饮用水浊度测量技术及应用

饮用水浊度测量技术及应用

第一章 浊度测量技术

1.1  浊度的定义

浊度是一种光学效应，是光线与溶液中（最常见的是水）的悬浮颗粒相互作用的结果。悬浮颗粒，例如泥沙、粘土、藻类、有机物质以及其它的微生物机体，会对通过水样的光线造成散射现象。这种水溶液由于悬浮颗粒而对光线产生的散射现象就产生了浊度，它表征出光线透过水层时受到阻碍的程度。浊度并不是直接表征液体中悬浮颗粒浓度的指标，它是通过对溶液中悬浮颗粒对光线的散射作用的描述，间接反应悬浮颗粒的浓度，散射光强度越大，表征水溶液的浊度越大。

1.2  技术基础

1.2.1 90度散射光浊度测量技术

根据丁道尔公式表示：

I＝kI₀nV²／λ⁴  

式中：I-散射光强度，I₀入射光强度，λ入射光波长，n指单位体积内的悬浮颗粒数，V颗粒体积，k常数。

散射光强度与入射光强度、颗粒体积，及悬浮颗粒浓度呈正相关而与入射光波长呈反相关。

            

 

      小颗粒                         大颗粒                     非常大的颗粒

散射光强度与浊度值之间达到线性相关，采用测量与入射光成直角角度的散射光强度，定义这种测量被称之为“浊度测量”，单位为NTU。散射光浊度测量的原理见图2。

 

1.3  浊度测量的影响因素

1.3.1 悬浮颗粒粒径与入射光波长的关系

在同等入射光强度下，散射光强度取决于入射光波长长度以及悬浮颗粒物的尺寸。大尺寸颗粒物对长波长入射光的散射作用要优于对短波长入射光。小尺寸颗粒物对短波长入射光的散射效果要优于长波长入射光。波长越长的入射光，对小尺寸颗粒的敏感度就越低。

1.3.2  色度的干扰

如果水溶液有色度，水中的色度会吸收可见光入射光中相对应颜色波长的光，会对入射光在水中的传播造成衰减，从而导致由于水中悬浮颗粒产生的散射光强度的变化，最终有可能导致浊度测量的误差。

1.3.3  测量系统的杂散光干扰

测量系统的杂散光是光学分析仪器不可避免的干扰因素，无法彻底消除，只能尽可能地减少杂散光的干扰。

一般浊度测量系统得杂散光是由于以下原因造成的：环境光线、光学检测系统中间环节干扰、检测池结构内壁反射光干扰、光学系统及样水瓶污染。

1.3.4  浊度与散射光强度的线性关系

从丁道尔公式可以看出，理论上散射光强度与悬浮颗粒浓度完全呈正相关的，但在实际测量时会出现不同情况。

在低悬浮颗粒浓度浊度测量时，由于悬浮颗粒数量较少，颗粒之间对散射光的干扰非常有限，散射光强度与悬浮颗粒浓度基本上可以按照丁道尔公式具有很好的线性关系，通过使用标准样品的对比，和标准化的分析方法，浊度测量在这个范围内是定量分析。通过大量的实验和研究，这个线性关系在0~40NTU浊度范围内表现优异。

但需要特别说明的是，对于超低悬浮颗粒浓度样品（小于0.1NTU），虽然上述线性关系依然优异，但由于称为“水的基础浊度”的水分子对光线同样具有的散射作用，以及仪器光学系统不可避免产生的杂散光对测量结果的干扰，基本上对于超低浊度（小于0.1NTU）的测量只能定性为半定量分析。

对于较高浓度悬浮颗粒（大于40NTU）的样品，由于不同悬浮颗粒的散射光，被其它悬浮颗粒遮蔽干扰，散射光强度与悬浮颗粒浓度的线性关系受到较大干扰，而且随着悬浮颗粒浓度的增加，这种对线性关系的干扰就越大。故，基本上对于较高浊度（大于40NTU）的测量只能定性为半定量分析。

 

1.4  浊度测量干扰因素的消除

1.4.1 颗粒尺寸及色度干扰消除

根据不同浊度测量的应用，选择适合波长、适合光源的光学检测系统，消除颗粒尺寸，色度对浊度测量的干扰。

1.4.2 杂散光干扰消除

通过光学检测系统优化，减少杂散光干扰：

1.    简化入射光源到散射光检测器间的结构，最大限度地降低中间环节的杂散光；

2.    检测器内部结构优化设计，减少涉及散射光检测器的杂散光；

3.    低浊度测量时，光学检测系统必须密闭，排除环境光干扰；

4.    按照规程要求，保持光学系统及检测单元的清洁，避免由于灰尘污染造成的杂散光

1.4.3 线性度干扰消除

由于40NTU以上浊度测量的非线性关系，对于该范围内的浊度测量，需要对散射光强度与浊度的相关曲线进行修正 – 浊度比率检测修正。

其原理是通过额外的光学检测器，对不同角度的透射光及散射光进行检测， 并通过与90度散射检测器的比对计算， 以对浊度测量值的修正，并可以对光源不稳定造成的测量波动进行修正，结构详见图6。

 

比率运算法则的定义如下：  T_Ration＝I₉₀/（a₁I_FS+a₂）

I₉₀＝浊度散射检测光         a₁ =常数，前散射光（由校准确定）     I_FS＝前散射检测光

a₂＝常数，发射光（由校准确定）   I_T＝透射检测光

当光线由于色度或光源光线强度波动的原因，发生光线损失时，透射检测光的强度也会根据基本的散射光信号损失的量而减少。分母的减少导致相应的分子的减小。因此这个数值得到修正。

同理，当光线的损失是由于向前的方向的散射光引起时，前散射光的强度会根据90度检测器中基本散射光信号损失的量而改变。分母的减少会导致分子发生相应的变化。因此这个数值被修正。

 

第二章  标准方法概述

浊度测量是要强调使用通用的符合标准的浊度检测方法，目的就是在使用不同的浊度仪器进行测量时，可以获得一样的测量数据。对于浊度测量，有两种方法是被普遍认可的，USEPA方法180.1和ISO方法7027。

2.1 浊度测量的两种国际标准（见表1）

 

 

2.2 两种浊度测量方法的优缺点（见表2）

 

第三章  在线浊度仪的种类

3.1  按照光源种类

这种分类方式主要是依照USEPA180.1和ISO7027的标准设计，以钨灯作为光源的可见光浊度仪， 以LED发光二极管为光源的红外光浊度仪。

根据上述两种标准的论述，符合USEPA180.1标准的可见光浊度仪适用于低浊度水、色度干扰少的测量应用，在次应用下该类浊度仪测量精度高；而符合ISO7027标准的红外光浊度仪适合于高浊度、色度干扰较大的测量应用。

3.2  按照光学检测系统数量

按照浊度仪光学检测系统的数量，浊度仪可分为单系统浊度仪，和双系统浊度仪。

 

3.3  按照检测方式

按照浊度仪的检测方式， 浊度仪分为探头式浊度仪，和流通池式浊度仪。

 

3.4  按照检测结构

按照检测结构，浊度仪分为光检测器直接测量（见图11），和样水瓶式（见图12）两种类型。

光检测器直接测量浊度仪工作时，浊度体顶部的很强的白炽光向下射入浊度体里面的水样中。样品中的悬浮颗粒向四周发射散射光；浸没在水中的光电池检测90度散射光。因为仪器的散射光检测器都是浸没在水样中，无需样品池；所以，大大减少了来自于样品池中的杂散光。

故，无样水瓶的光检测器直接测量浊度仪由于光学检测单元系统性干扰少，其测量精确度，尤其是对于低浊度水的测量精度要大大高于有样水瓶设计的浊度仪，特别适用于低浊度（小于1NTU）的精确测量。

为了消除样水中气泡对浊度测量的干扰，在样水进入光学测量单元前，设置样水脱泡器，去处气泡，消除水中气泡对浊度测量的干扰。

具有消泡器的浊度仪（见图13），由于消除了气泡的干扰，测量数据稳定性、准确性高，但气泡的特别对低浊度水的测量干扰巨大，对高浊度水的测量影响有限，所以，具有消泡器的浊度仪一般均是为低浊度测量设计，适合在对低浊度，超低浊度水的精确测量的应用点。

 

3.6  按照是否具备浊度比率测量技术

具有浊度比率测量技术的浊度仪，根据本文1.3.4中所描述，由于其对比40NTU以上测量值的精确修正功能，保证了对高浊度水浊度测量的精确性，适合于对高浊度水进行测量的浊度仪。而在低浊度测量时，由于测量曲线线性度良好，故无需此功能。

 

第四章  总结

综上所述，不同检测标准、不同类型、不同配置的浊度仪，在饮用水“从源头，到龙头”全流程中不同的应用点，有不同的适用范围，具体总结如下，见表3：

浊度，作为饮用水水质安全核心关键参数之一，也越来越得到供水企业的重视。在饮用水从“源头到龙头”全流程中，根据制水工艺流程中不同应用点，不同应用要求，合理地选择适合的在线浊度仪表，是保证浊度在线准确稳定测量的至关重要因素，对于制水生产，具有重要的指导意义，是饮用水水质安全至关重要的保障手段之一。