摘要： ·职业小贴士·从业者：十一从业年限：半年一句话感受：手中的小烧杯保护着家家户户的水质安全从业地点：江西对口专业：环境科学与工程类、化学类、食品科学与工程类、生物科学类等相关专业从业门槛：本科及以上能力要求：熟悉相关理论知识，对工作保持高度严谨的态度晋升路径：水质检测员→初级水质检测员→中级水质检测员→高级水质检测员薪资水平：10万—20万元/年入职提醒：要有不断学习新知识的意识；水质安全很重要，要保持吃苦耐劳的习惯

关键词： 智能水质检测系统   无线传感器网络   异常数据检测算法   系统测试  

摘要： 随着全球气候变化和人口增长,我国水资源日益紧缺。同时,生活污水、工业废水的排放使水资源状况受到了巨大的威胁和挑战。有效实现水质检测,特别是水污染检测已迫在眉睫。目前,国内传统的水质检测主要通过人工水质采样及实验室仪器分析的方式实现,存在采样频率低、测试周期长及代价高昂等问题,且无法满足现代化水质检测任务对于实时性和准确性的要求。因此,基于无线传感器网络技术,本文以温度、p H、溶解氧和电导率这四项水质参数为检测对象,设计实现了一套智能化的水质检测系统。围绕上述系统的设计与实现,本文主要工作如下所述:(1)基于国内外水质检测现状和行业需求,本文设计并实现了一套基于无线传感器网络的智能水质检测系统。其中,系统硬件部分由水质传感器芯片、支持Zig Bee的CC2530芯片、支持Wi Fi的ESP8266芯片以及电源供电模块等构成,主要实现了系统数据采集、数据传送等功能。系统软件部分通过基于C语言的嵌入式开发和基于Java语言的网页开发,实现了数据网络通信传输、水质数据在线检测以及网页客户端显示等功能。(2)结合水质数据的数据特征,本文提出了一种基于改进K均值的高精度异常数据类型检测算法。该方法利用无监督的K均值聚类算法将未知分布特征的水质数据进行聚类分簇。同时,考虑到K均值算法存在的缺点,本文采用改进的灰狼算法对K均值进行性能优化,以提升水质异常数据检测的稳定性和精度。另外,为了有效区分不同类型的数据异常(例如水体污染和节点故障),本文利用加权聚类算法进一步对异常数据进行了相应处理。实验结果表明,相比于本文所选取的同类型算法,本算法的准确率平均提高了3%,召回率平均提升了2.25%。(3)通过多次实验室人工模拟和实地测试,本系统展现了较高的运行可靠性和检测有效性。其中,部署在实际水域中的传感器模块能够完成水质数据的实时采集和稳定传输,PC机软件客户端则实现了水质异常数据的高精度检测和水质数据的智能分析和展示。同时,系统具有设计成本低、操作简单、功能齐全等优点,具有较高的应用和推广价值。

关键词： 水质检测   氨氮污染   微流控器件   分光光度法  

摘要： 氨氮污染严重地威胁人类的生产生活用水安全以及水生生态系统稳定，及时测定水体中氨氮含量具有重要意义。然而，水体污染物的实验室检测过程繁琐、耗时长，在采样点建设监测站又存在施工困难和维护成本高的问题，因此亟需开发一种便携式水质氨氮检测系统，以满足零散采样点水质氨氮检测的现实需求。针对该问题，本文研制了一种便携式水质氨氮微流控检测系统，具体研究内容如下：　　（1）设计并制作了一种用于水质氨氮检测的微流控器件。针对在采样点开展检测实验时反应装置药品携带不便的问题，设计并制作了一种自主进样的氨氮检测微流控装置。此装置基础结构使用3D打印进行制造，通过微通道设计，实现了过滤结构和试剂“预存储”结构的集成，在厚度方向设置反应发生区，满足了分光光度检测对于光程的需求。通过填充胶水的方式实现了基体与两侧PMMA透光面的封合。对该微流控装置进行基础功能验证，装置密封性良好，可以正常完成样本进样和简易过滤处理。　　（2）搭建了基于手机图像传感器的便携式检测仪器。针对在采样点开展检测实验时检测仪器携带不便的问题，应用纳氏试剂分光光度检测原理，通过在3D打印的暗盒中布置相关光学器件，配合手机图像传感器搭建了便携式水质氨氮检测仪器。搭配自主开发的专用图像分析程序“AIAT”，可以实现吸光度信息的解析和样本氨氮含量的拟合。以标准石英比色皿作为吸收池，测定了便携式检测仪器的线性范围为0~5mg/L。在此基础上进行成像参数设置实验，确定了最佳的成像参数组合。通过分析吸光度图像中RGB三通道的变化规律，重新分配了吸光度计算时红、绿通道值的计算权重，检测仪器的灵敏度提升了9.5%，吸光度与浓度的线性相关性几乎不受影响。　　（3）测试了便携式水质氨氮微流控检测系统的检测性能。首先测定了使用氨氮微流控器件进行检测时的成像参数组合，在此基础上重新标定了便携式检测系统的标准曲线。随后对便携式检测仪器的检出限进行测定，可知系统的检出限为0.19mg/L，超出了《地表水环境质量标准》中I类水质规定的0.15mg/L限值。通过重复测量5次2.5mg/L显色溶液的吸光度，确定便携式检测系统的重复性良好。对4种实验室配制的不同氨氮含量溶液进行检测，结果表明检测结果的误差大致为0.1mg/L，可用于Ⅱ~Ⅴ类地表水中氨氮含量（0.5~2.0mg/L）的检测，检测结果具有一定的参考意义。对大连理工大学凌水河进行取样检测，取样时的水体的氨氮含量为0.881mg/L。

关键词： 电化学传感器   水质检测   磷酸盐   微流控芯片   微柱阵列电极  

摘要： 磷酸盐是导致水体过营养化的主要物质之一，其含量的高灵敏快速检测在早期污染排查中至关重要。电化学检测具有灵敏度高、响应快的优点，更关键的是其与小型化的微流控芯片具有较强的兼容性。但现有的芯片在电极设计中常忽略扩散层的影响，以及存在集成化不足和实验参数分析不全面的问题。本文基于钼磷酸盐电化学还原检测原理，研究了微柱阵列电极结构参数对电流响应的影响，设计并制作了电化学传感芯片，研究了实验参数对响应电流的影响，分析了芯片对磷酸盐检测的灵敏度和检测限。具体研究如下：　　（1）根据磷酸盐电化学检测原理，建立了微柱阵列电极模型，研究了微柱阵列电极结构尺寸对电流密度和电流响应的影响。分析了微柱半径和高度对电流密度的影响，并研究了微柱电极的扩散层模型，利用COMSOL软件进行电化学仿真分析，对其扩散层模型进行了验证。研究了微柱阵列间距对电流响应的影响，通过电化学仿真分析，对阵列间距进行参数化扫描，当微柱电极半径为5、10和15μm，高度为10μm时，阵列间距分别设计为72、118和160μm，可以保证响应电流和空间利用率最高。　　（2）设计制作了一种集成微柱阵列电极的磷酸盐检测传感芯片。芯片由微柱阵列电极基底和微通道盖片组成。其中基底上集成了三电极体系，微柱阵列电极的半径为15μm，高度为10μm，阵列间距为160μm。微通道盖片包括入液区、蛇形通道混合区、检测区及出液区。通过流体仿真分析，研究了蛇形通道对通入液体的混合效果。利用微加工技术完成了电极基底和微通道盖片的制作，研究了键合参数对芯片密封性的影响，当压力机压力为275kg，保压时间为20s时，芯片的键合效果最好。　　（3）测试了电化学传感芯片的性能，研究了实验条件对磷酸盐检测的影响。利用非接触形貌仪和工具显微镜对微柱阵列电极几何结构参数进行了测量，尺寸平均偏差率小于2.5%，表明制作精度高。利用铁氰化钾/亚铁氰化钾溶液研究了芯片的循环伏安性能，峰值电流与扫速平方根的线性拟合系数为，表明芯片具有良好的电化学性能。分析了检测电位、缓冲液、pH、反应时间对磷酸盐检测性能的影响，研究了该芯片的抗干扰能力、重复性、一致性及稳定性。采用该芯片对5~50μmol/L的磷酸盐溶液进行检测，经过计算分析，灵敏度为-0.032μA/（μmol/L），检测限为0.7μmol/L，表明该芯片可以用于水质中磷酸盐的检测。

关键词： 饮用水   水质检测   激光光谱   电导技术  

摘要： 近年来水资源污染问题日益严重，导致生态环境和人类健康受到威胁。针对这一问题，对水质进行检测和监控就显得尤为重要。传统化学检测方法存在测量周期长、试剂二次污染等问题，为了实现对饮用水水质快速准确的评判，本文基于激光光谱法和电导法研制了一款小型饮用水水质检测仪器，实现对饮用水中高锰酸盐指数和总溶解固体（TDS）两个水质参数的实时检测。其中高锰酸盐指数通过激光光谱法，利用荧光光谱中有机物荧光特征峰及水拉曼峰强度的比值拟合得到;总溶解固体浓度通过电导法，利用其与电导率之间的关系推算得到。通过上述两个水质参数综合评判饮用水的水质状况。本文具体研究内容如下：　　（1）水质检测系统硬件设计。主要包括激光发射系统、荧光探测系统、TDS检测系统以及MCU控制系统。其中激光发射系统实现激光器的电流稳定驱动，同时设计激光开关控制电路和激光强度控制电路;探测系统前端使用带通滤光片和光栅器件对光信号进行过滤和分光，后端使用图像传感器接收激发光谱信号;TDS检测系统使用双电极探针检测水样，通过信号调理放大电路采集电压信号，同时加入温度检测电路实现对TDS检测的温度补偿和校正;MCU控制系统控制水质检测系统控制各模块的运行和数据的采集、处理、传输。　　（2）水质检测系统软件设计。主要包括外设参数设置、驱动程序开发以及系统运行流程控制。基于SCCB通信协议实现对CMOS图像传感器输出尺寸、曝光时间、增益和图像传输帧率等参数的控制;驱动程序主要包括DCMI、FMC、DMA等功能接口，其中DCMI接口用于控制图像传感器的采集并接收光谱图像数据，FMC接口和DMA接口分别用于连接外部存储器SDRAM和实现光谱数据由外部设备到存储器的直接传输;系统运行流程部分控制光谱背景扣除及数据算法处理。　　（3）水质检测系统实验测试。配置不同浓度的腐殖酸钠标准溶液和氯化钠标准溶液，分别使用本文设计的水质检测仪器和标准检测仪器进行测量，建立高锰酸盐指数的激光光谱法和化学分析法检测结果拟合曲线、TDS浓度在有无温度校正下的变化曲线，并进行测量误差分析。最后，搭建一套饮用水水质监测演示系统，验证水质检测仪器的实际应用性和长期稳定性。实验测量结果表明，本文设计的饮用水水质检测系统测量灵敏度高、检测速度快、体积小，可以实时检测饮用水中有机物和无机物的含量。

关键词： 三维荧光光谱   水质检测   平行因子模型   溶解性有机质   机器学习算法  

摘要： 检测稻田水质,特别是其中的溶解性有机质,是智慧农业、数字农业的基本需求之一。本文利用三维荧光光谱技术检测稻田水质,是一种快速、高效的检测手段。本文论述荧光光谱技术的相关理论,包括光谱以及预测模型的相关理论,为水质检测提供理论基础。研究稻田水溶解性有机质的光谱特征。分析水稻生长周期内水质演变过程,规划水质采样时间和方式。对洮南研究区域稻田水进行现场采样,开展三维荧光光谱的测定实验。提取荧光特征参数,解析稻田水体中溶解性有机质的来源及腐殖化程度;计算荧光区域积分值,表征稻田水体中溶解性有机质的累积荧光响应;针对该荧光响应存在的荧光峰重叠问题,采用平行因子分析模型对荧光组分识别;为寻求荧光光谱与水质特征参数的敏感波长,作荧光光谱相关参数与水质特征参数的相关系数分析。结果表明:稻田水中溶解性有机质以内源输入为主,外源输入为辅,且腐殖化程度低;稻田水中存在3种荧光组分,组分稳定性排序为陆生腐殖质、黄腐酸型陆生微生物腐殖质、类蛋白物质(色氨酸),符合物化性分析;双峰荧光强度比值与水质特征参数的相关系数强于单峰与相应指标的系数。开展基于荧光光谱的水质基本指标预测研究。绘制水质特征参数在不同激发波长的最大相关系数曲线,选取最优激发波长;进一步构建双波段荧光强度比值与水质特征参数的相关系数矩阵,并选取相关系数最大的波长比值,建立一元线性回归模型;建立三种机器学习算法模型,以最优激发波长的荧光发射光谱作为输入层,水质特征参数作为输出层,获得预测结果,并与传统水质检测结果进行对比,评价模型精度。结果表明:贝叶斯优化卷积神经网络-门控循环单元算法在化学需氧量和总磷指标的决定系数均大于0.91,结合预测偏差比均大于2.5,该预测模型精度最优,证明了三维荧光光谱可用于稻田水质评估。本文的荧光光谱研究方法具有快速、便捷、无损和多参数分析的特点,有利于稻田水的治理和合理利用,且对水稻生长培育有一定的指导意义。

关键词： 水质检测   COD   紫外-可见光谱   浊度补偿   双波长吸收法  

摘要： 如今社会发展进程越来越快,我国的工业化和城市化的程度越来越高,随之而来的是水环境的污染情况也越来越严重。水质检测可以尽早判断水质污染程度,为后续对污染水源进行及时的治理提供早期预警。化学需氧量(COD)是水质检测的关键指标,然而传统的水质COD检测方法存在检测速度慢、检测成本高、便携性差、操作复杂且易产生二次污染等问题。针对以上问题,本文基于紫外-可见(UV-Vis)光谱技术的原理,设计了一种便携式COD检测系统。该COD检测系统具有检测精度高、检测速度快、不产生二次污染且可以实现实时检测等优点,可以在检测COD的同时补偿浊度的干扰,适用于地表水的COD检测。本文的主要研究内容如下:1、基于UV-Vis光谱技术提出了检测COD的数据处理算法。结合双波长吸收法检测COD的原理,通过对COD和浊度的吸收光谱的分析,分别选取了COD和浊度检测的特征波长,建立了COD的预测模型。提出了一种有浊度干扰的情况下检测COD时进行浊度补偿的DWA＿PLS算法,详细介绍了建立浊度补偿模型的方法。2、对基于UV-Vis光谱技术的便携式COD检测系统进行了设计,包括光路系统、硬件系统和软件系统。光路系统包括光源、样品池和光电传感器。光电传感器将光强信号转换为电压信号。硬件系统中包括ARM控制器模块、光电信号采集电路模块、LED恒流源电路模块和电源电路模块。在电路结构中将光电传感器输出的电压信号进行RC滤波处理,并经过AD转换,转换为数字信号供ARM控制器处理。软件系统包括对光电传感器的控制和信号采集,根据所建立的模型进行数据处理,计算出COD浓度值并在屏幕上显示。3、对基于UV-Vis光谱技术的便携式COD检测仪进行实验分析。测试了COD检测系统的光源的稳定性,对COD和浊度标准溶液进行了测试,根据DWA＿PLS算法建立了COD检测系统的浊度补偿模型。最后验证了该COD检测系统的检测精度、平均相对误差和标准偏差(RSD)等性能。

关键词： ZnO   紫外探测器   水质检测   等离子激元   金属电极  

摘要： 氧化锌(ZnO)是一种宽禁带半导体材料,具有独特的物理和化学特性,是制备光电探测器的优秀材料之一。在制备ZnO紫外探测器的过程中,由于电极材料的不同使得金属-半导体接触类型分为肖特基和欧姆接触,其中欧姆接触具有较低的接触电阻和良好的电流稳定性。由于ZnO紫外光电探测器光吸收率较低,可以利用局域表面等离子体来修饰紫外探测器,其具有高的空间局域特性和强的局域场增强特性,成为了提高入射光利用率的最有效手段之一。ZnO是理想的紫外探测材料,根据实际应用的需要,针对传统水质检测化学分析法检测周期长、操作复杂、成本高、存在二次污染等问题,本论文提出了基于光谱分析法对水质溶液进行简便、有效、及时的检测技术,以实现ZnO紫外光电探测器在水质检测方面的初步探究为目标,通过在ZnO表面制备不同金属电极,得到性能稳定ZnO紫外光电探测器,利用局域表面等离激元有效提升器件的性能,最终通过制备的良好性能的ZnO紫外光电探测器在水质方面进行检测及分析,主要研究成果如下:(1)从优化金属电极与ZnO薄膜接触特性的角度出发,成功的在ZnO薄膜上制备了银(Ag)、铝(Al)和钛(Ti)三种金属-半导体-金属(MSM)电极结构,实现了三种金属电极和ZnO薄膜之间良好的欧姆接触;对制备的探测器进行退火处理,探究不同退火温度对三种金属电极的ZnO紫外光电探测器的性能影响;制备了不同叉指对数的ZnO紫外探测器,对三种金属电极的ZnO紫外光电探测器进行性能测试,随着叉指对数的增多,提高了探测器的光电子收集效率,使得更多的光电子能够被探测器所吸收,从而提高了器件的响应度。结果表明,经过退火处理15对叉指的ZnO/Ag、ZnO/Al和ZnO/Ti紫外光电探测器在3 V偏压下的峰值响应度分别为0.59 A/W、0.38A/W和0.58 A/W。(2)从利用局域表面等离激元共振机制,增强探测器的光吸收率的角度出发,成功的在ZnO/Ag、ZnO/Al和ZnO/Ti紫外光电探测器表面溅射Pt纳米粒子进行了修饰工作,制备出了具有光电性能更加优异的ZnO紫外光电探测器。在探测器上溅射不同时间的Pt纳米粒子,增强了探测器对紫外光的吸收,极大的提高了器件的响应度。经过测试表明,相对于未进行修饰的探测器,溅射Pt纳米粒子修饰的ZnO紫外光电探测器在相同偏压下的响应度增大了数倍,表现出更好的光响应性能。溅射30 s Pt纳米粒子修饰的ZnO/Ag、ZnO/Al和ZnO/Ti紫外光电探测器在3 V偏压下的峰值响应度分别增大了5.9倍、5.1倍和6.3倍,峰值响应度分别为0.829 A/W、0.61 A/W和1.028A/W。(3)从基于光谱法对水质溶液进行无实时、简便、快速、低成本的检测的角度出发,创新性的开展了ZnO紫外光电探测器在水质检测方面的初步探究工作,拓宽了光电探测器在水质检测方面的应用前景。对不同浓度的邻苯二甲酸氢钾标准溶液(COD标准溶液)和福尔马肼浑浊度标准溶液(TURB标准溶液)进行吸收光谱测试,再通过ZnO紫外光电探测器对溶液的水质参数化学需氧量(COD)和浊度(TURB)进行检测,结果表明ZnO紫外光电探测器的响应度与COD和TURB浓度都呈现出良好的线性关系,实现了ZnO紫外光电探测器对水质溶液中微量物质的有效检测。

关键词： 紫外可见光谱   多参数检测   海洋水质   误差补偿  

摘要： 我国是海洋资源大国在海洋经济发展的同时海水水质污染日益加重。传统的海水水质检测方法是基于化学法的检测，产生水质二次污染的同时还需要人工采集水样带回实验室进行理化分析，因此迫切得需要一种方便快捷、可实时化、可远程化的海洋水质检测方法解决化学法耗时耗力步骤繁琐的问题。现阶段对海洋水质检测包含多个检测参量，最为关键的是化学需氧量、总氮、氨氮、总磷和浊度，因此本文研究基于紫外可见光谱法的海水多参数水质检测。　　通过构建多参数特征光谱与各待测参量浓度之间的非线性映射关系，实现海水多参数浓度预测即海水多参数水质监测。首先，通过实验获取海水多参数不同浓度下的紫外可见光谱，实验仪器包括LS-3000高功率卤素灯光源、GZ-tex光纤光谱仪、玻璃比色皿和上位机配以CZspviewerV2.11软件。其次，由于实验获取的光谱数据含有大量冗余信息以及光谱噪声，因此通过竞争自适应重加权采样算法进行特征提取，该算法保留了更多特征光谱数据的同时也保留了更加完整的物质光谱特征。再次，为实现海水多参数水质检测模型建立，根据不同的神经网络原理，构建三种多输入多输出的神经网络结构。并使用基于距离的多目标粒子群优化算法对BP神经网络进行多目标优化。最后，将CARS提取的特征光谱数据代入神经网络训练，得到三种海水多参数水质检测模型(CARS-LSTM、CARS-CNN、CARS-DISMOPSO-BPNN)。　　实验获取的海水多参数混合溶液紫外可见光谱与各待测物质混合紫外可见光谱存在偏差，将误差补偿后的特征光谱数据代入三种海水多参数水质检测模型，CARS-DISMOPSO-BPNN模型决定系数较CARS-LSTM模型提高了5.61％,较CARS-CNN模型提高了0.75％。CARS-DISMOPSO-BPNN模型的平均相对误差、平均绝对误差、均方根误差远小于CARS-LSTM模型和CARS-CNN模型，因此本文提出的CARS-DISMOPSO-BPNN海水多参数水质检测模型的检测精度更高、预测值与真实值的残差最小。本文提出的海水多参数水质检测方法操作简单、检测速度快、无二次污染、可远程检测，还可以克服检测时混合溶液光谱畸变的干扰，确保化学需氧量、总氮、氨氮、总磷和浊度以最优的效果实现多目标的精确检测。

关键词： 农村生活饮用水   水质检测   饮用水微生物  

摘要： 目的 探究湘东地区农村生活饮用水微生物检测结果。方法 选取湘东地区2020年1月-2021年12月抽取的300份生活饮用水样品，均行微生物检测，并统计农村饮用水微生物指标合格率、不同供水方式（集中式、分散式）饮用水微生物指标合格率、不同供水方式各微生物指标（供水菌落总数、总大肠菌群、耐热大肠菌群）合格率。结果 2020年及2021年湘东地区农村饮用水微生物指标检测合格率分别为64.00%、68.67%，差异有统计学意义（P<0.05）;2020年、2021年分散式供水的微生物检验合格率与集中式供水的微生物检验合格率比较，差异无统计学意义（P>0.05）;2020年、2021年集中式供水的微生物检验中菌落总数、总大肠菌群、耐热大肠菌群的合格率均偏高，且2021年集中式供水与分散式供水的微生物检验中菌落总数、总大肠菌群、耐热大肠菌群合格率高于2020年（P<0.05）。结论 湘东地区生活饮用水水质整体状况较好，微生物指标检测良好，无严重的水体污染发生，但仍需政府、监管部门等加大力度对农村生活饮用水的管理和监督，提高水质，保障群众生活用水的安全。