水体中颗粒物主要检测方法综述

广东化工2010年第5期

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水体中颗粒物主要检测方法综述



梁华炎

(茂名市环境保护监测站，广东茂名525000)



[摘要]水中颗粒物主要用浊度指标表示，是衡量水体质量的重要且直观指标。文章介绍了浊度检测的方法，包括透射检测方法、散射检测

方法和综合检测方法，并对其应用做了概述，为水质分析监测人员检测水中的浊度提供参考方法结。

[关键词]水体；颗粒物；浊度；散射检测方法

[中图分类号]O65[文献标识码]A[文章编号]1007-1865(2010)05-0296-03



DetectionSummarizationonparticulatematterinwater



LiangHuayan

(MaomingEnvironmentalMonitoringCentre,Maoming525000,China)



Abstract:Particulatematterinwaterisrepresentationbyturbidity,whichisadirectindexinmeasuringwaterquality.Theturbiditydetectionmethodswere

introducedinthepaper,includingtransmissiondetectionmethod,scatteringdetectionmethodandcomprehensivedetectionmethods.Theapplicationofthree

methodsweresummarized,supplyreferencetowaterqualityanalysisworkers.

Keywords:water；particulatematter；turbidity；scatteringdetectionmethod



颗粒物质是水体中的主要污染物之一。悬浮物质主要是泥

砂、粘土、有机和矿物质颗粒，大部分来源于土壤和城镇街道

径流，表层土壤以泥沙形式进入水体，造成了水体中含沙量增

加，从而增加了水的浊度，直接影响到水体的外观质量和生物

稳定性;因此水中颗粒物是水处理的主要去除对象。水中颗粒

物会降低自来水的安全卫生程度，因为它们是各种污染物的载

体。经过净水设施后，安全、卫生的出水应不含任何威胁健康

的颗粒物，至少将颗粒物的致病风险控制在可接受的水平。大

量研究表明，颗粒物去除率越高，自来水越安全、卫生。因此

颗粒物的检测已经成为水处理中一个重要的问题

[1-2]

。

浊度是一项非常重要的感官指标，反映水中颗粒物含量，

是颗粒物含量的替代参数，同时还可反映出水中病原微生物的

情况，也可作为生物学指标。新的水质标准中，浊度由最初的

3NTU提高到1NTU，也是对浊度指标的成分重视的表现。

浊度是水中颗粒物的替代参数，是表明水中颗粒物的水质

指标，是水处理中一项重要的指标，几乎所有应用到所有的水

处理工艺当中。采用浊度仪对水质的浊度进行检测，是对各类

水中非溶性物质测量达到控制水质的重要手段。生活饮用水的

浊度是自来水厂出水水质要求的一个主要参数。一般自来水厂

对水处理各个环节都需要进行浊度检测，特别是出水部分更需

要进行在线浊度测量仪表。我国国家标准《生活饮用水卫生标

准》(GB5750-1985)中规定生活饮用水(自来水)的浊度

≤3NTU。在新颁布的《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)

中规定生活饮用水(自来水)的浊度≤1NTU。

浊度是污水处理厂处理各种污水净化后，对出水水质要求

的重要参数之一。在污水处理厂，一般是在出水部分才需进行

在线浊度测量，要求出水浊度≤5NTU。

浊度又是工业水处理(除盐水)检验水质要求的一个重要

参数，由于对除盐的水质要求较高，除对出水部分要求进行在

线测量外，对入口水也需要进行在线浊度测量，只不过有低浊

度和高浊度测量之分别

[3-4]

。

在进行水环境监测时，浊度是必需测量的重要参数之一。

因为浊度的大小往往即可直接判断出水环境污染的程度。因为

pH、浊度、氨氮、溶氧四大参数是监测水环境的指标。所以

浊度测量的重要性是不言而喻的。

水的浊度是与光紧密关联的一个概念，只有在光照的情况

下，才能看清水的“清”和“浊”。浊度是水中不同大小、形

状、比重的悬浮物、胶体物质和微生物等杂质对光所产生效应

的表达语。美国公共卫生协会等组织把浊度定义为：“水样使

光散射和吸收的光学性质的表达语”。可以理解，总重量相同，

但颗粒大小不同的杂质，对光的效应是不同的，即浊度是不同

的。显然，浊度虽然不能直接表示水中杂质的含量，但与它的

含量是相关的。浊度的检测方式主要有：透射检测方法、散射

检测方法和综合检测方法，文章将一一论述。

1透射检测方法

[5-6]



从光源发出的平行光束射入水样，水样中的浊度物质会使

光的强度衰减，另一束光周期性被切换成比较光束，两束光交

替被光电池接收转换并比较两光束强度之差，得出水中浊度的大

小。光强的衰减程度与水样的浊度之间的关系可用下式表示：

I=I

0

e

Kdl



式中，K为比例常数，d为浊度，1为水样透过深度。透

射光测定法测定浊度，方法十分简便，其原理见图1所示。



0

I

0

I

1

Y

I

2



图1透射浊度检测方式示意图

Fig.1MonitoringmethodsofdiffusionnePhefometer



入射光通过半透膜分为两束光强相同的光，一束光通过水

样透射入射在测量光电池上(I

2

)，另一束光直接照射在参比光

电池上(I

1

)，测量光电池与参比光电池将两光束的强度进行接

收比较，从而测出水样的浊度。显然，透射光蚀度仪的原理相

当简单，计算不复杂，仪器的设计方面也比较简单，但是在测

量较低浊度时，由于大部分的光都直接透射了，微小的浊度变

化所引起的透射光的变化是相当小的。或者说，变化率是很小

的，这样对光电接收元件和放大器的分辨率和稳定性要求就非

[收稿日期]2010-02-09

[作者简介]梁华炎(1981-)，男，广东茂名人，本科，助理工程师，主要研究方向为环境监测。

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常高，低浊度时不易满足。所以，透射光方法不适合测量低浊

度。

2散射检测方法

一定波长的光束射入水样时，由于水样中浊度物质使光产

生折射，散射光强度与水样浊度成正比，通过测定与入射垂直

方向的散射光强度，即可测出水样中的浊度。按照测定散射光

和入射光的角度的不同，分为垂直(90°)散射式，前散射式、

后散射式三种方式。

根据光学理论，水中颗粒半径小于入射光波长的1/10时，

主要发生侧向散射，水中颗粒半径为入射光波长1/4左右时，

向前方的散射强烈，水中颗粒大于等于入射光波长时，向前方

散射的同时，向侧面发出强度起伏变化的散射光。颗粒越大，

产生的散射光量越大。当颗粒半径为入射光波长的1/10和1/4

时，单位体积产生的90°光强服从瑞利定律：

I

r

=KNI

0



式中K为比例系数。当水中悬浮颗粒的半径大于等于光

波长时，由粒子表面的反射及粒子内部的折射都会使光线改变

方向，此时90°方向上测得的光强度服从米氏定理。与入射光

的强度、微粒子的截光面积研口粒子的个数浓度N成正比，

可将上式简化为:

I

r

=K

1

NAI

0



式中K

l

为比例系数。实际上，浊度仪90°方向上测得的是

不同大小的颗粒对入射光的散射、折射、反射和吸收等综合作

用的结果，入射光的波长、粒子色和水色会影响读数，使仪器

对高浊度的水不适用。但在0~100NTU范围内可以得到理想

的线性结果。

散射式检测，是测量入射光被待测溶液中的悬浮颗粒散射

所产生的散射光的强度来确定待测溶液浊度的。散射式浊度仪

的检测值遵循雷采公式，仪器的读数随浊度值的增大而增大，

低浊度范围内呈线性响应。按其测量方法的不同，又分为向前

散射式、垂直散射式和向后散射式三种。

3综合检测方法

同时测量投射于水样光束的透射光和散射光强度，再按这

两者光强度之比值测定其浊度大小。可按下式求得：

I

r

/I

t

=KD

式中，I

r

散射光强度，I

t

透射光强度。



光源

入射光浊液试样

散射光

光检测器件

透射光

光

检

测

器

件



图2综合检测方法

Fig.2Monitoringmethod



图2给出了透射一散射比较式的示意框图。透射一散射比

较测量法是透射式和散射式这两种测量方法的结合，由于透射

光和散射光测定时光程相同，水样色度和光源变化对浊度测量

的影响相同，这种方法可以消除部分干扰，提高灵敏度四，由

于对散射光，透射光同时测量，能够大大提高一起的稳定性，

也可以减少水中色度的影响。

4透光脉动检测技术及其应用

[7-9]



透光脉动检测技术是一种光电检测方法，利用悬浮液中颗

粒组成的随机脉动变化特性，来分析和检测悬浮液中颗粒状态

及其变化情况，对透射光线强度的脉动特性进行分析和计算，

得到反映颗粒相对粒径的有效输出值和比值R(透光脉动值)。

此比值R不受电子元件的漂移和透光管管壁的脏污的影响。

此外，该方法具有流过式的特点，使得检测过程能以连续在线

的方式进行。

4.1透光脉动检测技术

在有悬浮液流动的管状器皿两侧分别设置光源和检测器，

如图3所示。



L

光源光检测器

水样

透光强度

时间

I

I

AC

DC

V

V

输出电压



图3透光脉动检测原理示意图

Fig.3Monitortingmethodwithtransmittedlightfluctuation

chart



当一束光线透射过含有颗粒物质的悬浮液时，光束照射到

(或检测到)的悬浮液体积中颗粒物质的数量是随机变化的，因

此透射光强度也会随着颗粒数的变化而发生变化，就会观察到

图3所示的透射光强度的波动(脉动)，变化规律遵循泊松分布。

一般光束照射到的悬浮液体积较大，颗粒数的脉动程度不明显:

当光照体积减小时，该体积内平均颗粒数越少，颗粒数脉动越

明显。从检测器输出的带有脉动现象的透射光强度信号可以看

成由两部分组成:一部分为直流(DC)成分，相当于平均透射光

强度I

0

;另一部分是非常小的脉动(AC)成分，相当于悬浮液中

颗粒数随机变化(脉动)。对于遵循泊松分布的随机脉动，可以

用实际电压V相对于平均电压V

0

的标准偏差V

R

，反映实际颗

粒数相对于平均颗粒数的脉动情况(其中V

0

是平均透射光强度

I

0

所对应的电压值)，经过一定的假设和数学运算就可以得到

反映脉动程度的表达式。如果假定光束在悬浮液中的长度为

L，光束的有效截面积为A，对于有粒径分布的非均相分散系

统(悬浮液)第i种颗粒的数量浓度和光散射截面积分别为N

i

和C

i

，经过推导可得到如下表达式：

V

R

=V

0

(L/A)

1/2

(ΣN

i

C

i

2

)

1/2

(1)

式中求和ΣN

i

C

i

2

是考虑各种粒径颗粒物质的综合影响。

一般式(1)可表达成比值R的形式，则：

R=V

R

/V

0

=(L/A)

1/2

(ΣN

i

C

i

2

)

1/2

(2)

对于某一特定的检测仪器，L/A值是常数，因此R值仅与

颗粒物质的数量浓度和光散射特性有关。因V

R

和V

0

值是从实

测电压值V中分离得到的，由于检测仪器的电子元器件老化

漂移，以及器皿表面粘污对V值造成的影响，对分子V

R

和分

母V

0

值是相同的，所以它们的比值R则完全消除了这些影响，

这一点从式(2)中也可明显地看出。这是该检测技术不同于一

般光电检测仪器的一个突出的特点，使得检测仪器在运行或操

作中免除了经常的清洗和标定过程，这对于低颗粒浓度的测定特

别重要，并为实现长时间连续在线检测提供了理论依据和基础。

从式(2)中可看到，ΣN

i

C

i

2

项是悬浮液中所有颗粒的综合结

果。对于较小粒径的颗粒，其散射截面积较小，相应的ΣN

i

C

i

2

也较小(尽管有时其颗粒浓度相对较大);较大颗粒的散射截面

积相对较大，既使颗粒浓度较低仍能得到较大的ΣN

i

C

i

2

值。

如用R值作为该检测技术的有效表达值，则检测值R对较小

颗粒的检测不灵敏，而对较大颗粒的检测很灵敏，这是该技术

的另一个非常重要的特性。

4.2透光脉动技术在水处理中的应用

1984年Gregory等首次将透光率脉动检测技术应用于水

的混凝研究中，随后又有许多学者将其应用于污泥脱水、絮凝

体尺寸检测、混凝动力学、混凝剂投加自动控制等方而的研究

中。该项技术在20世纪80年代后期进入我国后，得到了广泛

深入的研究，在许多领域中得到了应用，尤其在水处理混凝剂

投加自动控制系统中更是取得了较大的成功。李圭白等人将其

成功地应用到高浊度水的混凝剂投加系统中，并取得了较好的

效果，可以说透光率脉动检测技术在高浊度水处理中的应用是

广东化工2010年第5期

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该项技术最为成功的生产应用。我国水处理厂的原水水质多数

在几十NTU至几百NTU之间，属于常规浊度水范围，在20

世纪90年代后期，许多学者尝试将透光率脉动检测技术应用

于常规浊度水处理中，并已经在武汉钢铁公司一水厂和四川沪

州某水厂获得了一定的成功。

杨艳玲和李星等将透光脉动用于检测过滤过程颗粒物的

实验中发现，在过滤过程的监测中，脉动检测值R可灵敏地

反映出过滤中颗粒粒径的变化情况，与浊度检测法相比，具有

更高的灵敏度和更好的预测性。

5颗粒计数检测技术及其应用

[10-11]



用于水处理领域的颗粒计数技术主要有两类，光电式和电

感应检测方法。其中光学颗粒计数测量简称OPC。根据其工

作原理，可分为光散射式和光阻式两大类。二者工作原理虽有

不同，但都是对介质中的颗粒逐个地自动采样和测量。测量目

的为，通过所测的粒径大小及数量来判断被测介质的纯净度是

否符合要求。光散射式和光阻式OPC各有其特点和应用范围。

一般情况下，光散射式OPC用于对小颗粒(粒径≤1.5μm)的测

量，而光阻式OPC用于对较大颗粒的测量。也可将两种原理

结合在一套测量装置中，用光散射原理测量小颗粒，用光阻原

理测量大颗粒，以使二者都能在较优化的条件下工作并实现较

宽的测量范围。电感应法是利用电学原理测定颗粒大小和数目

的一种方法。使悬浮在电解质中的颗粒通过一小孔，在小孔的

两边各浸有一个电极，颗粒通过小孔时电阻变化而产生电压脉

冲，其振幅与颗粒的体积成正比。电感应法测量下限能达到亚

微米量级，但由于颗粒通过小孔的位置不同时表现的电抗不同

将会测量带来偏差。而且由于被测溶液必须导电，所以，如果

被测液体不导电的话，就必须加入导电溶液，因此影响了测量

速度以及测量成本。

5.1电感应法

电感应法又称为Coulter法，它是测定颗粒大小和数目的

一种方法。使悬浮在电解质中的颗粒通过一小孔，在小孔的两

边各浸有一个电极，颗粒通过小孔时电阻变化而产生电压脉

冲，其振幅与颗粒的体积成正比。这些脉冲经过放大，辨别和

计数，从演算的数据可测得悬浮的颗粒大小分布。这种方法最

初应用于血球计数。Kubitschek加以修改后用于细胞计数，并

指出这一原理可用来测定细胞体积的分布及其计数。其后很快

发展了各种改良的仪器，用于测定颗粒大小和计数。

5.2光电感应法

(1)光散射式颖粒检侧技术。光散射法是一种基于光散射

原理的颗粒检测方法，也就是当纯净介质中存在颗粒时无论是

固体颗粒、液滴或气泡)，光束穿过该介质时就会向空间四周

散射，而光的各个散射参数则与颗粒的粒径密切相关，这样就

为颗粒测量提供了一个尺度。按照仪器所接收散射信号的不

同，又可将光散射分为：米氏散射和夫琅和费衍射。

(2)光阻式顺粒检侧技术。光阻法原理:被测液体流过横断

面很小的通道，通道两侧装有光学玻璃窗口，来自恒定光源的

细小光束穿过该窗口并被另一侧的光电元件所接收，细小光束

与通道界面构成了测量区或敏感区。若流过测量区的液体中没

有颗粒，则光电元件给出的光信号保持为恒定不变；反之，若有

一颗粒流过测量区，将会对光束产生一个“遮挡”作用，使光电

元件所接收到的信号减小并给出一个负脉冲信号。脉冲信号的幅

值显然与颗粒的粒径相关，从而为粒径的测量提供了一个方法。

5.3颗粒检测技术在水处理中的应用

目前颗粒计数方法己越来越多地应用于油田废水处理、膜

工艺、水产养殖、材料等行业。作为颗粒物计数法的一个重要

的应用领域，给水处理行业正逐步将这种新型的水质监测手段

用于水厂生产的各个环节。在美国有500多家水处理厂采用颗

粒物计数仪器用于监控净水过程和饮用水的水质;欧洲、日本、

韩国和印度等也开始将颗粒计数仪应用于水处理中，在我国北

京、广州等地的水厂也己开始应用。综合来说，颗粒物计数法

在给水行业的应用主要有以下几个方面:

5.3.1优化絮凝剂投加量

在对絮凝剂加入量进行微量调节时，因过滤器出水中颗粒

物浓度较低，而使浊度仪和混凝烧杯试验法精度不够，颗粒计

数仪则可准确测量此时的颗粒物浓度，为优化絮凝剂投量提供

了必不可少的技术保证。

美国南内华达州水厂早在上世纪八十年代，就运用当时先进

的在线颗粒物计数仪优化混凝剂的加入量。加拿大BearsPaw水

厂利用颗粒计数仪在1997年7月至9月间对该厂絮凝剂的加入

量进行了优化，颗粒计数仪的高灵敏度是测量成功的关键(出水

中粒径>2μm的颗粒物总量可低至10个/mL)。试验结果表明，

当加入量为10mg/L时出水中颗粒物的总量高达300个/mL，而

当加入量为6mg/L时出水中颗粒物的总量为40个/mL，而且滤

池出水的颗粒物总量最稳定。若将絮凝剂加入量由10mg/L减至

6mg/L则该厂每月可节省药剂费为2.4万美元。

5.3.2改进絮凝装置的设计和操作

传统絮凝过程的设计、操作以及评估是以停留时间和搅拌

强度或G只t值为依据，但是由于该值的选择范围很宽，难以

找出符合个别水处理厂特定条件的最佳值，而且难以指导找出

设计中的失误。例如在絮凝器的设计中，虽然存在一些选择旋

转方向和搅拌速度的经验方法，但这些方法的可重现性和量化

程度尚有疑问。沉淀池的浊度虽可作参考，但浊度的测量原理

决定其本身并不能很好地表征颗粒物数量和动力学特性，特别

是不能表征絮凝中颗粒物是否从小变大的过程，另外浊度测量

的滞后性也使其不能及时反映絮凝效果。而颗粒计数仪可用来

实时监测絮凝过程中颗粒物的动力学变化结果，为优化絮凝过

程的设计和操作提供可靠的依据。

5.3.3监控滤池出水水质

颗粒计数仪可以检测到滤后水中颗粒的细微变化，当滤池

发生“穿透”时，颗粒计数仪可以比浊度仪更快更灵敏的检测

到滤后水中颗粒物含量的升高。颗粒计数仪提供的颗粒信息可

以优化反冲洗时间和反冲洗强度。

何元春等运用颗粒物计数仪在线监测砂滤池和生物活性

炭滤池出水情况，结果表明，其敏感度高，较浊度仪更能及时、

准确地反映活性炭滤池运行过程中的出水水质变化，对优化滤

池运行以及确保出水水质有着重要作用。在水厂的实际生产应

用中，欧美发达国家的大多数水厂一般以2μm以上颗粒浓度

为控制参数。

宾夕法尼亚州Hershey水厂原来采用72h反洗一次或当

过滤器压差>18kPa时开始反洗，后改用颗粒计数仪来确定反

洗时间:当出水颗粒物浓度有明显变化时即开始反洗，其三次

反洗时的水头损失分别为18kPa、13kPa和18kPa，可见水头

损失不能准确地反映过滤器运行状态的变化。



参考文献

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(本文文献格式：梁华炎．水体中颗粒物主要检测方法综述

[J]．广东化工，2010，37(5)：296-298)