利用近红外光谱测定反硝化除磷系统中总磷浓度的方法
【专利摘要】一种利用近红外光谱测定反硝化除磷系统中总磷浓度的方法，包括步骤：(1)取反硝化除磷系统中典型周期内废水水样N个，采用钼锑抗分光光度法测定总磷浓度，通过近红外光谱仪测出该N个水样的近红外原始光谱；(2)小波变换对近红外原始光谱数据进行预处理；(3)采用间隔偏最小二乘法，以该N个水样的总磷浓度与预处理后的光谱图建立校正模型并计算相关系数，当相关系数≥0.9485时采用校正模型，否则重复步骤(1)?(3)的操作，重新建模和评价相关性；(4)测定待测废水水样的近红外原始光谱并经预处理，将预处理后的光谱数据代入校正模型，得到总磷浓度值。本发明的方法操作简便、成本低、环保、可快速高效获取结果。
【专利说明】
利用近红外光谱测定反硝化除磷系统中总磷浓度的方法
技术领域
[0001]本发明涉及废水处理与监测技术领域，尤其涉及一种利用近红外光谱测定反硝化除磷系统中总磷浓度的方法。
【背景技术】
[0002]反硝化除磷工艺是生活污水处理的常用手段之一，为了实现对反硝化除磷工艺中反应器稳定运行的控制，需要对反硝化除磷反应中的正磷酸盐的浓度进行监测，而传统化学分析方法耗时、耗力、并且所消耗药剂易产生二次污染。
【发明内容】
[0003]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种操作简便、成本低、环保、可快速高效获取结果的测定反硝化除磷系统中总磷浓度的方法，主要结合近红外光谱扫描和化学计量学分析。
[0004]为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下:
[0005]—种利用近红外光谱测定反硝化除磷系统中总磷浓度的方法，包括如下步骤:
[0006](I)选取反硝化除磷系统中典型周期内的废水水样N个，采用钼锑抗分光光度法测定该N个水样的总磷浓度，再通过近红外光谱仪测出该N个水样的近红外原始光谱；
[0007](2)利用小波变换对获得的近红外原始光谱数据进行预处理，得到预处理后的光谱图；
[0008](3)采用间隔偏最小二乘法，利用该N个水样的总磷浓度与该N个水样预处理后的光谱图，建立污水样品的近红外光谱数据的校正模型，并计算理论值和实测值的相关系数，当相关系数多0.985时采用该校正模型，否则重复步骤(1)-(3)的操作，重新建模和评价相关性；
[0009](4)按照步骤(I)和(2)中相同的方法测定待测废水水样的近红外原始光谱，并经预处理得到预处理后的光谱图，然后将得到的预处理后的光谱数据代入所述校正模型，得到待测废水水样的总磷浓度值。
[0010]其中，所述反硝化除磷系统中典型周期内的废水水样为本领域技术人员容易理解的内容，其即指在一般的反硝化除磷工艺过程进行周期内所采集的废水水样。
[0011 ]其中，本领域技术人员容易理解，N必须为正整数，优选地，N的取值范围为80〈N〈120，最优选 N=100。
[0012]同样，本领域技术人员容易理解，本发明中所述的相关系数<1。
[0013]其中，所述的预处理优选为采用小波变换对废水样品的原始近红外光谱数据进行去噪处理。
[0014]所述的校正模型优选总磷的对应区间为5272-569301^。
[0015]所述的废水水样优选均经过过滤处理，以除去废水水样中的悬浮物和杂质，更优选经过0.45μπι滤膜进行过滤处理。
[0016]本发明中采用的近红外光谱仪优选BRUKER(产自德国，市售品牌)傅里叶变换近红外光谱仪，其中，更优选仪器扫描波数范围为4000-12500cm—1，分辨率为8cm—1，扫描次数为32次。
[0017]本发明还提供上述利用近红外光谱测定反硝化除磷系统中总磷浓度的方法在水处理领域中的应用。
[0018]在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
[0019]本发明所用试剂和原料均市售可得。
[0020]本发明的积极进步效果在于:
[0021]本发明的检测方法快速、便捷，对于反硝化除磷系统运行状况的实时监测与调控具有重要意义。用本发明的方法监测反硝化除磷系统的运行状况，具有高效性，操作简便，无污染等特点，同时具有较强的实用性。
[0022]模型的建立方法采用间隔偏最小二乘法选择总磷的特征波段，并在所选波段区间内进行最小二乘法(PLS)回归，得到较高精度的近红外光谱检测模型，校正模型的总磷相关系数较高。未知浓度值的废水水样测定其近红外光谱数据并进行数据预处理后，代入校正模型，可直接得到未知废水水样中总磷的浓度值。因此，本发明的方法具有高效、便捷、结果准确的操作优点，并且检测过程中无需其他化学试剂，解决了传统检测方法中的耗时长、耗能多、成本高以及二次污染等问题。
【附图说明】
[0023]图1为实施例1中水样的近红外原始光谱图；
[0024]图2为实施例1中采用小波去噪进行预处理后的近红外光谱图；
[0025]图3为实施例1中的总磷校正模型；
[0026]图4为实施例1中的总磷预测模型。
【具体实施方式】
[0027]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0028]实施例1
[0029]本实施例的测定反硝化除磷系统中总磷浓度的方法包括如下具体步骤:
[0030](I)采集反应器五个典型周期的140个水样，每个水样采集2个。测试时，所有水样均经过0.45μπι滤膜过滤，避免悬浮物对光谱分析造成干扰。取其中100个水样分为两组，一组按钼锑抗分光光度法测定其总磷浓度，作为建立模型时的实测值;另一组采集其近红外光谱并对光谱进行预处理，同时采用间隔偏最小二乘法建立近红外定量校正模型，然后采集水样的近红外光谱，得到原始近红外光谱数据(如图1所示)；
[0031](2)利用小波变换对原始光谱进行预处理，去除原始光谱中一部分噪声和无关信息，得到预处理后近红外光谱图(如图2所示)；
[0032](3)采用间隔偏最小二乘法，利用该100个水样的总磷浓度与该100个水样预处理后的光谱图，建立污水样品的近红外光谱数据的校正模型，评价实测值和理论值的相关性，得到相关系数为0.9871(如图3所示)；
[0033](4)取未参与建模的周期水样40个，测定其近红外光谱，重复步骤(2)后，得到水样的预处理后光谱数据，代入校正模型，得到总磷的浓度。其值与化学方法测得的真值关联性如图4所示。
[0034]其中，所述的校正模型中总磷的对应区间为5272-56930^1
[0035]所述的近红外光谱仪为BRUKER傅里叶变换近红外光谱仪;其中，仪器扫描波数范围为4000-12500cm—1，分辨率为8cm—1，扫描次数为32次。
[0036]由图3和图4可以看出，所建模型对总磷校正时的相关系数(rc)达到0.9871，校正均方根误差(RMSECV)分别为1.2466;预测时的相关系数(rp)分别为0.9294，预测均方根误差(RMSEP')分别为0.4591。结果表明，校正模型预测性能优异。
[0037]实施例2
[0038]本实施例的测定反硝化除磷系统中总磷浓度的方法包括如下具体步骤:
[0039](I)采集反应器五个典型周期的150个水样，每个水样采集2个。测试时，所有水样均经过0.45μπι滤膜过滤，避免悬浮物对光谱分析造成干扰。取其中120个水样分为两组，一组按钼锑抗分光光度法测定其总磷浓度，作为建立模型时的实测值;另一组采集其近红外光谱并对光谱进行预处理，同时采用间隔偏最小二乘法建立近红外定量校正模型，然后采集水样的近红外光谱，得到原始近红外光谱数据；
[0040](2)利用小波变换对原始光谱进行预处理，去除原始光谱中一部分噪声和无关信息，得到预处理后近红外光谱图；
[0041](3)采用间隔偏最小二乘法，利用该120个水样的总磷浓度与该120个水样预处理后的光谱图，建立污水样品的近红外光谱数据的校正模型，评价实测值和理论值的相关性，得到相关系数为0.9850;
[0042](4)取未参与建模的周期水样30个，测定其近红外光谱，重复步骤(2)后，得到水样的预处理后光谱数据，代入校正模型，得到总磷的浓度。其值与化学方法测得的真值关联性好，相关系数高。
[0043]由上述实施例可以看出，将本发明的方法应用于水处理领域的污水水样检测，获取结果快速、便捷，对于反硝化处理反应器运行状况的实时监测与调控具有重要意义。
[0044]本发明的方法具有高效、便捷、结果准确的操作优点，并且检测过程中无需其他化学试剂，解决了传统检测方法中的耗时长、耗能多、成本高以及二次污染等问题。
[0045]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种利用近红外光谱测定反硝化除磷系统中总磷浓度的方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)选取反硝化除磷系统中典型周期内的废水水样N个，采用钼锑抗分光光度法测定该N个水样的总磷浓度，再通过近红外光谱仪测出该N个水样的近红外原始光谱； (2)利用小波变换对获得的近红外原始光谱数据进行预处理，得到预处理后的光谱图； (3)采用间隔偏最小二乘法，利用该N个水样的总磷浓度与该N个水样预处理后的光谱图，建立污水样品的近红外光谱数据的校正模型，并计算理论值和实测值的相关系数，当相关系数多0.985时采用该校正模型，否则重复步骤(I)-(3)的操作，重新建模和评价相关性； (4)按照步骤(I)和(2)中相同的方法测定待测废水水样的近红外原始光谱，并经预处理得到预处理后的光谱图，然后将得到的预处理后的光谱数据代入所述校正模型，得到待测废水水样的总磷浓度值。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，N的取值范围为80〈N〈120。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，N=100。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的预处理为采用小波变换对废水样品的原始近红外光谱数据进行去噪处理。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的校正模型中总磷的对应区间为5272-5693cm_106.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的废水水样均经过过滤处理，以除去废水水样中的悬浮物和杂质。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的废水水样均经过0.45μπι滤膜进行过滤处理。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述的近红外光谱仪为BRUKER傅里叶变换近红外光谱仪。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于:其中，仪器扫描波数范围为4000-12500cm-1，分辨率为8cm—1，扫描次数为32次。10.权利要求1?9任一项所述的利用近红外光谱测定反硝化除磷系统中总磷浓度的方法在水处理领域中的应用。
【文档编号】G01N21/3577GK105891143SQ201610196005
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】张华 , 黄显怀, 黄健, 张勇, 杨伟伟, 潘法康, 黄明, 全桂军, 田纪宇
【申请人】安徽建筑大学