散射式浊度仪的改进和应用
随着社会经济的发展，对给水水质的要求越来越高。将过滤水的浊度控制在0.1NTU以下，是目前国外采取的预防病原体爆发流行的主要手段。
近年来，欧美国家的水厂开始普及微粒子计数器，用于检验水处理过程的絮凝效果、过滤器的性能和优化反冲洗过程等。但为水厂的过滤器配备高价的微粒子计数器，在我国可能还不现实，提高浊度的检测水平仍具有很大的实际意义。
常见的浊度仪均为光电式，主要有透射光武、散射光式、表面散射光式和积分球（散射+透射）式等。采用波长860mm的激光光源的透射光式浊度仪，入射光不会被水体所吸收，能避免色度干扰；浊度用透射光与入射光比值的负对数表示，因透射光相对于入射光的变化量较小，低浊度的场合一般不适用。积分球（散射+透射）式浊度仪，同时测定散射光和透射光，浊度用散射光与透射光（或散射光+透射光）的比值表示，具有较高的灵敏度，但仪器复杂，价格偏贵。目前，低浊度值的测量一般采用散射光武浊度仪[1-3]。
在散射光武浊度仪的改进方面，国内新产品XZ系列（上海海恒机电）有一定的代表性，本文介绍该仪器的部分实验研究和运用的结果。
1 测试原理
光是一种电磁波，它在水中碰上微粒阻挡时会发生反射、折射和散射现象，图1显示出600mm波长的光线照射在胶体颗粒上的散射状况。
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图中显示，人射光碰上半径为波长的1/10以下的小颗粒，主要发生侧向散射；碰上半径是波长的1/4左右的颗粒，向前方强烈散射；而碰上半径≥波长的颗粒，在向前方散射的同时，向侧面的不同角度发出强度起伏变化的散射光。单个颗粒越大，产生的散射光量越大。当水中颗粒半径较小时，如图1中的a和b，单位体积水中产生的90°总散射光强度服从瑞利（Rayleigh）定律：
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式中：Ir－散射光强度；
I0－人射光强度；
n1，n2－分别为微粒和水的折射率；
λ－人射光的波长；
υ－单个微粒的体积；
N－单位体积水中的微粒数；
θ－散射光与人射光的夹角；
r－微粒到散射光强测试点的距离。
根据（1）式，单位体积水的散射光强度与入射光的强度。微粒子半径的6次方及微粒的个数成正比，与如入射光波长的4次方成反比。散射式浊度仪的检测角θ一般采用90°，微粒到散射光强测试点的平均距离r、折射率n1、n2视作不变，λ和υ当作常数，则（1）式可以简化为：
Ir=KNI0 （2）
式中K为比例系数。当水中悬浮颗粒的半径大于等于光波长时，由粒子表面的反射及粒子内部的折射都会使光线改变方向，此时90°方向上测得的光强度服从米氏（Mie）定理，与入射光的强度、微粒子的截光面积A和粒子的个数浓度N成正比，可以简化为（3）式：
Ir=K＇ANI0 （3）
式中K＇为比例系数。实际上，浊度仪90°方向上测得的是不同大小的颗粒对入射光的散射、折射、反射和吸收等综合作用的结果，入射光的波长、粒子色和水色会影响读数，使仪器对高浊度的水不适用，但在0－100NTU范围内可以得到理想的线性结果。
2 散射式浊度仪的改进
2.1 光源
由（1）～（3）式可知，只有保证入射光的强度I0不变，才能使散射光的强度与水中浊度物质的数量线性相关。
XZ系列浊度仪采用了独特的电子发光组件作为光源，仅发出恒定波长的单色红光，谱带宽度较窄，发光强度稳定，入射光不被水中色度物质吸收，可以避免色度对测量的影响。发光组件电耗极少，长期使用不过热，仪器可以连续使用，不需要经常调整零点和重新用标准液标定。而且，光源的价格低廉，工作寿命达到十几万小时以上，一般不须更换。同时，XZ系列浊度仪配备有独特的闭环恒光源控制电路，在使用过程中监测发光强度，当发光强度过高时，通过积分放大式电路自动减小光源的输入电流，降低发光强度，反之亦然，从而保证入射光的强度I0恒定不变。
2.2 水样槽
以往浊度仪的水样槽常常被做成圆桶形，可以自由旋转，靠对齐槽边的记号定位。实践表明，稍微转动水槽也可能引起读数变动，因为相对改变了检测的θ角。对此，XZ系列浊度仪采用长方形玻璃水样槽，槽体材质均匀，重复装样读数基本不变。
3 测试实验
XZ-1型散射式浊度仪标定采用的是由福尔马肼（folmazin）（硫酸肼、六次甲基四胺）配置的标准液。为了检验以福尔马肼标准液标定的XZ-1型浊度仪得到的浊度值能否反映出水中悬浮颗粒的数量或质量，采用高岭土配制成不同重量浓度的水样进行检测实验；同时还添加腐殖酸增加水样的色度，观察色度对浊度检测的影响。
测试实验用水用自来水、高岭土和腐殖酸配制。高岭土采用化学纯试剂，腐殖酸采用生化试剂。水样每份200mL，定量加入高岭上并充分搅拌均匀后，用XZ-1型浊度仪器检测浊度。考虑尽量接近实际情况，高岭土未经研磨等处理，在检测过程中较大颗粒的沉降影响读数稳定，为此采用了定时读数的方法。腐殖酸先溶解于碱溶液中，然后再等量加入每份水样中，未加高岭土的对照水样的色度为49度。检测的结果如图2所示。
由图2可见，在0～100NTU的范围内，测得的浊度值随着添加高岭土的量的增加而线性增加。添加腐殖酸增加水样的色度，对浊度的测试结果基本没有影响。
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4 散射式浊度仪器的应用
近年来，对给水浊度严格要求的结果，促进对过滤器工作过程的研究不断深入，图3为快滤池反冲洗后出水浊度随时间变化的例子。图中曲线显示，如果浊度标准定在2NTU以上，经过反冲洗后即可进入有效过滤工作期；但如果降低浊度标准值，则必须经过一个成熟期，出水浊度才能达到要求，为此不得不放弃一部分初始过滤出水。成熟期从开始到时间点t1为止，曲线开始很快上升，期间出现两个峰值，第二个峰较高，随后逐渐下降。第一个峰与滤料层中的剩余反冲洗水流出有关，第二个峰反映的是新水进入后，滤料层形成稳定过滤条件的过程。
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经过t1时间点后，一段时间内浊度先在一个稳定值附近波动，然后缓慢上升；超过t2时间点后，浊度开始迅速上升，这表明应该对滤池实行新一轮的反冲洗。t1至t2的时间为有效过滤工作期，正确找到临界时间点，对提高出水的水质和水量非常重要。采用XZ-1型浊度仪，以每分钟一次以上的频率监测出水浊度，才能绘制出成熟期的浊度变化曲线。为了保证净水效率，希望尽量减少初期弃水量，而有资料表明，造成隐孢子虫流行的原因，往往与滤池反冲洗后的弃水量不够有关。
5 各类浊度仪的敏感度
采用散射光式、积分球式和激光（散射/透射）式浊度仪，检测用标准聚苯乙烯乳胶粒配制的水样，乳胶粒径在0.5－5μm范围选择，将测得的浊度值与粒子总截光面积（计算）之比值作为仪器的敏感度，各类浊度仪对不同粒径的敏感度如图4所示。
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由图4可见，对半径小于1μm的颗粒，散射式浊度仪的敏感度最高；积分球式的敏感度在小粒径的范围迅速下降，对半径0.5μm的颗粒几乎已经无效。对较大的颗粒，散射型的敏感度变化比较小，这意味着浊度与颗粒的总截光面积成正比，即测定值的线性程度较高。1993年国内52家自来水公司用透射式浊度仪、分光光度计和散射光式浊度仪器检测浊度为4.9NTU的同一水样，结果发现散射光浊度仪的准确度、精度、重现性和重复性都是最好的。
6 结论
本文探讨了散射式浊度仪的测试机理和改进方法。实验和应用的结果表明，采用新型的红色单色电子光源和配备独特的发光强度稳定电路后，XZ系列散射式浊度仪具有低浊度范围灵敏度高，0～100NTU线性好，不需要经常调整零点和用标准液标定，光源寿命长，耗电量少，抗色度干扰能力强等特点；适用于水厂提高滤池效果和监测出水水质。
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