水质总磷总氮在线自动监测技术

总磷是水质术水样含氮化合物中磷的总含量，总氮是总磷总氮不同形态无机氮、有机氮中氮的线自总含量，这两项指标与水体富营养化具有直接关联。动监2006-2016 年，测技我国共发生 874 余起突发水污染事件，水质术水污染事件发生频率逐年提升、总磷总氮空间分布差异渐趋明显，线自对于在线自动监测技术的动监研发与创新提出了迫切需求。

1  水质总磷总氮测定方法比较分析

总磷、测技总氮指标是水质术衡量水质富营养化的重要依据，当水体中含氮、总磷总氮磷化合物含量超标时，线自将为水体内的动监微生物繁殖创设适宜条件，致使水中溶解氧含量大幅下降，测技进而造成水质恶化问题。国标方法主要在温度不低于 60℃的水溶液中将过硫酸钾进行氧化分解，利用高温条件与碱性介质将水中的氮化合物、磷化合物转化为盐类，借助紫外线分光光度法分别在 200nm、275nm 波长位置完成吸光度测定，校正后将两参数的差值作为其的吸光度值，其检出限为 0.05mg/L。传统检测方法具有检测周期长、精度差、工序复杂等特点，无法满足水质在线自动监测需求，需加强对新型在线自动监测技术的研究，实现对水质总磷总氮指标的快速监测，提升监测质量与效率。

2  水质总磷总氮在线自动监测技术及其应用探讨

2.1  臭氧紫外联合 - 分光光度法

采用臭氧紫外联合 - 分光光度法作为水质总磷总氮指标的测定方法，配合 PLC 控制器、LabVIEW 开发工具与 GPRS 远程传输技术构成水质在线监测装置，实现对水质的远程在线实时监控，可有效提高检测数据精度与监测效率。在控制单元设计上，该装置的总体结构由 PLC 控制器与取样、氧化消解、检测、洗、数据采集与传输、PC 与无线传输等单元模块组成，基于一体柜式结构设计，采用 PLC 控制器实现对臭氧发生器、光谱仪等仪器设备的控制，既可由检测人员采用手动模式进行装置调试，也可基于梯形图编程实现对取样、氧化消解、检测与清洗等环节的自动化控制，并利用定时器进行各程序的计时，控制不同器件的通断。在软件界面设计上，选取 LabVIEW 作为开发工具，由现场控制、远程监控两个界面组成。

远程监控界面则包含总界面、总氮含量、总磷含量与数据查询界面等模块，基于 PLC 与 DTU 发送控制界面的监测数据，并将总磷、总氮含量与浓度等测定结果进行实时显示，兼具在线监测、预警与即时反应功能。在 GPRS 无线通信技术的应用上，主要由水质在线自动监测装置、PC、DTU 载体、无线基站、GGSN 移动网关、Internet 与监控中心构成无线传输系统，其中 DTU 载体与 PC 端主要采用串口连接方式，基于VISA 函数实现通信功能，完成总磷总氮浓度检测数据的传输。

2.2  顺序注射与微控技术

基于国标法进行水质中总磷总氮的联合测定，主要采用顺序注射与微控技术建立多量程在线监测系统。联合测定原理主要利用自主设计的消解池，在高温高压条件下进行含磷、氮化合物的密闭消解，将碱性过硫酸钾溶液在 60℃以上的水溶液中分解生成原子态氧。再在 120℃高压水蒸气条件下进行含磷、氮化合物的氧化，生成硝酸盐与正磷酸盐。

接下来将消解液分别送至检测池内，在总磷检测池内通过与钼酸铵反应生成蓝色络合物，可结合吸光度计算出具体的磷浓度值；在总氮检测池内分别采集 220nm、275nm 两处的吸光度值，计算出相应的氮浓度数值。在消解池结构设计上，主要由消解管、PTC 加热片、固定架、散热扇、密封接头、紫外辅助消解模块组成，将消解池骨架与紫外辅助消解模块连接，将 PTC 加热片固定在消解管上并连接固定架，经由密封接头将消解管固定在消解池骨架上，再将散热扇安装在消解池背面，基于 PID 温控、紫外灯辅助消解技术控制消解温度，提升消解效率。

在检测池结构设计上，选取 220nm、275nm 光电二极管与氘灯作为总氮检测池的检测管和光源，选取光电二极管、700nm 发光二极管作为总磷检测池的检测管和光源，结合水样浓度进行高光程、低光程检测区的设定，共设有10mm、20mm、40mm 三类光程检测区，分别对应总磷量程 2.5-5μg·mL^-1、1.2-2.5μg·mL^-1、0-1.2μg·mL^-1，以及总氮量程 20-40μg·mL^-1、10-20μg·mL^-1、0-10μg·mL^-1。随后基于微控技术进行顺序注射平台的设计，系统包含数据处理显示与控制、水样预处理、顺序注射、高温太阳能电池板、太阳能控制器、温控仪、蓄电池等模块共同组成多参数在线监测系统，实现对水质总磷、总氮指标的联合检测，有效提升检测精度与效率。

2.3  光谱法水质多参数检测

在多参数水质检测光谱的设计上，由上位机软件向控制系统发送指令，使特定波长光源发出单色光，将水质传感器置于环境水样中，利用光电转换器将光信号转变为电压，经由模数转换器、无线传输模块传回上位机，即可实现对水质参数含量的在线实时检测。在水质多参数检测传感器的设计上，主要选取多通道各参数顺序检测法，基于 MCU 与嵌入式操作系统进行数据存储与远程传输，采用 LED 作为传感器光源，利用硅光电池作为光电转换元件，由外壳体、发光源、硅光电池、石英玻璃等构成传感器机械结构，系统硬件电路由传感器 MCU、AD694 芯片、硅光电池组成，并基于脉宽调试调节 LED 亮度，实现对光程、量程的控制。利用该传感器进行某污水中总磷、总氮含量的检测，样机准确度分别在 -5.6% ～ 9.4%、-9% ～ 9% 范围内，均符合国家环境标准技术要求，且检测效率与精度较高，具备良好实用价值。

2.4  微型分光光度计

选用微型分光光度计进行多参数水质在线分析仪的优化，分光光度计包含光纤连接器、准直镜、光栅、聚焦镜、光电探测器等部件，可利用光纤将复合光束导入连接器内，利用准直镜入射至光栅上，经由分解处理后利用聚焦镜将平行光束聚焦在光电探测器中，配合采集电路将信号传输至上位机。基于微型分光光度计建立多参数水质在线分析系统，由光学测量、总氮分析、总磷分析、电气控制模块完成系统结构的设计，其中总磷、总氮分析模块均设有石英反应池、自动控制、顺序注射等部件，用于完成对水质中各项指标的检测，经由进样、测量、清洗等流程进行测量值的校准、输出、存储，完成整体水质测定流程。将氮磷参数分析模块收集到的检测数据进行汇总，可得出测试结果的准确度为 0.847%、重复性为 0.809%，符合国家计量检定规程要求，可实现对水样总磷、总氮含量的在线实时监测。

2.5  超声辅助技术

利用超声辅助消解技术进行水样消解方法的改进优化，基于超声化学原理设计超声系统，可在水质中总氮、总磷检测的消解环节提供超声辐照，加快水样消解速率。通过分析样机性能可知，其测定结果的相对
误差低于 ±10%，符合国标要求，且重复性优良，可有效提升多参数快速在线水质检测系统的应用性能。未来还需围绕检测试剂优化、超声场研究、声化学反应器设计等层面进行完善，便于更好地提升超声辅助技术在水质总磷、总氮指标检测中的应用价值。

3  结论

相较于传统国标检测方法而言，在线自动监测技术在检测条件、检测时间、测量范围与自动化性能等方面占据明显优势，基于自动采样、实时监测与数据快速收集等流程进行水质总磷、总氮指标的测定。未来还应围绕低温条件、常压条件进行自动监测技术的优化与创新，更好地拓展其在水质监测中的发展前景。

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