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水质总氮总磷在线监测装置的性能优化研究

水质总氮总磷在线监测装置的性能优化研究

作者：梁康甫江南大学

学位级别：硕士

近年来,水污染日益严重,水体富营养化已成为一个世界性问题。水体中总氮总磷的浓度和水体富营养化程度密切相关。因此,有必要对水质总氮总磷浓度进行实时监测。本文在课题组开发的总氮总磷检测装置基础上,针对装置运行过程中存在的一些... 详细信息

近年来,水污染日益严重,水体富营养化已成为一个世界性问题。水体中总氮总磷的浓度和水体富营养化程度密切相关。因此,有必要对水质总氮总磷浓度进行实时监测。本文在课题组开发的总氮总磷检测装置基础上,针对装置运行过程中存在的一些问题,进行性能优化研究,分别从装置的检测分析方法、硬件结构、数据处理等方面进行了深入地研究,并付诸实施,并利用无线传输技术将数据传输至远程监控中心,实现水质总氮总磷的远程实时监测和远程控制功能。优化后的装置,提高了检测的精度和稳定性,降低了装置的维修率。研究成果主要由以下几方面:(1)针对微型光谱仪检测时的随机干扰和光源能量波动问题,在消除随机干扰影响的基础上,改进设计检测方案,建立了基于支持向量机的光谱数据校正模型,提高了总氮总磷检测的稳定性和检测精度。(2)当待测水样中含有浊度时,总磷检测值会受到浊度的影响,利用双波长法建立了总磷在线检测浊度补偿模型,并和利用国标浊度补偿方法的检测结果作对比,验证了该方法的有效性。由于该方法无需手动操作,适合用于水质总磷在线检测装置上。(3)对装置的整体布局进行了优化设计,并根据装置运行过程中出现的问题对氧化消解模块、流通池、反应池和温度控制模块进行了优化,提高了总氮总磷检测装置的测量精度,延长了使用寿命。(4)基于GPRS建立了多台总氮总磷检测装置的联合监控系统,实现了多台检测装置的数据远程传输和远程控制功能。

关键词：总氮总磷性能优化分光光度法数据校正浊度

在线消解-毛细管电泳-非接触电导检测同时检测水中总氮总磷研究

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在线消解-毛细管电泳-非接触电导检测同时检测水中总氮总磷研究

作者：盘祯桂林电子科技大学

学位级别：硕士

毛细管电泳(CE)-电容耦合非接触电导检测(CD)法是一种可用于环境现场检测的新方法,能够做到同时检测环境水样中的多种离子化合物。其仪器具有体积小、灵敏度高、便于现场化等优点。目前该方法只限于检测离子化合物,尚无检测总氮和总磷... 详细信息

毛细管电泳(CE)-电容耦合非接触电导检测(CD)法是一种可用于环境现场检测的新方法,能够做到同时检测环境水样中的多种离子化合物。其仪器具有体积小、灵敏度高、便于现场化等优点。目前该方法只限于检测离子化合物,尚无检测总氮和总磷的应用报导。而总氮和总磷是反映水环境质量的重要监测指标,在线同时检测能够有效反映水体质量,却暂无该方法的报导。为了拓展CE-CD方法在水质检测中的应用范围,本论文采用CE-CD方法同时检测总氮和总磷开展研究。(1)过硫酸钾法是检测总氮和总磷时最常用的消解方法,经过硫酸钾消解后的水样含有高浓度的硫酸盐,其严重影响消解生成硝酸盐和磷酸盐的电泳分离和检测。为了解决此问题,经条件优化后,实验采用500 mmol/L双(2-羟乙基)氨基(三羟甲基)甲烷(Bis Tris)与500 mmol/L 3-吗啉丙磺酸(MOPS)的高浓度混合溶液作为CE背景缓冲液,用于提升样品中痕量离子的电堆积效果;采用10μm内径的改性毛细管作为CE分离通道,减少高浓度缓冲液产生过量焦耳热的影响。以之为基础,建立了针对高浓度硫酸盐样品中痕量组分检测的CE-CD新方法。方法可以耐受的最高硫酸盐含量为18.5 mmol/L,此时硝酸盐和磷酸盐能实现基线分离,信号峰形基本不受影响。本方法15 d内测定浓度都为500μmol/L的硝酸盐和磷酸盐标准溶液,信号强度的相对标准偏差(RSD)分别为5.1%及4.6%(n=30),对于硝酸盐和磷酸盐的检出限分别为2.3μmol/L和2.8μmol/L。(2)基于上一章建立的CE-CD方法,结合过硫酸钾离线消解法,发展了一种总氮和总磷同时测定的方法。经条件优化后,采用含5 g/L过硫酸钾及1.5 g/L氢氧化钠的消解试剂与稀释后的样品(稀释比为25%-50%)在120℃高压容器内消解。消解液分别使用CE-CD法与标准方法检测,两者所得结果进行对比,能够较好匹配。对高浓度废水加入1 mmol/L 2-氨基乙基磷酸标准溶液考察加标回收率,总磷回收率在90%-110%,总氮则为62%-83%。(3)搭建了一套流通式紫外光催化-热消解装置,与带自动进样系统的毛细管电泳仪联用,组成自动检测系统。在流通式消解系统中,采用样品与氧化剂(5 g/L过硫酸钾溶液以及1.5 g/L氢氧化钠溶液)在线1:1混合,经18 W的紫外灯光照消解15min,再经90℃热消解15 min,然后与500μmol/L甲基磺酸钠内标物在线混合、除气泡、水浴降温后使用CE-CD法检测。流通式消解系统优化后对大部分含氮、磷化合物消解效率达到80%。在线消解-毛细管电泳仪可实现对污水厂等实际水样的检测。方法与标准吸光光度法对比,两种方法结果匹配良好,但方法对于部分有机化合物的回收率仍有待提高。

关键词：总氮总磷毛细管电泳-电容耦合非接触电导检测过硫酸钾法

海水总氮总磷精细光谱原位探测与实时处理技术研究

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海水总氮总磷精细光谱原位探测与实时处理技术研究

作者：刘骁陕西师范大学

学位级别：硕士

海洋是大自然珍贵的宝藏,它孕育着十分丰富的自然资源,养育着自然界万千的生灵。然而随着工业发展和经济增长,人类过度开发海洋资源而忽视对海洋环境的保护。近年来,随着总氮总磷的超标使得海水富营养化,导致赤潮、浒苔等现象频发,而我... 详细信息

海洋是大自然珍贵的宝藏,它孕育着十分丰富的自然资源,养育着自然界万千的生灵。然而随着工业发展和经济增长,人类过度开发海洋资源而忽视对海洋环境的保护。近年来,随着总氮总磷的超标使得海水富营养化,导致赤潮、浒苔等现象频发,而我国现有的海水总氮总磷监测技术手段主要依靠巡航采样、实验室分析法,对实时监测的技术研究甚少,一些科研机构或公司的产品很大部分不能适用于海水水体的复杂背景环境,无法通用于常规的海洋水质精确分析。国际上一些著名水质分析仪器厂商如意大利希思公司的产品,可部分适用于我国当前的海洋现状,但精度偏低、售价高昂且无法实现原位在线分析。基于我国海水总氮总磷监测技术的研究现状,为满足我国对总氮总磷监测的迫切需求,本文提出一种海水总氮总磷精细光谱原位探测与实时处理技术,该技术基于国标和新型光谱分析法并结合嵌入式数据处理平台,通过对总氮总磷原始光谱数据探测、吸光度转化、平滑滤波、散射校正、特征位置提取、峰面积计算、适配线性回归模型,可精确分析海水总氮总磷浓度。在其基础上了进行嵌入式ARM硬件平台的电路设计以及Linux系统下的算法嵌入与程序设计,实现一款能够原位在线监测的海水总氮总磷仪器。相比传统的监测方法,能够实现原位探测,快速完成数据分析,提高测量的实时性。并对该仪器进行了实验室分析和近海海洋试验站应用,实验结果表明该仪器能够满足业务化监测需求,同时具有良好的准确性、稳定性和可靠性。

关键词：海洋水下传感器总氮总磷精细光谱 ARM在线处理平台嵌入式处理

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香溪河流域非点源总氮总磷负荷估算

水资源研究 2020年第3期9卷 301-309页

作者：杜学才胡波童晓霞云南省滇中引水工程建设管理局昆明分局云南昆明长江水利委员会长江科学院湖北武汉

以三峡库区香溪河流域为研究区,利用现场观测实验及查阅文献等方法确定不同污染源负荷模型输出系数,估算得出香溪河小流域土地利用、畜牧养殖及居民生活三种污染源负荷。结果表明,林地和旱地是土地利用污染源负荷中贡献率最大的,香溪河... 详细信息

以三峡库区香溪河流域为研究区,利用现场观测实验及查阅文献等方法确定不同污染源负荷模型输出系数,估算得出香溪河小流域土地利用、畜牧养殖及居民生活三种污染源负荷。结果表明,林地和旱地是土地利用污染源负荷中贡献率最大的,香溪河小流域总氮负荷量(TN)由高到低依次为畜牧养殖污染 >土地利用污染 >居民生活污染,而总磷负荷量(TP)由高到低依次为土地利用污染 >畜牧养殖污染 >居民生活污染。因此,选择合理的农田管理措施,有效控制林地、旱地施肥量及畜牧养殖污水排放,是防控三峡库区香溪河流域非点源污染的关键。

关键词：输出系数模型现场观测数值模拟非点源污染总氮总磷

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河西走廊东段武威市总氮总磷时空污染分析

安徽农业科学 2019年第19期47卷 73-77页

作者：李璐贾维平陈萌萌西北师范大学甘肃兰州730070 甘肃省武威市环保局甘肃武威733000 甘肃国通绿桓环境信息咨询有限公司甘肃武威733000

选择2006—2017年甘肃省武威市水库和地表水的TN、TP浓度进行研究,结果显示,2006—2017年5个水库及断面TN变化呈先下降后上升趋势,TN平均浓度为1.726mg/L,变化幅度为0.360~5.063mg/L,总磷呈平稳下降趋势,TP平均浓度为0.151mg/L,变化幅度... 详细信息

选择2006—2017年甘肃省武威市水库和地表水的TN、TP浓度进行研究,结果显示,2006—2017年5个水库及断面TN变化呈先下降后上升趋势,TN平均浓度为1.726mg/L,变化幅度为0.360~5.063mg/L,总磷呈平稳下降趋势,TP平均浓度为0.151mg/L,变化幅度为0.110~0.453mg/L;5个水库及断面浓度季节差异与干旱湿季的变化一致,地表水TN、TP浓度与降雨量的相关性较低;5个水库及断面12年空间差异明显,富营养化严重,其中石羊河扎子沟断面TN、TP均常年超标,是该区域环境监管的重点。

关键词：水库水质地表水总氮总磷河西走廊东段

坡耕地顺坡非均匀施肥对氮磷迁移及玉米生长的影响

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水土保持研究 2024年第6期 207-212页

作者：谢梅香金秋赵广举耿韧洪大林南京水利科学研究院农村水利研究所

[目的]分析坡耕地坡脚低肥、坡中中肥和坡顶高肥的顺坡非均匀施肥方式对土壤养分及玉米生长的作用，为坡耕地科学的施肥方式提供依据。[方法]通过布设野外径流小区和水样采集设备，观测了坡耕地土壤中氮磷迁移和玉米对养分的吸收。[结果... 详细信息

[目的]分析坡耕地坡脚低肥、坡中中肥和坡顶高肥的顺坡非均匀施肥方式对土壤养分及玉米生长的作用，为坡耕地科学的施肥方式提供依据。[方法]通过布设野外径流小区和水样采集设备，观测了坡耕地土壤中氮磷迁移和玉米对养分的吸收。[结果](1)降雨后坡脚的土壤含水量最高，坡顶的土壤水分下降最快最多。(2)整个玉米生长周期内土壤水氮向坡脚浅土层处迁移，而土壤水总磷则呈峰值变化的趋势且以坡顶最为显著。(3)非均匀施肥下玉米生长对氮素的吸收以及干物质产量都较好，坡脚处的氮肥吸收率达到51.3%,磷肥吸收率达到25.5%。[结论]减少总施肥量的非均匀施肥方式能够保证玉米生长对肥料的吸收及产量，为我国坡耕地施肥方式优化提供参考。

关键词：非均匀施肥土壤水总氮总磷养分吸收玉米产量

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基于无人机高光谱的氮磷含量反演方法研究

基于无人机高光谱的氮磷含量反演方法研究

作者：李恩大连海事大学

学位级别：硕士

水中总氮总磷含量的研究一直是社会的热点问题。工农业中大量氮、磷肥料的使用、含有氮磷的废水以及生活污水的随意排放导致内陆河以及近海河口的水体富营养化,打破了生态平衡。如果不进行及时管理,水质将急剧恶化,演变为赤潮和水华,造... 详细信息

水中总氮总磷含量的研究一直是社会的热点问题。工农业中大量氮、磷肥料的使用、含有氮磷的废水以及生活污水的随意排放导致内陆河以及近海河口的水体富营养化,打破了生态平衡。如果不进行及时管理,水质将急剧恶化,演变为赤潮和水华,造成巨额经济损失,因此对水体中氮磷的污染治理显得极为必要与紧迫。常规的氮磷的监测方法,需要人工采集水样分析获得氮磷的浓度数据,不但耗时费力且不能实现大范围的水质监测。新型的水质遥感监测技术,不仅降低了人工成本还可对大范围的水质实时监测,是水质监测的重要发展方向,因此研究水体中氮磷含量的遥感监测方法具有重要的意义。本论文基于无人机高光谱遥感数据光谱分辨率高,波段信息复杂的特点,对总氮、总磷含量反演模型的改进方法进行研究,实现反演精度的提升,具体如下:(1)提出了一种基于信号匹配度的显著性波段选择的模型反演方法。该方法将不同波段的光谱反射率信息看作背景信息,将总氮总磷的浓度向量看作目标向量,通过约束能量最小化方法首先从信息冗余度高的背景信息中选择出对水质参数变化影响较大的特征波段,同时结合了正交子空间投影算法中的正交投影原理抑制相邻区域波段的影响,进行迭代选择出最能反映氮磷浓度变化的特征波段集。最后通过选择出的波段集进行多元方程的回归分析建立遥感反演模型。(2)提出了一种基于求解欠定方程组的模型反演方法,将每个采样点的光谱数据与对应的水质参数看作一个方程,多个数据采样点组成了一组欠定方程组,利用QR分解矩阵的方法求得欠定方程组得最小个数非零解,从而选择出特征波段,结合非线性函数对特征波段进行波段扩展,并将扩展后的数据与对应的水质参数继续构成一个新的欠定方程组,通过对欠定方程组的求解建立遥感反演模型。为了验证上述两种遥感模型反演方法的性能,本文以辽河入海口为研究对象,设计实验采集无人机高光谱遥感数据,对总氮、总磷含量进行反演,并且与传统的遥感方法的反演精度作对比,证明本文提出的两种模型反演方法的有效性。

关键词：总氮总磷无人机高光谱遥感显著性波段选择欠定方程组

气候和土地利用变化情景下赣江流域氮磷负荷模拟研究

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气候和土地利用变化情景下赣江流域氮磷负荷模拟研究

作者：杨晨辉南京信息工程大学

学位级别：硕士

气候和土地利用变化背景下,我国水环境状况改善不平衡不协调问题突出,污染物排放压力持续增加,水环境治理仍面临较大挑战。在制定相应水环境治理措施的过程中需要充分考虑气候和土地利用的变化,分析流域内水文水质的变化趋势,厘清影响... 详细信息

气候和土地利用变化背景下,我国水环境状况改善不平衡不协调问题突出,污染物排放压力持续增加,水环境治理仍面临较大挑战。在制定相应水环境治理措施的过程中需要充分考虑气候和土地利用的变化,分析流域内水文水质的变化趋势,厘清影响水文水质变化的因素是制定有效治理措施的前提。本文从气候和土地利用共同变化角度出发,结合SSPs情景,以鄱阳湖水系中最大的赣江流域为研究区,使用国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)的全球气候模式数据和中国地区未来土地利用数据驱动SWAT水文模型,对气候和土地利用变化下赣江流域的径流、总氮和总磷的变化趋势进行研究。得到主要结论如下:1.1961—2019年赣江流域内年均气温和年降水量分别以0.19℃/(10 a)和24 mm/(10 a)呈现上升趋势。2021—2100年,流域内将呈现变暖变湿的趋势,相比基准期(1995—2014年),气温将上升1.1～5.9℃,降水将增加4.1%～11.2%。2.中国地区未来土地利用数据表明,2021—2050年赣江流域内草地面积由于转出为林地、耕地和城镇而持续减少;城镇和林地面积由于草地转入而呈现增加;耕地面积在SSPs情景下表现不一致。3.赣江流域内降水是影响径流的主要因素。2021—2050年赣江流域外洲站年径流量2950.8 m/s～3405.9 m/s,较基准期增加约1.8%～17.5%;月径流量主要在冬春季节增加的幅度较低,在夏秋季节增加的幅度较高。4.降水量与总氮、总磷呈正相关,相关系数分别为0.68～0.76和0.95～0.97,相比对总氮负荷的影响,降水对总磷负荷有着更大的影响。未来30年赣江流域总磷呈现增加趋势,总氮呈现减少趋势。空间上,上游区域由于大量的生活污水和工业废水排放导致总磷和总氮浓度较高;下游区域由于耕地较多,大量化肥施用而导致总氮浓度增加,同时由于径流量较大可能对总磷产生稀释作用而导致总磷浓度较低。5.土地利用对径流影响较小,对总氮总磷影响较大,林地面积增加将导致总氮总磷负荷减少,耕地城镇面积增加将导致总氮总磷负荷增加。

关键词：赣江流域 SSPs情景土地利用变化 SWAT水文模型总氮总磷

样品浊度对水质在线监测仪器参数检测的干扰影响研究

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自动化与仪器仪表 2023年第11期 71-76页

作者：戈燕红闵文傲刘宇郭德音袁金龙贺凯广东盈峰科技有限公司广东528000 珠海科技学院统计与数据科学学院广东珠海519040 中山大学土木工程学院广东珠海519082

浊度常被认为是对水质在线监测仪器检测精度产生关键影响的主要因素之一。为深入了解其影响机制,本研究分析了在不同浊度水样中,总磷、总氮以及高锰酸盐指数的在线监测值与传统手工方法之间的误差及其变化趋势。经过深入分析,发现水体... 详细信息

浊度常被认为是对水质在线监测仪器检测精度产生关键影响的主要因素之一。为深入了解其影响机制,本研究分析了在不同浊度水样中,总磷、总氮以及高锰酸盐指数的在线监测值与传统手工方法之间的误差及其变化趋势。经过深入分析,发现水体的浊度对上述三种关键水质参数都产生了显著的干扰。特别是在高浊度水样中,总磷的最大误差可以达到91.14%。更值得注意的是,当遭遇高浊度样品时,总氮的在线监测值可能是传统手工测定值的10倍。与此相比,高锰酸钾指数的相对误差相对较小,这主要是因为浓度对分光光度法检测的影响较为显著。因此,为了保障水质监测数据的准确性,在进行在线检测前,建议对水样进行预处理,如通过适当方法降低其浊度,以优化吸光度测量的准确性,从而获得更为精确的水质监测结果。

关键词：浊度在线监测总氮总磷高锰酸盐预处理