一種利用三維熒光光譜反映城市污水廠運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用三維熒光光譜反映城市污水廠運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)方法，屬于污水處理監(jiān)測(cè)與預(yù)警領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]城市污水處理主要依賴生物處理方法，微生物易受進(jìn)水COD濃度、氮磷營養(yǎng)物質(zhì)和有毒物質(zhì)等因素影響，進(jìn)而導(dǎo)致污水處理效果不穩(wěn)定。為保證污水處理廠的高效運(yùn)行，需要對(duì)污水廠的運(yùn)行進(jìn)行有效地監(jiān)控。傳統(tǒng)監(jiān)控手段往往采用濕化學(xué)方法來分析各處理單元的水質(zhì)狀況，該方法需消耗大量化學(xué)試劑或能量，并且分析步驟復(fù)雜，耗時(shí)較長，難以及時(shí)反映污水處理廠的運(yùn)行狀態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種操作簡(jiǎn)單且快速表征污水處理廠運(yùn)行狀態(tài)的方法。
[0004]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案:
[0005]本發(fā)明利用三維熒光光譜反映城市污水廠運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)方法，其特點(diǎn)在于按如下步驟進(jìn)行:
[0006]A、樣品采集和預(yù)處理
[0007]同一時(shí)間在待監(jiān)測(cè)污水廠的各個(gè)運(yùn)行節(jié)點(diǎn)各收集污水樣品I個(gè)，對(duì)每個(gè)污水樣品用0.45 μπι濾膜過濾得到上清液樣品，構(gòu)成一組上清液樣品組，然后每間隔時(shí)間t重復(fù)收集一次，共收集η次，獲得η組上清液樣品組，Imin ^ t ^ 120min ;所述運(yùn)行節(jié)點(diǎn)包括進(jìn)水節(jié)點(diǎn)、厭氧池節(jié)點(diǎn)、缺氧池節(jié)點(diǎn)、好氧池節(jié)點(diǎn)、二沉池節(jié)點(diǎn)和最終出水節(jié)點(diǎn)；
[0008]B、三維熒光光譜的測(cè)定
[0009]設(shè)定三維熒光光譜儀的激發(fā)波長范圍為250-450nm、發(fā)射波長范圍為300_550nm、狹縫寬度為5nm、掃描速度為2400nm/min、取點(diǎn)間隔為5nm，對(duì)每個(gè)上清液樣品掃描后獲得各上清液樣品的三維熒光光譜圖，并以數(shù)據(jù)矩陣51行X41列記錄，獲得各個(gè)上清液樣品的三維熒光數(shù)據(jù)矩陣；
[0010]C、平行因子分析
[0011]采用Matlab 7.0軟件的multiway工具包對(duì)步驟B中各個(gè)上清液樣品的三維熒光數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行平行因子分析，具體分析步驟如下:
[0012]Cl、首先將各個(gè)上清液樣品的三維熒光數(shù)據(jù)矩陣轉(zhuǎn)成matlab文件；然后，將各個(gè)上清液樣品的三維熒光數(shù)據(jù)矩陣減去去離子水的三維熒光數(shù)據(jù)矩陣以去除拉曼散射影響，并將各個(gè)上清液樣品的三維熒光數(shù)據(jù)矩陣中位于瑞利散射線左右各15nm區(qū)間的熒光數(shù)據(jù)置零，以去除瑞利散射的影響，最后將所有上清液樣品的三維熒光數(shù)據(jù)矩陣存成一個(gè)三維矩陣，建立模型，并通過核心一致度驗(yàn)證，確定該模型的最佳主成分?jǐn)?shù)；
[0013]C2、在選定所述模型的最佳主成分?jǐn)?shù)后，應(yīng)用multiway工具包對(duì)所述模型進(jìn)行計(jì)算，獲得所述模型的激發(fā)發(fā)射波長280/350nm的類蛋白質(zhì)組分的激發(fā)光譜矩陣、發(fā)射光譜矩陣和得分矩陣及激發(fā)發(fā)射波長330/420nm的類富里酸組分的激發(fā)光譜矩陣、發(fā)射光譜矩陣和得分矩陣，從類蛋白質(zhì)組分的得分矩陣和類富里酸組分的得分矩陣中獲得各個(gè)上清液樣品的類蛋白質(zhì)組分熒光強(qiáng)度得分和類富里酸組分熒光強(qiáng)度得分；
[0014]D、比較各運(yùn)行節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的上清液樣品的類蛋白質(zhì)組分熒光強(qiáng)度得分和類富里酸組分熒光強(qiáng)度得分，判別待監(jiān)測(cè)污水廠運(yùn)行是否正常，對(duì)待監(jiān)測(cè)污水廠的運(yùn)行異常進(jìn)行預(yù)警。
[0015]步驟D中比較各運(yùn)行節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的上清液樣品的類蛋白質(zhì)組分熒光強(qiáng)度得分和類富里酸組分熒光強(qiáng)度得分，判別待監(jiān)測(cè)污水廠運(yùn)行是否正常的方法為:
[0016](I)判斷位于同一組上清液樣品組中的各上清液樣品的類蛋白質(zhì)組分熒光強(qiáng)度得分和類富里酸組分熒光強(qiáng)度得分是否同時(shí)滿足條件I和條件2，若η組上清液樣品組中能同時(shí)滿足條件I和條件2的組數(shù)< 2η/3，則判定待監(jiān)測(cè)污水廠運(yùn)行不正常，若η組上清液樣品組中能同時(shí)滿足條件I和條件2的組數(shù)> 2η/3，則進(jìn)行步驟(2);
[0017]條件1:進(jìn)水節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的上清液樣品的類蛋白質(zhì)組分熒光強(qiáng)度得分>厭氧池節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的上清液樣品的類蛋白質(zhì)組分熒光強(qiáng)度得分>其他運(yùn)行節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的上清液樣品的類蛋白質(zhì)組分熒光強(qiáng)度得分；
[0018]條件2:進(jìn)水節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的上清液樣品的類富里酸組分熒光強(qiáng)度得分>其他運(yùn)行節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的上清液樣品的類富里酸組分熒光強(qiáng)度得分；
[0019](2)若η組上清液樣品組中能同時(shí)滿足條件I和條件2的組數(shù)> 2η/3，則按如下步驟再進(jìn)行判斷:
[0020]測(cè)定各個(gè)運(yùn)行節(jié)點(diǎn)的各個(gè)上清液樣品的COD值，并與各個(gè)運(yùn)行節(jié)點(diǎn)的各個(gè)上清液樣品的類蛋白質(zhì)組分熒光強(qiáng)度得分一一對(duì)應(yīng)，繪制類蛋白質(zhì)組分熒光強(qiáng)度得分與COD值的相關(guān)性曲線，從而獲得待監(jiān)測(cè)污水廠類蛋白質(zhì)組分熒光強(qiáng)度得分與COD值的相關(guān)性系數(shù)R2，若R2彡0.5，則判定待監(jiān)測(cè)污水廠運(yùn)行正常，若R 2〈0.5，判定待監(jiān)測(cè)污水廠運(yùn)行不正常。
[0021]為提高監(jiān)測(cè)精度，步驟(I)中的η優(yōu)選為:η彡4。
[0022]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0023]1、本發(fā)明操作簡(jiǎn)單、迅速且不需要任何化學(xué)藥劑，經(jīng)過簡(jiǎn)單過濾后，即可掃描獲取樣品的三維熒光光譜；
[0024]2、本發(fā)明方法的樣品需要量少，樣品需求量?jī)H為3mL左右；靈敏度高，熒光光譜法遠(yuǎn)高于紫外可見分光光度法，可對(duì)特征的類蛋白質(zhì)和類富里酸物質(zhì)進(jìn)行定性和相對(duì)定量表征；
[0025]3、本發(fā)明與傳統(tǒng)濕化學(xué)法或者電化學(xué)分析方法相比，具有測(cè)量時(shí)間短，易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測(cè)定的優(yōu)點(diǎn)，為污水廠的運(yùn)行提供了潛在的監(jiān)控方法。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明的技術(shù)路線及數(shù)據(jù)分析流程；
[0027]圖2是本發(fā)明用于表征污水上清液的類蛋白質(zhì)組分和類富里酸組分的三維熒光光譜圖；
[0028]圖3為運(yùn)行正常的污水廠的5組上清液樣品組中各運(yùn)行節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的上清液樣品的類蛋白質(zhì)組分熒光強(qiáng)度得分及類富里酸組分熒光強(qiáng)度得分的比較圖；
[0029]圖4為運(yùn)行正常的污水廠的類蛋白質(zhì)組分熒光強(qiáng)度得分與COD值的相關(guān)性曲線圖；
[0030]圖5為工業(yè)廢水比例較大的污水廠5組上清液樣品組中各運(yùn)行節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的上清液樣品的類蛋白質(zhì)組分熒光強(qiáng)度得分及類富里酸組分熒光強(qiáng)度得分的比較圖；
[0031]圖6為工業(yè)廢水比例較大的污水廠的類蛋白質(zhì)組分熒光強(qiáng)度得分與COD值的相關(guān)性曲線圖；
[0032]圖7為正在升級(jí)改造的污水廠的5組上清液樣品組中各運(yùn)行節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的上清液樣品的類蛋白質(zhì)組分熒光強(qiáng)度得分及類富里酸組分熒光強(qiáng)度得分的比較圖；
[0033]圖8為正在升級(jí)改造的污水廠的類蛋白質(zhì)組分熒光強(qiáng)度得分與COD值的相關(guān)性曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面通過【具體實(shí)施方式】驗(yàn)證本發(fā)明方法的可行性和準(zhǔn)確性，污水樣品取自合肥市3個(gè)污水廠的各個(gè)運(yùn)行節(jié)點(diǎn)，這3個(gè)污水廠分別是運(yùn)行正常的污水廠、正在升級(jí)改造的污水廠和工業(yè)廢水比例較大的污水廠。取樣的運(yùn)行節(jié)點(diǎn)有進(jìn)水節(jié)點(diǎn)、厭氧池節(jié)點(diǎn)、缺氧池節(jié)點(diǎn)、好氧池節(jié)點(diǎn)、二沉池節(jié)點(diǎn)、最終出水節(jié)點(diǎn)等。如圖1所示，具體是按如下步驟進(jìn)行操作:
[0035]A、樣品采集和預(yù)處理
[0036]同一時(shí)間在待監(jiān)測(cè)污水廠的各個(gè)運(yùn)行節(jié)點(diǎn)各收集污水樣品I個(gè)，對(duì)每個(gè)污水樣品用0.45 μ m濾膜過濾得到上清液樣品，構(gòu)成一組上清液樣品組，然后每間隔60min重復(fù)收集一次，共收集5次，獲得5組上清液樣品組；
[0037]B、三維熒光光譜的測(cè)定
[0038]逐一取每個(gè)上清液樣品3mL放入三維熒光光譜儀的比色皿，設(shè)定三維熒光光譜儀的激發(fā)波長范圍為250-450nm、發(fā)射波長范圍為300_550nm、狹縫寬度為5nm、掃描速度為2400nm/min、運(yùn)行模式為三維光譜掃描模式、取點(diǎn)間隔為5nm，對(duì)每個(gè)上清液樣品掃描后獲得該上清液樣品的三維熒光光譜圖，并以數(shù)據(jù)矩陣51行X41列記錄，獲得各個(gè)上清液樣品的三維熒光數(shù)據(jù)矩陣；
[0039]C、平行因子分析
[0040]采用Matlab 7.0軟件的multiway工具包對(duì)步驟B中各個(gè)上清液樣品的三維熒光數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行平行因子分析，具體分析步驟如下:
[0041]Cl、首先將各個(gè)上清液樣品的三維熒光數(shù)據(jù)矩陣轉(zhuǎn)成matlab文件；然后，將各個(gè)上清液樣品的三維熒光數(shù)據(jù)矩陣減去去離子水的三維熒光數(shù)據(jù)矩陣以去除拉曼散射影響，并將各個(gè)上清液樣品的三維熒光數(shù)據(jù)矩陣中位于瑞利散射線左右各15nm區(qū)間的熒光數(shù)據(jù)置零，以去除瑞利散射的影響，最后將所有上清液樣品的三維熒光數(shù)據(jù)矩陣存成一個(gè)三維矩陣，建立模型，并通過核心一致度驗(yàn)證，確定該模型的最佳主成分?jǐn)?shù)；
[0042]C2、在選定模型的最佳主成分?jǐn)?shù)后，應(yīng)用multiway工具包對(duì)所述模型進(jìn)行計(jì)算，獲得模型的激發(fā)發(fā)射波長280/350nm的類蛋白質(zhì)組分的激發(fā)光譜矩陣、發(fā)射光譜矩陣和得分矩陣及激發(fā)發(fā)射波長330/420nm的類富里酸組分的激發(fā)光譜矩陣、發(fā)射光譜矩陣和得分矩陣。三維熒光光譜矩陣為相應(yīng)激發(fā)光譜矩陣與發(fā)射光譜矩陣的乘積，類蛋白質(zhì)和類富里酸組分的三維熒光光譜圖如圖2所示。從類蛋白質(zhì)組分的得分矩陣和類富里酸組分的得分矩陣中獲得各個(gè)上清液樣品的類蛋白質(zhì)組分熒光強(qiáng)度得分和類富里酸組分熒光強(qiáng)度得分;
[0043]D、比較各運(yùn)行節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的上清液樣品的類蛋白質(zhì)組分熒光強(qiáng)度得分和類富里酸組分熒光強(qiáng)度得分，判別待監(jiān)測(cè)污水廠運(yùn)行是否正常，具體步驟為:
[0044](I)判斷位于同一組上清液樣品組中的各上清液樣品的類蛋白質(zhì)組分熒光強(qiáng)度得分和類富里酸組分熒光強(qiáng)度得分是否同時(shí)滿足條件I和條件2，若η組上清液樣品組中能同時(shí)滿足條件I和條件2的組數(shù)< 2η/3，則判定待監(jiān)測(cè)污水廠運(yùn)行不正常，若η組上清液樣品組中