紫外-可見全光譜分析儀在水質監測領域的研究進展與應用

劉國肖

摘要：隨著水環境問題的日益嚴重，水環境監測以及管理越來越重要，水質監測技術的應用也越加廣泛。直接的紫外-可見全光譜分析儀因其無需化學試劑、成本較低、分析速度較快、無二次污染及可實現多參數測量等很多優點，被廣泛應用在工業廢水、生活污水及地表水的檢測中，本文就紫外-可見全光譜分析儀在水質監測領域的研究進展與應用進行了敘述。

Abstract： With the increasing environmental problems of water environment， water environment monitoring and management are becoming more and more important， and the application of water quality monitoring technology is becoming more widespread. The direct UV-visible full-spectrum analyzer is widely used in industrial wastewater， domestic sewage and surface water because it has many advantages such as no chemical reagents， low cost， fast analysis speed， no secondary pollution and multi-parameter measurement. In the detection， this paper describes the research progress and application of UV-visible full spectrum analyzer in the field of water quality monitoring.

關鍵詞：紫外-可見全光譜;水質監測;應用

Key words： UV-visible full spectrum;water quality monitoring;application

中圖分類號：X832;O657.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）31-0166-02

0? 引言

近年來，隨著國家和政策的發展，對水質監測的實時性和監測頻率要求越來越高，使得在線監測技術得到了廣泛關注和快速發展，越來越多的水質在線監測設備被廣泛應用[1]。紫外-可見全光譜已被廣泛用于水質在線監測中，因為全光譜中含有大量的水質信息。如：NO3-N可在220-230nm波長內檢測到，化學需氧量（COD）和總有機碳（TOC）可在280-290nm波長內檢測到。除此之外，在可見光譜中，可以測量水的顏色、濁度和總懸浮固體（TSS）等。

1? 紫外-可見全光譜技術的原理

將采用紫外-可見光譜在220-720nm全譜段掃描，用多波長掃描，得到不同波長的吸收譜，這個譜將能清晰地反映出水體中多種物質的分布。采用朗伯-比爾定律來實現對紫外-可見吸收光譜的定量分析，其測量原理如圖1所示[2]。從圖可見，當一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質時，其吸光度A與樣品濃度c及光程d成正比，其數學表達式為：

式中：A為吸光度值，I0為空白溶液（即不存在吸收物質）時的光強度，I 為吸收后的光強度，b為光程，單位為cm，c為溶液的摩爾濃度，？著為摩爾吸光系數，單位為I/（mol·cm）。

根據朗伯-比爾定律，用相應的標準物校準，取得相應的對應關系，從而推斷出需要的參數指標值。

2? 國外全光譜設備的研究進展

作為紫外-可見全光譜在線水質監測技術發明者的奧地利是能（s：：can）公司，其研制的spectro：：lyserTM續光譜分析儀，在紫外-可見波段（220-720nm）內進行光譜測量，得到全波段光譜圖，通過相應分析軟件可得出所測物質（硝酸鹽、濁度、COD 和TOC等）的濃度。其采用自動壓縮空氣吹洗的方式進行清洗，不占用傳感器內部的空間，有著較高的實用價值。同時可通過USB接口可將傳感器連接至PC機上，使用連續光譜差分數據分析軟件來處理光譜數據，也可采用s：：can專用的嵌入式工控機。

德國WTW公司研發的NiCaVis型的硝氮亞硝氮COD/BOD/TOC/DOC/TSS分析儀可在紫外可見波段（200-720nm，UV-VIS探頭）或紫外波段（200-390nm，UV探頭） 內進行光譜測量，能夠準確的區分硝氮、亞硝氮和COD等成分。德國Endress+Hauser公司開發的STIP—Scan全光譜COD分析儀CAM74/CAS74，其利用紫外-可見全光譜分析技術，支持同時實時在線測量監測多種污水水質參數，像COD值、硝酸鹽氮、TOC、SAC、SS、SV、SI 及濁度等，可以對污水和活性污泥進行全面的分析。

法國Hemera公司根據多年的專業技能及市場需求推出的新型在線水質監測產品L800D型水質分析儀，采用紫外-可見全光譜（180nm-780nm）掃描，可測量水質中的多種組分，最多可同時測量7種，其已逐漸成為各類水質監測的最佳解決方案。L800D型水質分析儀是一款全光譜在線監測的水質分析儀。

3? 國內全光譜設備的研究進展

國內對于水質在線監測的研究工作，則始于上世紀90年代，相比國外起步較晚。北京西斯耐特自動化技術有限公司開發的SYS-WQS-600系列紫外-可見光連續光譜傳感器采用紫外-可見光在200-720nm連續光譜技術設計開發，多種光程可選（1/2/5/20/35mm），以滿足不同水體環境參數的測量，其外觀結構如圖2（a）所示。

VLUV-201-PF浸入式紫外全光譜COD在線檢測儀是浙江微蘭環境科技有限公司采用最新的全光譜分析技術對COD進行測量，其結構如圖2（b）所示。山東東潤研發的DRUV-2000系列在線全光譜水質分析儀采用最新光譜分析技術對多個參數進行測量。均可廣泛應用于環保污染源、工業過程用水、市政污水的在線監測中。

與正儀器（深圳）有限公司的YZ UViSP 全光譜水質在線分析儀在200-730nm的紫外-可見波段掃描測量，得全光譜圖。通過對光譜數據分析及模型計算，可以測試水中特定的水質參數，包括化學需氧量（COD）、總有機碳（TOC）、溶解性有機碳（DOC）、生化需氧量（BOD）、硝酸鹽氮、濁度及懸浮物、UV254（波長為254nm 處的吸光度）等多個水質參數，同時還可以對水質的整體污染狀況進行預警。

北京金達清創環境科技有限公司研發的JQ UV/Vis-online型吸收光譜水質多參數在線分析儀能夠實時快速測定水體的紫外-可見全波長（200-730nm）吸收光譜，結合相應的水質模型算法及模型定標參數，可同時快速測量水中COD、DOC、TOC、硝酸鹽氮、O3、余氯、UV254、色度、濁度、TSS以及溫度等多個水質參數。聚光科技開發的SWA-2000水質在線監測系統能夠連續在線監測水體中的化學需氧量（COD）、溶解氧、氨氮、電導率、濁度、pH值、氧化還原電位、流量、溫度、懸浮固體等多種參數，可廣泛應用于地表水自動監測、污水處理廠、環保污染源等水質在線監測。

先河環保公司的紫外-可見掃描多參數分析儀，可直接對對水體進行紫外-可見全波段的掃描，再結合差分吸收（DOAS）、主元分析（PCA）和偏最小二乘法（PLS）等算法分析，從而實現了對水質多參數（BOD、CODMn、TOC、色度和硝酸鹽氮等）的原位在線監測。水之星環保工程有限公司研制的 WDet-6000UVI 型全光譜浸入式 UV 分析儀，其采用連續光譜（200-800nm）測量技術，可直接測量地表水、地下水和城市污水中的COD、TOC、硝氮、濁度和 SS 等指標[3]。

4? 結論與展望

紫外-可見全光譜分析儀具有優異的性價比，較高的重復性和精度，較寬的測量范圍，較低的交叉敏感性，長期穩定性好，可同時測量化學耗氧量（COD）、有機碳化合物、硝酸鹽、濁度等參數。連續、在線、實時測量的紫外-可見全光譜分析儀，符合當前分析儀器的發展方向：集成化、小型化以及智能化，同時滿足了信息化水質監測系統建設的要求;該分析儀投入式的結構以及專用化、多參數測試的設計，沒有二次污染，維護成本低，使得其具有廣泛的應用前景。

參考文獻：

[1]侯迪波，張堅，陳泠，黃平捷，張光新.基于紫外一可見光光譜的水質分析方法研究進展與應用[J].光譜學與光譜分析，2013，33（7）：1839-1844.

[2]謝廣群，周浩，劉飛.全光譜技術在水質在線監測領域的應用[J].應用技術，2017：121-123.

[3] 湯戈.基于分布式紫外-可見光譜法水質監測系統的數據處理方法技術研究[D].重慶大學，2016.

[4]何蕊，儲瑛，顏奔，周紅明.基于ZigBee的校園湖泊水質監測[J].價值工程，2019，38（07）：171-173.