勢，可以從真正意義上實現不間斷地在線監測。

2 基于全光譜技術的水質在線監測技術優勢

基于全光譜技術的水質在線監測技術主要以紫外-可見分光光度法為基礎理論依據，在基于單、多波長分步的傳統監測技術基礎上，將其發展為全波長同步的在線監測技術，同時可同步建立起可供對比的數據分析庫，實現水質在線監測技術的高效、便捷、環保、智能等目標，爭取在最短時間內發現并處理相關的水質污染等問題，實現水質實時在線監測的水質環保目標[3]。

在環境監測中，基于全光譜技術的水質在線監測技術優勢主要包括：第一，全光譜技術收集了很多有關水質的信息，能夠在較大的光譜測量范圍內實施對所獲取的水質監測光譜信號的處理，這在一定程度上避免了由于系統誤差、背景及噪音干擾等帶來的光譜信號錯誤等，提高了水質在線監測數據的準確性；第二，傳統光學法對待測水樣進行測量前，需要先對其進行預處理，所需的處理時間較長，無法實時、快速地監測目標。而全光譜技術不需要預先對待測水樣進行預處理，減少了操作的程序，簡化了在線監測流程；第三，基于全光譜技術的水質在線監測技術不需要添加其他的任何試劑，而傳統的比色法水質監測技術在檢測過程中需要添加多種化學試劑，容易對水質造成二次污染，而且這些化學試劑大部分具有一定的毒性；第四，基于全光譜技術的水質在線監測技術不需要進行復雜的加樣、取樣等監測流程，簡化了操作步驟，降低了系統故障率，減少了系統的維護量；第五，基于全光譜技術的水質在線監測技術可實現多組同時監測的目標，具有較強的數據對比性；第六，基于全光譜技術的水質在線監測站具有準確監測水質、體積小、投資成本低等優勢。

3 基于全光譜技術的水質在線監測技術發展現狀

隨著環境保護意識的增強，人們對水質的要求也越來越高，這就對水質的在線監測技術及監測設備等提出了更高的要求。傳統的水質監測體系已不能滿足人們對河流、湖泊等水質環境保護的需求，需要對水質污染指標等進行快速監測，綜合性分析、評估我國的水質信息并進行預警。這就對水質的在線監測技術及監測設備等提出了更高的要求，全光譜技術就是在這種背景下孕育而出。全光譜監測設備最早被應用于監控污水處理過程，其主要具有易裝易用、操作簡單等優勢[4]。經過不斷地改進，全光譜監測設備開始被廣泛應用于環境監測等行業，并逐漸增加了預知未知污染物及全譜掃描輸出等功能。與傳統的在線化學分析設備相比，其具有集成度高、維護量少、可實現多參數換算等功能及技術特點。

雖然基于全光譜技術的水質在線監測技術具有眾多的優勢，但其在國內的水質在線監測行業中發展較為緩慢，沒有得到廣泛的運用，與國外的全光譜技術整體發展水平相比存在較大的差距。近年來，隨著我國水質保護意識的日益增強，國家越來越重視對這種無須添加化學試劑、維護量小的水質在線監測技術的開發與研究。而我國全光譜在線監測設備在安全可靠性、監測精度、測量穩定性等方面仍存在著很大的不足，這使得目前在我國被廣泛運用的全光譜在線監測設備主要來源于奧地利、德國等國家。目前，全光譜在線監測技術主要以紫外-可見分光光度法為基礎理論依據，這使得其在取樣、選擇光束、選擇檢測器、選擇波長、選擇校準數據等方面都存在著很大的差異[5]。一般來說，全光譜在線監測儀具有維護簡單、無二次污染、故障發生率低、監測成本低、可在線不間斷監測等優勢，適應了現代環境監測的儀器發展要求。

4 基于全光譜技術的水質在線監測技術水下清洗及密封難點

由于全光譜在線監測技術主要是將傳感器直接伸到待測水樣中，所測水樣沒有經過任何的預處理，直接進行原位監測，傳感器所處環境相對惡劣渾濁，因此需要進行較好的水下清洗及密封工作[6]。目前，最為廣泛運用的水下清洗方式主要包括以下幾種。

（1）壓縮空氣清洗法。壓縮空氣清洗法是通過壓縮空氣，利用全光譜在線監測儀中的自動清洗噴嘴對光學視窗進行自動的清洗清污，通過沖擊力較強的氣/水沖洗，保證光學視窗上無污垢、細菌及沉淀物等附著。采用壓縮空氣的光學視窗清洗方式，其清洗時間、壓縮空氣體積及清洗周期等都可被調節，但該清洗方法需要安裝空氣壓縮機。

（2）活塞式清洗法。活塞式清洗法是通過馬達帶動雨刷做活塞式運動，從而對光學視窗進行清洗。

（3）刮刀清洗法。刮刀清洗法是通過馬達帶動刮刀做機械式運動，達到快速、高效清洗的效果。

（4）超聲波清洗法。超聲波清洗法是通過在傳感器上安裝超聲波發生器，利用高頻超聲波信號振動光學鏡片，可達到顯著的清洗效果，但清洗周期相對較長。

5 結語

雖然目前基于全光譜技術的水質在線監測技術還沒有得到較為廣泛的運用，但是隨著我國對環境保護意識的增強及要求的提高，水質在線監測技術必然朝著高效、全方位、無污染、網絡化的方向發展，所以基于全光譜技術的水質在線監測技術必將得到更廣泛的運用。與此同時，全光譜技術可與其他的電子監測技術相結合，可以推動我國水質在線監測技術的發展。