探究水质中悬浮物与浊度的关系

探究水质中悬浮物与浊度的关系

吕炎 刘翔 张艳艳 唐世旭 朱湘鸿

（万华化学(宁波)有限公司，浙江省 宁波市 315812）

悬浮物是指悬浮在水体中、无法通过0.45微米滤纸或过滤器的有机和无机颗粒物。水中的悬浮物质是颗粒直径约在0.1μm－100μm之间的微粒。肉眼可见。这些微粒主要是由泥沙、粘土、原生动物、藻类、细菌、病毒、以及高分子 有机物等组成，常常悬浮在水流之中。有机类大多数是碎屑颗粒，它们是由碳水化合物 、蛋白质、类脂物等所组成。无机类主要包括陆源矿物碎屑（如石英、长石、碳酸盐和粘土）、水生矿物（如沉淀的海绿石和钙十字石等硅酸盐类、碳）。

水质中悬浮物测定重量法主要采用抽滤装置，水质中的不可滤残渣通过孔径0.45μm的滤膜，截留在滤膜上并于103~105℃烘干至恒重的固体物质，采用天平称取截留下的固体物质重量，通过对应公式计算即为水质中悬浮物含量。

光学法测量原理是基于复合的红外吸收散射光处理工艺，测量悬浮固体物质时，检测器接收是在90°和120°的角度上的散色光强度。

哈希DR6000分光光度仪具备水质悬浮物光学法测定条件，仪器在810nm波长下进行测定，测定范围为0-750mg/L。

水质中浊度测定主要采用浊度计法完成，主要有透射光式、散射光式和透射散射光式等方式。其原理为，当光线照射到液面上，入射光强、透射光强、散射光强相互之间比值和水样浊度之间存在一定的相互关系，通过测定透射光强、散射光强和入射光强，或透射光强和散射光强的比值来测定水样的浊度。

光源（发光二极管）发出的光束射入水样，水样中的浊度物质会使光的强度衰减，此光穿过待测液体并被光敏晶体管接收转换，得到的电信号驱动仪器的后置电路，指示出液体的浑浊程度。光强的衰减程度与水样的浊度之间的关系如下表示：

式中：

I—透射光发光强度，cd；

I₀—入射光发光强度，cd；

K—比例常数；

d—浊度， NTU；

l—水样透过深度，mm。

光束射入水样时，由于水样中浊度物质使光产生散射，通过测量与入射光垂直方向的散射光强度，即可测出水样中的浊度，与入射光成90°方向散射光强度符合雷莱公式：

式中：

I—散射光强度，cd；

K—系数常数；

N—单位容积的微粒数，N_A；

V—微粒体积，L·mol^-1；

λ—入射光波长，nm；

I₀—入射光强度，cd。

在一定条件下，系数常数K′与单位容积微粒的总数成正比，即与浊度成正比：

式中：

K′—系数常数；

T—水浊度，NTU。

在入射光I₀ 不变的情况下，散射光强度I与浊度成正比，浊度测量转化为散射光强度的测量。光源与光电接收器件集成在密封的探头中，使得入射光经过水中颗粒的散射，被与它成90°角的光电接收器件接收后，可测出水样的浊度。

当光源发出的发光强度为I₀ 的光通过水样时，由于水样中悬浮固体和杂质的吸收和散射作用，使穿过水样的透射光发光强度减弱到I_T，发光强度的减弱符合朗伯-比耳定律，公式如下：

式中：

I_T—透射光发光强度，cd；

I₀—入射光发光强度，cd；

τ—与发光强度无关的衰减系数；

L—透射光程，mm。

水样颗粒物质与光相互作用时，产生的散射光发光强度及其在空间的分布与微粒直径大小、微粒折射率、入射光发光强度等诸多因素有关。利用瑞利散射原理和米氏散射原理，散射光与入射光的关系式为：

式中：

I_S—散射光发光强度，cd；

α—与散射函数有关的系数；

N—水样中含有的颗粒个数，与浊度成正比，mol；

l—散射光程，mm。

同时测量投射于水样光束的透射光和散射光强度，再按这两者光强度比值测量其浊度大小：

由上式可见，浊度与α以及散射透射光程比有关，而α和l/L都是被精确固定的，消除了由于LED光源老化以及不稳定对浊度测量的影响，有效地提高了测量准确度。测量仪器由光源、光电检测设备以及电子放大与计算机数据处理、控制系统等组成。光源发出的光通过测量水样，到达光电检测设备后被接受而转化为电信号，同时测量水样中的样品在光照下产生散射，散射光被与入射光线成90°放置的另一光电检测器接受并转化为电信号。两信号经电子放大后进入电子处理系统，两信号分别随样品浊度增加分别减小和增大，系统将两信号进行计算得到样品的浊度。

1) 透射光式浊度测量法：原理简单，测量低浊度水样时，大部分光都直接透射，微小的浊度变化引起的透射光变化小，所以透射光方法不适合测量低浊度；而水样中浓度较高的杂质和微粒能使透射光信号衰减更加明显，其适用于测量高浊度水样。

2) 散射光式浊度测量法：对于低浊度水样，光对微粒的散射作用更加明显，并且在此范围内散射光曲线线性较透射光好，散射光式浊度测量法在低浊度测量时具有较高的准确度和灵敏度。当液体的浊度超过一定界限时，会发生多次散射现象，使散射光强度迅速下降，因此不适用于高浊度液体。

3) 透射光-散射光比较测量法：能同时测量投射于水样光束的透射光和散射光强度，再按两者光强度比值测量其浊度大小，其理论基于朗伯-比耳定律和散射定律，消除光源老化对测量准确度的影响能有效提高测量准确度。 但是散射光和透射光之比不具有严格的线性关系，只是在一定的浊度范围内有近似线性的关系，浊度的测量范围有一定的局限性。

4.1.1水质悬浮物光学法与重量法实验数据统计

表1：雨水井样品悬浮物光学法与重量法实验数据（部分）统计表

4.1.2 数据分析

结合Minitab软件对以上汇总数据进行统计分析，如下：

图1: 雨排口样品悬浮物测定方法配对t检验诊断报告

图2: 雨排口样品悬浮物测定方法配对t检验汇总报告

4.1.3 实验结论分析

水质中浊度目前主要采用浊度计进行分析，实验室采用散射光式测定法分析浊度，且上文中也介绍到水质悬浮物光度法也是采用光散射原理，收集90°和120°散射光完成分析，两种方法间存在一定的关联性，因此通过实验探究两方法之间的关系。

5.1.1 雨排口数据统计

采用雨排口样品进行分析，收集悬浮物计浊度数据后进行分析讨论，共完成59组数据，部分数据如下：

表2：雨水井样品悬浮物（光学法）与浊度实验数据（部分）统计表

5.1.2 数据分析

图3：雨水井样品中悬浮物（光度法）与浊度关系回归预测报告

图4：雨水井样品中悬浮物（光度法）与浊度关系汇总报告

5.2.1 雨排口数据统计

表3：污泥样品悬浮物（光学法）与浊度实验数据统计表

5.2.2 数据分析

图5：污泥样品中悬浮物（光度法）与浊度关系预测模型

图6：污泥样品中悬浮物（光度法）与浊度关系汇总报告

6.实验总结

⑴ 水质中浊度测定与悬浮物（光度法）测定均为光学仪器法，且测定原理均采用光的散射作用，测定过程中主要受到水中悬浮颗粒粒径大小、泥沙颜色计样品中气泡等影响，导致测定结果存在一定的偏差。

⑵ 悬浮物重量法分析和光度法分析数据之间无显著差异，光度法可以用于水质悬浮物的测定，且数据准确性有保障。

⑶水质中悬浮物（光度法）与浊度之间存在显著的线性正相关, 保障样品中悬浮物种类单一, 样品的悬浮物（光度法）与浊度之间成线性正相关。

7.参考文献

[1]《哈希浊度仪2100N说明书》.

[2]《哈希DR6000分光光度计说明书》.

[3]《哈希TSS Portable手持式浊度和悬浮物测定仪用户操作手册》(HJ/T 44-1999).