在線水質分析儀器-技術、應用與市場（一）
3、水質在線分析儀器的應用簡介
在線水質分析儀器作為獲取水質信息的源頭技術，凡是人類活動用到水的領域，諸如水環境監測、飲用水處理與安全保障、工業水處理的過程控制、汙水處理等等，都是在線水質分析儀器的應用範圍。
按照應用目的的不同，在線水質分析儀器可以分為監測型和過程型在線分析儀器兩類產品。
監測型分析儀器主要用於單純的水質監測，獲取水質參數數據，以判斷水質是否達到法規的要求，以及環境水質(地表水、地下水、海水等)和飲用水水質安全的預警性監測，不參與水處理工藝過程控制。要求監測的水質參數主要是環保法規或者水質標準規定的主要汙染物指標，對應用技術的需求主要是水樣預處理技術以及儀器系統集成技術等。在中國，典型的監測型在線水質分析儀器應用有：
一、工業企業廢水汙染源及市政汙水處理廠排放自動監測，主要監測參數有: COD、氨氮、Ph值、總磷、總氮、重金屬(鎳、六價鉻、總汞、鉛、鎘、銅、氟離子等)。這些水質分析儀器為企業實現汙染物排放自行監測，防止和及時發現可能的廢水超標排放，申報環境保護稅，以及環保監察部門實時了解企業水汙染物排放情況提供了依據。
二、地表水水質自動監測：江河湖庫重要斷面以及水源地的水質自動監測，江河水的主要監測參數有：常規5參數(溶解氧、水溫、電導率、濁度、Ph值)、氨氮、高錳酸鹽指數(CODMn)、總磷、總氮等;湖泊和水庫一般會增加葉綠素a及藍綠藻指標;水源地涉及到飲用水的安全問題，會要求增加生物毒性、大腸桿菌等水質指標以及氟離子等具有行業性/地域性特徵水質汙染指標的在線監測。大量地表水在線水質分析儀器的安裝和應用，為全面了解國內環境水質狀況，對可能的水質惡化和突發性水質汙染提供預警，以及為水環境和水資源管理部門生態調水及合理使用水資源提供數據支持。
三、飲用水管網及二次供水水質自動監測，主要參數有濁度、餘氯、Ph值、電導率、溫度、色度等。飲用水水質在線監測，一方面對可能發生的水質超標事件進行預警，防止不合格的自來水進入居民家庭;另外，大量管網的水質數據，也可支持自來水廠優化水處理工藝以及管網輸水調度決策。
四、海水監測，常規的指標是溫度、鹽度、深度(簡稱溫鹽深，英文縮寫CTD)，另外還會根據需要增加溶解氧、葉綠素a、濁度以及硝氮、有色可溶性有機物(CDOM)等綜合反應海水質量狀況的水質指標。
過程型分析儀器，顧名思義，主要用於水處理工藝過程監測與控制,所測量的水質參數會參與過程控制，以優化水處理工藝、提升水處理效率, 在保證末端水質達標的前提下,實現水處理過程節能降耗的目的。過程型分析儀器更多要求原位、實時,連續監測,對儀器的測量速度與響應時間要求較高。
過程型在線水質分析儀器，被廣泛應用於火力發電廠、核電廠、石油化工企業、大型冶金企業、造紙企業等為代表傳統流程工業以及半導體廠、生物製藥廠等新興工業企業中，為工業水處理過程控制以及鍋爐水、蒸汽、電子級超純水等各類生產用水的品質檢測提供了實時可靠的水質數據和水處理過程控制依據。
以石油化工行業為例，作為傳統的流程工業，石油化工廠有著用水量大、不同用水工藝水質差異顯著、涉及生產裝置多的特點，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特點、水處理技術和工藝，有著最全面和最具有代表性的水質在線分析儀器應用場景。目前石化企業中常用的在線水質分析儀器，根據不同工藝要求及不同用水點來分，主要有：
一.新鮮水淨化處理：濁度分析儀、pH分析儀、餘氯分析儀
二.軟化水及脫鹽水處理：硬度分析儀、電導率分析儀、pH分析儀、二氧化矽(SiO2)分析儀、鈉離子分析儀、SDI(汙染指數)等
三.鍋爐水及蒸汽質量監測：二氧化矽(SiO2)分析儀、鈉離子分析儀、微量溶解氧分析儀、磷酸根分析儀、電導率分析儀、pH分析儀、
四.循環冷卻水：總磷/磷酸鹽分析儀、pH分析儀、濁度分析儀、電導分析儀、餘氯分析儀、總有機碳(TOC)分析儀、在線螢光示蹤監測儀、水中油分析儀等
五.凝結水回用：總有機碳(TOC)分析儀、電導率分析儀等
六.工業廢水處理及回用：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.廠區雨水監測及排放管理：總有機碳(TOC)分析儀、懸浮物(SS)分析儀、水中油分析儀、水面油膜監測儀等;如果儀器實時監測到雨水的水質指標超過排放標準或者有油品洩漏，就會自動關閉雨水排放口，將超標雨水排入廢水處理單元或者事故池儲存，以免造成對環境水體的汙染，或者對廢水處理單元的衝擊。
在半導體廠、生物製藥廠這類對水質有著極高要求的高技術新興產業中，高精度的二氧化矽(SiO2)分析儀(檢出限可達0.1µg/L)、總有機碳分析儀、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分析儀器以及各種結構和性能的氟離子分析儀(半導體廠)、微生物分析儀(生物製藥廠)都已經有了越來越多的應用。
另外，在自來水廠，各種量程的在線濁度分析儀、餘氯/總氯分析儀、pH分析儀、鹼度分析儀、遊動電流分析儀等都有著廣泛的應用，參與水廠的自動加藥、加氯等工藝的過程控制，這些在線水質分析儀器的應用，極大的提高了自來水的自動化運行水平，保證了自來水出廠水質的安全可靠。
在市政汙水處理廠，溶解氧分析儀、汙泥濃度分析儀、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分析儀器在過去數十年間也已經獲得了大量的成功應用，為汙水廠的穩定運行、節能降耗和達標排放提供了可靠的支持。由於用於水處理過程控制，儀器安裝的數量較大，這類分析儀器通常以安裝維護方便、單價較低的水質傳感器形式出現。
對於不同類型的在線水質分析儀器，技術要求也是不同的，一般而言，監測型分析儀器對測量數據的準確度要求較高，數據可以作為有關部門進行執法管理的依據，對檢測原理和方法的限制較多,要求是成熟的分析技術;而過程型分析儀器對儀器的可靠性和穩定性要求較高，要求儀器能夠及時可靠地反應水質變化的趨勢，以便為水處理過程控制提供依據。對儀器的響應時間要求較高，對儀器的檢測方法和原理限制少,允許更多創新型的新原理、新方法的在線分析儀器應用。
4、水質在線分析儀器技術與市場的發展前景
全球人口的持續增加和經濟的持續發展，帶來了用水量增加、水資源短缺以及水環境質量和生態惡化的壓力，提出了對水處理工業和水環境保護產業更高的要求和需求，將進一步推動在線水質分析儀器市場的發展。當下處於物聯網、大數據和人工智慧的時代，也需要更多的數據，在線水質分析儀器作為物聯網感知層的重要組成，其數據提供者的需求將被放大，要求出現更多高可靠性、低能耗、低維護、低成本現代在線水質分析儀器。現代在線水質分析儀器技術是在分析化學、材料科學、通信技術、計算機、過程控制理論等多學科發展的基礎上產生和發展起來的，這些學科的創新和發展，也將為在線水質分析儀器的創新和進步進一步提供支持。
另外，隨著綠色分析理念的大力推廣，綠色分析技術的不斷出現，未來的在線水質分析儀器將會儘量減少使用和產生有毒化學品,在設計上也會更加考慮降低儀器的能耗和分析的用水量。
流式細胞術、生物預警技術、核酸酶重金屬特異性反應、微流控技術等諸多新的測量原理,已正在或者即將被在線水質分析儀器採用;量子點、石墨烯、碳納米管、生物晶片、水凝膠等新材料也開始進入水質監測領域;
在儀器數據處理方面，各種新算法及水質模型不斷出現, 將提升各種新型在線水質分析儀器的功能及完善數據後處理，提供更多有價值的水質數據和信息-不僅是儀器硬體和分析技術,軟體和數據處理技術也將成為在線水質分析儀器的重要組成部分。在未來，在線水質分析儀器將成為「硬體+材料+軟體+算法」的組合。
隨著新的分析原理、方法的出現和應用，以及各種新材料的採用，傳感器對複雜水質的適應性會得到提高;同時，物聯網技術的應用，可以實現對和水樣直接接觸的傳感器自身壽命及運行狀態進行遠程實時監測、管理以提高維護效率、降低維護成本。
還有，伴隨3D列印技術的成熟應用，根據待測水樣的不同水質情況，實現差異化設計、製造也將成為現實;比如：飲用水和海水、工業廢水，即使是測量同一個水質指標，也可選用不同材質、結構和製造工藝來生產傳感器，以滿足不同水質條件的要求。
更重要的是，和所有電子產品一樣，傳感器的成本必然會隨著物聯網時代大規模的應用出現超出想像力的下降，這時，免維護的一次性在線水質傳感器將成為現實。和傳感器一樣，結構複雜的在線水質分析儀器的成本問題也必然隨著大規模的應用得到降低;儀器的維護問題也可以通過設計的優化、新材料以及耐用元器件的採用得到改進，特別是，工業物聯網技術的進步，可通過產品在硬體上增加必要的傳感器，在測試流程中，獲取過程節點的參數指標及變化曲線，智能判斷拐點、斜率、峰值、積分面積等指標，轉化為對應的數學模型，形成一套用於描述「儀器行為」的監控系統，通過「儀器行為」來評估在線水質分析儀器狀態，以實現這種精密設備的遠程管理和診斷，進行有針對性的預維護等手段降低維護量及維護費用，從而進一步推動在線水質分析儀器應用規模的擴大。
從市場發展角度來看，就像其他任何一種新興技術和行業一樣，水質在線分析儀器市場也會經歷從市場初期的緩慢增長到高速成長的發展歷程。在初期，市場需求受到了兩種因素的制約：其中一個主要因素是投入產出分析，相對於過低的水資源費、水價以及廢水排放需要支付的費用而言，當時在線分析儀器的投資和運行成本都比較高。還有一個因素是在線水質分析儀器和技術自身的限制，當時在線水質分析儀器的穩定性、可靠性等還不能完全滿足市場的要求;可以實現在線分析的水質參數也不是很多;另外，由於水質條件的多樣化與複雜性，即使是面對同一個水樣，測量不同水質參數時，對儀器測量方式，安裝方式的要求都有不同，這對以在線水質監測系統為代表的應用技術也提出了很高的要求。這些因素造成了監管部門和行業的運行管理者以及水處理工程師對採用在線水質分析儀器都持有謹慎的態度，在當時嚴重製約了在線水質分析儀器的應用與推廣。進入21世紀以來，由於水資源短缺、水環境汙染的問題日益嚴重，行業同時迎來了水資源費上漲、飲用水水質標準提高、廢水排放標準更加嚴格以及用水量及用水人口增加、水價上漲等諸多挑戰和機會;在法規的壓力和市場的推動下，加強水環境監測、淘汰粗放式的水處理及用水模式，採用更加先進的過程控制系統以提高水處理效率、降低水處理及用水成本就成為了人類社會必然的選擇;與此同時，技術的發展使得在線水質分析儀器的穩定性與可靠性有了很大提高、可以實現在線監測的水質參數越來越多、在線水質分析儀器的功能也越來越強大;市場需求的增長和水質在線分析儀器自身的技術進步共同推動了行業的高速發展。
在中國，隨著日益嚴格的環保法規的驅動，特別是以在線監測作為主要技術路線的環境監測技術政策的推動下，監測型在線水質分析儀器將繼續保持高速成長。與此同時，石油化工、冶金、火力發電等傳統高耗水工業用水效率的提高以及行業自身的技術進步，半導體、生物製藥等對水質要求更加嚴格的新興行業的快速發展，都會進一步提高對在線水質分析儀器的需求，過程型在線水質分析儀器也將保持持續的增長。物聯網、大數據、雲計算以及即將到來的5G時代，需要更多的傳感器類型的在線水質分析儀器，低功耗、低成本的在線水質分析傳感器將會迎來爆發的機會。
在市場需求和技術進步的共同推動下，在線水質分析儀器及其應用技術必將得到快速發展，儀器的穩定性與可靠性會有進一步的提高、可以實現在線監測的水質參數將越來越多、在線水質分析儀器的功能也將越來越強大，市場將會在很長一段時間內保持可持續的增長趨勢。
5、結束語
在線水質分析儀器及技術，作為涉及分析化學、水質科學、電子與信息技術、材料科學、數據科學等傳統與現代科學的綜合性跨學科技術，經過過去幾十年的發展，無論在水環境監測、飲用水安全保障還是工業過程用水領域都得到了普遍的應用。隨著人類社會經濟的進一步發展，特別是在大數據、物聯網等各種高新技術發展的推動下，在線水質分析儀器及其應用技術還將得到更大的發展。
在中國，隨著目前政府環保法規日益完善、公眾環境保護意識提高，尤其是執政黨提出了「綠水青山就是金山銀山」的可持續發展的生態環境理念的情況下，加強水環境質量的監測以及廢水排放的監管，採用更加先進的過程控制技術以提高水處理效率、降低水處理及用水成本，提高用水效率已經成為了水環境監管部門、水處理行業以及中國社會的必然選擇。同時，隨著中國這個製造大國研發製造水平的不斷提升，都將促進作為獲取水質信息最重要的測量技術-在線水質分析儀器技術高質量高速度的發展。
（供稿：重慶昕晟環保科技有限公司 總經理程立）