一種基于紫外吸收光譜法的水質(zhì)趨勢預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水質(zhì)趨勢預(yù)測方法，具體設(shè)及一種基于紫外吸收光譜法的水質(zhì)趨勢預(yù) 測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水資源的質(zhì)量變化直接影響著國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，需對水環(huán) 境進行監(jiān)測并對污染采取預(yù)防與治理措施。目前，人們所使用的水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)按分析方法 分有:化學(xué)監(jiān)測技術(shù)、物理監(jiān)測技術(shù)、生物監(jiān)測技術(shù)等。其中，化學(xué)方法存在著測量時間長、 需要消耗試劑、存在二次污染、使用成本高等缺點。物理方法主要指紫外-可見吸收光譜法， 該方法具有實時、快速、在線、原位、免試劑、低成本、高可靠、無二次污染等優(yōu)點，一直是國 內(nèi)外水環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的研究熱點。
[0003] 水體中的污染物主要來源于生活污水和工業(yè)廢水，從化學(xué)角度分類，可W分為無 機有毒物、無機無毒物、有機有毒物和有機無毒物。其中有機無毒物主要是耗氧有機物，其 過多地進入水體，會造成水體中溶解氧嚴重不足甚至耗盡，從而惡化水質(zhì)。主要包括:糖類、 脂肪、蛋白質(zhì)、木質(zhì)素、單寧酸等。有機有毒物主要是人工合成的耗氧有機物，比較穩(wěn)定，不 易被微生物分解。主要包括:醒、有機酸、酪類、聯(lián)苯、芳香族氨基化合物、高分子合成聚合物 染料等。當運些污染物的含量超過水體的自凈能力時，就會造成水體的污染。由于大部分有 機物、硝酸鹽、亞硝酸鹽等對紫外光有吸收作用，因此可W利用其選擇性吸收特性進行污染 物的定性、定量分析。
[0004] 然而，對于特定的水質(zhì)監(jiān)測場合，如果使用吸收光譜法對污染物進行定量分析，往 往需要長期大量的當?shù)匦蕦嶒灲㈩A(yù)測模型，而對于多種污染物的同時定量分析則更為 復(fù)雜。況且，目前比較成熟的是紫外-可見吸收光譜法的化學(xué)需氧量檢測，作為還原性有機 物的集合概念，無法了解引起污染的具體物質(zhì)，必要時仍需化學(xué)法定量分析具體的物質(zhì)成 分。如果在每次檢測中都對每一種污染物進行細致的定量分析，顯然流程復(fù)雜，成本消耗巨 大。對于排污口和重要流域端面的在線監(jiān)測系統(tǒng)，為了使水質(zhì)監(jiān)測快速、有效而且經(jīng)濟，需 及時定性的檢測和預(yù)警某類或某種污染物含量的變化趨勢，并向決策部口提出建議W進行 有針對性的定量分析。另外，在污水處理廠中，處理流程分為一級處理、二級處理和Ξ級處 理，對于不同的污水在每一級處理中將依次去除不同的污染物。為使處理流程中的每一級 處理達到充分有效，可W定性地監(jiān)測和預(yù)警哪些污染物含量仍未達標，并將信息及時傳達 給過程控制中屯、，W決策是否進行下一級處理。
[0005] 因此，我們需要尋找一種快速、簡便的污染物預(yù)警方法，應(yīng)用于水質(zhì)在線監(jiān)測的前 瞻性預(yù)測工作中，對污水處理的過程控制和加藥處理等提供依據(jù)，同時提高后續(xù)復(fù)雜定量 分析的目的性和針對性，降低成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種快速、簡便的污染物預(yù)警方法，應(yīng)用于水質(zhì) 在線監(jiān)測的前瞻性預(yù)測工作中，對污水處理的過程控制和加藥處理等提供依據(jù)，同時提高 后續(xù)復(fù)雜定量分析的目的性和針對性，降低成本。
[0007]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為，基于紫外吸收光譜法的水質(zhì) 趨勢預(yù)測方法，步驟如下：
[000引1)建立標準待測水體W第一組特征、第二組特征和第Ξ組特征組成的特征數(shù)據(jù) 庫；
[0009] 2)測量待測水體第一組特征，將待測水體第一組特征與所述的特征數(shù)據(jù)庫中比 對，判斷待測水體中的污染物種類；
[0010] 3)當步驟2)無法判斷待測水體中的污染物種類，現(xiàn)慢待測水體第二組特征，將待 測水體第二組特征與所述的特征數(shù)據(jù)庫比對，判斷待測水體中的污染物種類；
[0011] 4)當步驟3)無法判斷待測水體中的污染物種類，現(xiàn)慢待測水體第S組特征，將待 測水體第Ξ組特征與所述的特征數(shù)據(jù)庫比對，判斷待測水體中的污染物種類；
[0012] 5)當步驟4)無法判斷待測水體中的污染物種類，根據(jù)待測水體的紫外吸收特性得 出待測水體中污染物的所屬大類、濃度整體改變或濁度變化；
[0013] 所述的第一組特征為特征峰波段Bandcharapick和主特征峰波段Bandprimapick;所述的 第二組特征為吸收帶展寬Bandwidth;所述的第Ξ組特征為吸收貢獻強弱比例RatioPick和 RatioSum;所述的紫外吸收特性為7個UVn參數(shù)和差值吸收光譜δΑ(λ)。
[0014]所述標準待測水體特征數(shù)據(jù)庫的建立包括W下步驟:調(diào)研待測水體中含有的污染 物種類;將待測水體污染指數(shù)達標時的水體作為母液，然后加入調(diào)研得到標準污染物，即為 標準待測水體，對標準待測水體分別做紫外吸收光譜實驗，得到差值吸收光譜δΑ(λ);根據(jù) 標準待測水體的差值吸收光譜δΑ(λ)分別計算Ξ組特征，建立標準待測水體特征數(shù)據(jù)庫。
[0015]待測水體優(yōu)選為自然水體、生活污水、化工廠廢水或污水處理廠各流程處理池污 水。不同的水環(huán)境下，如自然水體、生活污水排污口、各種化工廠廢水排放口或污水處理廠 各流程處理池等，污染物的主要成分各不相同。在已知應(yīng)用場合和其中主要污染物種類時， 針對污染物引起的吸收光譜變化，在紫外波段分段定義參數(shù)W表征不同官能團的吸收特 性，并進一步提取Ξ組特征用于區(qū)分不同污染物，經(jīng)過特征匹配來預(yù)測與正常情況相比含 量存在差異的物質(zhì)所屬種類。
[0016] 所述的特征峰波段Bandcharapick、主特征峰波段Bandprimapick、吸收帶展寬Bandwidth、 吸收貢獻強弱比例RatioPick和RatioSum的計算方法：
[0017]根據(jù)朗伯比爾定律的疊加性可知，當某污染物含量發(fā)生變化時，待測水體的吸光 度與母液的吸光度之差即為變化的污染物所引起的吸光度。為了研究水體中不同污染物在 紫外波段的吸收特性，本發(fā)明優(yōu)選了 17種標準污染物，分別為乙酸、草酸、甘氨酸、丙酬酸、 酪氨酸、苯甲酸鋼、鄰苯二甲酸氨鐘、單寧酸、苯酪、苯甲醒、1-糞胺、蛋白質(zhì)、木質(zhì)素橫酸鋼、 丙締醇、甲醒、硝酸鹽和亞硝酸鹽，分別配制4000~6000mg/L的標準待測水體。測量標準待 測水體、待測水體和母液的吸光度，標準待測水體的吸光度與母液的吸光度相減，或待測水 體的吸光度與母液的吸光度相減，得到差值吸收光譜，
[001引δΑ(λ)=Α(λ)-Αο(λ) (1)
[0019]式中，δΑ(λ)為差值吸收光譜，Α(λ)為標準待測水體或待測水體的吸收光譜，Αο(λ) 為母液的吸收光譜；
[0020]由實驗得到不同標準污染物的差值吸收光譜δΑ(λ)，并結(jié)合有機化學(xué)理論，建立紫 外光譜不同波段與發(fā)生能級躍遷的官能團之間的對應(yīng)關(guān)系。本發(fā)明從紫外光譜中抽取7個 波段，計算各波段的差值吸收光譜曲線δΑ(λ)與橫坐標軸之間所圍成的面積，作為各波段的 參數(shù)： 陶]
巧
[0022] 式中，UVn代表第η波段的參數(shù)，λη?和λη2代表第η波段的起始波長和結(jié)束波長，η代表 不同的波段;7個波段的劃分方法如表1所示：
[0023] 表 1
[0024]
[002引所述的UVk代表雙鍵的即及收帶，所述的UVc日日Η代表簇基的吸收帶，所述的υν?代表 苯環(huán)上醒基取代基的吸收帶，所述的U化enl、UVben2、UVben3和UVben4代表不同取代基的苯環(huán)的 吸收帶；
[0026] 其次，對運7個UVn參數(shù)做進一步挖掘與分析。當標準污染物水體中的某種單一污 染物含量發(fā)生變化時，差值吸收光譜δΑ(λ)可能出現(xiàn)如下幾種情況:在某個波段出現(xiàn)單峰； 在某兩個波段出現(xiàn)雙峰，且主峰(較強吸收峰)在前;在某兩個波段出現(xiàn)雙峰，且主峰在后； 或出現(xiàn)多個峰。因此，吸收峰的個數(shù)，特征吸收峰的位置，主峰的位置，主峰和次峰強弱比例 等均可W作為污染物的紫外吸收特征。
[0027] 為確定特征峰所在的波段，從上述7個UVn參數(shù)中求最大值，將最大值所在波段作 為最強吸收波段BancUx，再使用尋峰算法對δΑ(λ)差值吸收光譜計算吸收峰所在的波長位 置，由于多數(shù)污染物的紫外吸收光譜存在兩個W上特征峰時，計算最強的兩個峰所在波段