水质生物分析仪

海洋生物是一个有趣的科学话题，但是要深入研究，也需要很多的科学方法与设备。在系统的研究中，会包括洋生物鉴定、海洋生物养殖与海水监测和海洋生态学数据分析等。研究专家也可通过对海洋生态科技养殖场中的生物养殖条件进行研究，分析光照、温度、盐度、溶解氧含量、投料比例以及人工环境对生物生长所产生的影响。海螃蟹：你了解我吗？ 图1.研究基地的海螃蟹养殖 螃蟹喜欢栖居在江河、湖泊的泥岸或滩涂的洞穴里，或隐匿在石砾和水草丛里。螃蟹掘穴一般选择在土质坚硬的陡岸，而不在平地上掘穴。通过这些依据，第一步养殖池塘的建设为海螃蟹的研究奠定了基础。在此基础上，生产研究人员需要研究人工配合饲料和天然饵料（水草、螺蚬、蚕蛹、杂鱼等）的投料比例以及时间安排，以在满足河蟹营养需要和促进河蟹正常蜕壳生长的基础上，达到提高饵料利用率和降低饲料成本的目的。海螃蟹最佳生长温度为17～32℃。适宜盐度是3.5%（对盐度适应范围广，能在淡水中生长，也能在盐度为35‰以上的海水中生存）。对低溶氧忍受力比较强，但溶氧含量不能低于2mg/L。适宜生长的pH范围为7.0～9.0。学徒在奥豪斯 辛瑞是一名来自美国的高中生，他在Midland School读九年级。这次他充分利用暑期时间，在浙江海洋大学陈永久教授的课题组进行了海洋生物学领域的系统学习。在陈永久教授的推荐下，辛瑞首先来到了美国OHAUS公司进行了水质分析仪表的系统学习。全面的了解了OHAUS公司的pH计以及溶解氧测定仪的原理以及使用。OHAUS公司是一家世界领先的为实验室、教育、工业和专业市场提供水质分析仪器、天平以及衡器产品的制造商。 图2.辛瑞在OHAUS公司学习产品操作 “知行合一”显身手 学习完OHAUS水质产品的理论知识和操作后，辛瑞随即进入浙江海洋大学陈永久教授的课题组投入到海洋环境检测系统的学习中，辛瑞充分利用了在OHAUS的学习，通过OHAUS的水质分析仪表，pH测试笔和溶解氧测定仪来获得他们所需的研究数据。 图3. 海螃蟹池塘pH测量 图4. 海螃蟹池塘溶解氧测量 经历了暑期这段时间的学习研究，辛瑞表示通过此次学习他接触到了一个全新的领域，不仅学到许多有关海洋生物方面的专业知识，同时也体验了一次海洋研究者的生活，体会他们研究中的艰辛与快乐。 在此次小主人公的实践中，全面使用了奥豪斯笔式、台式pH产品及便携式溶氧仪系列产品，奥豪斯是市面上少有的能够满足市场上大众化需求的走性价比路线的全系列常规电化学产品提供商，它不仅实用，而且易于操作上手，质量可靠稳定，国产价格、进口品质是我们的不懈追求。那么我们接下来看看奥豪斯产品的特性吧： 笔式pH计 简洁的设计，简易的操作ST系列测试笔设计简洁大方。电池已安装；电极头浸泡在保护帽中的湿润环境中，不需任何额外操作，即可随时使用。坚固的外壳，可反复使用ST系列测试笔外壳坚固，纽扣电池易于更换；6分钟无操作自动关机，保证更长时间使用。电极头可更换。防水防尘设计ST系列测试笔都是IP67防水防尘设计，标配腕带防止意外跌落。ST400D溶氧仪荧光原理，不需维护 最新的光学电极几乎不需维护，不需像电化学电极一样更换膜，或者预热操作；样品不需要搅拌即可测量。操作友好，存储方便 自动/手动终点，随时都可回显最后校准数据或存储数据；人体工程学设计可以让使用者非常方便的单手操作。校准简单，测量准确 校准简单方便，一次校准后可数月不需再次校准；自动大气压测量和补偿，自动温度补偿确保测量结果更加准确。ST5000台式pH计 设置便捷，功能强大 针对更为广泛的各种应用，本仪表提供了众多强大的功能，如大的存储容量，多种校准与测量模式，校准提醒，多种终点判定模式，时间与日期，连续测量功能，GLP测量功能等。显示清晰，操作直观 所有pH测量和校准相关的重要信息都清晰的显示在4.3寸的彩色大液晶屏上。一次简单触摸即可进行测量、校准，或者在不同测量模式间切换。坚固耐用，创新设计 IP54等级的防水防尘的仪表，标配的透明保护罩能让仪表适应更苛刻的实验室环境；创新的独立电极支架让操作更顺畅。RS232与USB接口便于数据输出。

p class="F24 Fw L40 G2"　　a href="http://www.instrument.com.cn/news/20171220/236150.shtml" target="_blank" title="" style="font-size: 16px text-decoration: underline "span style="font-size: 16px "水质与水质分析仪器之水质指标篇/span/a/pp　　上回讲到了水质指标，现在来说说获取水质指标数据的工具：水质分析仪器。/pp　　目前，有三种形式的水质分析仪器，分别是：实验室分析仪器、便携式分析仪器以及在线水质分析仪器 /pp　　在线水质分析仪器，出现的时间最晚，但是成长迅速，特别是最近几年，备受关注，曝光率远超其他两种，成了炙手可热的网红-传说中的“后发优势”?/pp　　一起来看看：最近，在电视、报纸、网络、微博、微信等传统和非传统媒体上，凡是涉及到环境保护和水安全的场合，“自动监测”、“在线监测”这类字眼几乎都会现身。前段时间环保部召开关于国家地表水环境质量监测的会议，也明确提出来了“要加快推进水质自动站建设。逐步建立起以自动监测为主，手动监测为辅的监测模式?”(据说，这次会议的成果之一就是在2018年，政府会投资在全国范围内建设1200个地表水水质自动监测站，惊不惊喜?)/pp　　即将在2018年1月1日正式实施的“中华人民共和国环境保护税法”，在第十条的条文中更是明确规定：/pp　　i“应税大气污染物、水污染物、固体废物的排放量和噪声的分贝数，按照下列方法和顺序计算：/i/ppi　　(一) 纳税人安装使用符合国家规定和监测规范的污染物自动监测设备的，按照污染物自动监测数据计算 /i/ppi　　(二) 纳税人未安装使用污染物自动监测设备的，按照监测机构出具的符合国家有关规定和监测规范的监测数据计算 ”/i/pp　　解释一下：目前中国水污染物的自动监测设备分为流量监测设备和浓度监测设备两种(浓度与流量的乘积就是污染物总量)，浓度监测设备就是通常所说的在线水质分析仪器。/pp　　更重要的是：根据这部法律，环境税应税污染物排放量数据的取得，首先采用自动监测设备的数据，其次才是“监测机构出具的数据”-目前监测机构采用的分析仪器多是实验室或者少数便携式分析仪器(针对必须在现场测试的个别指标)。/pp　　可以说，这部环境税法正式以法律条文的形式确立了在线分析仪器的地位。/pp　　那么，这么“高端大气上档次”的在线水质分析仪器到底是何方神圣?为什么这样受追捧呢?/pp　　权威的定义是：按照国际标准化组织(ISO)代号为ISO15839《水质-在线传感器/分析设备的规范及性能检验》标准中的定义：在线分析传感器/设备(on-linesensor/analyzingequipment) ，是一种自动测量设备，可以连续(或以给定频率)输出与溶液中测量到的一种或多种被测物的数值成比例的信号。/pp　　听起来很高深的样子(权威总是这样的?)，有没有通俗点的说法呢?/pp　　有问题，找百度。/pp　　万万没想到，这一次度娘居然让我失望了，寻了半天，没找到一个比较令人信服的说法。/pp　　“求之不得，辗转反侧”。想来想去，似乎自己十年前在2007年“第二届在线分析仪器应用与发展国际论坛”大会发言时的非权威说法还比较容易理解：/pp　　“在线水质分析仪器是一类专门的自动化在线分析仪表，仪器通过实时、现场操作，实现从水样采集到(水质指标)数据输出的快速分析 在线水质分析仪器一般具有自动诊断、自动校准、自动清洗、故障报警等功能，在保证分析结果准确度的同时，可以实现无人值守自动运行。”/pp　　结合权威和非权威的说法，可以发现在线水质分析仪器最重要的特征有三个：自动、连续、实时 /pp　　手段是为目的服务的。作为获取水质指标数据的工具，对照上回讲到的获取水质指标的四种目的：span style="text-decoration: underline "了解杂质浓度 预测水质变化 控制和优化水处理工艺 评估水质安全 以及六大类水质指标：物理指标、成分指标、评估性综合指标、水质转化潜能指标、工艺指标、替代指标/span 我们来看看作为一种新技术出现的在线水质分析仪器，当年最先的应用突破点选择了哪里?/pp　　毋容置疑， 在“控制和优化水处理工艺”方面，凭借“实时、连续”的特点，在线水质分析仪器有着不可替代的作用。首先实现在线测量的是pH、浊度、溶解氧、ORP等重要的工艺指标 遇到有些工艺指标分析方法复杂或者测量周期长，不能满足流程工业自动控制要求的挑战，就轮到了替代指标的闪亮登场。/pp　　(现在很难考证第一台在线水质分析仪器具体出现在哪个年代、哪种场合了，个人猜测，第一台很可能是在线Ph计，用于酸碱调节的工艺控制)/pp　　从全球范围来看，目前在线水质分析仪器应用最多的细分领域还是水处理工艺过程控制。/pp　　在线水质分析仪器“自动、连续、实时”的特点，，除了应用于控制和优化水处理工艺过程，在了解特定污染物浓度和评估水质安全方面，相对于实验室和便携式分析仪器，也有着很大的优势。/pp　　自动化对于减少分析人员人力劳动的好处不言自明，更重要的是，由于仪器分析过程不用人工干预，人为误差也减少了。(这些年中国政府和环境管理部门一直都在努力消除各种人为因素对污染物排放数据的干扰(参见《环境监测数据弄虚作假行为判定及处理办法》等法规文件，以及环境数据造假入刑的各种新闻)。中国目前是全球采用在线水质分析仪器对污水排放进行自动监测最为普遍的市场，在线水质分析仪器又将成为环境保护税法规定的污染物(主要是氨氮、重金属、总磷/总氮等成分指标和COD等评估性综合指标)排放量计税工具之一，/pp　　估计很大一个原因就有作为自动化仪表的在线水质分析仪器在分析过程中无需人工干预这个特点)/pp　　同时，“连续、实时”的特点也使得在线水质分析仪器不仅可以连续提供水质指标的即时数据，还常常作为报警设备，水质指标一旦超过某个给定的安全值，仪器就会输出报警信号(在评估水质安全方面，实时报警的作用是非常重要的)。/pp　　优点还不止于此，再啰嗦两句关于操作人员健康安全的好处：/pp　　有些水样，比如含有较多有毒挥发性化学物质，人工分析时可能危害到分析人员的身体健康 又有些工作场所，在生产装置运行时，分析人员无法进入现场采取水样。最极端的例子是：在核电厂的一回路，由于较强的辐射，即使是穿戴有重型防护设备的操作人员，也只能短暂停留 但是核电厂运行过程中有些重要的水质指标数据(如溶解氧、溶解氢、电导率等)又必须及时获取。/pp　　这时，作为自动化设备的在线水质分析仪器的优势就更能体现出来了。/pp　　不过，虽然有着这样多的优点，无论从技术进步还是市场发展来看，在线水质分析仪器还是和其他任何新技术的发展历程一样，并不是一帆风顺的。/pp　　在初期，受制于相对过低的水资源费、水价以及废水排放需要支付的费用，当时在线分析仪器的投资和运行成本都比较高 而且那时在线水质分析仪器的稳定性、可靠性等还不一定能完全满足实际工作的要求 可以实现在线分析的水质指标也不是很多。/pp　　这两种因素造成了当时水工业行业的运行管理者和水处理工程师对采用在线水质分析仪器持有一种谨慎的态度，从而严重制约了在线水质分析仪器的发展和应用。(1973年，在英国伦敦召开的第一届水处理行业ICA(Instrumentation(仪表)、Control(控制)、Automation(自动化))专家会议上，当时与会专家达成的第一个共识就是：仪器数量不足是自动控制的主要障碍。大家认为根据当时仪器的发展程度，仅有浊度、溶解氧和电导率三种指标的测量较为可靠)。/pp　　“天生我才必有用”。随着人们对水质安全的重视、环保法规的更加严格，水资源费的不断上升，特别是在线水质分析技术和计算机信息技术的发展，在线水质分析仪器逐渐表现出成本性能优势(举例：相对于最初的模拟电路，数字电路技术在水质分析仪器中的采用，使得仪器的可靠性有了很大的提升，仪器设计和批量生产的成本得以大幅下降)，在水环境监测、水处理工艺过程过程控制、饮用水水质安全预警等诸多领域都得到越来越广泛的应用，也迅速在废水污染物排放的浓度监测与超标报警领域得到了应用。/pp　　前面谈了市场和应用，让我们回到在线水质分析仪器，扒一扒这种技术自身的发展与面临的挑战：/pp　　根据前文ISO标准的定义，有两种形式的在线水质分析仪器：在线分析传感器和比较复杂的自动化分析设备或者装置。/pp　　先来说说span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong在线水质分析传感器/strong/span：/pp　　国家标准GB/T7665《传感器通用术语》对传感器的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。在线水质分析传感器通常结构比较简单，通过直接和被测水样接触获得水质指标的数据。/pp　　在线分析传感器，最初可以测量的水质指标，主要是一些简单的物理指标和成分指标，如电导率、Ph、ORP、溶解氧等 接着是浊度、悬浮物浓度等光学原理的传感器 后来，出现了UV254等替代性指标的传感器 最近几年，随着仪器计算能力的提高、新材料的应用，离子选择电极法(测量污水中的氨氮、硝氮等重要工艺指标)、紫外荧光(测量水中油等)以及全光谱扫描原理(传感器一次可间接测量COD、BOD、TOC等多种有机物指标、浊度、硝氮、亚硝氮等多种水质指标)的传感器开始大量应用。/pp　　在线水质分析传感器在实际使用中主要面临两个方面的挑战：/pp　　传感器直接同水样接触，缺少了实验室人工分析时样品预处理及去除样品中干扰物质的过程，水质不同的水(含油、硫化物、重金属、悬浮物、高盐度、腐蚀性气体等各种杂质)，对传感器材质和结构的要求也是千差万别的，在仪器设计制造时必须充分考虑这些因素，才能保证获取准确的测量数据和保证仪器长时间的正常工作，所有这些，都会增加仪器的成本。/pp　　其次，由于传感器长时间同各种水质情况的水接触，仪器需要一定的维护量，特别是应用于各种工业废水等水质条件恶劣的样品时，仪器需要的维护量和维护费用会比较高。/pp　　个人看法：随着新的分析原理、方法的出现和应用，以及各种新材料的采用(几年前荧光化学法在溶解氧分析仪的应用就是非常好的一个例子)，传感器对复杂水质的适应性会得到提高 同时，物联网技术的应用，可以对传感器自身寿命及运行状态进行远程实时监测、管理以提高维护效率、降低维护成本。/pp　　还有，根据所检测水样的不同水质情况，进行差异化设计、制造也是一个有效的办法 比如：饮用水和海水、工业废水，即使是测量同一个水质指标，也选用不同材质、结构和制造工艺来生产传感器，以满足不同水质条件的要求。/pp　　更重要的是，和所有电子产品一样，传感器的成本必然会随着物联网时代大规模的应用出现超出想象力的下降。这时，免维护的一次性在线水质传感器将不再只是梦想。/pp　　接下来看看比较复杂的span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong水质自动化分析设备或者装置/strong/span：/pp　　许多水质指标数据的获得，都需要有一整套的装置来自动实现原来实验室人工分析的流程，比如：过滤、加热、加显色剂、混合、测量等等 另外，为了保证长时间连续运行的准确度，还需要定时对仪器进行校准(当然，也是自动的)，以及定期的人工维护。当下，在中国，可能在线COD分析仪是这种仪器中名气最大的一款。/pp　　这一类在线水质分析仪器结构复杂，多用于成分指标(TOC、SiO2、总磷、总氮、重金属等)和评估性综合指标(COD、碱度、硬度、生物毒性等)。这类仪器的发展也非常迅速，最近，市场出现了三维荧光原理的仪器，可以间接测量水中油、BOD、CDOM等等一系列的水质指标 流式细胞原理的在线水质分析仪也开始被用于连续监测饮用水中的细菌总数以及水源地、海水中的藻类分类及计数 还有包括X射线荧光、激光诱导击穿光谱(LIBS)等新原理的仪器，也开始在水中重金属的在线监测方面崭露头角。/pp　　一般来说，这类仪器的成本和价格要高于在线分析传感器(还记得以前做销售，向客户推荐在线COD分析仪时，客户说的话：买你这么小一台仪器，我一辆“帕萨特”就没有了)。/pp　　strong发展到今天，先进的在线水质分析仪器早已是“硬件+材料+软件+算法”四位一体的强大组合了。/strong/pp　　和传感器一样，这类仪器的成本问题也将会随着大规模的应用得到降低 而维护问题也可以通过设计的优化、新材料以及耐用元器件的采用得到改进，特别是，工业物联网技术的进步，可以实现这种精密设备的远程管理和诊断，通过有针对性的预维护等手段降低维护量及维护费用。/pp　　同样，再来说说面临的挑战：/pp　　今天的中国市场，大量的在线水质分析仪器被用于企业废水污染物排放自动监测，明年还将成为环境税的计税工具。这类在线水质分析仪器在实际应用中面临的主要挑战是数据的可靠性和准确度问题，造成问题的主要原因是：/pp　　在线水质分析仪器采用的测量原理和测量方法和实验室标准分析方法不太可能完全一致，存在方法误差 表现出来的现象是：仪器可以准确测量标准溶液(常常是单一化合物的水溶液)的浓度 但是对于实际水样，衡量是否准确的标准是和实验室人工方法的测量值比对，除了方法误差，还有可能存在人为误差的影响。/pp　　以COD(化学需氧量)为例，COD本来是一个条件参数，其定义是：在一定的条件下，水中的各种有机物质与外加的强氧化剂(如K2Cr2O7、KMnO4等)作用时所消耗的氧量 按照HJ828-2017《水质化学需氧量的测定重铬酸钾法》(标准取代了国标GB11914-1989)，标准的测量条件是：“水样加入试剂后，保持微沸2小时”等等 采用在线COD分析仪器，测量条件很难完全和标准要求的条件一致，这样，就有可能影响COD这个条件参数的在线分析仪器的准确度。/pp　　其次，对样品预处理的方法与流程和实验室标准方法不一致：受仪器连续运行及安装环境等一系列条件的限制，在线分析仪器采用的样品预处理系统很可能和相应水质参数对应的标准分析方法要求的预处理条件不一致，这样，也有可能对最终的测试结果带来影响。/pp　　针对这些问题，环境管理部门的技术人员开展了大量的“在线水质分析仪器适用性”研究和比对测试工作，并根据不同水质指标，制定了有十分严格而有针对性的比对测试流程和规范，希望可以找到一个好的解决办法。/pp　　需要说明的是：不是所有的在线分析仪器都需要面临如此严格的测量准确度要求。不同的使用目的，对仪器性能的要求也不尽相同。/pp　　根据应用目的的不同，在线水质分析仪器又可以分为监测型和过程型两类，监测型分析仪器用于单纯的水质监测，以测量成分指标和评估性综合指标为主，用来判断水质是否达到法规的要求，以及环境水质(地表水,地下水)和饮用水水质的报警和预警性监测，不参与水处理工艺过程控制 这类仪器对测量数据的准确度(精度、误差)要求较高，数据可以作为有关部门进行执法管理的依据 /pp　　过程型分析仪器主要用于水处理工艺过程监测,以测量工艺指标、替代指标为主，所测量的水质指标参与过程控制,以优化水处理工艺,提升水处理效率,实现水处理过程节能降耗 过程型仪器对仪器的可靠性和稳定性(具体的仪器指标是漂移和线性度、重复性)要求较高，要求仪器能够可靠地反应水质变化的趋势，以便为水处理过程控制提供依据。/pp　　除开法规执行带来的挑战，更大的挑战来自公众的需求：“人民群众日益增长的美好生活需要”/pp　　一般公众的想法是：既然有了在线水质分析仪器这种先进、“高大上”的自动化设备，特别是有了生物毒性分析仪这类评价性综合指标的分析仪器，了解我们身边的水质状况，回答诸如饮用水是否安全(能直接饮用)?工厂排出的废水是否对环境无害?门外那条小河、还有游泳池是否适合孩子们去玩耍?等等，应该是分分钟的事儿，再容易不过了吧?/pp　　“理想是丰满的，而现实是骨感的”/pp　　能实时回答这些问题场景也许会发生在不太久的将来，但是在现实的今天，许多都还做不到。/pp　　上面这些问题通通都涉及到了人们了解水质指标的终极目标-“评估水质安全”，非常复杂，复杂问题的讨论总是需要太多时间，这次留下悬念，如果有缘，这个问题我们下次再聊。/pp style="text-align: right "strong（供稿：重庆昕晟环保科技有限公司 总经理程立）/strong/p

p　　按照维基百科的定义， “水质是指水的化学、物理、生物和放射性特性，它是和一种或多种生物物种的需求或任何人类的需要或目的有关的水的状况的衡量。”/pp　　( 抱歉，第二句是直接从英文“It' s a measure of the condition of water relative to the requirements of one or more biotic species and or to any human need or purpose”. 翻译的，有点拗口。)/pp　　个人认为： 这个定义反映了人类自古以来对待自然资源的态度，那就是“对人有什么用?” (在今天，相信没有人会对 “水是地球上最宝贵的资源” 这个说法有异议了)/pp　　就目前的认知而言，水是地球生物生长、繁衍的源泉 也是满足人类生活、生产、游戏等活动，乃至精神层面的高级需求(脑中闪过“逝者如斯乎”等等若干歌咏水的诗词)的要素 当然，还是这个星球生态环境安全的基础。/pp　　(不好意思，不小心似乎成了白话版的“水是生命之源、生产之要、生态之基”)/pp　　水的优劣是依据不同的水质指标来进行衡量的。/pp　　不同用途的水有着不同的水质指标要求。/pp　　自然界中的水，是由水分子和其他物质(杂质)组成的混合物质。(重点来了：人们常说的水，其实并不只是化学课本里的那个分子式是Hsub2/subO，被称作水分子的物质。)/pp　　完全不含杂质的水，在地球的自然状态下是不存在的。而且，就算费了九牛二虎之力生产出杂质含量极低的纯水，除了昂贵，也是不适合地球生物直接饮用的。(span style="font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai color: rgb(0, 112, 192) "有一则网上流传的故事：美国IBM公司伯灵顿水厂的环保部门经理埃里克· 伯利纳，忍不住尝试喝了一小口IBM半导体工厂中经过18道工序制备的，去除了杂质的“超纯水”，评价是：“根本不好喝。味道很冲、很苦，太难喝了”/span)/pp　　正是由于水中杂质的存在，才使得人们日常接触到的水表现出各种不同的物理、化学、生物学特性。/pp　　水质指标就是表征水的这些不同特性的参数，又或者是水中除水分子之外的其他物质(杂质)浓度的量/pp　　水质指标的种类和数量是伴随着人类社会的发展，尤其是人口增加带来的水使用范围的扩大、水处理工业的发展以及分析技术的进步不断增加的。/pp　　在农耕时代，水的用途主要是饮用、灌溉、洗涤等 那时候的饮用水，基本都是直接取自河流、湖泊或者居住地附近的井水、泉水。基本不用处理或者只需要简单的沉淀、过滤就能满足人们使用的要求。先民们用来判断水是否可以喝(书面语是“直接饮用”)的那些水质指标，都是诸如嗅味、颜色、透明度、肉眼可见杂质等少数几个物理指标 /pp　　PS：古人已经会根据水质的差异来决定水的不同用途，有诗为证：“沧浪之水清兮，可以濯吾缨 沧浪之水浊兮、可以濯吾足。”白话就是：“河水清清洗帽缨 河水浑浊可洗脚”/pp　　特别要感谢我们聪明的祖先，不知从什么时候开始让中国人养成了喝白开水的好习惯。虽然可能那时候的人们还没有一丁点儿水源性疾病的概念，但是烧开水确实能杀死水中的致病微生物。这个习惯保持至今，让不少中国人免受了由喝生水带来的疾病折磨。(热水是好的，那些让生病的女友多喝热水的男朋友们，就算你们常常被吐槽，对的事情，还是要坚持的)/pp　　科学技术的进步，带动了各种分析设备的发明，从而发现了许多原来一直在水中存在，但是却不为人知的其他物质(不管你知不知道，它都一直在那儿)，水质指标的数量开始有了增加。最著名的例子有：直到17世纪，荷兰人列文虎克才用自己发明的显微镜第一次观察到雨水中存在的大量微生物。/pp　　进入工业化时代以来，现代城市也开始出现，城市里的场景是：随着越来越多的人们聚居在城市中，不能再像以前住在乡下那样能随便打水了，就出现了自来水厂(span style="font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai color: rgb(0, 112, 192) "小时候听我爷爷讲，我老家在嘉陵江边，在没有自来水以前，城里人除了用井水，还要靠买江水。我太爷爷年轻时就做过挑水工人，每天清早都会去到江边，用水桶打上江水，然后担着水爬好几百级台阶，到城里叫卖/span) 后来，人们日常生活产生的污水也不能随意乱排了，建起了污水处理厂 在大型工厂里，也必须对水进行处理，才能用于生产 用过的水，也必须处理以后才能排放到环境中。/pp　　这个时期，一方面由于化学工业等重工业的飞速发展，新的化学物质不断产生，最终都会经过各种不同的途径进入到水中。另一方面由于伴随着发达国家城镇化、工业化发展起来的饮用水、污水处理、工业水处理工业的快速成长(大型工厂，像采用蒸汽发电的火电厂，必须对水进行处理、净化，才能进入锅炉，防止造成水在锅炉里结垢)，出现了大批水处理工艺参数、综合指标等新型水质指标 同时，各种水处理化学品被普遍应用于水处理过程，最终都会有残留在水中。所有这些因素，导致水质指标的数量出现了爆炸式的增长。/pp　　第二句话信息量有点大，举个例子：/pp　　在现代饮用水厂，在除藻、絮凝、消毒等工艺，会有各种不同的水处理化学品被加入水中，以保证到达居民家中的自来水达到可饮用的卫生标准，其中最著名的就是用来杀灭细菌、病毒等微生物的液氯。/pp　　氯进入水中以后，会和水分子以及水中其他的杂质发生一系列的化学反应，除了生成具有杀菌功能的次氯酸以外，还会和水中的有机物反应生成一系列新的被称作消毒副产物的含氯有机化合物(据说有致癌风险，消毒副产物在当今的饮用水界不小心就成了网红)。/pp　　自来水中溶解的氯气以及次氯酸等具有杀菌功能的化学物质，被统称为余氯 由于余氯的量关系到水中微生物的滋生情况，有时也被作为微生物指标。/pp　　那些死去的细菌和藻类，还会释放内毒素或藻毒素等物质到水中。/pp　　上面提到这些化学物质，几乎都成为了重要的饮用水水质指标。/pp　　另外，在紫外消毒工艺出现以前，氯消毒也是城市污水(包括医院废水)主要的消毒工艺。消毒过程产生的副产物自然也会随着经过处理的污水进入到环境水体中 城市污水的排放标准中也有了对相应水质指标，如三氯甲烷和可吸附卤素(AOX)浓度的最高值要求。/pp　　随着水的利用日益增加，人类对水的认知也不断深入，作为一门应用科学的水质学应运而生，其研究的主要目的就是为了解决水环境保护和水利用过程中诸多涉及水质的实际问题(当然，相信也有某些科学家只是单纯的为了满足好奇心而从事水质研究的)。/pp　　从实用角度来看，可以从四个维度来分析人们获取水质指标数据的目的：/pp　　了解杂质浓度 预测水质变化 控制和优化水处理工艺 评估水质安全。/pp　　分别说明一下：/pp　　strong了解杂质(污染物)浓度/strong，很容易理解，主要就是获得水中杂质(尤其是有害成分)的浓度数据，根据这些数据进行管理，现在各国的污染物排放监管法规越来越严格(例如：中国将在2018年1月1日正式实施的“环境保护税法“明确了以排放水中的污染物当量来征收环境税) 或者指导水的分级使用(灌溉、游戏、作为饮用水水源、景观、各种工业用途等等) 或者诸如水中污染物浓度超过标准值报警等等作用。/pp　　strong预测水质变化/strong：环境中天然状态下水，会随着外部环境条件的改变而发生变化 而人工处理的水，在处理、储存、输送、使用过程中也会发生变化，需要基于水质指标数据，对水质变化做出预测，降低水质安全风险。/pp　　strong控制和优化水处理工艺/strong：控制和优化水处理工艺的目的是保证处理后的水质达到标准要求，节约处理过程的能耗，节省水处理化学药品的消耗。所有的控制和优化都离不开水质数据的支持。/pp　　strong评估水质安全/strong： 重要的内容最后讲。其实前面所做的一切都是为了水安全(水安全包括充足的水量和水质安全两个方面的内容，这里我们只讨论水质安全问题)。/pp　　狭义的水质安全是主要指饮用水以及和人体直接接触的各种水(泳池、医疗用水等)-这是人们最关心的 现在还加上了生态安全的问题，人们已经认识到了，环境水质的恶化将会严重影响生态安全。/pp　　广义的水质安全还包括生产安全，对工业生产来说，水质会影响到工业企业生产装置和设备的运行安全(如锅炉、汽轮机、加热管线等等) 以及最终产品的品质(前面说过的IBM半导体工厂的用水必须是经过若干工序严格处理的超纯水，否则，根本做不出合格的芯片-(按照电子工业的术语叫“良品率”低)。污染水体对种植、水产养殖等农业生产的危害更是众人皆知，这里不再啰嗦。/pp　　目的清楚了，接下来让我们看看目前具体有哪些水质指标：/pp　　span style="color: rgb(0, 176, 240) "1、 先说简单的物理指标/span，最早的物理指标大多是通过人的感官就能观察到的一些性质，如：透明度、嗅味，浑浊度、颜色(色度)、温度等等。古人的经验已经告诉我们，这些指标在评估水质安全方面的价值了 发展到今天，浊度、透明度、色度等好些水质指标已经得以量化，可以通过分析仪器准确测量了。/pp　　span style="color: rgb(0, 176, 240) "2、 成分指标/span： 天然水体中包括重金属离子、无机阴离子(氯离子、硫酸根等)、溶解气体(氧、二氧化碳等)、溶解性有机物等在内的各种天然杂质 微生物、藻类及其代谢产物，以及经过各种途径(雨水、土壤流失、人和动物的排泄物等等)进入水体的人工合成化合物，乃至这些物质在自然界的反应产物或者通过生物体代谢的产物。这些物质随着分析技术的发展而逐渐被发现，就像前面提到的列文虎克发现水中微生物的故事，许多水质指标都是这样出现的。/pp　　成分指标也包括在饮用水、工业用水，净化后的污水以及再生水等经过人工处理的水中，人为添加的水处理化学品及其反应产物，如饮用水中的余氯和消毒副产物等。(饮用水中最具代表性的一类消毒副产物是三卤甲烷 由于三卤甲烷的含量很低，直到20世纪六十年代一种叫做“电子捕获器(ECD)“的分析设备的出现，才被人们所知)/pp　　成分指标分为单一成分指标和综合成分指标。综合指标是指具有相同或者相似化学、生物学特性的一类物质的量。比如：总有机碳、总磷、总氮、PH值、细菌总数等等。/pp　　成分指标是数量最为庞大的一类水质指标，目前各种水质标准中提到的化学指标、重金属指标、微生物指标等一般都属于成分指标范畴，由于新的化学物质的研制、生产和使用，一直都不断在出现新的成分指标。/pp　　span style="color: rgb(0, 176, 240) "3、 评估性综合指标/span：这类指标不是指水中某种已知杂质的浓度，而是表征在水中的化学生物成分和物理特性的共同作用下，水会表现出某些特定的化学或生物学属性或能力。评估及综合性指标往往通过人为设定实验条件得到结果，这类指标中最有代表性就是大家耳熟能详的COD(化学耗氧量)，表示在特定条件下，水中能被强氧化剂氧化的物质需要的氧的量 /pp　　COD现在是评估水有机污染程度最重要的指标。其他常用的评估性综合指标还有硬度(最初表示水中离子沉淀肥皂的能力)、碱度、BOD(生化需氧量)等等。/pp　　生物毒性指标，生物毒性表示水中的化学杂质整体所表现出来的对某种生物的毒性效应。主要分为急性毒性指标和遗传毒性指标，是快速评价未知成分的水是否安全的非常有价值的指标(现实中，受制于技术水平、分析成本等诸多因素，现在的分析技术无法做到分析穷尽水中所有的成分)。/pp　　在实际应用中，“生物毒性“作为一类特殊的评价性指标，常用来直接评估饮用水水质安全性。具体方法是选用某种生物(如发光细菌或者大型蚤、藻类等等)作为标准样品生物，用仪器检测这些生物接触待测水样后的反应。/pp　　span style="color: rgb(0, 176, 240) "4、 水质转化潜能指标/span，反应水质在诸如处理、储存、输配过程中随时间发生变化的趋势或者评估加入某种化学物质以后水质的变化潜能 主要分为水质稳定性(生物稳定性和化学稳定性)和水处理特性两类 /pp　　例如，“消毒副产物生成势“这个指标就是在水处理过程中，用来衡量水源加入氯气(或其他消毒剂)消毒以后消毒副产物的生成潜力的。/pp　　“同化有机碳(AOC)”，则用来评估饮用水在输配管网中微生物的最大生长潜力(在输配管网中，水中的余氯、钙镁离子、硫酸盐等化学物质、微生物，以及管道自身的材质、管壁附着的微生物、水垢以及水流速等的相互作用，形成了一个十分复杂的系统，AOC作为生物稳定性指标，和其他的生物和化学稳定性指标是评估和预测饮用水经过管网输配，到达居民家中时水质状况的重要指标 例如：打开水龙头，出现“黄水”，往往是因为水的化学稳定性出了状况，输水管道被腐蚀，铁溶解到了水中。/pp　　广义上讲，水质评价常常用到的BOD也是衡量废水可生化性能的一个非常有用的指标(BOD本身还是评价水有机污染的水质指标和废水生物处理工艺中重要的工艺指标)。/pp　　另外，现在常常出现某地湖泊水库藻类爆发的新闻，主要就是因为水体中的氮磷等物质浓度超过一定水平(常说的“富营养化”)，在适宜的环境条件下(温度、日照、水流速度等)发生的。藻类爆发的危害很大(蓝绿藻中释放的微囊藻毒素是迄今发现的最强的肝肿瘤促进剂)，如果能根据获得的水质数据(中国用于水体富营养化评估的水质指标分别是：叶绿素、总磷、总氮、高锰酸盐指数(CODMn)和透明度)和环境、气象数据提前预测，提早介入，可以有效降低爆发的风险。现在，对于环境水体中由于水质变化引起的藻类生长潜力变化也属于广义的水质转化潜能研究范畴。/pp　　span style="color: rgb(0, 176, 240) "5、 工艺指标，/span是指在水处理工艺中用来调整或者控制后续工艺的水质指标。这些工艺指标的变化是水中多种物理、化学、生物特性综合作用的结果。/pp　　例如，污水生物处理工艺常用的污泥体积指数(SVI)，就是衡量活性污泥法工艺中污泥沉降性能的指标 /pp　　流动电流是原水净化过程中的絮凝沉淀工艺时常用的工艺指标 /pp　　而最近十分红火的膜处理工艺中，最受关注的一个指标就是污染指数(SDI)，SDI代表了水中胶体、固体颗粒等能造成膜堵塞的物质的量 其大小关系到膜的运行寿命和维护费用/pp　　有一些物理指标和成分指标，也是工艺指标 比如：浊度和余氯是饮用水处理的关键性工艺指标。而BOD和COD则是污水处理的重要工艺指标 /pp　　随着水处理新工艺的不断出现，还会产生更多的工艺指标。/pp　　span style="color: rgb(0, 176, 240) "6、 替代指标/span：对于某些测量起来很困难，或耗时间太长，或成本太高 或者没有办法实现连续测量的水质指标，选择和该指标相关，而且能够反应该指标变化的其他参数进行测量。/pp　　应用最为广泛的替代指标是UV254(水样在254nm波长的吸光度)。UV254的数值和水中的腐殖质等有机物浓度具有很高的关联性，实践中，常常用UV254的值来衡量水中有机污染物的情况。/pp　　再举一个例子，饮用水中两虫(隐孢子虫和甲第鞭毛虫)的去除和浊度或者水中颗粒物数量的降低具有相关性，通过浊度值或者颗粒物数量的监测，就可以间接确认两虫去除率。/pp　　关于替代指标，多说两句：/pp　　不同于直接测量，通过间接测量方式。替代指标的出现为实现水质在线监测提供了广泛的应用空间。/pp　　当下，各种新的分析技术(如全光谱扫描、三维荧光、流式细胞术等等)都开始应用到了水行业，提供了数量巨大的水质信息，同时，随着计算能力的指数级增长，许多以前无法处理的信息得以数字化，得到分析和处理，带动了更多的替代指标出现。/pp　　举例，荷兰科学家最近开发了基于马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉原理的饮用水水质安全预警仪器，其原理是：污染物进入水体以后，会改变水的折射率，通过干涉光可以测量到这种变化，可以实现连续在线监测，其能够响应的污染物浓度可以低至百万分之一(ppm)水平/pp　　需要说明的是，上面几种水质指标的划分并非基于严格科学的方法，有些指标的界限也比较模糊，彼此之间还有许多重叠的部分 不过，这样可以帮助我们从不同角度来了解水质指标的来源，用途等等。/pp　　今天，地球上已知的化学物质已经超过700万种 而且，人类的化学工业和实验室每天都还在制造出新的化学物质，其中的大部分通过各种渠道最终都会进入到水中。(由于样品富集和质谱等微量污染物分析技术的快速发展，近来，水中的抗生素和环境激素等低浓度化合物引起了很多关注)/pp　　可以预见：随着分析技术、数据挖掘和处理技术，以及新型水处理工艺的应用，在三种技术的共同推动下，未来水质指标的数量还将不断增加。/pp　　最后，送福利，回答一个热门问题：span style="color: rgb(0, 176, 240) "strong面对数量越来越多的水质指标，在评估水质安全时，如何选择哪些有用的指标呢?/strong/span/pp　　答案很简单： 根据水的用途来确定需要的水质指标。/pp　　具体做法是：针对不同用途的水，选择不同的水质指标，提出不同的水质指标限定值要求。一般而言，对于涉及人体健康和环境安全的水，水质指标的数量就比较多 而对于生产或者实验用水，就主要是几个为数不多的关键性成分指标。/pp　　举例：大家都很关心的中国《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)，由于涉及到公众健康，规定了包括感官指标、微生物指标、一般性化学指标、毒理指标和放射性指标等几大类水质指标下的总计106项具体指标。/pp　　GB3838-2002《地表水环境质量标准》中也有109项水质指标。/pp　　而去年刚发布的分析仪器用水质标准GB/T 33087-2016《仪器分析用高纯水规格及试验方法》才只有区区6项指标。(重点是：即使只有6项，这些指标也涵盖了物理指标和成分指标这两类最基础的水质指标：成分指标中的无机阴离子(氯离子)、无机阳离子(钠离子)、弱电解质(硅酸根)、有机物(总有机碳或COD)和微生物(细菌总数)、以及物理指标的电阻率)，基本上能够对实验室用水水质进行全面评估了。/pp　　近来，政策和媒体都十分关注的“黑臭水体”(这可是网红一枚)，由于主要涉及景观方面的用途，更只是仅用4项水质指标就能完成评估和分级，它们分别是：溶解氧、ORP(氧化还原电位)、氨氮以及透明度。/pp style="text-align: right "strong（供稿：重庆昕晟环保科技有限公司 总经理程立）/strongbr//p