散射式濁度儀的改進和應用
吳星五，唐秀華，朱愛蓮
（同濟大學城市污染控制國家工程研究中心，上海 200092）
　　摘要：探討散射式濁度儀的測試機理和改進方法。測試結果表明，采用新型單色電子光源和配備發光強度穩定電路的散射式濁度儀具有低濁度范圍準確性和靈敏度高，至100NTU線性好，不須經常調整零點和重新標定，耗電量少，光源壽命長和抗色度干擾能力強等特點，適用于水廠提高濾池效果和監測出水水質。
　　關鍵詞：水處理；過濾；濁度；儀器
　　中圖分類號：X853
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1009-2455(2001)04-0008-03
Improvement and Application of Diffusion Nephelometer
WU Xing-wu，TANG Xiu-hua，ZHU Ai-lian
(National engineering Research Center for Urban Pollution Control，
Tongji University，Shanghai 200092，China)
　　Abstract:The measuring mechanism of diffusion nephelometer and methods for its improvement were studied，the result of which shows that the diffusion nephelometer using a new-type monochromatic electronic light source and provided with a luminous intensity stabilizing circuit is featured by high accuracy and sensitivity in case of narrow range of NTU，with good linearity up to 100 NTU，without frequent adjustment of zero point and re-calibration，less consumption of power，long life of light source，strong resistance to color interference，etc.，and is，therefore，suitable for the improvement of the efficiency of filiter tanks and the monitoring of the quality of outlet water in water plants．
　　Key words:water treatment；filtration；turbidity；instrument
　　隨著社會經濟的發展，對給水水質的要求越來越高。將過濾水的濁度控制在0.1NTU以下，是目前國外采取的預防病原體爆發流行的主要手段。
　　近年來，歐美國家的水廠開始普及微粒子計數器，用于檢驗水處理過程的絮凝效果、過濾器的性能和優化反沖洗過程等。但為水廠的過濾器配備高價的微粒子計數器，在我國可能還不現實，提高濁度的檢測水平仍具有很大的實際意義。
　　常見的濁度儀均為光電式，主要有透射光武、散射光式、表面散射光式和積分球（散射+透射）式等。采用波長860mm的激光光源的透射光式濁度儀，入射光不會被水體所吸收，能避免色度干擾；濁度用透射光與入射光比值的負對數表示，因透射光相對于入射光的變化量較小，低濁度的場合一般不適用。積分球（散射+透射）式濁度儀，同時測定散射光和透射光，濁度用散射光與透射光（或散射光+透射光）的比值表示，具有較高的靈敏度，但儀器復雜，價格偏貴。目前，低濁度值的測量一般采用散射光武濁度儀[1-3]。
　　在散射光武濁度儀的改進方面，國內新產品XZ系列（上海海恒機電）有一定的代表性，本文介紹該儀器的部分實驗研究和運用的結果。
1 測試原理[4-6]
　　光是一種電磁波，它在水中碰上微粒阻擋時會發生反射、折射和散射現象，圖1顯示出600mm波長的光線照射在膠體顆粒上的散射狀況。

　　圖中顯示，人射光碰上半徑為波長的1/10以下的小顆粒，主要發生側向散射；碰上半徑是波長的1/4左右的顆粒，向前方強烈散射；而碰上半徑≥波長的顆粒，在向前方散射的同時，向側面的不同角度發出強度起伏變化的散射光。單個顆粒越大，產生的散射光量越大。當水中顆粒半徑較小時，如圖1中的a和b，單位體積水中產生的90°總散射光強度服從瑞利（Rayleigh）定律：
　　
　　式中：Ir－散射光強度；
　　　　　I0－人射光強度；
　　　　　n1，n2－分別為微粒和水的折射率；
　　　　　λ－人射光的波長；
　　　　　υ－單個微粒的體積；
　　　　　N－單位體積水中的微粒數；
　　　　　θ－散射光與人射光的夾角；
　　　　　r－微粒到散射光強測試點的距離。
　　根據（1）式，單位體積水的散射光強度與入射光的強度。微粒子半徑的6次方及微粒的個數成正比，與如入射光波長的4次方成反比。散射式濁度儀的檢測角θ一般采用90°，微粒到散射光強測試點的平均距離r、折射率n1、n2視作不變，λ和υ當作常數，則（1）式可以簡化為：
　　Ir=KNI0　　　　　　（2）
　　式中K為比例系數。當水中懸浮顆粒的半徑大于等于光波長時，由粒子表面的反射及粒子內部的折射都會使光線改變方向，此時90°方向上測得的光強度服從米氏（Mie）定理，與入射光的強度、微粒子的截光面積A和粒子的個數濃度N成正比，可以簡化為（3）式：
　　Ir=K＇ANI0　　　　　　（3）
　　式中K‘為比例系數。實際上，濁度儀90°方向上測得的是不同大小的顆粒對入射光的散射、折射、反射和吸收等綜合作用的結果，入射光的波長、粒子色和水色會影響讀數，使儀器對高濁度的水不適用，但在0－100NTU范圍內可以得到理想的線性結果。
2 散射式濁度儀的改進[7]
2.1 光源
　　由（1）～（3）式可知，只有保證入射光的強度I0不變，才能使散射光的強度與水中濁度物質的數量線性相關。
　　XZ系列濁度儀采用了獨特的電子發光組件作為光源，僅發出恒定波長的單色紅光，譜帶寬度較窄，發光強度穩定，入射光不被水中色度物質吸收，可以避免色度對測量的影響。發光組件電耗極少，長期使用不過熱，儀器可以連續使用，不需要經常調整零點和重新用標準液標定。而且，光源的價格低廉，工作壽命達到十幾萬小時以上，一般不須更換。同時，XZ系列濁度儀配備有獨特的閉環恒光源控制電路，在使用過程中監測發光強度，當發光強度過高時，通過積分放大式電路自動減小光源的輸入電流，降低發光強度，反之亦然，從而保證入射光的強度I0恒定不變。
2.2 水樣槽
　　以往濁度儀的水樣槽常常被做成圓桶形，可以自由旋轉，靠對齊槽邊的記號定位。實踐表明，稍微轉動水槽也可能引起讀數變動，因為相對改變了檢測的θ角。對此，XZ系列濁度儀采用長方形玻璃水樣槽，槽體材質均勻，重復裝樣讀數基本不變。
3 測試實驗
　　XZ-1型散射式濁度儀標定采用的是由福爾馬肼（folmazin）（硫酸肼、六次甲基四胺）配置的標準液。為了檢驗以福爾馬肼標準液標定的XZ-1型濁度儀得到的濁度值能否反映出水中懸浮顆粒的數量或質量，采用高嶺土配制成不同重量濃度的水樣進行檢測實驗；同時還添加腐殖酸增加水樣的色度，觀察色度對濁度檢測的影響。
　　測試實驗用水用自來水、高嶺土和腐殖酸配制。高嶺土采用化學純試劑，腐殖酸采用生化試劑。水樣每份200mL，定量加入高嶺上并充分攪拌均勻后，用XZ-1型濁度儀器檢測濁度�？紤]盡量接近實際情況，高嶺土未經研磨等處理，在檢測過程中較大顆粒的沉降影響讀數穩定，為此采用了定時讀數的方法。腐殖酸先溶解于堿溶液中，然后再等量加入每份水樣中，未加高嶺土的對照水樣的色度為49度。檢測的結果如圖2所示。

　　由圖2可見，在0～100NTU的范圍內，測得的濁度值隨著添加高嶺土的量的增加而線性增加。添加腐殖酸增加水樣的色度，對濁度的測試結果基本沒有影響。
4 散射式濁度儀器的應用[2]
　　近年來，對給水濁度嚴格要求的結果，促進對過濾器工作過程的研究不斷深入，圖3為快濾池反沖洗后出水濁度隨時間變化的例子。圖中曲線顯示，如果濁度標準定在2NTU以上，經過反沖洗后即可進入有效過濾工作期；但如果降低濁度標準值，則必須經過一個成熟期，出水濁度才能達到要求，為此不得不放棄一部分初始過濾出水。成熟期從開始到時間點t1為止，曲線開始很快上升，期間出現兩個峰值，第二個峰較高，隨后逐漸下降。第一個峰與濾料層中的剩余反沖洗水流出有關，第二個峰反映的是新水進入后，濾料層形成穩定過濾條件的過程。

　　經過t1時間點后，一段時間內濁度先在一個穩定值附近波動，然后緩慢上升；超過t2時間點后，濁度開始迅速上升，這表明應該對濾池實行新一輪的反沖洗。t1至t2的時間為有效過濾工作期，正確找到臨界時間點，對提高出水的水質和水量非常重要。采用XZ-1型濁度儀，以每分鐘一次以上的頻率監測出水濁度，才能繪制出成熟期的濁度變化曲線。為了保證凈水效率，希望盡量減少初期棄水量，而有資料表明，造成隱孢子蟲流行的原因，往往與濾池反沖洗后的棄水量不夠有關[1～2]。
5 各類濁度儀的敏感度[4～6]

　　采用散射光式、積分球式和激光（散射/透射）式濁度儀，檢測用標準聚苯乙烯乳膠粒配制的水樣，乳膠粒徑在0.5－5μm范圍選擇，將測得的濁度值與粒子總截光面積（計算）之比值作為儀器的敏感度，各類濁度儀對不同粒徑的敏感度如圖4所示。
　　由圖4可見，對半徑小于1μm的顆粒，散射式濁度儀的敏感度最高；積分球式的敏感度在小粒徑的范圍迅速下降，對半徑0.5μm的顆粒幾乎已經無效。對較大的顆粒，散射型的敏感度變化比較小，這意味著濁度與顆粒的總截光面積成正比，即測定值的線性程度較高。1993年國內52家自來水公司用透射式濁度儀、分光光度計和散射光式濁度儀器檢測濁度為4.9NTU的同一水樣，結果發現散射光濁度儀的準確度、精度、重現性和重復性都是最好的[1]。
6 結論
　　本文探討了散射式濁度儀的測試機理和改進方法。實驗和應用的結果表明，采用新型的紅色單色電子光源和配備獨特的發光強度穩定電路后，XZ系列散射式濁度儀具有低濁度范圍靈敏度高，0～100NTU線性好，不需要經常調整零點和用標準液標定，光源壽命長，耗電量少，抗色度干擾能力強等特點；適用于水廠提高濾池效果和監測出水水質。
參考文獻：
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作者簡介：
　　吳星五（1952－），男，浙江杭州人，同濟大學副教授（博士）。