散射式濁度儀的改進(jìn)和應(yīng)用
隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對給水水質(zhì)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(yù)防病原體爆發(fā)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(jì)數(shù)器，用于檢驗(yàn)水處理過程的絮凝效果、過濾器的性能和優(yōu)化反沖洗過程等。但為水廠的過濾器配備高價(jià)的微粒子計(jì)數(shù)器，在我國可能還不現(xiàn)實(shí)，提高濁度的檢測水平仍具有很大的實(shí)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(fù)對數(shù)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(fù)雜，價(jià)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(jìn)方面，國內(nèi)新產(chǎn)品XZ系列（上海海恒機(jī)電）有一定的代表性，本文介紹該儀器的部分實(shí)驗(yàn)研究和運(yùn)用的結(jié)果。
1 測試原理
光是一種電磁波，它在水中碰上微粒阻擋時會發(fā)生反射、折射和散射現(xiàn)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。
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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(fā)生側(cè)向散射；碰上半徑是波長的1/4左右的顆粒，向前方強(qiáng)烈散射；而碰上半徑≥波長的顆粒，在向前方散射的同時，向側(cè)面的不同角度發(fā)出強(qiáng)度起伏變化的散射光。單個顆粒越大，產(chǎn)生的散射光量越大。當(dāng)水中顆粒半徑較小時，如圖1中的a和b，單位體積水中產(chǎn)生的90°總散射光強(qiáng)度服從瑞利（Rayleigh）定律：
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式中：Ir－散射光強(qiáng)度；
I0－人射光強(qiáng)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(shù)；
θ－散射光與人射光的夾角；
r－微粒到散射光強(qiáng)測試點(diǎn)的距離。
根據(jù)（1）式，單位體積水的散射光強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度。微粒子半徑的6次方及微粒的個數(shù)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(qiáng)測試點(diǎn)的平均距離r、折射率n1、n2視作不變，λ和υ當(dāng)作常數(shù)，則（1）式可以簡化為：
Ir=KNI0 。2）
式中K為比例系數(shù)。當(dāng)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(nèi)部的折射都會使光線改變方向，此時90°方向上測得的光強(qiáng)度服從米氏（Mie）定理，與入射光的強(qiáng)度、微粒子的截光面積A和粒子的個數(shù)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(shù)。實(shí)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(jié)果，入射光的波長、粒子色和水色會影響讀數(shù)，使儀器對高濁度的水不適用，但在0－100NTU范圍內(nèi)可以得到理想的線性結(jié)果。
2 散射式濁度儀的改進(jìn)
2.1 光源
由（1）～（3）式可知，只有保證入射光的強(qiáng)度I0不變，才能使散射光的強(qiáng)度與水中濁度物質(zhì)的數(shù)量線性相關(guān)。
XZ系列濁度儀采用了獨(dú)特的電子發(fā)光組件作為光源，僅發(fā)出恒定波長的單色紅光，譜帶寬度較窄，發(fā)光強(qiáng)度穩(wěn)定，入射光不被水中色度物質(zhì)吸收，可以避免色度對測量的影響。發(fā)光組件電耗極少，長期使用不過熱，儀器可以連續(xù)使用，不需要經(jīng)常調(diào)整零點(diǎn)和重新用標(biāo)準(zhǔn)液標(biāo)定。而且，光源的價(jià)格低廉，工作壽命達(dá)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(dú)特的閉環(huán)恒光源控制電路，在使用過程中監(jiān)測發(fā)光強(qiáng)度，當(dāng)發(fā)光強(qiáng)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(fā)光強(qiáng)度，反之亦然，從而保證入射光的強(qiáng)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(zhuǎn)，靠對齊槽邊的記號定位。實(shí)踐表明，稍微轉(zhuǎn)動水槽也可能引起讀數(shù)變動，因?yàn)橄鄬Ω淖兞藱z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(zhì)均勻，重復(fù)裝樣讀數(shù)基本不變。
3 測試實(shí)驗(yàn)
XZ-1型散射式濁度儀標(biāo)定采用的是由福爾馬肼（folmazin）（硫酸肼、六次甲基四胺）配置的標(biāo)準(zhǔn)液。為了檢驗(yàn)以福爾馬肼標(biāo)準(zhǔn)液標(biāo)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(shù)量或質(zhì)量，采用高嶺土配制成不同重量濃度的水樣進(jìn)行檢測實(shí)驗(yàn)；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(shí)驗(yàn)用水用自來水、高嶺土和腐殖酸配制。高嶺土采用化學(xué)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?jǐn)嚢杈鶆蚝，用XZ-1型濁度儀器檢測濁度？紤]盡量接近實(shí)際情況，高嶺土未經(jīng)研磨等處理，在檢測過程中較大顆粒的沉降影響讀數(shù)穩(wěn)定，為此采用了定時讀數(shù)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(jié)果如圖2所示。
由圖2可見，在0～100NTU的范圍內(nèi)，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(jié)果基本沒有影響。
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4 散射式濁度儀器的應(yīng)用
近年來，對給水濁度嚴(yán)格要求的結(jié)果，促進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)定在2NTU以上，經(jīng)過反沖洗后即可進(jìn)入有效過濾工作期；但如果降低濁度標(biāo)準(zhǔn)值，則必須經(jīng)過一個成熟期，出水濁度才能達(dá)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(diǎn)t1為止，曲線開始很快上升，期間出現(xiàn)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(guān)，第二個峰反映的是新水進(jìn)入后，濾料層形成穩(wěn)定過濾條件的過程。
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經(jīng)過t1時間點(diǎn)后，一段時間內(nèi)濁度先在一個穩(wěn)定值附近波動，然后緩慢上升；超過t2時間點(diǎn)后，濁度開始迅速上升，這表明應(yīng)該對濾池實(shí)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(diǎn)，對提高出水的水質(zhì)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(jiān)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(guān)。
5 各類濁度儀的敏感度
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(biāo)準(zhǔn)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(jì)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。
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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(jīng)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(nèi)52家自來水公司用透射式濁度儀、分光光度計(jì)和散射光式濁度儀器檢測濁度為4.9NTU的同一水樣，結(jié)果發(fā)現(xiàn)散射光濁度儀的準(zhǔn)確度、精度、重現(xiàn)性和重復(fù)性都是最好的。
6 結(jié)論
本文探討了散射式濁度儀的測試機(jī)理和改進(jìn)方法。實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用的結(jié)果表明，采用新型的紅色單色電子光源和配備獨(dú)特的發(fā)光強(qiáng)度穩(wěn)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(jīng)常調(diào)整零點(diǎn)和用標(biāo)準(zhǔn)液標(biāo)定，光源壽命長，耗電量少，抗色度干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)；適用于水廠提高濾池效果和監(jiān)測出水水質(zhì)。
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