基于光譜分析的紫外水質檢測技術探討

郭 琦

（大慶油田水務研究設計院，黑龍江 大慶 163000）

0 引言

電化學水質分析技術受技術原理以及檢測流程決定，電化學水質分析技術分析周期長，測量方式十分繁瑣，同時測量中需要添加大量的化學原料逐步被基于光譜分析的紫外水質檢測技術所取代。光譜分析紫外水質檢測技術有效的規避了傳統化學水質分析存在的諸多弊端，并具備更高的檢測精度，本文主要針對該技術的國內外的發展現狀以及未來的發展趨勢展開研究和探討。

1 技術概述

如前文所述，基于光譜分析的紫外線水質監測技術，測量效率高，操作流程簡易，近年來廣泛應用于我國的工業廢水、生活污水以及自然水域的水質監測工作中。基于光譜分析的紫外線水質監測技術設計化學計量分析、連續光譜檢測等多項技術種類[1]。近年來伴隨監測儀器設備以及分析算法的不斷提升，該技術的檢測精度有了進一步的提高，可以有效實現對toc、COD、turb、No3-n等參數的檢測分析。

2 發展現狀

2.1 國內外演技現狀

單波長分析法是最早的光譜技術，經過不斷的發展和演變，逐步形成了現在廣泛應用的而連續光譜法，因此在過于的研究中往往254nm的波長最為常見。光譜分析技術的紫外線水質分析技術也主要是利用不同物質對254nm的吸收情況進行水質成分的判斷。但在實際測量中發現，在自然水體中存在許多固體大顆粒的懸浮物質，阻礙了光波的傳遞造成了測量結果失真，因此這種研究方法在早期階段就被逐步遺棄，降低水中固體大顆粒懸浮物質對檢測結果的影響，也一度成為業內熱點額研究問題，最終研究者選擇使用350nm和465nm的波長的吸光度，構建補償模型[2]。經過不斷的實踐和改進，最終研發出雙玻法技術，不進有效的解決了水體中固體大顆粒懸浮物質對測量結果的影響，還實現技術的儀器化降低了技術的應用要求和標準，測量人員只要掌握儀器設備基礎的操作方法，就可以順利的完成測量任務。我國學者劉立行基于國外上述研究內容，結合我國水質監測需求，與激光器相結合，研發出種可以自由功率切換的水質檢測儀器。紫外一可見光譜分析法以集成電路光譜掃描為硬件基礎，以化學計量方法為算法基礎，該水質監測技術近年來受到了廣大學者的關注，國內外一些研究團隊對紫外一可見光譜分析法的研究已經獲得了一些突破性進展。

2.1.1 國內外課件光譜分析的水質監測研究進展

天津大學是我國最早參與光譜分析水質監測技術的科研結構，并與2004年率先研發成功了200～720nm的監測設備，并配備了防水外殼以及無線傳輸設備，在實際應用中，該設備可以直接投入水體中使用，并可以自動的實時進行監測，實現了無人值守的水質監測，可以有效的識別水體中no3-n、cod等水質參數[3]，并可以將測量參數通過無線傳輸設備將水質分析的各項數據進行傳輸、存儲和分析。浙江大學研究團隊以美國引進的光柵光譜儀器為基礎，并結合cod紫外吸光度的快速計算模型，實現了對自然水體中cod值得快速檢測，該設備波長范圍約為200～400nm，綜合誤差值可以控制在5%以內，測量時間也可以控制5min之內，同時此類設備使用的嵌入式電腦控芯片，相比傳統設備更加智能化、自動化，同時安裝了windowsce系統，讓真個檢測過程各項穩定、可控、自動。重慶大學率先研發了微型光譜系統，并應用于便攜設備中，可以高效率、高精度的完成水質監測工作。

2.2 國內外儀器生產情況

目前基于光譜分析技術的紫外線水質監測儀器目前多以雙波法、連續波法等技術作為基礎，并根據實際使用需求，結合多種化學計量方法，進行設備的設計和生產。目前國外的生產企業主要有美國的hach公司、法國的tethys公司、德國wtw公司等，我國主要由杭州聚光科技公司以及北京東西分析儀器等公司。

2.2.1 國外水質監測儀器生產現狀

目前國外最大的水質監測生產企業是美國的Hach公司，該公司生產的Uvasecosc型號紫外水質分析儀器，可以實現高效率、高精度的水質參數收集分析，并提出了“特別吸光系數”的概念，同時該設備首次使用了雙光束探頭結構，讓水質樣品中固體顆粒對檢測結果的影響降低至最低，可以規避諸如溫度、壓力、設備原件老化等多種類環境及設備因素對檢測結果帶來的影響，綜合準確率可以達到5%以內，廣泛的應用于小型污水處理中。

2.2.2 國內水質監測儀器生產現狀

我國在此類儀器設備的生產方面起步較晚，雖然近年來發展十分迅速，但生產技術以及生產規模與國外先進國家相比仍存在一定差距，目前我國水質監測儀器設備多以雙玻長分析儀器為主。如北京產的ew-2100型號水質分析儀器是目前應用最為廣泛的，該設備利用雙波進行水質監測，并配備了強力清洗系統，雖然在技術層級方面相對落后于西方先進國家，但其監測準確率以及測試效率均可以滿足行業需求。

3 發展前景以及存在的問題

3.1 發展前景

根據前文所述，紫外水質監測技術主要包括單波長、多波長、紫外光譜、紫外可見光普等集中技術類型。其中單波長以及多波長是最早期的紫外水質監測技術，但其因為缺少相關電轉換設備，逐步被多波長，紫外可見光譜等技術所取代，近年來高分辨率額全息光棚等技術的出現，更是讓基于光譜分析的紫外水質分析技術進入到全新的發展領域，實現了根據水體中固體懸浮物大小含量進行波長調節，抗散射干擾等多項功能。

此外紫外可見光譜水質參數檢測技術，無需添加化學試劑，在檢測過程中不會對檢測水體造成二次污染，具備長期檢測的條件，可以用于污水處理廠的水體檢測工作。因此紫外水質分析技術未來應向著高穩定性、高準確性、低污染性、分析速度快等方向發展。

3.2 可能面臨的一些問題

3.2.1 探頭設計問題

探頭是決定儀器分析效率和分析精度的重要組成部件，由于水質分析儀器需要長期復雜環境中工作，因此需要提高探討的抗干擾能力，提高探頭的環境適用性。但根據儀器的監測原理，光程越高，則測量精度越好，但相應的其穩定性會逐步降低，反之則光程月底，測量精度變低，但穩定性身高，因此，光譜探頭未來的發展方向是逐步平衡上述問題，在確保精度的基礎上，盡可能的提高檢檢測穩定性。

3.2.2 干擾降低問題

紫外一可見光譜水質監測，往往要求采集被檢測水體紫外一可見全光譜，而由于實際測量過程中，因為光電轉換、光路、光源及噪聲干擾，往往對光譜會造成一定影響，如果直接采用測得數據進行分析，往往會使得測量精度降低，并直接影響各個水質參數結算，所以必須要切實研究合適的紫外一可見光譜預處理辦法，以降低干擾。