一种基于紫外吸收光谱法的水质趋势预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水质趋势预测方法，具体设及一种基于紫外吸收光谱法的水质趋势预 测方法。
【背景技术】
[0002] 水资源的质量变化直接影响着国民经济的发展和人民生活水平的提高，需对水环 境进行监测并对污染采取预防与治理措施。目前，人们所使用的水质监测技术按分析方法 分有:化学监测技术、物理监测技术、生物监测技术等。其中，化学方法存在着测量时间长、 需要消耗试剂、存在二次污染、使用成本高等缺点。物理方法主要指紫外-可见吸收光谱法， 该方法具有实时、快速、在线、原位、免试剂、低成本、高可靠、无二次污染等优点，一直是国 内外水环境监测领域的研究热点。
[0003] 水体中的污染物主要来源于生活污水和工业废水，从化学角度分类，可W分为无 机有毒物、无机无毒物、有机有毒物和有机无毒物。其中有机无毒物主要是耗氧有机物，其 过多地进入水体，会造成水体中溶解氧严重不足甚至耗尽，从而恶化水质。主要包括:糖类、 脂肪、蛋白质、木质素、单宁酸等。有机有毒物主要是人工合成的耗氧有机物，比较稳定，不 易被微生物分解。主要包括:醒、有机酸、酪类、联苯、芳香族氨基化合物、高分子合成聚合物 染料等。当运些污染物的含量超过水体的自净能力时，就会造成水体的污染。由于大部分有 机物、硝酸盐、亚硝酸盐等对紫外光有吸收作用，因此可W利用其选择性吸收特性进行污染 物的定性、定量分析。
[0004] 然而，对于特定的水质监测场合，如果使用吸收光谱法对污染物进行定量分析，往 往需要长期大量的当地校准实验建立预测模型，而对于多种污染物的同时定量分析则更为 复杂。况且，目前比较成熟的是紫外-可见吸收光谱法的化学需氧量检测，作为还原性有机 物的集合概念，无法了解引起污染的具体物质，必要时仍需化学法定量分析具体的物质成 分。如果在每次检测中都对每一种污染物进行细致的定量分析，显然流程复杂，成本消耗巨 大。对于排污口和重要流域端面的在线监测系统，为了使水质监测快速、有效而且经济，需 及时定性的检测和预警某类或某种污染物含量的变化趋势，并向决策部口提出建议W进行 有针对性的定量分析。另外，在污水处理厂中，处理流程分为一级处理、二级处理和Ξ级处 理，对于不同的污水在每一级处理中将依次去除不同的污染物。为使处理流程中的每一级 处理达到充分有效，可W定性地监测和预警哪些污染物含量仍未达标，并将信息及时传达 给过程控制中屯、，W决策是否进行下一级处理。
[0005] 因此，我们需要寻找一种快速、简便的污染物预警方法，应用于水质在线监测的前 瞻性预测工作中，对污水处理的过程控制和加药处理等提供依据，同时提高后续复杂定量 分析的目的性和针对性，降低成本。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种快速、简便的污染物预警方法，应用于水质 在线监测的前瞻性预测工作中，对污水处理的过程控制和加药处理等提供依据，同时提高 后续复杂定量分析的目的性和针对性，降低成本。
[0007]为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为，基于紫外吸收光谱法的水质 趋势预测方法，步骤如下：
[000引1)建立标准待测水体W第一组特征、第二组特征和第Ξ组特征组成的特征数据 库；
[0009] 2)测量待测水体第一组特征，将待测水体第一组特征与所述的特征数据库中比 对，判断待测水体中的污染物种类；
[0010] 3)当步骤2)无法判断待测水体中的污染物种类，现慢待测水体第二组特征，将待 测水体第二组特征与所述的特征数据库比对，判断待测水体中的污染物种类；
[0011] 4)当步骤3)无法判断待测水体中的污染物种类，现慢待测水体第S组特征，将待 测水体第Ξ组特征与所述的特征数据库比对，判断待测水体中的污染物种类；
[0012] 5)当步骤4)无法判断待测水体中的污染物种类，根据待测水体的紫外吸收特性得 出待测水体中污染物的所属大类、浓度整体改变或浊度变化；
[0013] 所述的第一组特征为特征峰波段Bandcharapick和主特征峰波段Bandprimapick;所述的 第二组特征为吸收带展宽Bandwidth;所述的第Ξ组特征为吸收贡献强弱比例RatioPick和 RatioSum;所述的紫外吸收特性为7个UVn参数和差值吸收光谱δΑ(λ)。
[0014]所述标准待测水体特征数据库的建立包括W下步骤:调研待测水体中含有的污染 物种类;将待测水体污染指数达标时的水体作为母液，然后加入调研得到标准污染物，即为 标准待测水体，对标准待测水体分别做紫外吸收光谱实验，得到差值吸收光谱δΑ(λ);根据 标准待测水体的差值吸收光谱δΑ(λ)分别计算Ξ组特征，建立标准待测水体特征数据库。
[0015]待测水体优选为自然水体、生活污水、化工厂废水或污水处理厂各流程处理池污 水。不同的水环境下，如自然水体、生活污水排污口、各种化工厂废水排放口或污水处理厂 各流程处理池等，污染物的主要成分各不相同。在已知应用场合和其中主要污染物种类时， 针对污染物引起的吸收光谱变化，在紫外波段分段定义参数W表征不同官能团的吸收特 性，并进一步提取Ξ组特征用于区分不同污染物，经过特征匹配来预测与正常情况相比含 量存在差异的物质所属种类。
[0016] 所述的特征峰波段Bandcharapick、主特征峰波段Bandprimapick、吸收带展宽Bandwidth、 吸收贡献强弱比例RatioPick和RatioSum的计算方法：
[0017]根据朗伯比尔定律的叠加性可知，当某污染物含量发生变化时，待测水体的吸光 度与母液的吸光度之差即为变化的污染物所引起的吸光度。为了研究水体中不同污染物在 紫外波段的吸收特性，本发明优选了 17种标准污染物，分别为乙酸、草酸、甘氨酸、丙酬酸、 酪氨酸、苯甲酸钢、邻苯二甲酸氨钟、单宁酸、苯酪、苯甲醒、1-糞胺、蛋白质、木质素横酸钢、 丙締醇、甲醒、硝酸盐和亚硝酸盐，分别配制4000~6000mg/L的标准待测水体。测量标准待 测水体、待测水体和母液的吸光度，标准待测水体的吸光度与母液的吸光度相减，或待测水 体的吸光度与母液的吸光度相减，得到差值吸收光谱，
[001引δΑ(λ)=Α(λ)-Αο(λ) (1)
[0019]式中，δΑ(λ)为差值吸收光谱，Α(λ)为标准待测水体或待测水体的吸收光谱，Αο(λ) 为母液的吸收光谱；
[0020]由实验得到不同标准污染物的差值吸收光谱δΑ(λ)，并结合有机化学理论，建立紫 外光谱不同波段与发生能级跃迁的官能团之间的对应关系。本发明从紫外光谱中抽取7个 波段，计算各波段的差值吸收光谱曲线δΑ(λ)与横坐标轴之间所围成的面积，作为各波段的 参数： 陶]
巧
[0022] 式中，UVn代表第η波段的参数，λη?和λη2代表第η波段的起始波长和结束波长，η代表 不同的波段;7个波段的划分方法如表1所示：
[0023] 表 1
[0024]
[002引所述的UVk代表双键的即及收带，所述的UVc日日Η代表簇基的吸收带，所述的υν?代表 苯环上醒基取代基的吸收带，所述的U化enl、UVben2、UVben3和UVben4代表不同取代基的苯环的 吸收带；
[0026] 其次，对运7个UVn参数做进一步挖掘与分析。当标准污染物水体中的某种单一污 染物含量发生变化时，差值吸收光谱δΑ(λ)可能出现如下几种情况:在某个波段出现单峰； 在某两个波段出现双峰，且主峰(较强吸收峰)在前;在某两个波段出现双峰，且主峰在后； 或出现多个峰。因此，吸收峰的个数，特征吸收峰的位置，主峰的位置，主峰和次峰强弱比例 等均可W作为污染物的紫外吸收特征。
[0027] 为确定特征峰所在的波段，从上述7个UVn参数中求最大值，将最大值所在波段作 为最强吸收波段BancUx，再使用寻峰算法对δΑ(λ)差值吸收光谱计算吸收峰所在的波长位 置，由于多数污染物的紫外吸收光谱存在两个W上特征峰时，计算最强的两个峰所在波段