在線水質(zhì)分析儀器-技術(shù)、應(yīng)用與市場（一）

3、水質(zhì)在線分析儀器的應(yīng)用簡介

在線水質(zhì)分析儀器作為獲取水質(zhì)信息的源頭技術(shù)，凡是人類活動(dòng)用到水的領(lǐng)域，諸如水環(huán)境監(jiān)測、飲用水處理與安全保障、工業(yè)水處理的過程控制、污水處理等等，都是在線水質(zhì)分析儀器的應(yīng)用范圍。

按照應(yīng)用目的的不同，在線水質(zhì)分析儀器可以分為監(jiān)測型和過程型在線分析儀器兩類產(chǎn)品。

監(jiān)測型分析儀器主要用于單純的水質(zhì)監(jiān)測，獲取水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，以判斷水質(zhì)是否達(dá)到法規(guī)的要求，以及環(huán)境水質(zhì)(地表水、地下水、海水等)和飲用水水質(zhì)安全的預(yù)警性監(jiān)測，不參與水處理工藝過程控制。要求監(jiān)測的水質(zhì)參數(shù)主要是環(huán)保法規(guī)或者水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的主要污染物指標(biāo)，對(duì)應(yīng)用技術(shù)的需求主要是水樣預(yù)處理技術(shù)以及儀器系統(tǒng)集成技術(shù)等。在中國，典型的監(jiān)測型在線水質(zhì)分析儀器應(yīng)用有：

一、工業(yè)企業(yè)廢水污染源及市政污水處理廠排放自動(dòng)監(jiān)測，主要監(jiān)測參數(shù)有: COD、氨氮、Ph值、總磷、總氮、重金屬(鎳、六價(jià)鉻、總汞、鉛、鎘、銅、氟離子等)。這些水質(zhì)分析儀器為企業(yè)實(shí)現(xiàn)污染物排放自行監(jiān)測，防止和及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能的廢水超標(biāo)排放，申報(bào)環(huán)境保護(hù)稅，以及環(huán)保監(jiān)察部門實(shí)時(shí)了解企業(yè)水污染物排放情況提供了依據(jù)。

二、地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測：江河湖庫重要斷面以及水源地的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測，江河水的主要監(jiān)測參數(shù)有：常規(guī)5參數(shù)(溶解氧、水溫、電導(dǎo)率、濁度、Ph值)、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總磷、總氮等;湖泊和水庫一般會(huì)增加葉綠素a及藍(lán)綠藻指標(biāo);水源地涉及到飲用水的安全問題，會(huì)要求增加生物毒性、大腸桿菌等水質(zhì)指標(biāo)以及氟離子等具有行業(yè)性/地域性特征水質(zhì)污染指標(biāo)的在線監(jiān)測。大量地表水在線水質(zhì)分析儀器的安裝和應(yīng)用，為全面了解國內(nèi)環(huán)境水質(zhì)狀況，對(duì)可能的水質(zhì)惡化和突發(fā)性水質(zhì)污染提供預(yù)警，以及為水環(huán)境和水資源管理部門生態(tài)調(diào)水及合理使用水資源提供數(shù)據(jù)支持。

三、飲用水管網(wǎng)及二次供水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測，主要參數(shù)有濁度、余氯、Ph值、電導(dǎo)率、溫度、色度等。飲用水水質(zhì)在線監(jiān)測，一方面對(duì)可能發(fā)生的水質(zhì)超標(biāo)事件進(jìn)行預(yù)警，防止不合格的自來水進(jìn)入居民家庭;另外，大量管網(wǎng)的水質(zhì)數(shù)據(jù)，也可支持自來水廠優(yōu)化水處理工藝以及管網(wǎng)輸水調(diào)度決策。

四、海水監(jiān)測，常規(guī)的指標(biāo)是溫度、鹽度、深度(簡稱溫鹽深，英文縮寫CTD)，另外還會(huì)根據(jù)需要增加溶解氧、葉綠素a、濁度以及硝氮、有色可溶性有機(jī)物(CDOM)等綜合反應(yīng)海水質(zhì)量狀況的水質(zhì)指標(biāo)。

過程型分析儀器，顧名思義，主要用于水處理工藝過程監(jiān)測與控制,所測量的水質(zhì)參數(shù)會(huì)參與過程控制，以優(yōu)化水處理工藝、提升水處理效率, 在保證末端水質(zhì)達(dá)標(biāo)的前提下,實(shí)現(xiàn)水處理過程節(jié)能降耗的目的。過程型分析儀器更多要求原位、實(shí)時(shí),連續(xù)監(jiān)測,對(duì)儀器的測量速度與響應(yīng)時(shí)間要求較高。

過程型在線水質(zhì)分析儀器，被廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電廠、核電廠、石油化工企業(yè)、大型冶金企業(yè)、造紙企業(yè)等為代表傳統(tǒng)流程工業(yè)以及半導(dǎo)體廠、生物制藥廠等新興工業(yè)企業(yè)中，為工業(yè)水處理過程控制以及鍋爐水、蒸汽、電子級(jí)超純水等各類生產(chǎn)用水的品質(zhì)檢測提供了實(shí)時(shí)可靠的水質(zhì)數(shù)據(jù)和水處理過程控制依據(jù)。

以石油化工行業(yè)為例，作為傳統(tǒng)的流程工業(yè)，石油化工廠有著用水量大、不同用水工藝水質(zhì)差異顯著、涉及生產(chǎn)裝置多的特點(diǎn)，其水處理流程幾乎涵蓋了從原水、軟化水、高純水、蒸汽到廢水處理及回用的所有類型的水質(zhì)特點(diǎn)、水處理技術(shù)和工藝，有著最全面和最具有代表性的水質(zhì)在線分析儀器應(yīng)用場景。目前石化企業(yè)中常用的在線水質(zhì)分析儀器，根據(jù)不同工藝要求及不同用水點(diǎn)來分，主要有：

一.新鮮水凈化處理：濁度分析儀、pH分析儀、余氯分析儀

二.軟化水及脫鹽水處理：硬度分析儀、電導(dǎo)率分析儀、pH分析儀、二氧化硅(SiO2)分析儀、鈉離子分析儀、SDI(污染指數(shù))等

三.鍋爐水及蒸汽質(zhì)量監(jiān)測：二氧化硅(SiO2)分析儀、鈉離子分析儀、微量溶解氧分析儀、磷酸根分析儀、電導(dǎo)率分析儀、pH分析儀、

四.循環(huán)冷卻水：總磷/磷酸鹽分析儀、pH分析儀、濁度分析儀、電導(dǎo)分析儀、余氯分析儀、總有機(jī)碳(TOC)分析儀、在線熒光示蹤監(jiān)測儀、水中油分析儀等

五.凝結(jié)水回用：總有機(jī)碳(TOC)分析儀、電導(dǎo)率分析儀等

六.工業(yè)廢水處理及回用：溶解氧分析儀、pH/ORP分析儀、懸浮物分析儀、COD分析儀、氨氮分析儀、水中油分析儀等

七.廠區(qū)雨水監(jiān)測及排放管理：總有機(jī)碳(TOC)分析儀、懸浮物(SS)分析儀、水中油分析儀、水面油膜監(jiān)測儀等;如果儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測到雨水的水質(zhì)指標(biāo)超過排放標(biāo)準(zhǔn)或者有油品泄漏，就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉雨水排放口，將超標(biāo)雨水排入廢水處理單元或者事故池儲(chǔ)存，以免造成對(duì)環(huán)境水體的污染，或者對(duì)廢水處理單元的沖擊。

在半導(dǎo)體廠、生物制藥廠這類對(duì)水質(zhì)有著極高要求的高技術(shù)新興產(chǎn)業(yè)中，高精度的二氧化硅(SiO2)分析儀(檢出限可達(dá)0.1µg/L)、總有機(jī)碳分析儀、水中顆粒物分析儀(可測粒徑0.05µm)、高精度微量溶解氧分析儀等高性能在線水質(zhì)分析儀器以及各種結(jié)構(gòu)和性能的氟離子分析儀(半導(dǎo)體廠)、微生物分析儀(生物制藥廠)都已經(jīng)有了越來越多的應(yīng)用。

另外，在自來水廠，各種量程的在線濁度分析儀、余氯/總氯分析儀、pH分析儀、堿度分析儀、游動(dòng)電流分析儀等都有著廣泛的應(yīng)用，參與水廠的自動(dòng)加藥、加氯等工藝的過程控制，這些在線水質(zhì)分析儀器的應(yīng)用，極大的提高了自來水的自動(dòng)化運(yùn)行水平，保證了自來水出廠水質(zhì)的安全可靠。

在市政污水處理廠，溶解氧分析儀、污泥濃度分析儀、pH/ORP(氧化還原電位)分析儀、硝氮分析儀、氨氮分析儀為代表的在線水質(zhì)分析儀器在過去數(shù)十年間也已經(jīng)獲得了大量的成功應(yīng)用，為污水廠的穩(wěn)定運(yùn)行、節(jié)能降耗和達(dá)標(biāo)排放提供了可靠的支持。由于用于水處理過程控制，儀器安裝的數(shù)量較大，這類分析儀器通常以安裝維護(hù)方便、單價(jià)較低的水質(zhì)傳感器形式出現(xiàn)。

對(duì)于不同類型的在線水質(zhì)分析儀器，技術(shù)要求也是不同的，一般而言，監(jiān)測型分析儀器對(duì)測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度要求較高，數(shù)據(jù)可以作為有關(guān)部門進(jìn)行執(zhí)法管理的依據(jù)，對(duì)檢測原理和方法的限制較多,要求是成熟的分析技術(shù);而過程型分析儀器對(duì)儀器的可靠性和穩(wěn)定性要求較高，要求儀器能夠及時(shí)可靠地反應(yīng)水質(zhì)變化的趨勢，以便為水處理過程控制提供依據(jù)。對(duì)儀器的響應(yīng)時(shí)間要求較高，對(duì)儀器的檢測方法和原理限制少,允許更多創(chuàng)新型的新原理、新方法的在線分析儀器應(yīng)用。

4、水質(zhì)在線分析儀器技術(shù)與市場的發(fā)展前景

全球人口的持續(xù)增加和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，帶來了用水量增加、水資源短缺以及水環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)惡化的壓力，提出了對(duì)水處理工業(yè)和水環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)更高的要求和需求，將進(jìn)一步推動(dòng)在線水質(zhì)分析儀器市場的發(fā)展。當(dāng)下處于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能的時(shí)代，也需要更多的數(shù)據(jù)，在線水質(zhì)分析儀器作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的重要組成，其數(shù)據(jù)提供者的需求將被放大，要求出現(xiàn)更多高可靠性、低能耗、低維護(hù)、低成本現(xiàn)代在線水質(zhì)分析儀器。現(xiàn)代在線水質(zhì)分析儀器技術(shù)是在分析化學(xué)、材料科學(xué)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)、過程控制理論等多學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來的，這些學(xué)科的創(chuàng)新和發(fā)展，也將為在線水質(zhì)分析儀器的創(chuàng)新和進(jìn)步進(jìn)一步提供支持。

另外，隨著綠色分析理念的大力推廣，綠色分析技術(shù)的不斷出現(xiàn)，未來的在線水質(zhì)分析儀器將會(huì)盡量減少使用和產(chǎn)生有毒化學(xué)品,在設(shè)計(jì)上也會(huì)更加考慮降低儀器的能耗和分析的用水量。

流式細(xì)胞術(shù)、生物預(yù)警技術(shù)、核酸酶重金屬特異性反應(yīng)、微流控技術(shù)等諸多新的測量原理,已正在或者即將被在線水質(zhì)分析儀器采用;量子點(diǎn)、石墨烯、碳納米管、生物芯片、水凝膠等新材料也開始進(jìn)入水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域;

在儀器數(shù)據(jù)處理方面，各種新算法及水質(zhì)模型不斷出現(xiàn), 將提升各種新型在線水質(zhì)分析儀器的功能及完善數(shù)據(jù)后處理，提供更多有價(jià)值的水質(zhì)數(shù)據(jù)和信息-不僅是儀器硬件和分析技術(shù),軟件和數(shù)據(jù)處理技術(shù)也將成為在線水質(zhì)分析儀器的重要組成部分。在未來，在線水質(zhì)分析儀器將成為“硬件+材料+軟件+算法”的組合。

隨著新的分析原理、方法的出現(xiàn)和應(yīng)用，以及各種新材料的采用，傳感器對(duì)復(fù)雜水質(zhì)的適應(yīng)性會(huì)得到提高;同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)和水樣直接接觸的傳感器自身壽命及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測、管理以提高維護(hù)效率、降低維護(hù)成本。

還有，伴隨3D打印技術(shù)的成熟應(yīng)用，根據(jù)待測水樣的不同水質(zhì)情況，實(shí)現(xiàn)差異化設(shè)計(jì)、制造也將成為現(xiàn)實(shí);比如：飲用水和海水、工業(yè)廢水，即使是測量同一個(gè)水質(zhì)指標(biāo)，也可選用不同材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和制造工藝來生產(chǎn)傳感器，以滿足不同水質(zhì)條件的要求。

更重要的是，和所有電子產(chǎn)品一樣，傳感器的成本必然會(huì)隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代大規(guī)模的應(yīng)用出現(xiàn)超出想象力的下降，這時(shí)，免維護(hù)的一次性在線水質(zhì)傳感器將成為現(xiàn)實(shí)。和傳感器一樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的在線水質(zhì)分析儀器的成本問題也必然隨著大規(guī)模的應(yīng)用得到降低;儀器的維護(hù)問題也可以通過設(shè)計(jì)的優(yōu)化、新材料以及耐用元器件的采用得到改進(jìn)，特別是，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，可通過產(chǎn)品在硬件上增加必要的傳感器，在測試流程中，獲取過程節(jié)點(diǎn)的參數(shù)指標(biāo)及變化曲線，智能判斷拐點(diǎn)、斜率、峰值、積分面積等指標(biāo)，轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，形成一套用于描述“儀器行為”的監(jiān)控系統(tǒng)，通過“儀器行為”來評(píng)估在線水質(zhì)分析儀器狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)這種精密設(shè)備的遠(yuǎn)程管理和診斷，進(jìn)行有針對(duì)性的預(yù)維護(hù)等手段降低維護(hù)量及維護(hù)費(fèi)用，從而進(jìn)一步推動(dòng)在線水質(zhì)分析儀器應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大。

從市場發(fā)展角度來看，就像其他任何一種新興技術(shù)和行業(yè)一樣，水質(zhì)在線分析儀器市場也會(huì)經(jīng)歷從市場初期的緩慢增長到高速成長的發(fā)展歷程。在初期，市場需求受到了兩種因素的制約：其中一個(gè)主要因素是投入產(chǎn)出分析，相對(duì)于過低的水資源費(fèi)、水價(jià)以及廢水排放需要支付的費(fèi)用而言，當(dāng)時(shí)在線分析儀器的投資和運(yùn)行成本都比較高。還有一個(gè)因素是在線水質(zhì)分析儀器和技術(shù)自身的限制，當(dāng)時(shí)在線水質(zhì)分析儀器的穩(wěn)定性、可靠性等還不能完全滿足市場的要求;可以實(shí)現(xiàn)在線分析的水質(zhì)參數(shù)也不是很多;另外，由于水質(zhì)條件的多樣化與復(fù)雜性，即使是面對(duì)同一個(gè)水樣，測量不同水質(zhì)參數(shù)時(shí)，對(duì)儀器測量方式，安裝方式的要求都有不同，這對(duì)以在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)為代表的應(yīng)用技術(shù)也提出了很高的要求。這些因素造成了監(jiān)管部門和行業(yè)的運(yùn)行管理者以及水處理工程師對(duì)采用在線水質(zhì)分析儀器都持有謹(jǐn)慎的態(tài)度，在當(dāng)時(shí)嚴(yán)重制約了在線水質(zhì)分析儀器的應(yīng)用與推廣。進(jìn)入21世紀(jì)以來，由于水資源短缺、水環(huán)境污染的問題日益嚴(yán)重，行業(yè)同時(shí)迎來了水資源費(fèi)上漲、飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)提高、廢水排放標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格以及用水量及用水人口增加、水價(jià)上漲等諸多挑戰(zhàn)和機(jī)會(huì);在法規(guī)的壓力和市場的推動(dòng)下，加強(qiáng)水環(huán)境監(jiān)測、淘汰粗放式的水處理及用水模式，采用更加先進(jìn)的過程控制系統(tǒng)以提高水處理效率、降低水處理及用水成本就成為了人類社會(huì)必然的選擇;與此同時(shí)，技術(shù)的發(fā)展使得在線水質(zhì)分析儀器的穩(wěn)定性與可靠性有了很大提高、可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測的水質(zhì)參數(shù)越來越多、在線水質(zhì)分析儀器的功能也越來越強(qiáng)大;市場需求的增長和水質(zhì)在線分析儀器自身的技術(shù)進(jìn)步共同推動(dòng)了行業(yè)的高速發(fā)展。

在中國，隨著日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)的驅(qū)動(dòng)，特別是以在線監(jiān)測作為主要技術(shù)路線的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)政策的推動(dòng)下，監(jiān)測型在線水質(zhì)分析儀器將繼續(xù)保持高速成長。與此同時(shí)，石油化工、冶金、火力發(fā)電等傳統(tǒng)高耗水工業(yè)用水效率的提高以及行業(yè)自身的技術(shù)進(jìn)步，半導(dǎo)體、生物制藥等對(duì)水質(zhì)要求更加嚴(yán)格的新興行業(yè)的快速發(fā)展，都會(huì)進(jìn)一步提高對(duì)在線水質(zhì)分析儀器的需求，過程型在線水質(zhì)分析儀器也將保持持續(xù)的增長。物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算以及即將到來的5G時(shí)代，需要更多的傳感器類型的在線水質(zhì)分析儀器，低功耗、低成本的在線水質(zhì)分析傳感器將會(huì)迎來爆發(fā)的機(jī)會(huì)。

在市場需求和技術(shù)進(jìn)步的共同推動(dòng)下，在線水質(zhì)分析儀器及其應(yīng)用技術(shù)必將得到快速發(fā)展，儀器的穩(wěn)定性與可靠性會(huì)有進(jìn)一步的提高、可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測的水質(zhì)參數(shù)將越來越多、在線水質(zhì)分析儀器的功能也將越來越強(qiáng)大，市場將會(huì)在很長一段時(shí)間內(nèi)保持可持續(xù)的增長趨勢。

5、結(jié)束語

在線水質(zhì)分析儀器及技術(shù)，作為涉及分析化學(xué)、水質(zhì)科學(xué)、電子與信息技術(shù)、材料科學(xué)、數(shù)據(jù)科學(xué)等傳統(tǒng)與現(xiàn)代科學(xué)的綜合性跨學(xué)科技術(shù)，經(jīng)過過去幾十年的發(fā)展，無論在水環(huán)境監(jiān)測、飲用水安全保障還是工業(yè)過程用水領(lǐng)域都得到了普遍的應(yīng)用。隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，特別是在大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等各種高新技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，在線水質(zhì)分析儀器及其應(yīng)用技術(shù)還將得到更大的發(fā)展。

在中國，隨著目前政府環(huán)保法規(guī)日益完善、公眾環(huán)境保護(hù)意識(shí)提高，尤其是執(zhí)政黨提出了“綠水青山就是金山銀山”的可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境理念的情況下，加強(qiáng)水環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測以及廢水排放的監(jiān)管，采用更加先進(jìn)的過程控制技術(shù)以提高水處理效率、降低水處理及用水成本，提高用水效率已經(jīng)成為了水環(huán)境監(jiān)管部門、水處理行業(yè)以及中國社會(huì)的必然選擇。同時(shí)，隨著中國這個(gè)制造大國研發(fā)制造水平的不斷提升，都將促進(jìn)作為獲取水質(zhì)信息最重要的測量技術(shù)-在線水質(zhì)分析儀器技術(shù)高質(zhì)量高速度的發(fā)展。

（供稿：重慶昕晟環(huán)保科技有限公司  總經(jīng)理程立）