光纤传感系统在塔里木河流域污水检测中的应用研究

2022-04-08吐尔洪肉斯旦

水利技术监督 2022年4期

吐尔洪·肉斯旦

(塔里木河流域干流管理局，新疆库车 843200)

我国是一个工业生产大国，河流污染对区域水生态环境造成了严重的破坏[1- 3]。目前我国高精度水质检测设备还比较依赖进口，成本高且使用、维修不便，因此，引入合理的水质检测设备对水环境污染治理十分重要。

目前，我国对污水水质检测相关技术手段的研究较少。高丽等[4]提出一种利用“静态顶空进样+气相色谱法火焰离子化”的新型检测方法，利用该技术有效测定了水样中的8种苯系化合物和12种氯苯类化合物，并指出该方法具有简单、高效、无溶剂、易于商业化的特殊优势。刘红[5]利用多种不同处理方法(铬酸钾检测法、氯气检测法、水样检测数据分析法、高锰酸钾检验法、消解处理技术、密封消除法、间接标准曲线法)对高氯废水展开了化学需氧量(COD)检测，深入分析了各种检测方法的优势与缺点，并强调了废水检测在水资源保护与处理工作中重要性。倪丰颖[6]研究了多种化学技术在废水水质检测中的应用情况及技术效果，强调了化学检测的技术优势在于简单高效、检测结果直观。

综上所述，现有检测技术比较依赖于进口设备或化学试剂，成本较高。本文详细介绍了一种光纤传感检测系统，基于室内试验深入分析了光纤传感检测系统检测结果和现有设备检测结果，验证了其可靠性。

1 基于光谱分析的光纤传感检测系统

1.1 理论基础

光谱信号能够反映出物质内部分子不同能级之间产生了跃迁情况，分子的总能量E可以近似表达为[7- 8]：

E=Ee+Er+Ev

(1)

式中，Ee—电子能量；Er—分子转动能量；Ev—分子振动能量。根据普朗克量子理论，分子的3种运动能量都是量子化态的，且具有不连续性。在正常状态下(基态)，分子具有一定的能级E1，在入射光的作用下，能够从E1能级跃迁到E2能级，分子也由基态转化为激发态。此时，分子需要吸收一定量的光子，获得能量，其能量增量(光子能量)可表达为：

ΔE=E2-E1

(2)

μ=ΔE/h

(3)

式中，ΔE—吸收的光子能量；μ—ΔE能量的光子频率；h—普朗克常数。基于普朗克量子理论，结合物质的差异性，可以知道：由于不同物质对于不同的光的吸收能力不同，在光照条件下，不同物质会选择性吸收ΔEe，ΔEr以及ΔEv辐射的光子能量。物质收到能量接近于Ee的紫外可见光(200～800mm)的辐射时，产生电子能级的跃迁而形成的吸收光谱，称作紫外可见光谱，特征为带状谱[9- 10]。在水质分析化学中，根据光谱的吸收波长范围、吸光强度的大小，可以分析得到被测物质的组分和浓度。

1.2 光纤传感检测系统

本次试验采用的光纤传感检测系统结构设备如图1所示，由图1可知，该检测系统主要由光源、光纤、浸入式传感器、阵列传感器、数据采集控制设备以及计算机设备。其中，光源采用DH- 2000型氘卤素灯，能够提供波长范围在215～2500μm的稳定连续输出，工作温度在5～30℃之间，能够较好地适用于室温下的污水检测中。光纤传感器探头由光路传导介质、透镜和全反射面设备组成，光纤则是2条长2.0m的光纤，光谱扫描软件为系统自带的嵌入式软件。由图1可知，光纤传感检测系统具有设备结构简单、设备成本较低、检测效率高等优势。

图1 光纤传感检测系统结构示意图

2 试验检测

2.1 工程背景与样品准备

本次研究依托于塔里木河某支流河道污染治理工程开展工作。根据现场调查显示，由于河流沿线有化工厂、制衣厂等相关小型企业，存在污染物排放管理制度差、排放不达标等严重污染问题，因此河流水质污染较为严重，对水生态、周围居民生活以及农作物灌溉问题造成极大的困扰。因此，该河流水质污染问题亟需处理。本次研究的取样目标为近污染点的河流水体。取样工作共设置20个采样点，取水点大部分选择于污水排放点附近。采用聚乙烯水桶取样，在到达采样点前先用清水冲洗桶体3～5次。在取样时，使桶口迎着水流方向缓慢浸入，桶满后应迅速提出水面。此外，应当避免漂浮物进入，影响水体分析试验结果。最后，室内将所取到的水体试样按取样点分组，最终得到的污染水体样品。

2.2 检测流程

室内利用光纤传感检测系统开展污水水质检测工作，具体工作流程如下：

(1)水质检测。单色光通过光纤传导到污染水源样品后经过光线探头检测再次返回到系统中。

(2)数据转换。经过阵列传感器和数据采集控制器的光电转换、信号分析和处理等过程，获得全波段的污水吸收光谱、吸光度和透射率。

(3)数据处理分析。将获得的光谱和数据进行筛选、处理、分析，获得污水样品的污染相关数据。

3 检测结果分析与讨论

3.1 参考值

为了验证光纤传感检测系统在河流污水水质检测中的可行性，本次研究需要先利用现有的、检测精度高、认可度高的检测设备对污水样品进行水质检测，以获得检测结果参考值。利用DRB200消解器和DR1010分光光度计进行检测，该仪器的基本工作原理为COD快速消解分光光度法，其应用效果得到了广大研究院所和检测单位的认可。最终，基于上述设备检测，得到所有水样本的试验数据见表1。由表1可知，该河流20个取样点所取水样的COD值在42.21～80.13mg/L之间，平均值达到60.83mg/L。根据GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》，该河道水COD值大于40mg/L(五类水)，由此可见，该河道的水质污染情况较为严重，水污染问题亟需改善。

表1 污水样品测试结果参考值

3.2 测试结果及对比

为验证光纤传感检测系统结构(图1)在污水COD值检测中的应用，本次研究利用该设备分别对上述污水样品进行了检测，并将检测结果与DRB200消解器和DR1010分光光度计的检测结果进行对比并展开深入分析探讨。室内试验得到光纤传感检测系统结构的检测结果如图2所示。由图2可知，基于光纤传感检测系统结构得到的污水COD值检测结果整体要略高于DRB200消解器和DR1010分光光度计的检测结果，但是二者相差较小。基于光纤传感检测系统结构得到的污水COD值在45.09～81.61mg/L之间，略高于参考值；检测结果平均值为63.18mg/L，较参考值大3.86%，测量误差在5%以内。由此可见，基于光纤传感检测系统结构的污水COD检测结果与现有高精度检测设备的检测结果接近，检测结果可靠。

图2 不同检测设备下污水样品COD值检测结果对比

进一步分析不同检测设备下污水样品COD值检测结果与参考值的关系，对二者之间的关系进行数值拟合，拟合结果如图3所示。由图3可知，基于光纤传感检测系统结构的污水COD检测结果与参考值之间符合正线性关系，线性相关系数达0.9950；拟合曲线的斜率接近于1，检测值与参考值的误差主要存在于截距(起点)上。因此可见，通过校正设备或试验数据，可以有效消除基于光纤传感检测系统结构的污水COD检测结果与DRB200消解器和DR1010分光光度计的检测结果之间的误差。