廢水資源化處理關鍵過程產物在線檢測儀的製作方法

2023-05-04 22:19:51 6

專利名稱：廢水資源化處理關鍵過程產物在線檢測儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種廢水資源化處理過程中關鍵產物的螢光在線檢測儀，特別是一種配有陣列式光源模塊、陣列式激發單色模塊、流通樣品池、陣列式發射單色模塊和陣列式探測模塊的螢光在線檢測儀器，屬於光電檢測領域。
背景技術：
大部分化工、輕工和紡織印染等行業的廢水濃度高、有毒、有害、難生化降解、成分複雜，不同廢水中還含有如硝基苯、苯胺類、酚類等各種不同的生物毒害物質，而且混合廢水的B0D5/C0Dra很低(< 0. 2)，遠小於業界公認的較難生化值0. 3和不宜生化值0. 25。對於高濃度有機廢水中的綜合治理在我國一直未得到根本解決，特別是難生物降解的高濃度有機廢水的治理更為困難。國外從20世紀60年代開始研究高濃度有毒、有害化工廢水的治理工藝，已用於生產規模的主要有溼式氧化法、膜分離法、吸附法和焚燒法等。 但是由於處理費用較高(通常為15 30元/t，甚至更高)，國內很少有企業採用。目前工廠企業排放出的高濃度有機廢水一般用兩類方法處理一種是採用化學氧化和催化氧化為主的工藝；另一種是預處理提高可生化性後再採用生化處理。目前國內還僅限於小流量高濃度難生化降解的廢水處理，其推廣應用受到很大限制。生化法由於其經濟、高效，一直以來在有機廢水的二級和深度處理中佔有重要的地位，是廢水達標排放的重要保障。生化法目前是國內大多數高濃度有機廢水處理工程實踐中的必選方法，也只有生化法才能在組合工藝的末端，較經濟的滿足我國目前「分散治理、達標排放」所要求的較低排放濃度。厭氧廢水處理是一種低成本的廢水生化處理技術，它又是把廢水處理和降解毒性物質相結合的一種技術。厭氧生物處理是指在無溶解氧的條件下，通過厭氧微生物的作用， 將汙水中所含有的各種複雜有機物，如碳水化合物(糖)、脂肪、蛋白質等經厭氧分解轉化成無機物和少量的細產物(沼氣和水)，從而達到廢水處理和資源化的目的。這種技術有效、簡單且費用低廉，特別適合我國國情。厭氧生物處理技術作為一種經濟有效的汙水處理工藝，尤其在處理高濃度有機廢水方面取得了良好的效果。生物反應器在廢水厭氧降解過程中扮演著最重要的角色，反應器的正常運行是保證降解過程良好處理效果的前提，對其進行實時監測顯得尤為重要。在廢水處理過程中，微生物會產生多種化合物，如色氨酸、核黃素以及輔酶等。它們的種類和濃度與微生物反應過程、反應器運行狀態有著密切的聯繫。傳統的化學分析方法難以實時反映反應器的狀態，而電化學方法又需要頻繁校正。若能實現廢水生物處理反應器的在線監控，將大大提高廢水處理效率。色氨酸、輔酶和核黃素在紫外或可見光的激發下，會產生出螢光，在螢光光譜圖上亦有其特徵位置。根據文獻報導，蛋白螢光主要歸因於其蛋白中色氨酸殘基的螢光，可以反映出水中蛋白濃度的變化。輔酶NADH在340nm的紫外光照射下會發出460nm的螢光，而其氧化態NAD+不具有螢光活性。NADH在氧化磷酸化的過程中會將電子傳遞給氧，自身被氧化成NAD+，同時生成ATP。在缺氧的狀態下，這一過程受到抑制，NADH不能夠通過氧化磷酸化的作用被氧化而出現積累。因此，當反應器從好氧狀態變化為厭氧狀態時，NADH螢光會出現突躍。這一特徵可以被用來監控生物反應器的狀態變化。此外，核黃素是輔酶黃素單核苷酸(FMN)和黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)中的螢光基團，它在370nm或430nm的入射光激發下可以發射出520nm的螢光，NADH可以將氫傳遞給FMN或FAD而生成其還原型FMNH2和 FADH2,而FMNH2或FADH2並沒有螢光活性。因此，核黃素的螢光變化顯示了 FMN或FAD濃度的變化。上述螢光變化讓我們能夠洞察三羧酸循環，通過色氨酸、核黃素和輔酶濃度的變化反映反應器是否出現異常，進而通過調節水力停留時間、底物濃度和溫度的變化，建立螢光物質濃度變化與反應器操作參數之間的響應關係，明確其中的生物反應過程，實現反應器的實時監測。傳統的檢測方法需要取樣後在實驗室進行測定，測定需要時間長、需要消耗化學試劑、可能造成二次汙染。螢光光譜能有效地對廢水厭氧降解過程中色氨酸、核黃素和輔酶進行多組分同時定性定量檢測，但實驗室常規螢光光譜儀結構複雜、體積龐大、成本昂貴、 使用條件苛刻、維護費用高、光譜解析速度慢，無法應用於在線檢測。而廢水資源化處理關鍵過程產物在線檢測儀能對廢水資源化處理關鍵過程產物進行直接、在線、實時、非接觸檢測，不消耗試劑。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種廢水資源化處理關鍵過程產物在線檢測儀。本發明主要採用陣列式光源模塊代替單一光源、陣列式激發單色模塊代替激發單色儀、流通樣品池代替比色皿或光纖、陣列式發射單色模塊代替發射單色儀、陣列式探測模塊代替單一探測器，從而實現廢水資源化處理關鍵過程產物在線檢測儀。顯然，本發明採用陣列式光源模塊代替單一光源，可根據色氨酸、輔酶和核黃素的螢光發射效率差異選取不同能量的光源，可使色氨酸、輔酶和核黃素均產生最大發射螢光強度；若採用單一光源，光源則必須覆蓋色氨酸、輔酶和核黃素的激發波長範圍，一旦光源確定，各波長的能量差異也就隨之確定，對色氨酸、輔酶和核黃素同時檢測時，由於其存在螢光發射效率差異，無法使色氨酸、輔酶和核黃素均產生最大發射螢光強度。顯然，本發明採用陣列式激發單色模塊代替激發單色儀，可為色氨酸、輔酶和核黃素同時產生最佳激發單色波長，且無內部轉動部件；而激發單色儀是由步進電機和轉動光柵構成，存在步進電機引起的誤差、體積大、不能同時產生色氨酸、輔酶和核黃素的最佳激發單色波長。顯然，本發明採用流通樣品池代替比色皿或光纖，可為在線檢測提供基礎，且由於窗口尺寸大、帶有螢光反射鏡和光源反射鏡，能為提高螢光發射效率和螢光收集效率；若採用比色皿，則無法實現在線檢測；若採用光纖進行光源和螢光傳導，由於光纖的芯徑和數值孔徑的限制，導光效率低。顯然，本發明採用陣列式發射單色模塊代替發射單色儀，可為陣列式探測模塊同時產生色氨酸、輔酶和核黃素的特徵波長的單色螢光信號，且無內部轉動部件；而發射單色儀是由步進電機和轉動光柵構成，存在步進電機引起的誤差、體積大、不能同時產生色氨酸、輔酶和核黃素的特徵波長的單色螢光信號。
顯然，本發明採用陣列式探測模塊代替單一探測器，可根據色氨酸、輔酶和核黃素產生的螢光信號選取不同波長、不同靈敏度的探測器，在保證靈敏度的前提下降低了儀器成本；若採用單一探測器，探測器則必須兼顧色氨酸、輔酶和核黃素螢光信號的中心波長、 螢光強度，且無法實現色氨酸、輔酶和核黃素螢光信號的同時探測。顯然，本發明可以方便的同時、直接、在線檢測色氨酸、輔酶和核黃素的濃度，是廢水資源化處理關鍵過程產物在線檢測的理想儀器，也可以方便的同時、直接、在線檢測水中其他的螢光性有機汙染物的濃度。本發明還具有操作簡單、選擇性好、價格低廉的優點。





圖1是本發明的廢水資源化處理關鍵過程產物在線檢測儀總體結構示意圖<
圖2是本發明的陣列式光源模塊結構示意圖。
圖3是本發明的陣列式激發單色模塊剖面放大示意圖。
圖4是本發明的流通樣品池俯視圖。
圖5是本發明的陣列式發射單色模塊剖面放大示意圖。
圖6是本發明的陣列式探測模塊結構示意圖。
圖7是本發明的數據處理模塊結構示意圖。
其中
1 陣列式光源模塊 2 陣列式激發單色模塊 4 陣列式發射單色模塊5 陣列式探測模塊
11 14 21 24
12 :284nm 光源
光源驅動電路 440nm光源激發單色模塊外殼激發下層單色通道 231 :360nm帶通濾光片 242 平凸透鏡 31 流通池
發射單色模塊外殼發射下層單色通道 431 :455nm帶通濾光片 442 平凸透鏡 51 探測器驅動電路 54 探測器III
61 中央處理電路 62 信號採集電路 64 控制信號輸出電路65 通信接口
3 流通樣品池 6 數據處理模塊 13 :360nm 光源
41 44
22 激發上層單色通道 221 :284nm帶通濾光片 232 平凸透鏡
32 螢光反射鏡 42 發射上層單色通道 421 :360nm帶通濾光片 432 平凸透鏡
23 激發中層單色通道
222 平凸透鏡
241 :440nm帶通濾光片
33 光源反射鏡 43 發射中層單色通道 422 平凸透鏡 441 :532nm帶通濾光片
52 探測器I
53 探測器II
63 鍵盤輸入電路 66 顯示電路
具體實施例方式以下將對本發明的廢水資源化處理關鍵過程產物在線檢測儀結合附圖作進一步的詳細描述。如圖1所示，本發明的廢水資源化處理關鍵過程產物在線檢測儀具有陣列式光源模塊1、陣列式激發單色模塊2、流通樣品池3、陣列式發射單色模塊4、陣列式探測模塊5、數據處理模塊6。陣列式光源模塊1用於為整個儀器提供穩定的三種激發光信號；陣列式激發單色模塊2用於將三種激發光信號轉換成中心波長分別為278nm、360nm、440nm的三種單色激發光信號；流通樣品池3用於將廢水處理過程中的水樣導入流通樣品池、受激產生特徵波長分別為360nm、460nm、526nm的螢光信號、再導出流通樣品池；陣列式發射單色模塊4用於將三種螢光信號轉換成中心波長分別為360nm、455nm和532nm的三種單色螢光信號；陣列式探測模塊5用於將三種單色螢光信號同時轉換成對應的三種模擬信號；數據處理模塊 6用於將三種模擬信號轉換成數位訊號，並通過光譜處理軟體分析獲得色氨酸、輔酶以及核黃素的濃度，同時實現鍵盤輸入和顯示、通信、控制信號輸出。如圖2所示，本發明的陣列式光源模塊1由縱向緊密排列的284nm光源12、360nm 光源13、440nm光源14，以及光源驅動電路11連接構成。上述284nm光源12、360nm光源13、440nm光源14可選取脈衝氙燈、LED或雷射器寸。如圖3所示，本發明的陣列式激發單色模塊2嵌在激發單色模塊外殼21內的縱向緊密排列的激發上層單色通道22、激發中層單色通道23、激發下層單色通道24構成；激發上層單色通道22由橫向緊密排列的平凸透鏡222和284nm帶通濾波器221構成，其作用是為流通樣品池3水樣中的色氨酸提供284nm單色激發光信號；激發中層單色通道23由橫向緊密排列的平凸透鏡232和360nm帶通濾波器231構成，其作用是為流通樣品池3水樣中的輔酶提供360nm單色激發光信號；激發下層單色通道24由橫向緊密排列的平凸透鏡242 和440nm帶通濾波器241構成，其作用是為流通樣品池3水樣中的核黃素提供440nm單色激發光信號。如圖4所示，本發明的流通樣品池3由兩端開口的流通池31、緊貼於流通池31內壁的螢光反射鏡32和光源反射鏡33構成；光源反射鏡33的作用是提高螢光發射效率；螢光反射鏡32的作用是增加螢光收集效率；流通池31的作用是為陣列式發射單色模塊3提供特徵波長分別為360nm、460nm、526nm的三種螢光信號，其中特徵波長為360nm的螢光信號是由284nm單色激發光信號激發流通池31水樣中的色氨酸產生，特徵波長為460nm的螢光信號是由360nm單色激發光信號激發流通池31水樣中的輔酶產生，特徵波長為526nm的螢光信號是由440nm單色激發光信號激發流通池31水樣中的核黃素產生。上述流通池31是由石英玻璃、玻璃或塑料構成。如圖5所示，本發明的陣列式發射單色模塊4嵌在發射單色模塊外殼41內的縱向緊密排列的發射上層單色通道42、發射中層單色通道43、發射下層單色通道44構成；發射上層單色通道42由橫向緊密排列的平凸透鏡422和360nm帶通濾波器421構成，其作用是將特徵波長為360nm的螢光信號轉換成中心波長為360nm的單色螢光信號；發射中層單色通道43由橫向緊密排列的平凸透鏡432和455nm帶通濾波器431構成，其作用是將特徵波長為460nm的螢光信號轉換成中心波長為455nm的單色螢光信號；發射下層單色通道44由橫向緊密排列的平凸透鏡442和532nm帶通濾波器441構成，其作用是將特徵波長為526nm 的螢光信號轉換成中心波長為532nm的單色螢光信號。如圖6所示，本發明的陣列式探測模塊5由縱向緊密排列的探測器152、探測器 1153、探測器11154，以及探測器驅動電路51連接構成；探測器152的作用是將中心波長為360nm的單色螢光信號轉換成模擬信號；探測器1153的作用是將中心波長為455nm的單色螢光信號轉換成模擬信號；探測器III54的作用是將中心波長為532nm的單色螢光信號轉換成模擬信號。上述探測器152、探測器1153、探測器III54可選取光電倍增管、光電二極體或雪
崩二極體等。如圖7所示，本發明的數據處理模塊由中央處理電路61、信號採集電路62、鍵盤輸入電路63、控制信號輸出接口 64、通信接口 65、顯示電路66連接構成；信號採集電路62的作用是將由陣列式探測模塊5獲得的三種模擬信號轉換成數位訊號；中央處理電路61的作用是響應信號採集電路62、鍵盤輸入電路63、通信接口 65和顯示電路66，為控制信號輸出接口 64提供陣列式光源模塊1和陣列式探測模塊5提供控制信號。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所做的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種廢水資源化處理關鍵過程產物在線檢測儀，其特徵在於，陣列式光源模塊(1) 用於為整個儀器提供穩定的三種激發光信號；陣列式激發單色模塊(2)用於將三種激發光信號轉換成中心波長分別為284nm、360nm、440nm的三種單色激發光信號；流通樣品池(3) 用於將廢水處理過程中的水樣導入流通樣品池、受激產生螢光信號、再導出流通樣品池，其過程為導入流通樣品池的水樣含有表徵廢水資源化效率的關鍵產物——色氨酸、輔酶以及核黃素，色氨酸受284nm單色激發光信號輻射後產生特徵波長為360nm螢光信號，輔酶受 360nm單色激發光信號輻射後產生特徵波長為460nm螢光信號，核黃素受440nm單色激發光信號輻射後產生特徵波長為526nm螢光信號，將特徵波長分別為360nm、460nm、526nm的三種螢光信號導入隨後的陣列式發射單色模塊(4)，最後將水樣導出流通樣品池；陣列式發射單色模塊(4)用於將三種螢光信號轉換成中心波長分別為360nm、455nm和532nm的三種單色螢光信號；陣列式探測模塊(5)用於將三種單色螢光信號同時轉換成對應的三種模擬信號；數據處理模塊(6)用於將三種模擬信號轉換成數位訊號，並通過光譜處理軟體分析獲得色氨酸、輔酶以及核黃素的濃度，同時實現鍵盤輸入和顯示、通信、控制信號輸出。
2.如權利要求1所述的廢水資源化處理關鍵過程產物在線檢測儀，其特徵在於，該陣列式光源模塊(1)由縱向緊密排列的284nm光源(12)、360nm光源(13)、440nm光源(14)， 以及光源驅動電路(11)連接構成。
3.如權利要求2所述的廢水資源化處理關鍵過程產物在線檢測儀，其特徵在於，上述 284nm光源(12)、360nm光源(13)、440nm光源(14)可選取脈衝氙燈、LED或雷射器等。
4.如權利要求1所述的廢水資源化處理關鍵過程產物在線檢測儀，其特徵在於，該陣列式激發單色模塊(2)嵌在激發單色模塊外殼(21)內的縱向緊密排列的激發上層單色通道(22)、激發中層單色通道(23)、激發下層單色通道(24)構成；激發上層單色通道(22)由橫向緊密排列的平凸透鏡(222)和284nm帶通濾波器(221)構成，其作用是為流通樣品池 (3)水樣中的色氨酸提供284nm單色激發光信號；激發中層單色通道(23)由橫向緊密排列的平凸透鏡(232)和360nm帶通濾波器(231)構成，其作用是為流通樣品池(3)水樣中的輔酶提供360nm單色激發光信號；激發下層單色通道(24)由橫向緊密排列的平凸透鏡(242) 和440nm帶通濾波器(241)構成，其作用是為流通樣品池(3)水樣中的核黃素提供440nm 單色激發光信號。
5.如權利要求1所述的廢水資源化處理關鍵過程產物在線檢測儀，其特徵在於，該流通樣品池⑶由兩端開口的流通池(31)、緊貼於流通池(31)內壁的螢光反射鏡(32)和光源反射鏡(33)構成；光源反射鏡(33)的作用是提高螢光發射效率；螢光反射鏡(32)的作用是增加螢光收集效率；流通池(31)的作用是導入、導出水樣，並為陣列式發射單色模塊 (3)提供特徵波長分別為360nm、460nm、526nm的三種螢光信號，其中特徵波長為360nm的螢光信號是由284nm單色激發光信號激發流通池(31)水樣中的色氨酸產生，特徵波長為 460nm的螢光信號是由360nm單色激發光信號激發流通池(31)水樣中的輔酶產生，特徵波長為526nm的螢光信號是由440nm單色激發光信號激發流通池(31)水樣中的核黃素產生。
6.如權利要求5所述的廢水資源化處理關鍵過程產物在線檢測儀，其特徵在於，上述流通池(31)是由石英玻璃、玻璃或塑料構成。
7.如權利要求1所述的廢水資源化處理關鍵過程產物在線檢測儀，其特徵在於，該陣列式發射單色模塊(4)嵌在發射單色模塊外殼(41)內的縱向緊密排列的發射上層單色通道(42)、發射中層單色通道(43)、發射下層單色通道(44)構成；發射上層單色通道(42) 由橫向緊密排列的平凸透鏡(422)和360nm帶通濾波器(421)構成，其作用是將特徵波長為360nm的螢光信號轉換成中心波長為360nm的單色螢光信號；發射中層單色通道(43)由橫向緊密排列的平凸透鏡(432)和455nm帶通濾波器(431)構成，其作用是將特徵波長為 460nm的螢光信號轉換成中心波長455nm的單色螢光信號；發射下層單色通道(44)由橫向緊密排列的平凸透鏡(442)和532nm帶通濾波器(441)構成，其作用是將特徵波長為526nm 的螢光信號轉換成中心波長為532nm的單色螢光信號。
8.如權利要求1所述的廢水資源化處理關鍵過程產物在線檢測儀，其特徵在於，該陣列式探測模塊(5)由縱向緊密排列的探測器I (52)、探測器II (53)、探測器III (54)，以及探測器驅動電路(51)連接構成；探測器I (52)的作用是將中心波長為360nm的單色螢光信號轉換成模擬信號；探測器II (53)的作用是將中心波長為455nm的單色螢光信號轉換成模擬信號；探測器III (54)的作用是將中心波長為532nm的單色螢光信號轉換成模擬信號。
9.如權利要求8所述的廢水資源化處理關鍵過程產物在線檢測儀，其特徵在於，上述探測器I (52)、探測器II (53)、探測器III (54)可選取光電倍增管、光電二極體或雪崩二極體等。
10.如權利要求1所述的廢水資源化處理關鍵過程產物在線檢測儀，其特徵在於，該數據處理模塊由中央處理電路(61)、信號採集電路(62)、鍵盤輸入電路(63)、控制信號輸出接口(64)、通信接口(65)、顯示電路(66)連接構成；信號採集電路(62)的作用是將由陣列式探測模塊(5)獲得的三種模擬信號轉換成數位訊號；中央處理電路(61)的作用是響應信號採集電路(62)、鍵盤輸入電路(63)、通信接口(65)和顯示電路(66)，為控制信號輸出接口(64)提供陣列式光源模塊(1)和陣列式探測模塊(5)的控制信號。
全文摘要
本發明涉及一種廢水資源化處理關鍵過程產物在線檢測儀，屬於光電檢測領域。該檢測儀，包括陣列式光源模塊，為儀器提供三種激發光信號；陣列式激發單色模塊，將激發光信號轉成284nm、360nm、440nm的單色激發光信號；流通樣品池，將水樣導入、受激產生特徵波長分別為360nm、460nm、526nm的螢光信號、再導出；陣列式發射單色模塊，將三種螢光信號轉成中心波長分別為360nm、455nm、532nm的單色螢光信號；陣列式探測模塊，將三種單色螢光信號同時轉成模擬信號；數據處理模塊，將三種模擬信號轉換成數位訊號，經分析獲得色氨酸、輔酶和核黃素的濃度。該檢測儀，可同時、直接、在線檢測廢水資源化處理關鍵過程產物的濃度，具有操作簡單、選擇性好、價格低廉的優點。
文檔編號G01N21/03GK102175657SQ201110000218
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月4日 優先權日2011年1月4日
發明者尚麗平, 李佔鋒, 武志翔, 王俊波, 王順利, 鄧琥, 馬有良 申請人:西南科技大學