enry Shi
（HACH Company，Beijing，100004）
【Abstract】Turbidity is one of the most important water quality
indexes for drinking water treatment. How to achieve the target of accurate and steady monitor of turbidity during full-flow of drinking water treatment, it is one of the important guarantees for water quality security of drinking water. This article described the methods and standards of turbidity monitoring, the different types and applications of turbidity sensors.
【Key Words】Turbidity, Turbidity Monitoring Standard, Turbidity Monitoring, Turbidity Application
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
图1为水中不同体积（粒径）的颗粒对光线散射作用的显微照片，可以看出不同粒径的颗粒对光线的散射特性是不同的，而只有与入射光中心线成直角（90度）的散射光强度对于不同粒径的颗粒是相同的。基于这一特性，散射光浊度测量确定是通过对90度角度上的散射光强度进行检测，来反映水的浊度。
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浊度范围内表现良好。
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良好，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，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＝I
90/（a
1I
FS+a
2I
T）
I90＝浊度散射检测光 a1 =常数，前散射光（由校准确定） IFS＝前散射检测光
a2＝常数，发射光（由校准确定） IT＝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）
表1：浊度测量的两种国际标准 |
USEPA 180.1 标准 | ISO7027 标准 |
• 主要的检测器必须是用于浊度（90度）测量的，±30度。 | • 主要的检测器必须是用于浊度（90度）测量的，±1.5度。 |
• 光源为钨灯，光源波长400~600nm | • 光源的波长必须为860±30nm。为了获得这个波长，可以使用LED光源或者是将钨灯结合滤光片使用。 |
2.2 两种浊度测量方法的优缺点（见表2）
表2：浊度测量标准的优缺点 |
USEPA 180.1 标准 | ISO7027 标准 |
优点： | 优点： |
• 该方法使用的是短波长的光，这种光对于小颗粒的散射更为灵敏。基于散射光强度与入射光波长是4次方的关系, 钨灯发出的光对于小颗粒的有效散射是860nm的光源的9倍。 | • 使用稳定的不可见近单色红外光源，为不可见光，水中可见颜色队入射光及散射光强度的干扰小 |
缺点： | 缺点： |
• 400－600nm为可见光，水的色度干扰非常敏感； • 为了获得稳定的测量， 钨灯光源需要一定的预热时间 | • 由于波长较长，对小颗粒的灵敏度较低。 • 在浊度的低量程段，使用这种方法的仪器测量浊度值要低于使用USEPA方法 180.1的仪器。 |
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。
Transmitted Light Detector |
单系统浊度仪，顾名思义指的是只有一个光学检测系统的浊度仪（见图7），绝大多数的在线浊度仪均为单光源、单检测器浊度仪，它可以满足饮用水流程中绝大多数应用点的要求。
但单系统浊度仪由于只有一个光学检测系统，在超高悬浮颗粒浓度浊度测量的应用中，会导致有相当数量的悬浮颗粒由于其它颗粒的阻挡，一方面其部分散射光被遮蔽，未到达光检测器，或其未被光源检测光束照射到，从而造成浊度测量的失真。
而双光源浊度仪（见图8），由于具备两个不同角度的检测光源，可以以不同的角度，同时向样水中发射两束监测光，在很大程度上减少由于过多的悬浮颗粒的遮蔽作用，从而大大提高了仪器对高浊度样水检测的准确性。该类型浊度仪由于结构相对复杂，价格相对也较高，特别适用于雨季来水浊度变化巨大，超高浊度的源水应用点。
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。
探头式浊度仪（见图9），由于测量和安装方式的原因，可以直接将测量单元用浸入式安装在水池中，或直接安装在管道中，安装适用范围广，测量直接，但由于光检测器直接测量样水，受样水干扰因素影响大。此类浊度仪适用于无压力取样点，对测量精度要求不是非常严格的应用。
流通池式探头（见图10）是将样水从监测点取样后，进入分离安装的浊度仪。 此类浊度仪，由于有取样系统，安装工作量较大，同时样水在取样管中的沉降变化，也有可能影响浊度测量值的真实性。但由于有流通池设计，光学系统测量工况稳定，测量的数据准确性和稳定性高。此类浊度仪适合于不易发生沉降的样水，对测量精度要求严格的应用。
3.4 按照检测结构
浸入样水中的检测器, 直接测量散射光的强度, 无任何中间部件, 消除杂散光发生的可能性进入浊度检测器 B=规定的校准点（通常为20NTU） C=浊度测量的线性校准的上限 |
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。
4.5
按照是否有消泡器
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：
表3：浊度仪在饮用水处理流程中的应用选择 |
浊度范围 | 大于2000NTU | 1~2000NTU | 小于40NTU |
工艺段 | 滤池前 | 滤池后 |
应用点 | 高泥沙含量，或易受暴雨影响的地表河流 | 湖泊/水库原水，进厂水，沉后水，滤池反洗废水 | 滤后水，深度处理，出厂水，管网，二次供水 |
光源种类 | 红外光 | 红外光 | 可见光 |
光源数量 | 双系统 | 单系统 | 单系统 |
检测方式 | 浸入式/管道插入式 | 浸入式/管道插入式 | 流通池 |
检测结构 | 无样水瓶，光检测器直接测量 | 无样水瓶，光检测器直接测量 | 无样水瓶，光检测器直接测量 |
消泡器 | 无需消泡器 | 无需消泡器 | 消泡器 |
比率测量技术 | 比率测量技术 | 比率测量技术 | 无需比率测量技术 |
常见仪表型号 | Cosmos / TSS / Solitax / SS7 | Cosmos / TSS / Solitax / SS7 | 1720E |
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。
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