上回講到了水質(zhì)指標(biāo)，現(xiàn)在來說說獲取水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)的工具：水質(zhì)分析儀器。

　　目前，有三種形式的水質(zhì)分析儀器，分別是：實(shí)驗(yàn)室分析儀器、便攜式分析儀器以及在線水質(zhì)分析儀器;

　　在線水質(zhì)分析儀器，出現(xiàn)的時間最晚，但是成長迅速，特別是最近幾年，備受關(guān)注，曝光率遠(yuǎn)超其他兩種，成了炙手可熱的網(wǎng)紅-傳說中的“后發(fā)優(yōu)勢”？

　　一起來看看：最近，在電視、報紙、網(wǎng)絡(luò)、微博、微信等傳統(tǒng)和非傳統(tǒng)媒體上，凡是涉及到環(huán)境保護(hù)和水安全的場合，“自動監(jiān)測”、“在線監(jiān)測”這類字眼幾乎都會現(xiàn)身。前段時間環(huán)保部召開關(guān)于國家地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的會議，也明確提出來了“要加快推進(jìn)水質(zhì)自動站建設(shè)。逐步建立起以自動監(jiān)測為主，手動監(jiān)測為輔的監(jiān)測模式？”（據(jù)說，這次會議的成果之一就是在2018年，政府會投資在全國范圍內(nèi)建設(shè)1200個地表水水質(zhì)自動監(jiān)測站，驚不驚喜？）

　　即將在2018年1月1日正式實(shí)施的“中華人民共和國環(huán)境保護(hù)稅法”，在第十條的條文中更是明確規(guī)定：

　　“應(yīng)稅大氣污染物、水污染物、固體廢物的排放量和噪聲的分貝數(shù)，按照下列方法和順序計算：

　?。ㄒ唬?納稅人安裝使用符合國家規(guī)定和監(jiān)測規(guī)范的污染物自動監(jiān)測設(shè)備的，按照污染物自動監(jiān)測數(shù)據(jù)計算;

　?。ǘ?納稅人未安裝使用污染物自動監(jiān)測設(shè)備的，按照監(jiān)測機(jī)構(gòu)出具的符合國家有關(guān)規(guī)定和監(jiān)測規(guī)范的監(jiān)測數(shù)據(jù)計算;”

　　解釋一下：目前中國水污染物的自動監(jiān)測設(shè)備分為流量監(jiān)測設(shè)備和濃度監(jiān)測設(shè)備兩種（濃度與流量的乘積就是污染物總量），濃度監(jiān)測設(shè)備就是通常所說的在線水質(zhì)分析儀器。

　　更重要的是：根據(jù)這部法律，環(huán)境稅應(yīng)稅污染物排放量數(shù)據(jù)的取得，首先采用自動監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)，其次才是“監(jiān)測機(jī)構(gòu)出具的數(shù)據(jù)”-目前監(jiān)測機(jī)構(gòu)采用的分析儀器多是實(shí)驗(yàn)室或者少數(shù)便攜式分析儀器（針對必須在現(xiàn)場測試的個別指標(biāo)）。

　　可以說，這部環(huán)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。

　　那么，這么“高端大氣上檔次”的在線水質(zhì)分析儀器到底是何方神圣？為什么這樣受追捧呢？

　　權(quán)威的定義是：按照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）代號為ISO15839《水質(zhì)-在線傳感器/分析設(shè)備的規(guī)范及性能檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)中的定義：在線分析傳感器/設(shè)備（on-linesensor/analyzingequipment） ，是一種自動測量設(shè)備，可以連續(xù)（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(shù)值成比例的信號。

　　聽起來很高深的樣子（權(quán)威總是這樣的？），有沒有通俗點(diǎn)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(zhuǎn)反側(cè)”。想來想去，似乎自己十年前在2007年“第二屆在線分析儀器應(yīng)用與發(fā)展國際論壇”大會發(fā)言時的非權(quán)威說法還比較容易理解：

　　“在線水質(zhì)分析儀器是一類專門的自動化在線分析儀表，儀器通過實(shí)時、現(xiàn)場操作，實(shí)現(xiàn)從水樣采集到（水質(zhì)指標(biāo)）數(shù)據(jù)輸出的快速分析;在線水質(zhì)分析儀器一般具有自動診斷、自動校準(zhǔn)、自動清洗、故障報警等功能，在保證分析結(jié)果準(zhǔn)確度的同時，可以實(shí)現(xiàn)無人值守自動運(yùn)行。”

　　結(jié)合權(quán)威和非權(quán)威的說法，可以發(fā)現(xiàn)在線水質(zhì)分析儀器最重要的特征有三個：自動、連續(xù)、實(shí)時;

　　手段是為目的服務(wù)的。作為獲取水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)的工具，對照上回講到的獲取水質(zhì)指標(biāo)的四種目的：了解雜質(zhì)濃度;預(yù)測水質(zhì)變化;控制和優(yōu)化水處理工藝;評估水質(zhì)安全;以及六大類水質(zhì)指標(biāo)：物理指標(biāo)、成分指標(biāo)、評估性綜合指標(biāo)、水質(zhì)轉(zhuǎn)化潛能指標(biāo)、工藝指標(biāo)、替代指標(biāo);我們來看看作為一種新技術(shù)出現(xiàn)的在線水質(zhì)分析儀器，當(dāng)年最先的應(yīng)用突破點(diǎn)選擇了哪里？

　　毋容置疑， 在“控制和優(yōu)化水處理工藝”方面，憑借“實(shí)時、連續(xù)”的特點(diǎn)，在線水質(zhì)分析儀器有著不可替代的作用。首先實(shí)現(xiàn)在線測量的是pH、濁度、溶解氧、ORP等重要的工藝指標(biāo);遇到有些工藝指標(biāo)分析方法復(fù)雜或者測量周期長，不能滿足流程工業(yè)自動控制要求的挑戰(zhàn)，就輪到了替代指標(biāo)的閃亮登場。

　?。ìF(xiàn)在很難考證第一臺在線水質(zhì)分析儀器具體出現(xiàn)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，用于酸堿調(diào)節(jié)的工藝控制）

　　從全球范圍來看，目前在線水質(zhì)分析儀器應(yīng)用最多的細(xì)分領(lǐng)域還是水處理工藝過程控制。

　　在線水質(zhì)分析儀器“自動、連續(xù)、實(shí)時”的特點(diǎn)，除了應(yīng)用于控制和優(yōu)化水處理工藝過程，在了解特定污染物濃度和評估水質(zhì)安全方面，相對于實(shí)驗(yàn)室和便攜式分析儀器，也有著很大的優(yōu)勢。

　　自動化對于減少分析人員人力勞動的好處不言自明，更重要的是，由于儀器分析過程不用人工干預(yù)，人為誤差也減少了。（這些年中國政府和環(huán)境管理部門一直都在努力消除各種人為因素對污染物排放數(shù)據(jù)的干擾（參見《環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)弄虛作假行為判定及處理辦法》等法規(guī)文件，以及環(huán)境數(shù)據(jù)造假入刑的各種新聞）。中國目前是全球采用在線水質(zhì)分析儀器對污水排放進(jìn)行自動監(jiān)測最為普遍的市場，在線水質(zhì)分析儀器又將成為環(huán)境保護(hù)稅法規(guī)定的污染物（主要是氨氮、重金屬、總磷/總氮等成分指標(biāo)和COD等評估性綜合指標(biāo)）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(zhì)分析儀器在分析過程中無需人工干預(yù)這個特點(diǎn)）

　　同時，“連續(xù)、實(shí)時”的特點(diǎn)也使得在線水質(zhì)分析儀器不僅可以連續(xù)提供水質(zhì)指標(biāo)的即時數(shù)據(jù)，還常常作為報警設(shè)備，水質(zhì)指標(biāo)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(zhì)安全方面，實(shí)時報警的作用是非常重要的）。

　　優(yōu)點(diǎn)還不止于此，再啰嗦兩句關(guān)于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(fā)性化學(xué)物質(zhì)，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(chǎn)裝置運(yùn)行時，分析人員無法進(jìn)入現(xiàn)場采取水樣。最極端的例子是：在核電廠的一回路，由于較強(qiáng)的輻射，即使是穿戴有重型防護(hù)設(shè)備的操作人員，也只能短暫停留;但是核電廠運(yùn)行過程中有些重要的水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)（如溶解氧、溶解氫、電導(dǎo)率等）又必須及時獲取。

　　這時，作為自動化設(shè)備的在線水質(zhì)分析儀器的優(yōu)勢就更能體現(xiàn)出來了。

　　不過，雖然有著這樣多的優(yōu)點(diǎn)，無論從技術(shù)進(jìn)步還是市場發(fā)展來看，在線水質(zhì)分析儀器還是和其他任何新技術(shù)的發(fā)展歷程一樣，并不是一帆風(fēng)順的。

　　在初期，受制于相對過低的水資源費(fèi)、水價以及廢水排放需要支付的費(fèi)用，當(dāng)時在線分析儀器的投資和運(yùn)行成本都比較高;而且那時在線水質(zhì)分析儀器的穩(wěn)定性、可靠性等還不一定能完全滿足實(shí)際工作的要求;可以實(shí)現(xiàn)在線分析的水質(zhì)指標(biāo)也不是很多。

　　這兩種因素造成了當(dāng)時水工業(yè)行業(yè)的運(yùn)行管理者和水處理工程師對采用在線水質(zhì)分析儀器持有一種謹(jǐn)慎的態(tài)度，從而嚴(yán)重制約了在線水質(zhì)分析儀器的發(fā)展和應(yīng)用。（1973年，在英國倫敦召開的第一屆水處理行業(yè)ICA（Instrumentation（儀表）、Control（控制）、Automation（自動化））專家會議上，當(dāng)時與會專家達(dá)成的第一個共識就是：儀器數(shù)量不足是自動控制的主要障礙。大家認(rèn)為根據(jù)當(dāng)時儀器的發(fā)展程度，僅有濁度、溶解氧和電導(dǎo)率三種指標(biāo)的測量較為可靠）。

　　“天生我才必有用”。隨著人們對水質(zhì)安全的重視、環(huán)保法規(guī)的更加嚴(yán)格，水資源費(fèi)的不斷上升，特別是在線水質(zhì)分析技術(shù)和計算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，在線水質(zhì)分析儀器逐漸表現(xiàn)出成本性能優(yōu)勢（舉例：相對于最初的模擬電路，數(shù)字電路技術(shù)在水質(zhì)分析儀器中的采用，使得儀器的可靠性有了很大的提升，儀器設(shè)計和批量生產(chǎn)的成本得以大幅下降），在水環(huán)境監(jiān)測、水處理工藝過程過程控制、飲用水水質(zhì)安全預(yù)警等諸多領(lǐng)域都得到越來越廣泛的應(yīng)用，也迅速在廢水污染物排放的濃度監(jiān)測與超標(biāo)報警領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

　　前面談了市場和應(yīng)用，讓我們回到在線水質(zhì)分析儀器，扒一扒這種技術(shù)自身的發(fā)展與面臨的挑戰(zhàn)：

　　根據(jù)前文ISO標(biāo)準(zhǔn)的定義，有兩種形式的在線水質(zhì)分析儀器：在線分析傳感器和比較復(fù)雜的自動化分析設(shè)備或者裝置。

　　先來說說在線水質(zhì)分析傳感器：

　　國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7665《傳感器通用術(shù)語》對傳感器的定義是：“能感受規(guī)定的被測量件并按照一定的規(guī)律（數(shù)學(xué)函數(shù)法則）轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。在線水質(zhì)分析傳感器通常結(jié)構(gòu)比較簡單，通過直接和被測水樣接觸獲得水質(zhì)指標(biāo)的數(shù)據(jù)。

　　在線分析傳感器，最初可以測量的水質(zhì)指標(biāo)，主要是一些簡單的物理指標(biāo)和成分指標(biāo)，如電導(dǎo)率、Ph、ORP、溶解氧等;接著是濁度、懸浮物濃度等光學(xué)原理的傳感器;后來，出現(xiàn)了UV254等替代性指標(biāo)的傳感器;最近幾年，隨著儀器計算能力的提高、新材料的應(yīng)用，離子選擇電極法（測量污水中的氨氮、硝氮等重要工藝指標(biāo)）、紫外熒光（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(jī)物指標(biāo)、濁度、硝氮、亞硝氮等多種水質(zhì)指標(biāo)）的傳感器開始大量應(yīng)用。

　　在線水質(zhì)分析傳感器在實(shí)際使用中主要面臨兩個方面的挑戰(zhàn)：

　　傳感器直接同水樣接觸，缺少了實(shí)驗(yàn)室人工分析時樣品預(yù)處理及去除樣品中干擾物質(zhì)的過程，水質(zhì)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(zhì)），對傳感器材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的要求也是千差萬別的，在儀器設(shè)計制造時必須充分考慮這些因素，才能保證獲取準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)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，由于傳感器長時間同各種水質(zhì)情況的水接觸，儀器需要一定的維護(hù)量，特別是應(yīng)用于各種工業(yè)廢水等水質(zhì)條件惡劣的樣品時，儀器需要的維護(hù)量和維護(hù)費(fèi)用會比較高。

　　個人看法：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（幾年前熒光化學(xué)法在溶解氧分析儀的應(yīng)用就是非常好的一個例子），傳感器對復(fù)雜水質(zhì)的適應(yīng)性會得到提高;同時，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，可以對傳感器自身壽命及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測、管理以提高維護(hù)效率、降低維護(hù)成本。

　　還有，根據(jù)所檢測水樣的不同水質(zhì)情況，進(jìn)行差異化設(shè)計、制造也是一個有效的辦法;比如：飲用水和海水、工業(yè)廢水，即使是測量同一個水質(zhì)指標(biāo)，也選用不同材質(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隨著物聯(lián)網(wǎng)時代大規(guī)模的應(yīng)用出現(xiàn)超出想象力的下降。這時，免維護(hù)的一次性在線水質(zhì)傳感器將不再只是夢想。

　　接下來看看比較復(fù)雜的水質(zhì)自動化分析設(shè)備或者裝置：

　　許多水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)的獲得，都需要有一整套的裝置來自動實(shí)現(xiàn)原來實(shí)驗(yàn)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(xù)運(yùn)行的準(zhǔn)確度，還需要定時對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)（當(dāng)然，也是自動的），以及定期的人工維護(hù)。當(dāng)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(zhì)分析儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多用于成分指標(biāo)（TOC、SiO2、總磷、總氮、重金屬等）和評估性綜合指標(biāo)（COD、堿度、硬度、生物毒性等）。這類儀器的發(fā)展也非常迅速，最近，市場出現(xiàn)了三維熒光原理的儀器，可以間接測量水中油、BOD、CDOM等等一系列的水質(zhì)指標(biāo);流式細(xì)胞原理的在線水質(zhì)分析儀也開始被用于連續(xù)監(jiān)測飲用水中的細(xì)菌總數(shù)以及水源地、海水中的藻類分類及計數(shù);還有包括X射線熒光、激光誘導(dǎo)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(jiān)測方面嶄露頭角。

　　一般來說，這類儀器的成本和價格要高于在線分析傳感器（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：買你這么小一臺儀器，我一輛“帕薩特”就沒有了）。

　　發(fā)展到今天，先進(jìn)的在線水質(zhì)分析儀器早已是“硬件+材料+軟件+算法”四位一體的強(qiáng)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(guī)模的應(yīng)用得到降低;而維護(hù)問題也可以通過設(shè)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，可以實(shí)現(xiàn)這種精密設(shè)備的遠(yuǎn)程管理和診斷，通過有針對性的預(yù)維護(hù)等手段降低維護(hù)量及維護(hù)費(fèi)用。

　　同樣，再來說說面臨的挑戰(zhàn)：

　　今天的中國市場，大量的在線水質(zhì)分析儀器被用于企業(yè)廢水污染物排放自動監(jiān)測，明年還將成為環(huán)境稅的計稅工具。這類在線水質(zhì)分析儀器在實(shí)際應(yīng)用中面臨的主要挑戰(zhàn)是數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確度問題，造成問題的主要原因是：

　　在線水質(zhì)分析儀器采用的測量原理和測量方法和實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)分析方法不太可能完全一致，存在方法誤差;表現(xiàn)出來的現(xiàn)象是：儀器可以準(zhǔn)確測量標(biāo)準(zhǔn)溶液（常常是單一化合物的水溶液）的濃度;但是對于實(shí)際水樣，衡量是否準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)是和實(shí)驗(yàn)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(xué)需氧量）為例，COD本來是一個條件參數(shù)，其定義是：在一定的條件下，水中的各種有機(jī)物質(zhì)與外加的強(qiáng)氧化劑（如K2Cr2O7、KMnO4等）作用時所消耗的氧量;按照HJ828-2017《水質(zhì)化學(xué)需氧量的測定重鉻酸鉀法》（標(biāo)準(zhǔn)取代了國標(biāo)GB11914-1989），標(biāo)準(zhǔn)的測量條件是：“水樣加入試劑后，保持微沸2小時”等等;采用在線COD分析儀器，測量條件很難完全和標(biāo)準(zhǔn)要求的條件一致，這樣，就有可能影響COD這個條件參數(shù)的在線分析儀器的準(zhǔn)確度。

　　其次，對樣品預(yù)處理的方法與流程和實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)方法不一致：受儀器連續(xù)運(yùn)行及安裝環(huán)境等一系列條件的限制，在線分析儀器采用的樣品預(yù)處理系統(tǒng)很可能和相應(yīng)水質(zhì)參數(shù)對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)分析方法要求的預(yù)處理?xiàng)l件不一致，這樣，也有可能對最終的測試結(jié)果帶來影響。

　　針對這些問題，環(huán)境管理部門的技術(shù)人員開展了大量的“在線水質(zhì)分析儀器適用性”研究和比對測試工作，并根據(jù)不同水質(zhì)指標(biāo)，制定了有十分嚴(yán)格而有針對性的比對測試流程和規(guī)范，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(yán)格的測量準(zhǔn)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(jù)應(yīng)用目的的不同，在線水質(zhì)分析儀器又可以分為監(jiān)測型和過程型兩類，監(jiān)測型分析儀器用于單純的水質(zhì)監(jiān)測，以測量成分指標(biāo)和評估性綜合指標(biāo)為主，用來判斷水質(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）和飲用水水質(zhì)的報警和預(yù)警性監(jiān)測，不參與水處理工藝過程控制;這類儀器對測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度（精度、誤差）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);

　　過程型分析儀器主要用于水處理工藝過程監(jiān)測，以測量工藝指標(biāo)、替代指標(biāo)為主，所測量的水質(zhì)指標(biāo)參與過程控制，以優(yōu)化水處理工藝，提升水處理效率，實(shí)現(xiàn)水處理過程節(jié)能降耗;過程型儀器對儀器的可靠性和穩(wěn)定性（具體的儀器指標(biāo)是漂移和線性度、重復(fù)性）要求較高，要求儀器能夠可靠地反應(yīng)水質(zhì)變化的趨勢，以便為水處理過程控制提供依據(jù)。

　　除開法規(guī)執(zhí)行帶來的挑戰(zhàn)，更大的挑戰(zhàn)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(zhì)分析儀器這種先進(jìn)、“高大上”的自動化設(shè)備，特別是有了生物毒性分析儀這類評價性綜合指標(biāo)的分析儀器，了解我們身邊的水質(zhì)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(huán)境無害？門外那條小河、還有游泳池是否適合孩子們?nèi)ネ嫠?？等等，?yīng)該是分分鐘的事兒，再容易不過了吧？

　　“理想是豐滿的，而現(xiàn)實(shí)是骨感的”

　　能實(shí)時回答這些問題場景也許會發(fā)生在不太久的將來，但是在現(xiàn)實(shí)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(zhì)指標(biāo)的終極目標(biāo)-“評估水質(zhì)安全”，非常復(fù)雜，復(fù)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。