在中國，由于水質(zhì)在線(xiàn)分析儀器的主要市場(chǎng)，包括工業(yè)水處理過(guò)程監測與控制、市政自來(lái)水與污水處理、環(huán)境自動(dòng)監測等同歐美和日本等主要發(fā)達國家相比，起步都較晚。

01  前 言

       在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器是一類(lèi)專(zhuān)門(mén)的自動(dòng)化在線(xiàn)分析儀表，儀器通過(guò)實(shí)時(shí)、現場(chǎng)操作，可在無(wú)需人工操作的情況下實(shí)現從水樣采集到數據輸出的快速分析;許多結構復雜的在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器已經(jīng)具有了自動(dòng)診斷、自動(dòng)校準、自動(dòng)清洗、故障報警等功能，以保證分析結果可靠性和儀器的長(cháng)時(shí)間運行。目前有兩種不同結構和形式的在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器：“在線(xiàn)分析傳感器和比較復雜的自動(dòng)化分析設備或者裝置”。按照國際標準化組織(ISO)代號ISO15839《水質(zhì)-在線(xiàn)傳感器/分析設備的規范及性能檢驗》標準的定義：“在線(xiàn)分析傳感器/設備(on-line sensor/analyzing equipment) ，是一種自動(dòng)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。”隨著(zhù)范圍內對環(huán)境保護、水資源可持續利用以及水安全的日益重視，為滿(mǎn)足世界各國日趨嚴格的環(huán)保法規要求和不斷發(fā)展的水處理工業(yè)市場(chǎng)的需求，作為獲取水質(zhì)信息的源頭技術(shù)，在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器及其應用技術(shù)得到了巨大的發(fā)展機會(huì )。同時(shí)，計算機科學(xué)、分析化學(xué)、材料科學(xué)等相關(guān)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，也為在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器技術(shù)的發(fā)展提供了可靠的技術(shù)支撐。國際水協(xié)會(huì )(IWA)的前身國際水污染研究協(xié)會(huì )(IAWPR)自1973年就開(kāi)始了組織主題為ICA(Instrumentation-儀表，Control-控制ａnd Automation-自動(dòng)化)的專(zhuān)題會(huì )議，專(zhuān)門(mén)推廣和研究水處理領(lǐng)域的在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器及過(guò)程控制的應用。近來(lái)，世界衛生組織(WHO)也在其發(fā)布的《再生水飲用回用：安全飲用水生產(chǎn)指南》中指出需要在再生水飲用回用系統全流程的關(guān)鍵控制點(diǎn)實(shí)施運行監測，并建議盡量采用在線(xiàn)監測儀器進(jìn)行數據實(shí)時(shí)監測和記錄。在技術(shù)進(jìn)步和法規的推動(dòng)下，越來(lái)越多的在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器被應用到環(huán)境監測、廢水排放監測，以及各種水處理工藝的過(guò)程控制系統中了。

       在中國，伴隨著(zhù)改革開(kāi)放40年經(jīng)濟高速發(fā)展的城鎮化與工業(yè)化進(jìn)程，無(wú)論是在城鎮化過(guò)程中大量的自來(lái)水水廠(chǎng)和污水處理廠(chǎng)建設，還是工業(yè)化進(jìn)程中各種火力發(fā)電廠(chǎng)、石油化工廠(chǎng)、大型冶金企業(yè)、食品釀造廠(chǎng)等高耗水工業(yè)企業(yè)的興建，都給予了在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器巨大的市場(chǎng)空間，在此基礎上，中國的在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器行業(yè)獲得了的成長(cháng)機會(huì )，中國的在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器技術(shù)有了顯著(zhù)的發(fā)展和長(cháng)足的進(jìn)步，在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器的可靠性得到了市場(chǎng)和機構的廣泛認可。隨著(zhù)政府和公眾對水環(huán)境保護和飲用水安全的高度重視，以及政府逐年增加的巨額環(huán)保資金，特別是在具有中國特色的“自動(dòng)監測為主，手動(dòng)監測為輔的監測模式”的環(huán)境監測技術(shù)路線(xiàn)的框架下，中國已經(jīng)逐漸發(fā)展成為了在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器大的地表水水質(zhì)自動(dòng)監測和廢水污染源排放自動(dòng)監測領(lǐng)域的單一市場(chǎng)。中于2001年6月4號發(fā)布并同日實(shí)施了HBC 6-2001《環(huán)保產(chǎn)品認定技術(shù)要求 化學(xué)需氧量(CODCr)水質(zhì)在線(xiàn)自動(dòng)監測儀》行業(yè)標準，這是一部用于廢水污染源排放自動(dòng)監測的在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器標準，在接下來(lái)的幾年中，各個(gè)相關(guān)政府部門(mén)還陸續發(fā)布了多部在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器的國家和行業(yè)標準。標準的發(fā)布實(shí)施，加上在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器在實(shí)際水質(zhì)監測中的成功應用，有力地推動(dòng)了中國水質(zhì)在線(xiàn)分析儀器市場(chǎng)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步。隨著(zhù)中國環(huán)境保護事業(yè)和環(huán)保市場(chǎng)的持續發(fā)展，辦公廳于2015年7月印發(fā)了《生態(tài)環(huán)境監測網(wǎng)絡(luò )建設方案》,提出例如“到2020年，全國生態(tài)環(huán)境監測網(wǎng)絡(luò )基本實(shí)現環(huán)境質(zhì)量、重點(diǎn)污染源、生態(tài)狀況監測全覆蓋，各級各類(lèi)監測數據系統互聯(lián)共享，監測預報預警、信息化能力和保障水平明顯提升，監測與監管協(xié)同聯(lián)動(dòng)，初步建成陸海統籌、天地一體、上下協(xié)同、信息共享的生態(tài)環(huán)境監測網(wǎng)絡(luò )，使生態(tài)環(huán)境監測能力與生態(tài)文明建設要求相適應。”的目標，方案還要求“完善重點(diǎn)排污單位污染排放自動(dòng)監測與異常報警機制，提高污染物超標排放、在線(xiàn)監測設備運行和重要核設施流出物異常等信息追蹤、捕獲與報警能力以及企業(yè)排污狀況智能化監控水平”。

       在2018年1月1日正式實(shí)施的“中華人民共和國環(huán)境保護稅法”第十條中還明確規定了應稅污染物的計算方法，“納稅人安裝使用符合國家規定和監測規范的污染物自動(dòng)監測設備的，按照污染物自動(dòng)監測數據計算”，通過(guò)法律條文的形式進(jìn)一步確定了在線(xiàn)分析儀器的地位。

02  在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器的檢測技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1  在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器的技術(shù)發(fā)展一直以來(lái)，在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器技術(shù)都是沿著(zhù)在線(xiàn)分析儀器研發(fā)制造技術(shù)和在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器應用技術(shù)兩個(gè)方面同時(shí)發(fā)展的。根據ISO標準的定義，有兩種形式的在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器：在線(xiàn)分析傳感器和比較復雜的自動(dòng)化分析設備或者裝置。代的在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器常常是以在線(xiàn)分析傳感器+顯示控制器的形式出現的，儀器通常結構都比較簡(jiǎn)單，通過(guò)傳感器直接和被測水樣接觸獲得水質(zhì)指標的數據。最初可以測量的水質(zhì)指標，主要是一些簡(jiǎn)單的物理指標和成分指標，如水溫、電導率、PH、ORP、溶解氧等;接著(zhù)是濁度、懸浮物濃度等光學(xué)原理的傳感器;隨著(zhù)電化學(xué)分析技術(shù)的發(fā)展，氟離子、銨離子、硝酸鹽等多種離子選擇電極法原理的在線(xiàn)水質(zhì)分析傳感器也開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)。由于傳感器和水樣直接接觸，無(wú)法像實(shí)驗室人工分析時(shí)進(jìn)行樣品預處理及去除樣品中干擾物質(zhì)，在面對水質(zhì)復雜的水樣(高溫、高壓、含油、硫化物、重金屬、懸浮物、高鹽度、腐蝕性氣體等各種雜質(zhì))時(shí)的適用性受到很大局限，最初的測量對象主要是地表水、飲用水、市政污水以及工業(yè)純水等水質(zhì)情況較為簡(jiǎn)單的水體。為了解決傳感器測量復雜水樣的適用性問(wèn)題，也為了實(shí)現一些實(shí)驗室人工分析方法步驟比較繁瑣或者測試條件要求較高的水質(zhì)參數的自動(dòng)分析，隨著(zhù)自動(dòng)控制技術(shù)的采用，結構比較復雜的在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器-水質(zhì)自動(dòng)化分析設備或裝置開(kāi)始出現：儀器通過(guò)控制一整套的設備或裝置的自動(dòng)運行來(lái)完成以前實(shí)驗室人工分析的步驟，比如：過(guò)濾、加熱、加顯色劑、混合、測量等等;另外，為了保證長(cháng)時(shí)間連續運行的準確度，還需要定時(shí)對儀器進(jìn)行自動(dòng)校準，以及定期的人工維護。這一類(lèi)在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器結構復雜，多用于水質(zhì)成分指標(TOC、SiO2、總磷、總氮、重金屬等)和評估性水質(zhì)綜合指標(COD、堿度、硬度、生物毒性等)。隨著(zhù)現代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是分析化學(xué)、材料科學(xué)、電子科學(xué)以及包括計算機技術(shù)和通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)在內的系統工程成套自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展， 再加上水質(zhì)科學(xué)自身的發(fā)展與進(jìn)步，從以下介紹的多個(gè)維度共同推動(dòng)了在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器技術(shù)的發(fā)展。首先，在測量原理方面，除了傳統的電化學(xué)、光學(xué)、光電比色法原理，激光誘導擊穿光譜、混合多光譜分析、X射線(xiàn)熒光分析、三維熒光光譜、生物技術(shù)等各種新的測量原理被應用到了在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器;同時(shí)，流動(dòng)注射分析技術(shù)的發(fā)展和應用，使得儀器分析時(shí)間大大縮短，增強了在線(xiàn)分析技術(shù)實(shí)時(shí)性的優(yōu)點(diǎn)。其次，水質(zhì)科學(xué)的發(fā)展，提出了“替代參數”的概念，為在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器的開(kāi)發(fā)和應用開(kāi)拓了新的空間。水質(zhì)替代參數是指一類(lèi)特定的水質(zhì)參數，可以綜合反映水體的某一類(lèi)別的水污染情況或水處理過(guò)程中某些不能實(shí)現在線(xiàn)監測而且實(shí)驗室分析也非常繁瑣水質(zhì)參數的變化。目前，對飲用水水質(zhì)安全來(lái)講，反應有機物總量及某些特定成分變化的綜合性指標UV254是目前非常重要的水質(zhì)替代參數，可以通過(guò)UV254的實(shí)時(shí)測量，獲得和水中有機物污染相關(guān)的其他參數(如，COD、BOD、TOC等)的信息。由于能實(shí)時(shí)反映水質(zhì)的變化，測量“替代參數”的在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器在水處理工藝過(guò)程控制中有著(zhù)非常重要的價(jià)值。目前其他重要的在線(xiàn)水質(zhì)替代參數分析儀器還有：濁度、顆粒物、SDI(污染指數)等。第三，隨著(zhù)材料科學(xué)的發(fā)展，在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器傳感器的環(huán)境適應性也得到了很大提高，表現為：高溫材料的采用，使得傳感器的工作溫度范圍不斷提高;傳感器材質(zhì)采用惰性的材料，可以耐受水中硫化氫、硫化物、高鹽、重金屬、油污染的探頭，可以耐受高強度核輻射的溶解氧和溶解氫探頭應用于核電廠(chǎng);采用鈦合金材料，可長(cháng)時(shí)間應用于海洋監測的傳感器等等。另外，和所有儀器產(chǎn)品一樣，在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器中執行數據處理與通訊功能的硬件與軟件都采用了電子工業(yè)的。相對于最初的模擬電路，由于數字電路設計要比模擬電路相對簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高，對設計人員的經(jīng)驗水平要求也稍低，數字電路技術(shù)的采用和普及，使得儀器設計和批量生產(chǎn)的成本得以大幅下降，儀器的可靠性有了很大的提升。目前的在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器的控制器普遍具有了自動(dòng)運算、統計、圖形顯示、趨勢分析等數據處理功能;同時(shí)，儀器一般具有自動(dòng)診斷、故障報警功能，方便儀器運行及維護人員及時(shí)發(fā)現和解決儀器的問(wèn)題;儀器生產(chǎn)商采用通用控制器也已經(jīng)成為共識，同一種型號的控制器可以同數十種傳感器連接，由此給儀器生產(chǎn)企業(yè)和使用者兩方面都帶來(lái)了好處：儀器制造廠(chǎng)家可以實(shí)現控制器的大批量生產(chǎn)，取得規模效益;同時(shí)通用控制器降低了儀器技術(shù)服務(wù)的復雜程度，也降低了儀器生產(chǎn)廠(chǎng)家的服務(wù)成本;帶給在線(xiàn)分析儀器使用者的好處也是顯而易見(jiàn)的：在保證水處理生產(chǎn)正常運行的同時(shí)，可以減少水質(zhì)分析儀器零備件的庫存壓力;通用控制器也讓操作者減少了學(xué)習的時(shí)間，可以更快更熟練的掌握儀器的使用及維護，提高生產(chǎn)效率;同時(shí)，新型的數字化傳感器可以被通用控制器自動(dòng)識別，具有“即插即用”功能，極大的減輕了安裝維護人員的勞動(dòng)強度。在通訊及數據傳輸方面，RS232、RS485以及Profibus、Modbus等現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和TCP/IP等網(wǎng)絡(luò )協(xié)議得到了普遍應用，為實(shí)現水質(zhì)監測數據的實(shí)時(shí)傳輸及水處理過(guò)程的自動(dòng)控制提供了支持。最后，標準化進(jìn)一步支持了在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器技術(shù)和行業(yè)的發(fā)展。國際標準化組織(ISO)在2003年制定的代號為ISO15839-2003的標準《水質(zhì)在線(xiàn)傳感器/分析設備-水質(zhì)規范和性能測試》,定義了在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器的性能特征，建立了評估及測定性能特征參數的測試程序，這個(gè)通用性標準給在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器的研發(fā)、生產(chǎn)及驗收提供了依據。進(jìn)入21世紀以來(lái)的十多年中， 中國也發(fā)布了大量有關(guān)在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器的國家標準和一系列的行業(yè)標準。這些標準的發(fā)布與實(shí)施，為在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器的應用與發(fā)展提供了技術(shù)上的可靠保證。

2.2  水質(zhì)在線(xiàn)分析儀器的主要檢測技術(shù)作為一種專(zhuān)用于水質(zhì)分析的特定儀器分析技術(shù)，和其他儀器分析技術(shù)一樣，水質(zhì)在線(xiàn)分析儀器檢測技術(shù)的理論基礎也是根據水中待測物質(zhì)的物理化學(xué)或者生物化學(xué)性質(zhì)來(lái)測定物質(zhì)的組成及相對含量。根據測定的方法原理不同，主要可以分為電化學(xué)分析、光學(xué)分析、色譜分析、其他分析方法等4大類(lèi)。電化學(xué)分析法(electroanalytical chemistry，也稱(chēng)電分析化學(xué)法)，是建立在物質(zhì)在溶液中電化學(xué)性質(zhì)基礎上的一類(lèi)分析方法，它是儀器分析方法中的一個(gè)重要分支。電化學(xué)分析測量系統是一個(gè)由電解質(zhì)溶液和電極構成的化學(xué)電池，通過(guò)測量電池的電位、電流、電導等物理量，實(shí)現對待測物質(zhì)的分析。根據測定電化學(xué)參數的不同，電化學(xué)分析法又分為電位分析法、庫侖分析法、伏安分析法(包括極譜分析法)、電導分析法等。電化學(xué)分析法原理的在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器，是出現和應用的一類(lèi)在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器。其中，既有較為簡(jiǎn)單的傳感器形式的各種Ph/ORP(氧化還原電位)分析儀、電導率分析儀(目前在工業(yè)過(guò)程分析中應用十分普遍的酸堿鹽濃度計，也都大多是采用電導檢測原理的在線(xiàn)分析儀器)、極譜法溶解氧分析儀、基于離子選擇電極法的氨氮、氯離子、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮分析儀;也有結構比較復雜的自動(dòng)化分析設備，如基于伏安分析法的各種重金屬分析儀，采用電位滴定原理的COD分析儀，高錳酸鹽指數分析儀，采用電導分析法的純水TOC(總有機碳)分析儀等。光學(xué)分析法(optical analysis)，是以物質(zhì)發(fā)射或吸收電磁輻射以及物質(zhì)與電磁輻射相互作用(發(fā)光、吸收、散射、光電子發(fā)射等)來(lái)對待測樣品進(jìn)行分析的方法?？梢苑譃楣庾V法和非光譜法兩大類(lèi)。非光譜分析法，是基于物質(zhì)引起輻射的方向或物理性質(zhì)的改變，檢測被測物質(zhì)的某種物理光學(xué)性質(zhì)，進(jìn)行定量、定性分析的方法，非光譜分析法不考慮物質(zhì)內部能量的變化，包括了折射法、散射光法等。光譜分析法，是以光輻射能與物質(zhì)組成和結構之間的內在聯(lián)系或者以光譜或波譜的測量為基礎，利用物質(zhì)的光譜特征，進(jìn)行定性、定量及結構分析的方法。按物質(zhì)能級躍遷的方式，光譜分析法又分為三種基本類(lèi)型：發(fā)光光譜法(包括分子熒光分析法、X射線(xiàn)熒光分析法等)、吸收光譜法(包括紫外可見(jiàn)分光光度法、紅外分光光度法等)以及散射光譜法(如最近比較熱門(mén)的拉曼散射光譜法)。在線(xiàn)濁度分析儀是目前非光譜分析法在水質(zhì)在線(xiàn)分析技術(shù)價(jià)值的應用。濁度是水質(zhì)凈化處理最重要的關(guān)鍵性工藝參數，它既可反應水中懸浮物的濃度，同時(shí)又是人的感官對水質(zhì)最直接的評價(jià)，各國包括世界衛生組織的飲用水標準都把濁度作為了一個(gè)必測的指標。濁度的測量原理是利用光的散射原理，當光束接觸到水中的懸浮物顆粒表面時(shí)，將會(huì )散射和吸收通過(guò)水樣的光線(xiàn)，散射光與入射光成90度直角時(shí)，散射光強度與濁度的大小成線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)檢測器測量散射光強度，同標準比較，就能獲得水樣的濁度值。目前市場(chǎng)上已經(jīng)有了數十種不同結構、不同量程、不同測試精度、不同安裝方式的在線(xiàn)濁度分析儀器產(chǎn)品，可以滿(mǎn)足從潔凈度的膜過(guò)濾水到高污染、高懸浮物水樣濁度的實(shí)時(shí)監測。目前，采用光譜分析法原理的水質(zhì)在線(xiàn)分析儀器是能夠測量水質(zhì)參數最多的一類(lèi)儀器，這其中，既有采用經(jīng)典比色法原理的總磷分析儀、總氮分析儀、氨氮分析儀、SO2分析儀、六價(jià)鉻、銅等重金屬分析儀;也有X射線(xiàn)熒光分析法原理的鉛、砷分析儀;還有紫外熒光原理的水中油(多環(huán)芳烴)分析儀等。最近，隨著(zhù)化學(xué)計量學(xué)和光譜學(xué)的發(fā)展，采用全光譜掃描方法，可一次分析十多種水質(zhì)參數的多參數在線(xiàn)水質(zhì)分析儀也得到越來(lái)越多的應用。另外，隨著(zhù)流動(dòng)注射分析技術(shù)的出現和大量應用，也為提高“結構比較復雜的自動(dòng)化分析設備或者裝置”這類(lèi)在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器的分析速度，實(shí)現儀器快速自動(dòng)完成水樣采集、處理，試劑混合，乃至最終檢測提供了支撐。流動(dòng)注射分析(Flow Injection Analysis，縮寫(xiě)FIA)，是一種“非平衡態(tài)”化學(xué)分析技術(shù)，1974年由丹麥化學(xué)家魯齊卡(Ruzicka J)和漢森(Hansen E H)提出的一種創(chuàng )新的連續流動(dòng)分析技術(shù)。這種技術(shù)是把一定體積的試樣溶液注入到一個(gè)連續流動(dòng)的、無(wú)空氣間隔的試劑溶液(或水)載流中，被注入的試樣溶液在反應管中形成一個(gè)反應單元，并與載流中的試劑混合、反應后，再進(jìn)入到流通檢測器進(jìn)行測定分析及記錄。整個(gè)分析過(guò)程中試樣溶液都在嚴格控制的條件下在試劑載流中分散，因此，只要待測水樣的注射方法，在管道中存留時(shí)間、溫度和分散過(guò)程等條件相同，不要求反應達到平衡狀態(tài)就可以按照比較的方法，通過(guò)標準溶液所繪制的工作曲線(xiàn)測出試樣溶液中被測物質(zhì)的濃度。流動(dòng)注射分析技術(shù)的應用，極大的提高了水樣分析速度。特別是隨著(zhù)由具有良好耐腐蝕性能的聚乙烯、聚四氟乙烯等材料制成的微型管道系統的出現，儀器對樣品以及分析試劑的耐受性大大提高，擴展了儀器對分析方法的適應性，增加了可實(shí)現自動(dòng)分析的水質(zhì)參數，采用流動(dòng)注射技術(shù)的儀器小型化也成為現實(shí)。由于流動(dòng)注射分析技術(shù)具有可以把吸光分析法、熒光分析法、比濁法和離子選擇電極分析法等諸多分析方法的流程實(shí)現在管道中完成、需要的試劑量小、易于自動(dòng)連續分析的優(yōu)點(diǎn)，在水質(zhì)在線(xiàn)分析儀器領(lǐng)域得到了非常普遍的應用，幾乎被所有非傳感器形式的在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器所采用。最近以來(lái)，為滿(mǎn)足對水中多種微量成分的實(shí)時(shí)監測，色譜原理的在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器開(kāi)始出現，在線(xiàn)離子色譜監測系統監測水中高氯酸鹽和氯酸鹽、在線(xiàn)氣相色譜儀監測水中VOCs(揮發(fā)性有機物)的都取得了成功的應用。其他原理的在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器中，生物技術(shù)原理的產(chǎn)品占據了很大的份額，其中，發(fā)光細菌法生物毒性監測儀、微生物燃料電池監測生化需氧量和毒性，核酸酶重金屬特異性反應監測重金屬，酶底物法監測大腸桿菌、ALP(堿性磷酸酶)法監測細菌總數等原理和方法的在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器最近幾年都開(kāi)始得到市場(chǎng)的認可。

2.3  國內外水質(zhì)在線(xiàn)檢測的技術(shù)差距在中國，由于水質(zhì)在線(xiàn)分析儀器的主要市場(chǎng)，包括工業(yè)水處理過(guò)程監測與控制、市政自來(lái)水與污水處理、環(huán)境自動(dòng)監測等同歐美和日本等主要發(fā)達國家相比，起步都較晚，同時(shí)也因為支撐水質(zhì)在線(xiàn)分析儀器研發(fā)制造的電子技術(shù)、自動(dòng)控制、軟件等基礎技術(shù)和精密制造產(chǎn)業(yè)在中國也主要是改革開(kāi)放以后的短短幾十年里才開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的，兩方面的原因造成了中國水質(zhì)在線(xiàn)分析儀器以及檢測技術(shù)發(fā)展的差距。和其他分析儀器產(chǎn)品一樣，可靠性是國內外在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器的差距，專(zhuān)門(mén)人才的缺乏造成的設計理念和流程的落后、關(guān)鍵元器件的穩定性和供應不足以及在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器行業(yè)的制造水平、質(zhì)量管理水平的差異都是造成可靠性差距的原因。水質(zhì)在線(xiàn)檢測技術(shù)同國內外差距的另外一點(diǎn)是分析原理創(chuàng )新，同發(fā)達國家同行不斷應用的新分析原理、新材料、新算法等新技術(shù)相比，目前中國水質(zhì)在線(xiàn)檢測儀器主要原理還是以傳統的電化學(xué)、比色法為主，儀器對水質(zhì)變化的適應性還不能滿(mǎn)足目前水處理工業(yè)過(guò)程控制的要求。在綠色分析的認知和應用上，國內外水質(zhì)在線(xiàn)分析技術(shù)也存在一定的差距，綠色分析要求是在分析過(guò)程減少多環(huán)境的影響，避免(或大幅度減少)使用化學(xué)試劑，減少氣體、液體和固體廢物的產(chǎn)生，避免使用劇毒(包括生態(tài)毒性)的試劑;減少樣品分析的所需的人力和能耗。目前國內在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器，特別是結構比較復雜的監測型在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器，在試劑使用量、廢液產(chǎn)生量以及有毒試劑的使用和能耗方面，同儀器還有一定的差距。最近十多年以來(lái)，在“自動(dòng)監測為主，手動(dòng)監測為輔的監測模式”的環(huán)境監測技術(shù)路線(xiàn)的大力推動(dòng)下，中國監測型水質(zhì)在線(xiàn)分析儀器技術(shù)有了長(cháng)足的進(jìn)步和發(fā)展。從2002年至今，幾乎每年都有上萬(wàn)臺/套的在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器及系統實(shí)現了安裝調試和實(shí)際運行。儀器大量的研發(fā)制造和實(shí)際應用，為行業(yè)技術(shù)進(jìn)步提供和積累了寶貴的經(jīng)驗。與此同時(shí)，中國發(fā)布了數十項在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器及系統的國家標準、行業(yè)標準，這些標準的發(fā)布和實(shí)施，對在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器在中國市場(chǎng)的應用和發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用，有力的支持了中國監測型在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器研發(fā)制造技術(shù)的發(fā)展，多種適應不同水質(zhì)條件水樣的應用技術(shù)也得以開(kāi)發(fā)。中國監測型在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器已經(jīng)有了巨大的進(jìn)步?？傮w來(lái)看，水污染源排放和水環(huán)境自動(dòng)監測的常規在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器及其應用技術(shù)達到了的水平。

03 水質(zhì)在線(xiàn)分析儀器的應用簡(jiǎn)介

      在線(xiàn)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(lèi)活動(dòng)用到水的領(lǐng)域，諸如水環(huán)境監測、飲用水處理與安全保障、工業(yè)水處理的過(guò)程控制、污水處理等等，都是在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器的應用范圍。按照應用目的的不同，在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器可以分為監測型和過(guò)程型在線(xiàn)分析儀器兩類(lèi)產(chǎn)品。監測型分析儀器主要用于單純的水質(zhì)監測，獲取水質(zhì)參數數據，以判斷水質(zhì)是否達到法規的要求，以及環(huán)境水質(zhì)(地表水、地下水、海水等)和飲用水水質(zhì)安全的預警性監測，不參與水處理工藝過(guò)程控制。要求監測的水質(zhì)參數主要是環(huán)保法規或者水質(zhì)標準規定的主要污染物指標，對應用技術(shù)的需求主要是水樣預處理技術(shù)以及儀器系統集成技術(shù)等。在中國，典型的監測型在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器應用有：

一、工業(yè)企業(yè)廢水污染源及市政污水處理廠(chǎng)排放自動(dòng)監測，主要監測參數有: 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)現污染物排放自行監測，防止和及時(shí)發(fā)現可能的廢水超標排放，申報環(huán)境保護稅，以及環(huán)保門(mén)實(shí)時(shí)了解企業(yè)水污染物排放情況提供了依據。

二、地表水水質(zhì)自動(dòng)監測：江河湖庫重要斷面以及水源地的水質(zhì)自動(dòng)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(huì )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(wèn)題，會(huì )要求增加生物毒性、大腸桿菌等水質(zhì)指標以及氟離子等具有行業(yè)性/地域性特征水質(zhì)污染指標的在線(xiàn)監測。大量地表水在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器的安裝和應用，為全面了解國內環(huán)境水質(zhì)狀況，對可能的水質(zhì)惡化和突發(fā)性水質(zhì)污染提供預警，以及為水環(huán)境和水資源管理部門(mén)生態(tài)調水及合理使用水資源提供數據支持。

三、飲用水管網(wǎng)及二次供水水質(zhì)自動(dòng)監測，主要參數有濁度、余氯、Ph值、電導率、溫度、色度等。飲用水水質(zhì)在線(xiàn)監測，一方面對可能發(fā)生的水質(zhì)超標事件進(jìn)行預警，防止不合格的自來(lái)水進(jìn)入居民家庭;另外，大量管網(wǎng)的水質(zhì)數據，也可支持自來(lái)水廠(chǎng)優(yōu)化水處理工藝以及管網(wǎng)輸水調度決策。四、海水監測，常規的指標是溫度、鹽度、深度(簡(jiǎn)稱(chēng)溫鹽深，英文縮寫(xiě)CTD)，另外還會(huì )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(zhì)量狀況的水質(zhì)指標。過(guò)程型分析儀器，顧名思義，主要用于水處理工藝過(guò)程監測與控制,所測量的水質(zhì)參數會(huì )參與過(guò)程控制，以?xún)?yōu)化水處理工藝、提升水處理效率, 在保證末端水質(zhì)達標的前提下,實(shí)現水處理過(guò)程節能降耗的目的。過(guò)程型分析儀器更多要求原位、實(shí)時(shí),連續監測,對儀器的測量速度與響應時(shí)間要求較高。過(guò)程型在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器，被廣泛應用于火力發(fā)電廠(chǎng)、核電廠(chǎng)、石油化工企業(yè)、大型冶金企業(yè)、造紙企業(yè)等為代表傳統流程工業(yè)以及半導體廠(chǎng)、生物制藥廠(chǎng)等新興工業(yè)企業(yè)中，為工業(yè)水處理過(guò)程控制以及鍋爐水、蒸汽、電子級超純水等各類(lèi)生產(chǎn)用水的品質(zhì)檢測提供了實(shí)時(shí)可靠的水質(zhì)數據和水處理過(guò)程控制依據。以石油化工行業(yè)為例，作為傳統的流程工業(yè)，石油化工廠(chǎng)有著(zhù)用水量大、不同用水工藝水質(zhì)差異顯著(zhù)、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(lèi)型的水質(zhì)特點(diǎn)、水處理技術(shù)和工藝，有著(zhù)面和有代表性的水質(zhì)在線(xiàn)分析儀器應用場(chǎng)景。

       目前石化企業(yè)中常用的在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器，根據不同工藝要求及不同用水點(diǎn)來(lái)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)等；

三. 鍋爐水及蒸汽質(zhì)量監測：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、電導分析儀、余氯分析儀、總有機碳(TOC)分析儀、在線(xiàn)熒光示蹤監測儀、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(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(chǎng)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(shí)時(shí)監測到雨水的水質(zhì)指標超過(guò)排放標準或者有油品泄漏，就會(huì )自動(dòng)關(guān)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(huán)境水體的污染，或者對廢水處理單元的沖擊。在半導體廠(chǎng)、生物制藥廠(chǎng)這類(lèi)對水質(zhì)有著(zhù)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(xiàn)水質(zhì)分析儀器以及各種結構和性能的氟離子分析儀(半導體廠(chǎng))、微生物分析儀(生物制藥廠(chǎng))都已經(jīng)有了越來(lái)越多的應用。

      另外，在自來(lái)水廠(chǎng)，各種量程的在線(xiàn)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(zhù)廣泛的應用，參與水廠(chǎng)的自動(dòng)加藥、加氯等工藝的過(guò)程控制，這些在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器的應用，極大的提高了自來(lái)水的自動(dòng)化運行水平，保證了自來(lái)水出廠(chǎng)水質(zhì)的安全可靠。在市政污水處理廠(chǎng)，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(xiàn)水質(zhì)分析儀器在過(guò)去數十年間也已經(jīng)獲得了大量的成功應用，為污水廠(chǎng)的穩定運行、節能降耗和達標排放提供了可靠的支持。由于用于水處理過(guò)程控制，儀器安裝的數量較大，這類(lèi)分析儀器通常以安裝維護方便、單價(jià)較低的水質(zhì)傳感器形式出現。對于不同類(lèi)型的在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器，技術(shù)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(guān)部門(mén)進(jìn)行管理的依據，對檢測原理和方法的限制較多,要求是成熟的分析技術(shù);而過(guò)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(shí)可靠地反應水質(zhì)變化的趨勢，以便為水處理過(guò)程控制提供依據。對儀器的響應時(shí)間要求較高，對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(xiàn)分析儀器應用。

04 水質(zhì)在線(xiàn)分析儀器技術(shù)與市場(chǎng)的發(fā)展前景

      人口的持續增加和經(jīng)濟的持續發(fā)展，帶來(lái)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，提出了對水處理工業(yè)和水環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)更高的要求和需求，將進(jìn)一步推動(dòng)在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器市場(chǎng)的發(fā)展。當下處于物聯(lián)網(wǎng)、大數據和人工智能的時(shí)代，也需要更多的數據，在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器作為物聯(lián)網(wǎng)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(xiàn)水質(zhì)分析儀器?，F代在線(xiàn)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)、計算機、過(guò)程控制理論等多學(xué)科發(fā)展的基礎上產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的，這些學(xué)科的創(chuàng )新和發(fā)展，也將為在線(xiàn)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(zhù)綠色分析理念的大力推廣，綠色分析技術(shù)的不斷出現，未來(lái)的在線(xiàn)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,在設計上也會(huì )更加考慮降低儀器的能耗和分析的用水量。流式細胞術(shù)、生物預警技術(shù)、核酸酶重金屬特異性反應、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(xiàn)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(kāi)始進(jìn)入水質(zhì)監測領(lǐng)域;在儀器數據處理方面，各種新算法及水質(zhì)模型不斷出現, 將提升各種新型在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器的功能及完善數據后處理，提供更多有價(jià)值的水質(zhì)數據和信息-不僅是儀器硬件和分析技術(shù),軟件和數據處理技術(shù)也將成為在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器的重要組成部分。在未來(lái)，在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器將成為“硬件+材料+軟件+算法”的組合。隨著(zhù)新的分析原理、方法的出現和應用，以及各種新材料的采用，傳感器對復雜水質(zhì)的適應性會(huì )得到提高;同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用，可以實(shí)現對和水樣直接接觸的傳感器自身壽命及運行狀態(tài)進(jìn)行遠程實(shí)時(shí)監測、管理以提高維護效率、降低維護成本。還有，伴隨3D打印技術(shù)的成熟應用，根據待測水樣的不同水質(zhì)情況，實(shí)現差異化設計、制造也將成為現實(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，也可選用不同材質(zhì)、結構和制造工藝來(lái)生產(chǎn)傳感器，以滿(mǎn)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(zhù)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代大規模的應用出現超出想象力的下降，這時(shí)，免維護的一次性在線(xiàn)水質(zhì)傳感器將成為現實(shí)。和傳感器一樣，結構復雜的在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器的成本問(wèn)題也必然隨著(zhù)大規模的應用得到降低;儀器的維護問(wèn)題也可以通過(guò)設計的優(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(guò)產(chǎn)品在硬件上增加必要的傳感器，在測試流程中，獲取過(guò)程節點(diǎn)的參數指標及變化曲線(xiàn)，智能判斷拐點(diǎn)、斜率、峰值、積分面積等指標，轉化為對應的數學(xué)模型，形成一套用于描述“儀器行為”的監控系統，通過(guò)“儀器行為”來(lái)評估在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器狀態(tài)，以實(shí)現這種精密設備的遠程管理和診斷，進(jìn)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(jìn)一步推動(dòng)在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器應用規模的擴大。

      從市場(chǎng)發(fā)展角度來(lái)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(xiàn)分析儀器市場(chǎng)也會(huì )經(jīng)歷從市場(chǎng)初期的緩慢增長(cháng)到高速成長(cháng)的發(fā)展歷程。在初期，市場(chǎng)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，相對于過(guò)低的水資源費、水價(jià)以及廢水排放需要支付的費用而言，當時(shí)在線(xiàn)分析儀器的投資和運行成本都比較高。還有一個(gè)因素是在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器和技術(shù)自身的限制，當時(shí)在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器的穩定性、可靠性等還不能滿(mǎn)足市場(chǎng)的要求;可以實(shí)現在線(xiàn)分析的水質(zhì)參數也不是很多;另外，由于水質(zhì)條件的多樣化與復雜性，即使是面對同一個(gè)水樣，測量不同水質(zhì)參數時(shí)，對儀器測量方式，安裝方式的要求都有不同，這對以在線(xiàn)水質(zhì)監測系統為代表的應用技術(shù)也提出了很高的要求。這些因素造成了監管部門(mén)和行業(yè)的運行管理者以及水處理工程師對采用在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器都持有謹慎的態(tài)度，在當時(shí)嚴重制約了在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器的應用與推廣。進(jìn)入21世紀以來(lái)，由于水資源短缺、水環(huán)境污染的問(wèn)題日益嚴重，行業(yè)同時(shí)迎來(lái)了水資源費上漲、飲用水水質(zhì)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(jià)上漲等諸多挑戰和機會(huì );在法規的壓力和市場(chǎng)的推動(dòng)下，加強水環(huán)境監測、淘汰粗放式的水處理及用水模式，采用更加的過(guò)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(lèi)社會(huì )必然的選擇;與此同時(shí)，技術(shù)的發(fā)展使得在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器的穩定性與可靠性有了很大提高、可以實(shí)現在線(xiàn)監測的水質(zhì)參數越來(lái)越多、在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器的功能也越來(lái)越強大;市場(chǎng)需求的增長(cháng)和水質(zhì)在線(xiàn)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(zhù)日益嚴格的環(huán)保法規的驅動(dòng)，特別是以在線(xiàn)監測作為主要技術(shù)路線(xiàn)的環(huán)境監測技術(shù)政策的推動(dòng)下，監測型在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器將繼續保持高速成長(cháng)。與此同時(shí)，石油化工、冶金、火力發(fā)電等傳統高耗水工業(yè)用水效率的提高以及行業(yè)自身的技術(shù)進(jìn)步，半導體、生物制藥等對水質(zhì)要求更加嚴格的新興行業(yè)的快速發(fā)展，都會(huì )進(jìn)一步提高對在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器的需求，過(guò)程型在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器也將保持持續的增長(cháng)。物聯(lián)網(wǎng)、大數據、云計算以及即將到來(lái)的5G時(shí)代，需要更多的傳感器類(lèi)型的在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器，低功耗、低成本的在線(xiàn)水質(zhì)分析傳感器將會(huì )迎來(lái)爆發(fā)的機會(huì )。在市場(chǎng)需求和技術(shù)進(jìn)步的共同推動(dòng)下，在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器及其應用技術(shù)必將得到快速發(fā)展，儀器的穩定性與可靠性會(huì )有進(jìn)一步的提高、可以實(shí)現在線(xiàn)監測的水質(zhì)參數將越來(lái)越多、在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器的功能也將越來(lái)越強大，市場(chǎng)將會(huì )在很長(cháng)一段時(shí)間內保持可持續的增長(cháng)趨勢。

05  結束語(yǔ)

       在線(xiàn)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)、數據科學(xué)等傳統與現代科學(xué)的綜合性跨學(xué)科技術(shù)，經(jīng)過(guò)過(guò)去幾十年的發(fā)展，無(wú)論在水環(huán)境監測、飲用水安全保障還是工業(yè)過(guò)程用水領(lǐng)域都得到了普遍的應用。隨著(zhù)人類(lèi)社會(huì )經(jīng)濟的進(jìn)一步發(fā)展，特別是在大數據、物聯(lián)網(wǎng)等各種發(fā)展的推動(dòng)下，在線(xiàn)水質(zhì)分析儀器及其應用技術(shù)還將得到更大的發(fā)展。在中國，隨著(zhù)目前政府環(huán)保法規日益完善、公眾環(huán)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(fā)展的生態(tài)環(huán)境理念的情況下，加強水環(huán)境質(zhì)量的監測以及廢水排放的監管，采用更加的過(guò)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)境監管部門(mén)、水處理行業(yè)以及中國社會(huì )的必然選擇。同時(shí)，隨著(zhù)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(xiàn)水質(zhì)分析儀器技術(shù)高質(zhì)量高速度的發(fā)展。