李 紅,鮑玉海,賀秀斌?

(1.中國科學院、水利部成都山地災害與環(huán)境研究所,610299,成都;2.中國科學院大學,100049,北京)

歐美等國家都將水體濁度作為飲用水衛(wèi)生標準和水質(zhì)安全檢測重要參數(shù)[1-2]。我國大多數(shù)自來水廠都將濁度列為出廠水必須測量的指標[3]。水體濁度不僅是水質(zhì)監(jiān)測與評價的重要指標,也常作為水體泥沙含量的替代性指標[4-5]。隨著濁度測量儀器的不斷完善,濁度在水質(zhì)、泥沙、微生物、飲料、油品等質(zhì)量檢測方面會有更廣泛的應用[6-7]。濁度是一種光學效應[8],是光線與溶液中的懸浮物等相互作用的結(jié)果,水體濁度反映水體中懸浮顆粒物、膠體、浮游生物和微生物等物質(zhì)的特征與數(shù)量[9-10],通?？赏ㄟ^測量水體中散射光的量或透射光的量來表達[11]。影響濁度的因素包括物理因素、化學因素、生物因素和其他環(huán)境因子等[12]。濁度的測量方法較多[13],因測試環(huán)境與目的不同而各具優(yōu)勢。濁度計作為測定濁度的專用儀器,由于測量方法與原理不同,市場上呈現(xiàn)出不同種類、測量精度、測量范圍的濁度計,但各類濁度計的適用條件與應用范圍尚未有系統(tǒng)梳理,導致難以選擇適當?shù)臐岫扔媅14-15]。筆者在了解濁度基本概念的基礎上,論述濁度的測量原理,系統(tǒng)比較各原理的適用性與優(yōu)劣勢,提出不同場景與環(huán)境下對濁度計的選擇依據(jù),以期為水質(zhì)監(jiān)測與評價提供參考。

1 濁度計光源的選擇

濁度是水體透明度的量度,反映光在水體中受阻礙的程度,表現(xiàn)為一種光學效應,測量濁度的濁度計是一種光學測量儀器[16]。在測量光源的選擇上,常見的有峰值波長在400～600 nm鹵素鎢燈和峰值波長在(860±30)nm紅外LED,美國頒布的USEPA180.1標準和國際標準化組織頒布的ISO7027[17]標準中對二者的特征有詳細介紹(表1)。波長 400～600 nm的鹵素鎢燈光源,對水體中小顆粒的散射較靈敏,由于散射作用對可見光中藍光(波長400～500 nm)較敏感,受水體色度影響較大,導致測量結(jié)果偏小;波長在(860±30)nm左右的紅外LED光源,濁度測量基本不受水體色度影響,且無需復雜的光學校正,穩(wěn)定性較好。

表1 濁度計光源的比較

2 濁度的測量方法

濁度測量的方法主要有間接推算法和直接測量法(圖1)。間接推算法包括推算法、遙感反演法、類比法。推算法是測量水體中的泥沙、葉綠素等特定懸浮物的濃度,通過建立懸浮物濃度與濁度之間的經(jīng)驗關(guān)系,進而推算水體濁度[18]。遙感反演法是利用遙感光譜特征通過經(jīng)驗模型、半經(jīng)驗模型或理論模型反演水體濁度[19-21]。類比法包括色度計法和燭光濁度計法,色度計法是利用色度直接代替濁度的方法;燭光濁度計法則是配置一定濃度的硅藻土標準溶液,放置燭光上觀測,通過對比標準液和待測液高度,獲取濁度的方法。直接測量法包括比濁法、光電探測法。比濁法包括目測比濁法和分光光度計法,2種方法是采用肉眼觀測并與標準液比色的方式得出濁度值。光電探測法是通過光電探測濁度計測量濁度,是當前水環(huán)境質(zhì)量評價實際工作中常用的一種方法[22-27],按光路測量原理入射光分為透射光、散射光和透射散射光(表2)。

圖1 水體濁度的測量方法

2.1 透射光法

透射光法也稱衰減光法,其測量原理是當一束入射光通過被測水體時,由于水中懸浮物等有阻攔、反射或吸收作用,使得透過水體的光強減弱,其減弱的程度與水中懸浮物數(shù)量等特征成一定相關(guān)性,可換算成濁度值[28]。根據(jù)朗伯-比爾定律[29],水體濁度與透光率的負對數(shù)呈線性關(guān)系,可通過測量透過被測水體的光強,來得到濁度值。

2.2 散射光法

散射光法是測量光束通過被測水體時產(chǎn)生的散射光強度,根據(jù)散射光強度與濁度的關(guān)系換算成濁度值[30],兩者關(guān)系一般表現(xiàn)為瑞利公式[31]。按測量散射光與入射光的方向與方位,可將散射法分為90°散射法、后方散射法、前方散射法、表面散射法、水下散射法等(圖2)。

圖2 濁度計測量原理示意圖

2.3 透射散射光法

透射散射光法是同時測量光源通過待測水樣時的透射光和散射光強度,并按兩者光強度比值確定濁度值的大小[32]。透射散射光法能同時測出透射光和散射光強度,有效地提高測量的準確度和適應性。

2.4 高濁度稀釋法

基于濁度的測定原理,目前市售濁度計的測定上限為9 999 NTU。當水樣濁度>1萬NTU時,為滿足應急檢測的需要,可利用臺式實驗室濁度計(量程為0～9 999 NTU)對高濁度水樣進行稀釋測定。其具體操作步驟如下:

1)取原水置于錐形瓶中,加入一定體積比例(n)的稀釋用蒸餾水,搖勻。

2)取混勻后的稀釋水樣清洗樣品瓶,搖勻后迅速在臺式濁度計上進行測定,讀取稀釋后水樣濁度值(s)。

3)原水體濁度(Y)=稀釋后濁度(s)×稀釋比例(n)×經(jīng)驗系數(shù)(ɑ)。

3 不同測量方法的應用

在測量光源的選擇上,常見的有峰值波長在400～600 nm鹵素鎢燈和峰值波長在(860±30)nm紅外LED,兩者各具特色,紅外LED在色度上受影響小,發(fā)光穩(wěn)定性好,無需配置復雜光學系統(tǒng)。鹵素鎢燈光強強,分辨力好,對小顆粒敏感。

濁度測量的方法主要有推算法、遙感反演法、類比法、比濁法和光電探測法。隨著科技的發(fā)展,如今光電探測法被廣泛使用,通常采用濁度計來獲取濁度。濁度計的光路測量原理分別是透射光法、散射光法、透射散射光法。透射光法根據(jù)朗伯-比爾定律。散射光法的入射光和散射光強的關(guān)系表現(xiàn)為瑞利公式[35],根據(jù)入射和散射光的角度可分為90°散射法、后方散射法、前方散射法、表面散射法等。透射散射光法是測量透射光和散射光強度,按兩者光強度比值確定濁度值。目前市售濁度計的測定上限為9 999 NTU,在暴雨季河流水體濁度通常>1萬NTU,為滿足應急檢測的需要,可對超高濁度水樣進行稀釋測定。

影響水體濁度的因素眾多,濁度的變化范圍大,僅依照一種光學測量原理與方法很難達到實際精度和實時環(huán)境要求。因此實際應用中通常需按水樣情況和水體環(huán)境,選擇不同測量方法的濁度計及方案。當水體濁度較小時,大部分入射光都直接透射了,衰減的光強很弱,濁度小幅度的變化引起的透射光變化也很小,故利用透射光法測定低濁度會產(chǎn)生較大誤差,且對監(jiān)測儀器光電接收,穩(wěn)定性和放大器件的分辨率的要求非常高,所以透射光法不適用于低濁度的測量,更適用于高濁度監(jiān)測[35]。在低濁度水體中,散射光對懸浮微粒的散射作用明顯,并且散射光曲線線性較好,散射光法在低濁度測量時顯示出較高的靈敏度和準確度。但當水體濁度超過一定值時,會發(fā)生多次散射。此時散射光強快速下降,導致散射光強不能準確反映水體的實際濁度。因此散射光適用于中、低濁度的測量。透射散射光法能同時測出透射光和散射光強度,不僅保持透射光法和散射光法方法各自的優(yōu)點,而且消除老化光源對測量值準確度的影響,有效提高測量的準確度和靈敏度,但由于透射光和散射光比值只在一定范圍成呈線性關(guān)系,故測量范圍有一定的局限性,且設備成本較高,故尚未廣泛推廣。在表3和表4中對各測量原理進行優(yōu)劣勢的分析,并列舉出應用場景和代表性濁度計。

表3 不同測量方法濁度測定方法的優(yōu)劣勢比較

表4 不同應用場景濁度計的特征

4 結(jié)論

1)濁度計的光源有多種選擇,常見的有峰值波長在400～600 nm鹵素鎢燈和峰值波長在(860±30)nm紅外LED。濁度計的3種測量原理中透射光法、散射光法和透射散射光法對應測量原理和環(huán)境有所不同。

2)透射光法濁度計適用于濁度>2 000 NTU的水體,測量范圍大,但測量精度偏低,受水樣色度影響大。90°散射光法濁度計則對濁度<2 000 NTU的水體測量十分具有優(yōu)勢,對光源和電路穩(wěn)定性要求低,受水體色度影響小。后向散射光法濁度計對10～4 000 NTU范圍內(nèi)的測量精確度高,不易受環(huán)境影響,適用于泥沙分布較均勻、含沙量低于 1.0 kg/m3的水體。水下散射光法濁度計測量精度高,穩(wěn)定性好,但操作復雜。表面散射光法濁度計適用于<1 000 NTU的水體,其探測器窗口不受污垢干擾,但在線測量易導致誤差。透射散射光法靈敏度高,適用性廣,抗干擾能力強,但成本高,測量范圍有一定的局限性。

3)針對不同濁度計的適用場景而言,實驗室式精度較高,量程最高,但難以進行連續(xù)監(jiān)測。現(xiàn)場在線式測量精度次于實驗室式,可連續(xù)監(jiān)測,在野外普遍使用。便攜式濁度計便于移動測量,成本較低,但精度較低,測量量程也較小。