水質與水質分析儀器之水質指標篇
上回講到了水質指標，現在來說說獲取水質指標數據的工具：水質分析儀器。
目前，有三種形式的水質分析儀器，分別是：實驗室分析儀器、可攜式分析儀器以及在線水質分析儀器;
在線水質分析儀器，出現的時間最晚，但是成長迅速，特別是最近幾年，備受關注，曝光率遠超其他兩種，成了炙手可熱的網紅-傳說中的「後發優勢」?
一起來看看：最近，在電視、報紙、網絡、微博、微信等傳統和非傳統媒體上，凡是涉及到環境保護和水安全的場合，「自動監測」、「在線監測」這類字眼幾乎都會現身。前段時間環保部召開關於國家地表水環境質量監測的會議，也明確提出來了「要加快推進水質自動站建設。逐步建立起以自動監測為主，手動監測為輔的監測模式?」(據說，這次會議的成果之一就是在2018年，政府會投資在全國範圍內建設1200個地表水水質自動監測站，驚不驚喜?)
即將在2018年1月1日正式實施的「中華人民共和國環境保護稅法」，在第十條的條文中更是明確規定：
「應稅大氣汙染物、水汙染物、固體廢物的排放量和噪聲的分貝數，按照下列方法和順序計算：
(一) 納稅人安裝使用符合國家規定和監測規範的汙染物自動監測設備的，按照汙染物自動監測數據計算;
(二) 納稅人未安裝使用汙染物自動監測設備的，按照監測機構出具的符合國家有關規定和監測規範的監測數據計算;」
解釋一下：目前中國水汙染物的自動監測設備分為流量監測設備和濃度監測設備兩種(濃度與流量的乘積就是汙染物總量)，濃度監測設備就是通常所說的在線水質分析儀器。
更重要的是：根據這部法律，環境稅應稅汙染物排放量數據的取得，首先採用自動監測設備的數據，其次才是「監測機構出具的數據」-目前監測機構採用的分析儀器多是實驗室或者少數可攜式分析儀器(針對必須在現場測試的個別指標)。
可以說，這部環境稅法正式以法律條文的形式確立了在線分析儀器的地位。
那麼，這麼「高端大氣上檔次」的在線水質分析儀器到底是何方神聖?為什麼這樣受追捧呢?
權威的定義是：按照國際標準化組織(ISO)代號為ISO15839《水質-在線傳感器/分析設備的規範及性能檢驗》標準中的定義：在線分析傳感器/設備(on-linesensor/analyzingequipment) ，是一種自動測量設備，可以連續(或以給定頻率)輸出與溶液中測量到的一種或多種被測物的數值成比例的信號。
聽起來很高深的樣子(權威總是這樣的?)，有沒有通俗點的說法呢?
有問題，找百度。
萬萬沒想到，這一次度娘居然讓我失望了，尋了半天，沒找到一個比較令人信服的說法。
「求之不得，輾轉反側」。想來想去，似乎自己十年前在2007年「第二屆在線分析儀器應用與發展國際論壇」大會發言時的非權威說法還比較容易理解：
「在線水質分析儀器是一類專門的自動化在線分析儀表，儀器通過實時、現場操作，實現從水樣採集到(水質指標)數據輸出的快速分析;在線水質分析儀器一般具有自動診斷、自動校準、自動清洗、故障報警等功能，在保證分析結果準確度的同時，可以實現無人值守自動運行。」
結合權威和非權威的說法，可以發現在線水質分析儀器最重要的特徵有三個：自動、連續、實時;
手段是為目的服務的。作為獲取水質指標數據的工具，對照上回講到的獲取水質指標的四種目的：了解雜質濃度;預測水質變化;控制和優化水處理工藝;評估水質安全;以及六大類水質指標：物理指標、成分指標、評估性綜合指標、水質轉化潛能指標、工藝指標、替代指標;我們來看看作為一種新技術出現的在線水質分析儀器，當年最先的應用突破點選擇了哪裡?
毋容置疑， 在「控制和優化水處理工藝」方面，憑藉「實時、連續」的特點，在線水質分析儀器有著不可替代的作用。首先實現在線測量的是pH、濁度、溶解氧、ORP等重要的工藝指標;遇到有些工藝指標分析方法複雜或者測量周期長，不能滿足流程工業自動控制要求的挑戰，就輪到了替代指標的閃亮登場。
(現在很難考證第一臺在線水質分析儀器具體出現在哪個年代、哪種場合了，個人猜測，第一臺很可能是在線Ph計，用於酸鹼調節的工藝控制)
從全球範圍來看，目前在線水質分析儀器應用最多的細分領域還是水處理工藝過程控制。
在線水質分析儀器「自動、連續、實時」的特點，，除了應用於控制和優化水處理工藝過程，在了解特定汙染物濃度和評估水質安全方面，相對於實驗室和可攜式分析儀器，也有著很大的優勢。
自動化對於減少分析人員人力勞動的好處不言自明，更重要的是，由於儀器分析過程不用人工幹預，人為誤差也減少了。(這些年中國政府和環境管理部門一直都在努力消除各種人為因素對汙染物排放數據的幹擾(參見《環境監測數據弄虛作假行為判定及處理辦法》等法規文件，以及環境數據造假入刑的各種新聞)。中國目前是全球採用在線水質分析儀器對汙水排放進行自動監測最為普遍的市場，在線水質分析儀器又將成為環境保護稅法規定的汙染物(主要是氨氮、重金屬、總磷/總氮等成分指標和COD等評估性綜合指標)排放量計稅工具之一，
估計很大一個原因就有作為自動化儀表的在線水質分析儀器在分析過程中無需人工幹預這個特點)
同時，「連續、實時」的特點也使得在線水質分析儀器不僅可以連續提供水質指標的即時數據，還常常作為報警設備，水質指標一旦超過某個給定的安全值，儀器就會輸出報警信號(在評估水質安全方面，實時報警的作用是非常重要的)。
優點還不止於此，再囉嗦兩句關於操作人員健康安全的好處：
有些水樣，比如含有較多有毒揮發性化學物質，人工分析時可能危害到分析人員的身體健康;又有些工作場所，在生產裝置運行時，分析人員無法進入現場採取水樣。最極端的例子是：在核電廠的一迴路，由於較強的輻射，即使是穿戴有重型防護設備的操作人員，也只能短暫停留;但是核電廠運行過程中有些重要的水質指標數據(如溶解氧、溶解氫、電導率等)又必須及時獲取。
這時，作為自動化設備的在線水質分析儀器的優勢就更能體現出來了。
不過，雖然有著這樣多的優點，無論從技術進步還是市場發展來看，在線水質分析儀器還是和其他任何新技術的發展歷程一樣，並不是一帆風順的。
在初期，受制於相對過低的水資源費、水價以及廢水排放需要支付的費用，當時在線分析儀器的投資和運行成本都比較高;而且那時在線水質分析儀器的穩定性、可靠性等還不一定能完全滿足實際工作的要求;可以實現在線分析的水質指標也不是很多。
這兩種因素造成了當時水工業行業的運行管理者和水處理工程師對採用在線水質分析儀器持有一種謹慎的態度，從而嚴重製約了在線水質分析儀器的發展和應用。(1973年，在英國倫敦召開的第一屆水處理行業ICA(Instrumentation(儀表)、Control(控制)、Automation(自動化))專家會議上，當時與會專家達成的第一個共識就是：儀器數量不足是自動控制的主要障礙。大家認為根據當時儀器的發展程度，僅有濁度、溶解氧和電導率三種指標的測量較為可靠)。
「天生我才必有用」。隨著人們對水質安全的重視、環保法規的更加嚴格，水資源費的不斷上升，特別是在線水質分析技術和計算機信息技術的發展，在線水質分析儀器逐漸表現出成本性能優勢(舉例：相對於最初的模擬電路，數字電路技術在水質分析儀器中的採用，使得儀器的可靠性有了很大的提升，儀器設計和批量生產的成本得以大幅下降)，在水環境監測、水處理工藝過程過程控制、飲用水水質安全預警等諸多領域都得到越來越廣泛的應用，也迅速在廢水汙染物排放的濃度監測與超標報警領域得到了應用。
前面談了市場和應用，讓我們回到在線水質分析儀器，扒一扒這種技術自身的發展與面臨的挑戰：
根據前文ISO標準的定義，有兩種形式的在線水質分析儀器：在線分析傳感器和比較複雜的自動化分析設備或者裝置。
先來說說在線水質分析傳感器：
國家標準GB/T7665《傳感器通用術語》對傳感器的定義是：「能感受規定的被測量件並按照一定的規律(數學函數法則)轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成」。在線水質分析傳感器通常結構比較簡單，通過直接和被測水樣接觸獲得水質指標的數據。
在線分析傳感器，最初可以測量的水質指標，主要是一些簡單的物理指標和成分指標，如電導率、Ph、ORP、溶解氧等;接著是濁度、懸浮物濃度等光學原理的傳感器;後來，出現了UV254等替代性指標的傳感器;最近幾年，隨著儀器計算能力的提高、新材料的應用，離子選擇電極法(測量汙水中的氨氮、硝氮等重要工藝指標)、紫外螢光(測量水中油等)以及全光譜掃描原理(傳感器一次可間接測量COD、BOD、TOC等多種有機物指標、濁度、硝氮、亞硝氮等多種水質指標)的傳感器開始大量應用。
在線水質分析傳感器在實際使用中主要面臨兩個方面的挑戰：
傳感器直接同水樣接觸，缺少了實驗室人工分析時樣品預處理及去除樣品中幹擾物質的過程，水質不同的水(含油、硫化物、重金屬、懸浮物、高鹽度、腐蝕性氣體等各種雜質)，對傳感器材質和結構的要求也是千差萬別的，在儀器設計製造時必須充分考慮這些因素，才能保證獲取準確的測量數據和保證儀器長時間的正常工作，所有這些，都會增加儀器的成本。
其次，由於傳感器長時間同各種水質情況的水接觸，儀器需要一定的維護量，特別是應用於各種工業廢水等水質條件惡劣的樣品時，儀器需要的維護量和維護費用會比較高。
個人看法：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(幾年前螢光化學法在溶解氧分析儀的應用就是非常好的一個例子)，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，可以對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，根據所檢測水樣的不同水質情況，進行差異化設計、製造也是一個有效的辦法;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不再只是夢想。
接下來看看比較複雜的水質自動化分析設備或者裝置：
許多水質指標數據的獲得，都需要有一整套的裝置來自動實現原來實驗室人工分析的流程，比如：過濾、加熱、加顯色劑、混合、測量等等;另外，為了保證長時間連續運行的準確度，還需要定時對儀器進行校準(當然，也是自動的)，以及定期的人工維護。當下，在中國，可能在線COD分析儀是這種儀器中名氣最大的一款。
這一類在線水質分析儀器結構複雜，多用於成分指標(TOC、SiO2、總磷、總氮、重金屬等)和評估性綜合指標(COD、鹼度、硬度、生物毒性等)。這類儀器的發展也非常迅速，最近，市場出現了三維螢光原理的儀器，可以間接測量水中油、BOD、CDOM等等一系列的水質指標;流式細胞原理的在線水質分析儀也開始被用於連續監測飲用水中的細菌總數以及水源地、海水中的藻類分類及計數;還有包括X射線螢光、雷射誘導擊穿光譜(LIBS)等新原理的儀器，也開始在水中重金屬的在線監測方面嶄露頭角。
一般來說，這類儀器的成本和價格要高於在線分析傳感器(還記得以前做銷售，向客戶推薦在線COD分析儀時，客戶說的話：買你這麼小一臺儀器，我一輛「帕薩特」就沒有了)。
發展到今天，先進的在線水質分析儀器早已是「硬體+材料+軟體+算法」四位一體的強大組合了。
和傳感器一樣，這類儀器的成本問題也將會隨著大規模的應用得到降低;而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，可以實現這種精密設備的遠程管理和診斷，通過有針對性的預維護等手段降低維護量及維護費用。
同樣，再來說說面臨的挑戰：
今天的中國市場，大量的在線水質分析儀器被用於企業廢水汙染物排放自動監測，明年還將成為環境稅的計稅工具。這類在線水質分析儀器在實際應用中面臨的主要挑戰是數據的可靠性和準確度問題，造成問題的主要原因是：
在線水質分析儀器採用的測量原理和測量方法和實驗室標準分析方法不太可能完全一致，存在方法誤差;表現出來的現象是：儀器可以準確測量標準溶液(常常是單一化合物的水溶液)的濃度;但是對於實際水樣，衡量是否準確的標準是和實驗室人工方法的測量值比對，除了方法誤差，還有可能存在人為誤差的影響。
以COD(化學需氧量)為例，COD本來是一個條件參數，其定義是：在一定的條件下，水中的各種有機物質與外加的強氧化劑(如K2Cr2O7、KMnO4等)作用時所消耗的氧量;按照HJ828-2017《水質化學需氧量的測定重鉻酸鉀法》(標準取代了國標GB11914-1989)，標準的測量條件是：「水樣加入試劑後，保持微沸2小時」等等;採用在線COD分析儀器，測量條件很難完全和標準要求的條件一致，這樣，就有可能影響COD這個條件參數的在線分析儀器的準確度。
其次，對樣品預處理的方法與流程和實驗室標準方法不一致：受儀器連續運行及安裝環境等一系列條件的限制，在線分析儀器採用的樣品預處理系統很可能和相應水質參數對應的標準分析方法要求的預處理條件不一致，這樣，也有可能對最終的測試結果帶來影響。
針對這些問題，環境管理部門的技術人員開展了大量的「在線水質分析儀器適用性」研究和比對測試工作，並根據不同水質指標，制定了有十分嚴格而有針對性的比對測試流程和規範，希望可以找到一個好的解決辦法。
需要說明的是：不是所有的在線分析儀器都需要面臨如此嚴格的測量準確度要求。不同的使用目的，對儀器性能的要求也不盡相同。
根據應用目的的不同，在線水質分析儀器又可以分為監測型和過程型兩類，監測型分析儀器用於單純的水質監測，以測量成分指標和評估性綜合指標為主，用來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)和飲用水水質的報警和預警性監測，不參與水處理工藝過程控制;這類儀器對測量數據的準確度(精度、誤差)要求較高，數據可以作為有關部門進行執法管理的依據;
過程型分析儀器主要用於水處理工藝過程監測,以測量工藝指標、替代指標為主，所測量的水質指標參與過程控制,以優化水處理工藝,提升水處理效率,實現水處理過程節能降耗;過程型儀器對儀器的可靠性和穩定性(具體的儀器指標是漂移和線性度、重複性)要求較高，要求儀器能夠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。
除開法規執行帶來的挑戰，更大的挑戰來自公眾的需求：「人民群眾日益增長的美好生活需要」
一般公眾的想法是：既然有了在線水質分析儀器這種先進、「高大上」的自動化設備，特別是有了生物毒性分析儀這類評價性綜合指標的分析儀器，了解我們身邊的水質狀況，回答諸如飲用水是否安全(能直接飲用)?工廠排出的廢水是否對環境無害?門外那條小河、還有遊泳池是否適合孩子們去玩耍?等等，應該是分分鐘的事兒，再容易不過了吧?
「理想是豐滿的，而現實是骨感的」
能實時回答這些問題場景也許會發生在不太久的將來，但是在現實的今天，許多都還做不到。
上面這些問題通通都涉及到了人們了解水質指標的終極目標-「評估水質安全」，非常複雜，複雜問題的討論總是需要太多時間，這次留下懸念，如果有緣，這個問題我們下次再聊。
（供稿：重慶昕晟環保科技有限公司 總經理程立）