申请日2015.10.19
公开(公告)日2017.09.08
IPC分类号G01N21/64; G01N21/31
摘要
一种用于确定水处理参数的计算机实现方法包括：通过计算机接收响应于激发波长发射的水样品的荧光发射光谱，所述水样品包括第一峰值发射波长和至少第二峰值发射波长;由计算机接收在水样品的激发波长处获得的吸光度测量;使用计算机确定在第二峰值发射波长处的测量与在第一峰值发射波长处的测量的比率，或者在多个峰值发射波长处的多个测量之和与在第一峰值发射波长处的测量的比率，所述多个峰值发射波长至少包括第一峰值发射波长和第二峰值发射波长;并且使用计算机根据至少所述比率和吸光度测量的线性组合来计算水处理参数的值。
权利要求书
1.一种用于确定参数的计算机实现的方法，包括：
通过计算机接收分别响应于激发波长而发射的样品的荧光发射光谱的至少两个测量，所述样品包含第一峰值发射波长和至少第二峰值发射波长;
使用所述计算机确定与所述第一峰值发射波长相关联的第一组分值和与所述第二峰值发射波长相关联的第二组分值;和
使用计算机基于至少一个系数而计算所述参数的值，其中所述至少一个系数针对于第一和第二组分的荧光发射光谱与所述参数之间的关系而校准。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述计算包括基于所述第一组分值和第二组分值的线性组合确定所述参数的值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述计算包括基于所述第一组分值和第二组分值的比率确定所述参数的值。
4.根据权利要求1的方法，其中第一组分值和第二组分值包括第一组分浓度和第二组分浓度。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：
通过计算机接收在样品的激发波长处获得的吸光度测量;
基于所述吸光度测量校正荧光发射光谱;以及
基于所述第一组分值和第二组分值，所述至少一个系数和所述吸光度测量的组合来确定所述参数的值。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述关系包括在所述第一峰值波长和第二峰值波长处的荧光发射光谱的强度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述样品是水样品，并且所述参数是水处理参数，所述方法还包括：
由计算机接收使用DOC测量仪确定的DOC值;
由计算机接收水样品的吸光度测量;
由计算机基于吸光度测量确定A254值和SUVA值;
由计算机接收用于每个DOC和A254值的荧光发射光谱;
确定用于包括所述第一组分值和第二组分值的多个组分值中的每一个的第一线性系数和第二线性系数;以及
基于所述第一线性系数与所述第一组分值和所述第二组分值的比率的乘积、所述第二线性系数与A254值的乘积的线性组合来确定水处理参数值。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述水处理参数是三卤甲烷生成势(THMFP)，所述方法还包括：
接收水样品的pH测量;
接收水样品的温度测量;
接受水样品的碱度测量;以及
其中所述计算还包括pH、温度和碱度与比率和吸光度测量的线性组合。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述荧光发射光谱的测量包括在预定发射波长范围内的值的积分，所述积分表示与每个峰值发射波长相关联的组分种类的浓度。
10.根据权利要求1所述的方法，其中从普通仪器获得所述吸光度测量和荧光测量。
11.根据权利要求1所述的方法，其中基本上同时获得吸光度测量和荧光测量。
12.一种用于监测包括凝结-沉降过程的水处理过程的系统，包括：
第一仪器，其定位用于在凝结-沉降过程的入口进行在线采样，所述第一仪器响应于第一激发波长而测量入口样品的第一荧光发射光谱;
第二仪器，其定位用于在凝结-沉淀过程的出口进行在线取样，所述第二仪器响应于所述第一激发波长而测量出口样品的第二荧光发射光谱;以及
与第一仪器和第二仪器通信的计算机，所述计算机被用于比较第一荧光发射光谱和第二荧光发射光谱，以控制凝结-沉降过程。
13.一种用于控制水处理过程的计算机实现的方法，包括：
测量响应于激发波长产生的处理前水样品在预定波长范围内的第一荧光发射光谱;
使第一荧光发射光谱归一化为预定的峰值;
测量响应于激发波长产生的处理后水样品在预定波长范围内的第二荧光发射光谱;
将第二荧光发射光谱归一化为预定峰值;
比较第一峰值归一化荧光发射光谱和第二峰值归一化荧光发射光谱以确定溶解的有机碳(DOC)的变化;以及
根据DOC的变化控制水处理过程。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述激发波长为约254nm。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述预定波长范围为约290nm至约600nm。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述水处理方法包括凝结过程。
17.根据权利要求13所述的方法，其中比较包括计算所述第一峰值归一化发射光谱和第二峰值归一化发射光谱之间的差值。
18.根据权利要求13所述的方法，还包括：
在归一化第一荧光发射光谱之前，在预定波长范围内对第一荧光发射光谱进行积分;
在归一化第二荧光发射光谱之前，在预定波长范围上对第二荧光发射光谱进行;以及
其中比较包括比较第一荧光发射光谱的归一化积分和第二荧光发射光谱的归一化积分。
19.根据权利要求18所述的方法，其中比较包括确定所述第一荧光发射光谱的归一化积分和第二荧光发射光谱的归一化积分之间的差值。
20.根据权利要求18所述的方法，其中比较包括确定用于所述第一荧光发射光谱的归一化积分和第二荧光发射光谱的归一化积分的峰值的波长偏移。
说明书
基于吸光度和荧光确定水处理参数
技术领域
本公开涉及用于基于使用吸光度和荧光光谱分析而鉴定的组分间接确定水处理设备所使用的参数(例如生物需氧量(BOD)，化学需氧量(COD)，总有机碳(TOC)，三卤甲烷生成势(THMFP)等)的方法。
背景技术
水处理厂，包括处理地表水源的水处理厂，一般来说应符合政府对从工厂分配的污水以及可能在处理过程中产生的中间副产物的各种要求。在美国，环境保护局(EPA)要求水处理厂在使用卤化/氯化消毒剂消毒成品水之前，先使用凝结过程来降低总有机碳(TOC)浓度。
虽然已经开发了用于监测TOC的各种工具或仪器，但仅TOC的在线监测不能提供必需的关于样品的芳构化性能的信息，所述信息是确定防止形成有毒消毒副产物(DBP)所需要的有效凝结和消毒剂量所需要的。芳香度是TOC的主要特征，其决定了与卤化消毒剂发生反应以生成有毒，致癌的DBP的化学反应性。
目前的惯例是使用分离的仪器/检测器对254nm(A254nm)的吸光度和TOC浓度进行单独测量，以便使用所谓的特定UV吸光度计算SUVA(special UV absorbance)=A254(m-1)/TOC(mg/l)来评估凝结的有效性。TOC和SUVA技术不能为不同的水源提供可重复的评估，因为水源的有机组分的芳构化性能对于特定的水源以及多个不同水源通常随时间而变化。另外，由于TOC测量仪和吸光度检测器的参数缺乏动力同时性，以及常规实现的分离检测方法的固有传播噪声/干扰，SUVA参数通常不精确，TOC和A254容易产生多种类型的干扰。使用独立的荧光数据提供了改善主干涉的影响的措施。
虽然以前关于美国水处理厂的规定需要整个分配系统的消毒副产物形成水平的平均读数，但是最近的EPA法规要求监测分配系统的不同区域中的消毒副产物形成水平的局部平均值。仅监测系统宽范围的平均值可能不足以检测具有较高的形成DBP的趋势的局部区域，这可能违反了EPA消毒副产物细则2(DBPR2)中的最新的规定。这当然会加强对处理过程的局部区域的更精确和准确的TOC和芳香度评估的需求。
使用EPA指定方法(例如EPA方法415.3)计算的A254，TOC和SUVA的不精确性也可归因于以下事实：两个检测器读数都是合计的，单点读数，因此缺乏关于反应性有机物的凝结处理的效果的定性信息。如前所述，关于它们对读数的影响，必须考虑许多干扰或混淆因素，包括无机碳，例如铁的金属，和可能发荧光或没有发荧光的未知污染物。此外，在线TOC测量仪也很容易超出校准范围，如在线DBP测量仪(气相色谱仪)。大多数水处理厂无法负担安装和维护这些设备的经费。然而，由于最近的监管要求，美国许多水处理厂正在考虑重大的基础设施变化(数千万美元)，包括加入臭氧破坏和离子交换过程，如MIEX树脂处理过程，例如。
发明内容
一种用于确定水处理参数的计算机实现方法包括：通过计算机接收响应于激发波长发射的水样品的荧光发射光谱，所述水样品包括第一峰值发射波长和至少第二峰值发射波长;由计算机接收在水样品的激发波长处获得的吸光度测量;使用计算机确定在第二峰值发射波长处的测量与在第一峰值发射波长处的测量的比率，或者在多个峰值发射波长处的多个测量之和与在第一峰值发射波长处的测量的比率，所述多个峰值发射波长至少包括第一峰值发射波长和第二峰值发射波长;并且使用计算机根据至少所述比率和吸光度测量的线性组合来计算水处理参数的值。该方法可以：基于使用吸光度和荧光光谱分析鉴定的组分的比率，而不是依赖于受到更多干扰和读数相关差异的影响的仪器(例如TOC测量仪)，能够提供水处理设备使用的参数(例如生化需氧量(BOD)，化学需氧量(COD)，总有机碳(TOC)，三卤甲烷和卤乙酸生成势(分别为HAAFP和THMFP)等)的间接确定。
在一个实施例中，用于控制水处理过程的计算机实现的方法包括测量响应于激发波长产生的处理前水样品在预定波长范围内的第一荧光发射光谱;使第一荧光发射光谱归一化为预定的峰值;测量响应于激发波长产生的处理后水样品在预定波长范围内的第二荧光发射光谱;将第二荧光发射光谱归一化为预定峰值;比较第一峰值归一化荧光发射光谱和第二峰值归一化荧光发射光谱以确定溶解的有机碳(DOC)的变化;和根据DOC的变化控制水处理过程。
实施例还可以包括用于监测包含凝结-沉降或仅絮凝过程的水处理过程的系统。系统可以包括第一仪器，其定位用于在凝结-沉降过程的入口进行在线采样，所述第一仪器响应于第一激发波长测量入口样品的第一荧光发射光谱;第二仪器，其定位用于在凝结-沉淀过程的出口进行在线取样，所述第二仪器响应于所述第一激发波长测量出口样品的第二荧光发射光谱;和与第一仪器和第二仪器通信的计算机，所述计算机被配置为比较第一荧光发射光谱和第二荧光发射光谱，以控制凝结-沉降(或絮凝)过程。
根据本公开的各种实施例的系统和方法可以提供许多优点。例如，实施例可以用于使用在线吸光度校正荧光激发发射光谱来提供用于监测或控制水处理设备的一种或多种水处理参数(例如生物需氧量(BOD)，化学需氧量(COD)总有机碳(TOC)和三卤甲烷生成势(THMFP))的更快速，精确和准确的间接确定。
各种实施例使用位于水处理系统的一个或多个关键点处的一个或多个在线仪器同时确定TOC、芳香度和SUVA参数。在线仪器的同步校准网络在几毫秒到几秒的量级上提供全紫外可见(UV-VIS)吸光度和校正荧光发射光谱，以用于一个或多个处理过程的实时或近实时监测和控制。本公开的系统和方法的实施例有助于当前的水处理基础设施方法(例如使用增强的凝结或额外的颗粒活性炭)的成本有效地改进来减轻预期的消毒副产物(DPB)尖峰，并且避免在DBP电位低时凝结剂过量。
根据本公开的实施例的在线吸光度和荧光光谱分析可用于将未知污染物识别或标记作为新组分。根据本公开的实施例的用于间接确定水处理参数的系统或方法包括模型，该模型使用光谱分析来确定用于监测和/或控制处理过程的各种应用或过程特定处理参数。各种实施例的系统和方法可以用于检测用于各种膜系统(包括反渗透，微过滤，超滤和膜生物反应器以及正向渗透(陶瓷膜))的膜结垢剂。结垢剂可能具有相关的光谱峰。因此，该系统和方法可用于各种处理设备，包括脱盐，废水回收和工业处理以及使用膜技术的船上压舱水净化系统。该模型可以针对各种应用(包括地表水处理，废水处理或工业处理过程)进行调整。在各种实施例中，该模型被调整为用于污水处理的蛋白质类峰，以提供生物需氧量(BOD)或化学需氧量(COD)的间接确定。类似地，该模型可以调节为油回收应用的油峰等。氧浓度是在模型中能够被量化的一个因子，通过评估吸光度和荧光数据，该因子在模型中可以被量化为用于臭氧处理监测的组分种类的量子产率的影响因素。与臭氧处理相关的水溶液中的氧气降低给定化学物质的荧光量子产率(通过碰撞淬灭)，但通常不会降低其吸光度消光系数。因此，通过评估荧光强度和吸光度的变化，可以根据处理过程评估氧浓度和浓度变化。
根据本公开的实施例的系统或方法的其它应用和优点包括用于通过分析C1-C4组分的水平或比率来有效监测和准确地确定生物活性炭(BAC)过滤器的替换时期。BAC活性主要影响臭氧处理后的蛋白质类峰。这可以每年节省数百万英镑的活性炭和数百万美元。一个水处理设施估计，它可以利用有效性的准确测量以极高的成本节省延长其BAC过滤垫的使用寿命以高达数年，而不是按照碳垫供应商的年度替换建议。
使用具有一个或多个多通道检测器的仪器，相对于许多离线分析策略而言，吸收数据和荧光数据的收集和处理是即时性生效的(在几秒钟内)。基于所公开的代表性实施例，可以容易地校准和验证算法以精确和准确地量化通过凝结，臭氧或其它过程而具体地去除的化合物。
在线吸光度和荧光测量可以与其他在线监测器质量度量学(包括比浊浊度单位(NTU)，氯剂量和残留量，pH，碱度(硬度)和温度)结合，例如，可以容易地并入不断更新的预测模型，以用于高效确定消毒副产物生成势和TOC。
从以下结合附图对优选实施例的详细描述中，本公开的上述优点和其它优点和特征将是显而易见的。