本刊編譯整理

　　近期，德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（FraunhoferInstitute for Laser Technology ILT）正在測(cè)試一種新型激光浸入式探頭，該探頭是BMBF 和歐盟與工業(yè)合作伙伴和用戶共同資助的項(xiàng)目的一部分，可為污水處理廠水處理過(guò)程的連續(xù)在線監(jiān)測(cè)鋪平道路。二維熒光測(cè)量方法可直接在澄清池現(xiàn)場(chǎng)生成光譜數(shù)據(jù)。結(jié)合智能評(píng)估軟件，該過(guò)程是實(shí)現(xiàn)節(jié)能和資源節(jié)約型水處理的關(guān)鍵。

　　為了監(jiān)控污水處理廠的水處理過(guò)程，操作人員迄今一直依賴于24 小時(shí)綜合樣本。這些樣本全天連續(xù)采集，然后在實(shí)驗(yàn)室分析總參數(shù)，如有機(jī)碳總量TOC、溶解有機(jī)碳或生物物質(zhì)完全好氧降解所消耗的氧氣量。然而，鑒于城市地區(qū)人口密度不斷增加，廢水成分也各不相同，這種24 小時(shí)網(wǎng)格監(jiān)測(cè)已達(dá)到極限。

　　更嚴(yán)密的監(jiān)測(cè)對(duì)廢水處理質(zhì)量有好處。如果操作人員能夠跟蹤參數(shù)測(cè)量值在處理過(guò)程中的變化情況，還可以大大減少生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)能源和昂貴的操作材料的需求，因?yàn)檫@些材料通常會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。這樣，他們就能根據(jù)這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更有效地控制工廠。

　　新型浸入式探頭可檢測(cè)廢水中的熒光體排放

　　研究所的一個(gè)研究小組目前正在為實(shí)現(xiàn)這種基于數(shù)據(jù)的水處理奠定技術(shù)基礎(chǔ)。其核心是一種基于激光的新型浸入式探頭，它能將實(shí)驗(yàn)室的水分析結(jié)果直接傳送到澄清池中。“我們利用與水質(zhì)有關(guān)的物質(zhì)在特定波長(zhǎng)光的激發(fā)下會(huì)發(fā)出熒光的現(xiàn)象。浸入式探頭用紫外和可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)的不同波長(zhǎng)激發(fā)這些熒光團(tuán)，并檢測(cè)發(fā)射的熒光信號(hào)。”負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的生物分析專家 Christoph Janzen 博士解釋說(shuō)。

　　在線二維熒光分析的目標(biāo)包括氨基酸色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸和腐殖酸。由于它們的激發(fā)波長(zhǎng)從苯丙氨酸的260納米到腐殖酸的350 納米不等，研究小組將探針與可調(diào)光源耦合在一起。這可以用特定波長(zhǎng)激發(fā)所有目標(biāo)物質(zhì)。如果廢水中存在這些物質(zhì)，它們就會(huì)發(fā)出其特有的長(zhǎng)波熒光信號(hào)。使用靈敏的光譜儀時(shí)，可以記錄每個(gè)激發(fā)波長(zhǎng)的熒光光譜。

　　這就產(chǎn)生了記錄激發(fā)波長(zhǎng)和相應(yīng)發(fā)射光的二維地圖。這些所謂的激發(fā)- 發(fā)射矩陣將檢測(cè)到的熒光信號(hào)可視化，并為操作人員提供廢水處理過(guò)程中每個(gè)階段的有機(jī)污染負(fù)荷的精確信息。這種二維熒光測(cè)量，可以在處理過(guò)程中直接在線記錄廢水的特征和參數(shù)。迄今為止，傳統(tǒng)工藝只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行離線測(cè)量。Janzen 解釋說(shuō)：市面上用于確定參數(shù)的在線探頭通常只在有限的參數(shù)范圍內(nèi)可靠，如果廢水成分變化很大，則會(huì)提供不正確的測(cè)量數(shù)據(jù)。為了驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果，除熒光數(shù)據(jù)外，還可以使用浸入式探頭記錄透射光譜。

　　便捷式浸入式探頭的精密集成

　　項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)利用研究所廣泛的光學(xué)設(shè)計(jì)和測(cè)量技術(shù)專長(zhǎng)，以方便的浸入式探頭的形式實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的在線測(cè)量過(guò)程。到目前為止，測(cè)量通常是在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中離線進(jìn)行的。激光點(diǎn)燃的氙等離子燈是光束源，具有亮度高、熱損耗低的特點(diǎn)。所需的波長(zhǎng)通過(guò)單色器過(guò)濾后，通過(guò)光纖傳輸?shù)浇胧教筋^。

　　在那里，光束被透鏡準(zhǔn)直，并通過(guò)非球面光學(xué)器件聚焦到測(cè)量點(diǎn)上。同一光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)第二個(gè)準(zhǔn)直透鏡將所需物質(zhì)的熒光信號(hào)耦合到另一根光纖中，再將其傳輸?shù)交贑CD 的光譜儀上。該團(tuán)隊(duì)與來(lái)自工業(yè)界和研究領(lǐng)域的合作伙伴在一個(gè)聯(lián)合研究項(xiàng)目中開(kāi)發(fā)的軟件用于評(píng)估和可視化測(cè)量數(shù)據(jù)。

　　研究團(tuán)隊(duì)在歐盟資助的“用于在線水和廢水監(jiān)測(cè)的二維熒光探頭”項(xiàng)目中，與一家中型測(cè)量技術(shù)供應(yīng)商、一家水管理研究所和一家地區(qū)水務(wù)局共同開(kāi)發(fā)了該探頭。目前由BMBF資助的項(xiàng)目AIX-Watch將繼續(xù)開(kāi)發(fā)二維熒光測(cè)量方法，并在實(shí)際條件下進(jìn)行測(cè)試。

　　Janzen 說(shuō)：項(xiàng)目的中期目標(biāo)是利用連續(xù)在線測(cè)量，優(yōu)化污水處理廠的控制和調(diào)節(jié)。運(yùn)營(yíng)商必須檢查并記錄污水處理廠是否符合各項(xiàng)參數(shù)的限值要求。新的二維熒光工藝不能直接記錄這些參數(shù)。不過(guò)，記錄的氨基酸和腐殖酸與參數(shù)相關(guān)。

　　已經(jīng)有數(shù)學(xué)模型可以從這些相關(guān)性中推斷出總參數(shù)的值。Janzen 解釋說(shuō)：如果這些模型能夠處理由潛水探頭提供的連續(xù)收集的在線測(cè)量數(shù)據(jù)，那么分析的準(zhǔn)確性將來(lái)還會(huì)繼續(xù)提高。這將使操作人員能夠在線了解水處理工藝的狀態(tài)，并相應(yīng)地調(diào)整操作策略。

　　利用人工智能和在線傳感器實(shí)現(xiàn)智能自適應(yīng)水處理

　　這將使基于激光的浸入式探頭成為智能水處理的基礎(chǔ)技術(shù)。當(dāng)它與在線傳感器技術(shù)和人工智能相結(jié)合時(shí)，用戶就可以在廢水成分不斷變化的情況下，只使用符合法定限制所需的能源和昂貴的運(yùn)行材料（如臭氧）。Janzen 強(qiáng)調(diào)說(shuō)：由于我們?cè)谶@里使用的是數(shù)學(xué)模型，因此仍需要傳統(tǒng)的離線分析來(lái)支持。不過(guò)，學(xué)習(xí)模型是一種很有前途的自適應(yīng)廢水處理方法，它以在線測(cè)量為基礎(chǔ)，根據(jù)水的實(shí)際狀態(tài)和當(dāng)前成分調(diào)整運(yùn)行策略。

　　為了使這一工藝得到廣泛應(yīng)用，研究所的團(tuán)隊(duì)正在繼續(xù)同步開(kāi)發(fā)該探測(cè)器。據(jù)Janzen 稱，一種方法是使用成本效益更高的LED 來(lái)代替可調(diào)氙等離子光源。這是因?yàn)樵跀?shù)據(jù)挖掘和人工智能領(lǐng)域，快速擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫(kù)尤為重要。更具成本效益的浸入式探針是接近這一目標(biāo)的途徑之一。

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