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水污染是当今世界水环境面临的最严峻问题之一,水质检测装备是准确、实时、全面地反映水环境质量与污染源现状、制定切实可行防治措施的基础装备。本论文开展“基于微型紫外光谱仪的水质监测系统关键技术研究”,具有重要的科学意义和明确的需求背景。
论文针对制药等行业排放废水中主要污染物监测与控制的需求,以化学需氧量(COD)和硝氮等必检的重要水质参数为具体检测对象,研究基于紫外光谱分析的水质监测系统的相关理论与关键技术。提出了一种基于微型紫外光谱仪的水质监测新系统,该系统具有无需样品预处理、无需试剂、无二次污染、在线多参数快速检测等特点;突破了水质监测探头系统结构设计与加工、系统控制方法与设计等关键技术;研究了水质光谱信息处理方法,提出了一种基于加权多模融合的波长选择新方法、以及一种基于相关向量机的光谱校正模型建立方法,有效地提高了模型预测准确度;成功研制出多参数、高性能、低成本的水质监测系统原理样机;以国家标准分析方法为对比进行了制药污水的比对验证实验,测试结果为COD相对误差<8.3%,硝氮相对误差<3.7%,达到国家环境保护标准HJ/T354-2007《水污染源在线监测系统验收技术规范》要求。
论文主要研究工作是:
①在系统比较分析现有主要水质检测方法的基础上,确定采用无需试剂、无需样品预处理、无二次污染、实时快速的紫外光谱检测分析方法及系统方案;
②研究了基于连续紫外光谱分析的水质检测方法,以小体积、低功耗、高稳定性、低成本为目标,提出了一种基于微型紫外光谱仪的水质监测系统新结构;重点突破了水质监测探头设计与加工、系统控制等关键技术,成功研制出系统原理样机。
③研究了水质紫外光谱信息处理方法,提出了一种基于加权多模融合(WFMM)的波长选择新方法和一种基于相关向量机(RVM)的光谱校正模型建立方法,采用实际水质数据集对所提算法和常用算法性能进行对比验证。实验表明:WFMM波长选择方法在选择有效波长变量的同时,可改进偏最小二乘(PLS)模型性能,具有算法简单、效率高的优势;基于相关向量机的光谱校正模型性能较优,具有模型稀疏、预测速度快等特点。
④制定了基于微型紫外光谱仪的水质监测系统原理样机性能测试方案,测试结果表明,COD标准溶液测试的准确度<3.8%,重复性<0.3%;硝氮标准溶液测试的准确度<2.7%,重复性<0.4%;采集大新制药污水处理厂出水在重庆大学城环学院进行了对比测试实验,COD相对误差<8.3%,硝氮相对误差<3.7%,达到了设计要求。