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废水处理过程监测应用 | WTW IQ Sensor Net 紫外-可见分光光度传感器
发布日期：
2025-09-02
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废水过程监测对于水资源回收设施（WRRF）的有效管理至关重要。实验室对人工采样或混合样品的测量是合规监测的主要方法。然而，过程监测越来越多地通过在线分析仪表来完成。连续监测给决策制定提供关键信息，并减轻操作人员每天多频采样和测量过程参数的负担，使污水处理厂能够最大限度地减少化学品和能源投入，并避免工艺异常。在过去十年中，传感器技术的选择和可靠性已大幅提高。例如，基于分光光度法的传感器现在可用于直接测量重要参数，无需使用需要经常补充的昂贵试剂。
电位法无需试剂且相对便宜，但电极会漂移，需要定期重新校准，最终还需整体更换。此外，利用紫外-可见光光度法原理，通过测量紫外线（UV）和可见光穿过样品的透射率，可快速直接地检测有机碳、硝酸盐和亚硝酸盐，无需使用试剂。
掌握电磁辐射（EMR）基础知识有助于理解分光光度法在废水监测中的应用原理。地球始终处于一种能量形式的EMR中。EMR的形式按波长区分，如图4所示的电磁波谱所述。波长和能量成反比，因此波长较长的EMR能量相对较低，反之亦然。高能宇宙射线（波长为十亿分之一nm及以下）位于光谱的一端，而低能无线电波（波长为10亿nm及以上）位于另一端。
各种形式的EMR以多种不同方式与物质相互作用。例如，太阳的热量来自其波长所定义的红外EMR。光谱法是对EMR与物质之间相互作用的测量。分光光度法是光谱法的一个分支，是对EMR（光）的吸收或透射率随波长变化的测量。当应用于测量200~800nm波长范围内（涵盖紫外线辐射和可见光区域）的吸收时，它被称为紫外-可见分光光度法。在这些范围内，EMR与物质的相互作用（吸收）主要由较高能量将电子从较低基态激发到较高激发态所主导。所吸收的紫外或可见光的波长取决于电子激发的难易程度，而这又取决于分子结构和电子构型。哪些电子构型会导致在紫外-可见光范围内的吸收，这个问题的答案很复杂。
在废水样品中，长波长可见光范围（400~800nm）的吸光度主要由浊度引起。
许多有机分子在250~350nm的紫外波长范围内吸收最强。
简单的碳氢化合物、糖类或醇类无法被检测到，但这些化合物通常与其他可被检测和关联的吸收分子结合存在。
硝酸盐和亚硝酸盐在短（<250nm）紫外波长处吸收最强。
同样需要了解的是，在紫外-可见光范围内，其他EMR相互作用即使不占主导地位，也具有重要意义。因此，任何特定物质的吸收都发生在一个波长带上，而非单一离散波长。
硝酸盐（NO3⁻）可在紫外范围内直接检测，浓度根据朗伯-比尔定律计算。硝酸盐的单波长检测峰值吸收附近的波长处实现，该波长处硝酸盐的信号占主导。所使用的确切波长因仪器而异，但通常在220nm左右。根据单波长测量，亚硝酸盐会干扰硝酸盐的测定，因为两种物质的吸光度光谱非常相似且严重重叠。不存在单一波长可将硝酸盐和亚硝酸盐的光谱分离到足以直接测定其中一种而不受另一种干扰的程度。针对硝酸盐优化的单波长传感器将仅捕获样品中亚硝酸盐的一部分，导致在亚硝酸盐含量较高的样品中低估NOx。因此，当亚硝酸盐也很重要时，用户在使用单波长硝酸盐检测时必须谨慎。除亚硝酸盐外，还存在由有机物引起的干扰。
同样，提供更精确的硝酸盐测量的解决方案是使用光谱传感器扫描多个波长。此外，为了区分并单独报告硝酸盐和亚硝酸盐，理想的波长间隔应小于1nm。计算氮参数的算法比计算碳综合参数所需的算法更简单——硝酸盐和亚硝酸盐的光谱与样品类型无关。也就是说，当校准光谱和样品光谱指纹合理匹配时，将实现最佳性能。
表1总结了WTW IQ SensorNet紫外-可见和紫外分光光度传感器的各种类型。SAC（UVT-254）和NOx传感器是单波长通用传感器。CarboVis®、NitraVis®和NiCaVis®是用于市政废水应用的多波长光谱传感器。TS版本还将报告总悬浮固体（TSS）。NI版本报告硝酸盐和亚硝酸盐。有两种测量光程选项：1 mm和5 mm。1 mm光程用于监测未处理废水和混合液悬浮固体（MLSS）。5 mm光程用于监测低浊度的处理后出水废水。
表1.IQ SensorNet紫外-可见分光光度计传感器类型
紫外-可见分光光度传感器如图9所示。该传感器由外壳、内部光学元件和固件所在的电子元件组成。外壳由可浸入水中的圆柱形主体构成，用于保护内部光学元件。IQ SensorNet紫外-可见传感器由直径60 mm的钛金属制成，以实现最大耐用性。
透镜位于传感器一侧切割出的测量窗口的两侧。当传感器浸入废水中时，测量窗口充满样品。或者，流通池围绕测量窗口安装在传感器上。IQ SensorNet紫外-可见传感器的透镜由蓝宝石制成，具有更强的耐用性和更好的光学性能。自动清洁系统对于防止透镜外部结垢至关重要，结垢会干扰传感器，导致不可接受的误差。IQ SensorNet紫外-可见传感器包括内置的超声波清洁系统UltraClean™。
紫外-可见传感器的主要光学组件是用于获取原始吸光度测量值的分光光度计。IQ SensorNet紫外-可见传感器的光学组件如图10所示。光源是氙气闪光灯（1），其发射从紫外到可见光的波长范围内的光。氙气灯的寿命极长。光学系统的发送器（2）将灯的输出分开，引导测量光束（6）穿过蓝宝石透镜和测量间隙（3）中的样品。第二束光，即参考光束（8），在传感器主体内无样品的路径上传播。分光束设计是最常见的典型设计。然而，IQ SensorNet中测量通道和参考通道的光学组件相同，可提供自动漂移补偿和长期稳定性。光学系统的接收器（4）将测量光束和参考光束引导至由一个或多个固定光电二极管组成的检测器（5）。单波长配置测量紫外范围内单一波长的吸光度。来自可见光范围内约550nm的第二波长的吸光度用于补偿浊度。
