利用近紅外光譜測定反硝化除磷系統(tǒng)中總磷濃度的方法
【專利摘要】一種利用近紅外光譜測定反硝化除磷系統(tǒng)中總磷濃度的方法，包括步驟：(1)取反硝化除磷系統(tǒng)中典型周期內(nèi)廢水水樣N個(gè)，采用鉬銻抗分光光度法測定總磷濃度，通過近紅外光譜儀測出該N個(gè)水樣的近紅外原始光譜；(2)小波變換對近紅外原始光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；(3)采用間隔偏最小二乘法，以該N個(gè)水樣的總磷濃度與預(yù)處理后的光譜圖建立校正模型并計(jì)算相關(guān)系數(shù)，當(dāng)相關(guān)系數(shù)≥0.9485時(shí)采用校正模型，否則重復(fù)步驟(1)?(3)的操作，重新建模和評價(jià)相關(guān)性；(4)測定待測廢水水樣的近紅外原始光譜并經(jīng)預(yù)處理，將預(yù)處理后的光譜數(shù)據(jù)代入校正模型，得到總磷濃度值。本發(fā)明的方法操作簡便、成本低、環(huán)保、可快速高效獲取結(jié)果。
【專利說明】
利用近紅外光譜測定反硝化除磷系統(tǒng)中總磷濃度的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及廢水處理與監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用近紅外光譜測定反硝化除磷系統(tǒng)中總磷濃度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]反硝化除磷工藝是生活污水處理的常用手段之一，為了實(shí)現(xiàn)對反硝化除磷工藝中反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行的控制，需要對反硝化除磷反應(yīng)中的正磷酸鹽的濃度進(jìn)行監(jiān)測，而傳統(tǒng)化學(xué)分析方法耗時(shí)、耗力、并且所消耗藥劑易產(chǎn)生二次污染。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種操作簡便、成本低、環(huán)保、可快速高效獲取結(jié)果的測定反硝化除磷系統(tǒng)中總磷濃度的方法，主要結(jié)合近紅外光譜掃描和化學(xué)計(jì)量學(xué)分析。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下:
[0005]—種利用近紅外光譜測定反硝化除磷系統(tǒng)中總磷濃度的方法，包括如下步驟:
[0006](I)選取反硝化除磷系統(tǒng)中典型周期內(nèi)的廢水水樣N個(gè)，采用鉬銻抗分光光度法測定該N個(gè)水樣的總磷濃度，再通過近紅外光譜儀測出該N個(gè)水樣的近紅外原始光譜；
[0007](2)利用小波變換對獲得的近紅外原始光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到預(yù)處理后的光譜圖；
[0008](3)采用間隔偏最小二乘法，利用該N個(gè)水樣的總磷濃度與該N個(gè)水樣預(yù)處理后的光譜圖，建立污水樣品的近紅外光譜數(shù)據(jù)的校正模型，并計(jì)算理論值和實(shí)測值的相關(guān)系數(shù)，當(dāng)相關(guān)系數(shù)多0.985時(shí)采用該校正模型，否則重復(fù)步驟(1)-(3)的操作，重新建模和評價(jià)相關(guān)性；
[0009](4)按照步驟(I)和(2)中相同的方法測定待測廢水水樣的近紅外原始光譜，并經(jīng)預(yù)處理得到預(yù)處理后的光譜圖，然后將得到的預(yù)處理后的光譜數(shù)據(jù)代入所述校正模型，得到待測廢水水樣的總磷濃度值。
[0010]其中，所述反硝化除磷系統(tǒng)中典型周期內(nèi)的廢水水樣為本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的內(nèi)容，其即指在一般的反硝化除磷工藝過程進(jìn)行周期內(nèi)所采集的廢水水樣。
[0011 ]其中，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解，N必須為正整數(shù)，優(yōu)選地，N的取值范圍為80〈N〈120，最優(yōu)選 N=100。
[0012]同樣，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解，本發(fā)明中所述的相關(guān)系數(shù)<1。
[0013]其中，所述的預(yù)處理優(yōu)選為采用小波變換對廢水樣品的原始近紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理。
[0014]所述的校正模型優(yōu)選總磷的對應(yīng)區(qū)間為5272-569301^。
[0015]所述的廢水水樣優(yōu)選均經(jīng)過過濾處理，以除去廢水水樣中的懸浮物和雜質(zhì)，更優(yōu)選經(jīng)過0.45μπι濾膜進(jìn)行過濾處理。
[0016]本發(fā)明中采用的近紅外光譜儀優(yōu)選BRUKER(產(chǎn)自德國，市售品牌)傅里葉變換近紅外光譜儀，其中，更優(yōu)選儀器掃描波數(shù)范圍為4000-12500cm—1，分辨率為8cm—1，掃描次數(shù)為32次。
[0017]本發(fā)明還提供上述利用近紅外光譜測定反硝化除磷系統(tǒng)中總磷濃度的方法在水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用。
[0018]在符合本領(lǐng)域常識的基礎(chǔ)上，上述各優(yōu)選條件，可任意組合，即得本發(fā)明各較佳實(shí)例。
[0019]本發(fā)明所用試劑和原料均市售可得。
[0020]本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于:
[0021]本發(fā)明的檢測方法快速、便捷，對于反硝化除磷系統(tǒng)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測與調(diào)控具有重要意義。用本發(fā)明的方法監(jiān)測反硝化除磷系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，具有高效性，操作簡便，無污染等特點(diǎn)，同時(shí)具有較強(qiáng)的實(shí)用性。
[0022]模型的建立方法采用間隔偏最小二乘法選擇總磷的特征波段，并在所選波段區(qū)間內(nèi)進(jìn)行最小二乘法(PLS)回歸，得到較高精度的近紅外光譜檢測模型，校正模型的總磷相關(guān)系數(shù)較高。未知濃度值的廢水水樣測定其近紅外光譜數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理后，代入校正模型，可直接得到未知廢水水樣中總磷的濃度值。因此，本發(fā)明的方法具有高效、便捷、結(jié)果準(zhǔn)確的操作優(yōu)點(diǎn)，并且檢測過程中無需其他化學(xué)試劑，解決了傳統(tǒng)檢測方法中的耗時(shí)長、耗能多、成本高以及二次污染等問題。
【附圖說明】
[0023]圖1為實(shí)施例1中水樣的近紅外原始光譜圖；
[0024]圖2為實(shí)施例1中采用小波去噪進(jìn)行預(yù)處理后的近紅外光譜圖；
[0025]圖3為實(shí)施例1中的總磷校正模型；
[0026]圖4為實(shí)施例1中的總磷預(yù)測模型。
【具體實(shí)施方式】
[0027]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0028]實(shí)施例1
[0029]本實(shí)施例的測定反硝化除磷系統(tǒng)中總磷濃度的方法包括如下具體步驟:
[0030](I)采集反應(yīng)器五個(gè)典型周期的140個(gè)水樣，每個(gè)水樣采集2個(gè)。測試時(shí)，所有水樣均經(jīng)過0.45μπι濾膜過濾，避免懸浮物對光譜分析造成干擾。取其中100個(gè)水樣分為兩組，一組按鉬銻抗分光光度法測定其總磷濃度，作為建立模型時(shí)的實(shí)測值;另一組采集其近紅外光譜并對光譜進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)采用間隔偏最小二乘法建立近紅外定量校正模型，然后采集水樣的近紅外光譜，得到原始近紅外光譜數(shù)據(jù)(如圖1所示)；
[0031](2)利用小波變換對原始光譜進(jìn)行預(yù)處理，去除原始光譜中一部分噪聲和無關(guān)信息，得到預(yù)處理后近紅外光譜圖(如圖2所示)；
[0032](3)采用間隔偏最小二乘法，利用該100個(gè)水樣的總磷濃度與該100個(gè)水樣預(yù)處理后的光譜圖，建立污水樣品的近紅外光譜數(shù)據(jù)的校正模型，評價(jià)實(shí)測值和理論值的相關(guān)性，得到相關(guān)系數(shù)為0.9871(如圖3所示)；
[0033](4)取未參與建模的周期水樣40個(gè)，測定其近紅外光譜，重復(fù)步驟(2)后，得到水樣的預(yù)處理后光譜數(shù)據(jù)，代入校正模型，得到總磷的濃度。其值與化學(xué)方法測得的真值關(guān)聯(lián)性如圖4所示。
[0034]其中，所述的校正模型中總磷的對應(yīng)區(qū)間為5272-56930^1
[0035]所述的近紅外光譜儀為BRUKER傅里葉變換近紅外光譜儀;其中，儀器掃描波數(shù)范圍為4000-12500cm—1，分辨率為8cm—1，掃描次數(shù)為32次。
[0036]由圖3和圖4可以看出，所建模型對總磷校正時(shí)的相關(guān)系數(shù)(rc)達(dá)到0.9871，校正均方根誤差(RMSECV)分別為1.2466;預(yù)測時(shí)的相關(guān)系數(shù)(rp)分別為0.9294，預(yù)測均方根誤差(RMSEP')分別為0.4591。結(jié)果表明，校正模型預(yù)測性能優(yōu)異。
[0037]實(shí)施例2
[0038]本實(shí)施例的測定反硝化除磷系統(tǒng)中總磷濃度的方法包括如下具體步驟:
[0039](I)采集反應(yīng)器五個(gè)典型周期的150個(gè)水樣，每個(gè)水樣采集2個(gè)。測試時(shí)，所有水樣均經(jīng)過0.45μπι濾膜過濾，避免懸浮物對光譜分析造成干擾。取其中120個(gè)水樣分為兩組，一組按鉬銻抗分光光度法測定其總磷濃度，作為建立模型時(shí)的實(shí)測值;另一組采集其近紅外光譜并對光譜進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)采用間隔偏最小二乘法建立近紅外定量校正模型，然后采集水樣的近紅外光譜，得到原始近紅外光譜數(shù)據(jù)；
[0040](2)利用小波變換對原始光譜進(jìn)行預(yù)處理，去除原始光譜中一部分噪聲和無關(guān)信息，得到預(yù)處理后近紅外光譜圖；
[0041](3)采用間隔偏最小二乘法，利用該120個(gè)水樣的總磷濃度與該120個(gè)水樣預(yù)處理后的光譜圖，建立污水樣品的近紅外光譜數(shù)據(jù)的校正模型，評價(jià)實(shí)測值和理論值的相關(guān)性，得到相關(guān)系數(shù)為0.9850;
[0042](4)取未參與建模的周期水樣30個(gè)，測定其近紅外光譜，重復(fù)步驟(2)后，得到水樣的預(yù)處理后光譜數(shù)據(jù)，代入校正模型，得到總磷的濃度。其值與化學(xué)方法測得的真值關(guān)聯(lián)性好，相關(guān)系數(shù)高。
[0043]由上述實(shí)施例可以看出，將本發(fā)明的方法應(yīng)用于水處理領(lǐng)域的污水水樣檢測，獲取結(jié)果快速、便捷，對于反硝化處理反應(yīng)器運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測與調(diào)控具有重要意義。
[0044]本發(fā)明的方法具有高效、便捷、結(jié)果準(zhǔn)確的操作優(yōu)點(diǎn)，并且檢測過程中無需其他化學(xué)試劑，解決了傳統(tǒng)檢測方法中的耗時(shí)長、耗能多、成本高以及二次污染等問題。
[0045]以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種利用近紅外光譜測定反硝化除磷系統(tǒng)中總磷濃度的方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)選取反硝化除磷系統(tǒng)中典型周期內(nèi)的廢水水樣N個(gè)，采用鉬銻抗分光光度法測定該N個(gè)水樣的總磷濃度，再通過近紅外光譜儀測出該N個(gè)水樣的近紅外原始光譜； (2)利用小波變換對獲得的近紅外原始光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到預(yù)處理后的光譜圖； (3)采用間隔偏最小二乘法，利用該N個(gè)水樣的總磷濃度與該N個(gè)水樣預(yù)處理后的光譜圖，建立污水樣品的近紅外光譜數(shù)據(jù)的校正模型，并計(jì)算理論值和實(shí)測值的相關(guān)系數(shù)，當(dāng)相關(guān)系數(shù)多0.985時(shí)采用該校正模型，否則重復(fù)步驟(I)-(3)的操作，重新建模和評價(jià)相關(guān)性； (4)按照步驟(I)和(2)中相同的方法測定待測廢水水樣的近紅外原始光譜，并經(jīng)預(yù)處理得到預(yù)處理后的光譜圖，然后將得到的預(yù)處理后的光譜數(shù)據(jù)代入所述校正模型，得到待測廢水水樣的總磷濃度值。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，N的取值范圍為80〈N〈120。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，N=100。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的預(yù)處理為采用小波變換對廢水樣品的原始近紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的校正模型中總磷的對應(yīng)區(qū)間為5272-5693cm_106.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的廢水水樣均經(jīng)過過濾處理，以除去廢水水樣中的懸浮物和雜質(zhì)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的廢水水樣均經(jīng)過0.45μπι濾膜進(jìn)行過濾處理。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述的近紅外光譜儀為BRUKER傅里葉變換近紅外光譜儀。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于:其中，儀器掃描波數(shù)范圍為4000-12500cm-1，分辨率為8cm—1，掃描次數(shù)為32次。10.權(quán)利要求1?9任一項(xiàng)所述的利用近紅外光譜測定反硝化除磷系統(tǒng)中總磷濃度的方法在水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用。
【文檔編號】G01N21/3577GK105891143SQ201610196005
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月30日
【發(fā)明人】張華 , 黃顯懷, 黃健, 張勇, 楊偉偉, 潘法康, 黃明, 全桂軍, 田紀(jì)宇
【申請人】安徽建筑大學(xué)