水质总磷总氮在线自动监测技术

摘要：文章针对水质总磷总氮测定方法进行比较分析，围绕臭氧紫外联合-分光光度法、顺序注射与微控技术、光谱法水质多参数检测、微型分光光度计与超声辅助技术五个层面，探讨了水质总磷总氮在线自动监测技术及其应用方法，以期为水质总磷总氮指标监测与水污染防治工作提供参考，提升水质检测质量。

关键词：水质检测;氮磷含量;自动监测

中图分类号：X832 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）10-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.10.073

Abstract：This paper compares and analyzes the determination methods of total phosphorus and total nitrogen in water quality，focusing on five levels of ozone-ultraviolet combined-spectrophotometry，sequential injection and micro-control technology，multi-parameter detection of water quality by spectrometry，micro-spectrophotometer and ultrasonic assist technology the online automatic monitoring technology of total phosphorus and total nitrogen in water quality and its application method are discussed，with a view to providing a reference for the monitoring of total phosphorus and total nitrogen in water quality and the prevention and control of water pollution， and improving the quality of water quality detection.

Key words：Water quality detection;Nitrogen and phosphorus content; Automatic monitoring

總磷是水样含氮化合物中磷的总含量，总氮是不同形态无机氮、有机氮中氮的总含量，这两项指标与水体富营养化具有直接关联。2006-2016年，我国共发生874余起突发水污染事件，水污染事件发生频率逐年提升、空间分布差异渐趋明显，对于在线自动监测技术的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、总氮指标是衡量水质富营养化的重要依据，当水体中含氮、磷化合物含量超标时，将为水体内的微生物繁殖创设适宜条件，致使水中溶解氧含量大幅下降，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[1]。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、清洗、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、高温密闭消解、检测池、光源-光电二极管检测等模块，将顺序注射平台与太阳能电池板、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、石英玻璃等構成传感器机械结构，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[3]。

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。

参考文献

[1]苏艳超，张伟利.水质自动监测技术在水环境保护中的应用[J].环球市场，2018（23）：389.

[2]黎桦标.水质重金属自动在线监测技术研究[J].环境与发展，2018（10）：189+191.

[3]万金颖，何佳睿，楚国栋.水质总氮在线分析仪的设计与测试[J].价值工程，2018（31）：257-258.

收稿日期：2020-08-13

作者简介：韩卫俭（1988-），女，汉族，本科学历，助理工程师，研究方向为环境工程。