施美霞(寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，浙江 寧波 315800)

0 引言

濁度是水質(zhì)分析中一個常規(guī)、必檢的指標(biāo)，無論是飲用水還是江河湖海等水體都適用。雖然濁度儀可直接用于檢測濁度，但分析飲用水或高濁水等將選用不同類型的濁度儀，這跟濁度測定原理及其影響因素息息相關(guān)。本文系統(tǒng)介紹了濁度測定原理、濁度儀類型、濁度檢測的影響因素、濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液和在線濁度檢測的技術(shù)難點，為水質(zhì)分析者和水質(zhì)管理者提供參考。

1 濁度測定原理

當(dāng)水樣沒有不可溶解的顆粒時，它是一個透明、均一的體系，一束光線穿過它時只有水樣對光譜的吸收造成的損失。但當(dāng)水樣里含有不可溶解的物質(zhì)時，一束光線穿過它，除了原本水樣吸收光譜帶來的損失外，還有由于不可溶解物質(zhì)吸收光譜帶來的損失，和由于不可溶解物質(zhì)對光向各個方向不均勻擴(kuò)散傳播(俗稱為光散射)帶來的損失。光的衰減系數(shù)μ(λ)將是光的散射系數(shù)s(λ)和吸收系數(shù)α(λ)之和，如公式(1)：

μ(λ) = s(λ) +α(λ) (1)

為了獲得光的散射系數(shù)s(λ)，則需要知道光的吸收系數(shù)α(λ)。而水樣對光譜的本底吸收系數(shù)可以通過將不可溶解的顆粒通過過濾出來測試，但這種方法對結(jié)果可能帶來干擾。所以國際標(biāo)準(zhǔn)里采用的是濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液校準(zhǔn)的方法，來確定水樣的濁度[1]。光散射強(qiáng)度取決于入射光的波長、測量角、水中懸浮顆粒物的形狀、光學(xué)特性和粒徑分布。

2 濁度儀類型

濁度儀雖然有很多生產(chǎn)廠家，有各種不同的技術(shù)，但總的說來，可大致概括為三大要素的區(qū)分：(1)入射光的光源選擇；(2)散射光的檢測角度；(3)多個檢測器的應(yīng)用(比率技術(shù))。

濁度的檢測需要光源。最初的檢測用燭光或者借助環(huán)境里的光線，但其檢測的準(zhǔn)確度和精度不高，所以目前尚存的主要在經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)差的野外濁度檢測?，F(xiàn)在市場上的濁度儀都有自備光源，根據(jù)光的波長和帶寬，入射光的光源種類有三種：可見光(如鎢絲燈)，紅外光(如發(fā)光二極管)，激光光源(是一種新型光源)。鎢絲燈可以提供短波長的光線(400～600nm)，短波長對微小顆粒的散射比較有利。發(fā)光二極管是濁度儀里最常見的光源，典型波段是830～890nm，這種光源的典型特征是不受水樣中顏色的干擾。激光光源，被少量的濁度儀采用，主要應(yīng)用于純凈水過濾后的濁度監(jiān)測[2]。

不同大小顆粒的散射光在不同方向上的散射光強(qiáng)是不同的，90°是最常見的檢測角度，因為這個角度對各種顆粒大小的散射光都比較敏感。檢測角度也會影響濁度儀的量程。而多個檢測器及各種檢測角的參與可降低水樣顏色和濁度儀組成的干擾。此外，具有其他檢測角的濁度測量有衰減光測量法和后方散射測量法。衰減光測量法的檢測角是180°，檢測的是入射光經(jīng)散射和吸收以后的光強(qiáng)，這種濁度檢測方法是最容易受顏色和光線吸收影響的。后方散射測量法的測量角度通常是30～40°，感知的是被往后散射的光強(qiáng)，對高濁度水樣比較敏感[2]。圖1顯示了安裝在不同檢測角、接收不同角度散射光的檢測器。

圖1 濁度儀里常見光檢測器的檢測角

比率(Ratioing)技術(shù)，是指濁度儀配有兩個及以上的光檢測器來決定水樣濁度值的一種技術(shù)。這種設(shè)計主要是為了減少干擾因素(主要是色度的干擾和光源的光強(qiáng)波動[3])或擴(kuò)大儀器量程。比率技術(shù)有兩種實現(xiàn)方式。一種是多檢測角度測定，通常就是選用90°散射光作為主要檢測，另外再配置其他角度的檢測器：比如衰減光的檢測、后方散射光的檢測、前方散射光的檢測。濁度儀內(nèi)部軟件算法將結(jié)合各個檢測器的測量結(jié)果計算出水樣濁度。這樣多角度的光路檢測，可補償顏色干擾和光線變化(如入射光的光強(qiáng)變化)。另一種是雙光路雙檢測器濁度檢測，光源的雙光路呈90°擺置，雙光路的正對面是雙檢測器，所以檢測角度分別是90°和180°。在第一階段，第一個光源發(fā)光，雙檢測器(90°和180°)檢測；第二階段，第一個光源關(guān)閉，第二個光源打開，雙檢測器(180°和90°)工作。最后內(nèi)部軟件算法結(jié)合兩個階段的檢測計算出濁度。這種雙光路光檢測器的方法可修正色度吸收、光學(xué)故障和光變化情況等。

3 濁度檢測的影響因素

濁度檢測的影響因素很多，影響可以是正偏差或者負(fù)偏差。正偏差是指濁度測量結(jié)果比真實值大，通常發(fā)生在超低濁度水樣的檢測，它們的濁度小于0.1 NTU，典型的例子就是過濾后的超純飲用水[2]。負(fù)偏差則是測量值比真實值小，通常發(fā)生在濁度大于1 NTU的水樣，且濁度越大時負(fù)偏差越大。當(dāng)水樣的濁度小于5 NTU時，水樣濁度的檢測主要受雜散光、水樣中的氣泡、周圍光線和污染物影響。濁度大于5 NTU的水樣的檢測干擾因素主要來自水樣的顏色、顆粒對光線的吸收和顆粒的密度[4]。典型的影響因素對濁度檢測造成的偏差影響[2]如表1所示。

表1 濁度檢測的典型偏差影響

濁度的測量就是利用光學(xué)特性，根據(jù)水樣中的懸浮顆粒對光線的散射作用的影響進(jìn)行檢測。懸浮顆粒可以是物理顆粒，如淤泥、細(xì)沙、土等，也可以是綠藻、微生物等，還可以是溶解在水樣里的大分子顆粒，比如丹寧、木質(zhì)素等。水樣的特征，主要來源于水樣的顏色和顆粒的幾何特征(大小、形狀)、光學(xué)特性(有機(jī)顆粒、無機(jī)顆粒對光散射、光吸收的偏好)、顆粒顏色和濃度。

水中的懸浮顆粒對入射光的散射是面向各個方向的。而各個方向上散射光的光強(qiáng)則由入射光和顆粒大小決定。當(dāng)懸浮顆粒的大小遠(yuǎn)小于入射光的波長(小于1/10的波長)時，散射光前方后方的光強(qiáng)是基本對稱的。當(dāng)懸浮顆粒大小是1/4的入射光波長時，光散射以前方散射為主；當(dāng)懸浮顆粒大于入射光的波長時，前方光散射以絕對的優(yōu)勢取勝。

波長本身也會影響光散射。對于同一大小的顆粒，短波長會比長波長散射得更多。短波長的入射光也更容易被帶顏色的水樣中吸收。近紅外光源則不被水樣吸收，所以它不受水樣顏色的干擾。這也是不用相同技術(shù)的濁度儀之間不可比較的原因之一。如果光源不同，水樣中發(fā)生的光散射情況也不同，最終根據(jù)光散射計算出來的濁度值也就理所當(dāng)然的不同。90°光散射由于對不同大小的顆粒穩(wěn)定性比較好，所以主流的濁度儀均采用90°散射光的檢測角度。從入射光源到散射光的檢測器的光路長短(光程)也影響濁度的讀數(shù)。當(dāng)光程越大時，入射光撞擊懸浮顆粒的次數(shù)變多，撞擊時消耗的能量就越多，最后在檢測器檢測到的光強(qiáng)就越弱，導(dǎo)致儀器的量程變小，但其分辨率會變高。檢測角為90°和180°的光路最長。通常情況下光程設(shè)計不超過10cm。最后，無機(jī)物和有機(jī)物對光散射的偏好也不一樣。通常情況下，無機(jī)顆粒傾向于光散射，而有機(jī)顆粒傾向于光吸收[5]。

4 濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液

濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液的配方在國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5750—2006《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法》[6]和國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7027-1:2006[1]里是一致的，采用的都是福爾馬肼(Formazin)標(biāo)準(zhǔn)混懸液。所用試劑共有三種：蒸餾水、硫酸肼、環(huán)六亞甲基四胺。由于國家標(biāo)準(zhǔn)是針對生活飲用水水質(zhì)檢驗中濁度的測定，其福爾馬肼溶液最初的濁度是400NTU，然后稀釋成其他各種濁度。在國際標(biāo)準(zhǔn)中，其適用的濁度范圍更寬，最初的福爾馬肼溶液濁度是4000NTU，再稀釋成其他各種濁度。有了標(biāo)準(zhǔn)溶液的校準(zhǔn)，濁度就可以定量測量。目前幾乎所有的濁度標(biāo)準(zhǔn)、絕大部分的濁度測量方法和測量儀器，采用的都是福爾馬肼標(biāo)準(zhǔn)混懸液作為濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液來校準(zhǔn)濁度儀的。基于同一個標(biāo)準(zhǔn)溶液校準(zhǔn)的儀器，其測量結(jié)果具有一定的可比性。

5 在線濁度檢測的技術(shù)難點

5.1 光學(xué)器件的表面抗污染

濁度檢測利用的是光散射原理，光學(xué)器件是濁度檢測的重要部件。當(dāng)水流經(jīng)過光學(xué)器件時，水中的懸浮物質(zhì)可能會留在光學(xué)器件的表面，久而久之，光學(xué)器件的表面會被累積污染，其透光性變?nèi)?。如果表面污染不消除，那么由于表面污染造成的光散射?qiáng)度變?nèi)鯐徽`認(rèn)為是水中濁度引起的，從而帶來濁度檢測的負(fù)偏差。所以如何克服光學(xué)器件的表面污染是一個非常重要的核心技術(shù)難題。

5.2 消泡設(shè)計

飲用水在供水管道中流動，由于管網(wǎng)內(nèi)部壓力的不時變化，容易引起氣泡。在濁度測量中，氣泡的存在會導(dǎo)致光散射程度的增強(qiáng)，從而帶來濁度檢測的正偏差。另外，如果水流速度過快，在取樣口的拐彎處也容易產(chǎn)生氣泡，使測量結(jié)果不準(zhǔn)確。如何在供水管道內(nèi)直接測量濁度，且不受管道里氣泡的影響，是在線濁度檢測的又一大難點。