01

前 言

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，可在無需人工操作的情況下實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水質分析儀器已經具有了自動診斷、自動校準、自動清洗、故障報警等功能，以保證分析結果可靠性和儀器的長時間無故障運行。

目前有兩種不同結構和形式的在線水質分析儀器：“在線分析傳感器和比較復雜的自動化分析設備或者裝置”。按照國際標準化組織(ISO)代號ISO15839《水質-在線傳感器/分析設備的規范及性能檢驗》標準的定義：“在線分析傳感器/設備(on-line sensor/analyzing equipment) ，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�！�

隨著全球范圍內對環境保護、水資源可持續利用以及水安全的日益重視，為滿足世界各國日趨嚴格的環保法規要求和不斷發展的水處理工業市場的需求，作為獲取水質信息的源頭技術，在線水質分析儀器及其應用技術得到了巨大的發展機會。

同時，計算機科學、分析化學、材料科學等相關科學技術的進步，也為在線水質分析儀器技術的發展提供了可靠的技術支撐。國際水協會(IWA)的前身國際水污染研究協會(IAWPR)自1973年就開始了組織主題為ICA(Instrumentation-儀表，Control-控制and Automation-自動化)的專題會議，專門推廣和研究水處理領域的在線水質分析儀器及過程控制的應用。

近來，世界衛生組織(WHO)也在其發布的《再生水飲用回用：安全飲用水生產指南》中指出需要在再生水飲用回用系統全流程的關鍵控制點實施運行監測，并建議盡量采用在線監測儀器進行數據實時監測和記錄。在技術進步和法規的推動下，越來越多的在線水質分析儀器被應用到環境監測、廢水排放監測，以及各種水處理工藝的過程控制系統中了。

在中國，伴隨著改革開放40年經濟高速發展的城鎮化與工業化進程，無論是在城鎮化過程中大量的自來水水廠和污水處理廠建設，還是工業化進程中各種火力發電廠、石油化工廠、大型冶金企業、食品釀造廠等高耗水工業企業的興建，都給予了在線水質分析儀器巨大的市場空間，在此基礎上，中國的在線水質分析儀器行業獲得了空前的成長機會，中國的在線水質分析儀器技術有了顯著的發展和長足的進步，在線水質分析儀器的可靠性得到了市場和權威機構的廣泛認可。

隨著政府和公眾對水環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保資金，特別是在具有中國特色的“自動監測為主，手動監測為輔的監測模式”的環境監測技術路線的框架下，中國已經逐漸發展成為了在線水質分析儀器全球最大的地表水水質自動監測和廢水污染源排放自動監測領域的單一市場。

中國環境保護部門于2001年6月4號發布并同日實施了HBC 6-2001《環保產品認定技術要求 化學需氧量(CODCr)水質在線自動監測儀》行業標準，這是中國第一部用于廢水污染源排放自動監測的在線水質分析儀器標準，在接下來的幾年中，各個相關政府部門還陸續發布了多部在線水質分析儀器的國家和行業標準。標準的發布實施，加上在線水質分析儀器在實際水質監測中的成功應用，有力地推動了中國水質在線分析儀器市場的發展和技術的進步。

隨著中國環境保護事業和環保市場的持續發展，國務院辦公廳于2015年7月印發了《生態環境監測網絡建設方案》,提出例如“到2020年，全國生態環境監測網絡基本實現環境質量、重點污染源、生態狀況監測全覆蓋，各級各類監測數據系統互聯共享，監測預報預警、信息化能力和保障水平明顯提升，監測與監管協同聯動，初步建成陸海統籌、天地一體、上下協同、信息共享的生態環境監測網絡，使生態環境監測能力與生態文明建設要求相適應。”的目標，方案還要求“完善重點排污單位污染排放自動監測與異常報警機制，提高污染物超標排放、在線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排污狀況智能化監控水平”。

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”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監測設備的，按照污染物自動監測數據計算”，通過法律條文的形式進一步確定了在線分析儀器的地位。

02

在線水質分析儀器的檢測技術簡介

2.1在線水質分析儀器的技術發展

一直以來，在線水質分析儀器技術都是沿著在線分析儀器研發制造技術和在線水質分析儀器應用技術兩個方面同時發展的。

根據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復雜的自動化分析設備或者裝置。

第一代的在線水質分析儀器常常是以在線分析傳感器+顯示控制器的形式出現的，儀器通常結構都比較簡單，通過傳感器直接和被測水樣接觸獲得水質指標的數據。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，如水溫、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;隨著電化學分析技術的發展，氟離子、銨離子、硝酸鹽等多種離子選擇電極法原理的在線水質分析傳感器也開始進入市場。由于傳感器和水樣直接接觸，無法像實驗室人工分析時進行樣品預處理及去除樣品中干擾物質，在面對水質復雜的水樣(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)時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、市政污水以及工業純水等水質情況較為簡單的水體。

為了解決傳感器測量復雜水樣的適用性問題，也為了實現一些實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參數的自動分析，隨著自動控制技術的采用，結構比較復雜的在線水質分析儀器-水質自動化分析設備或裝置開始出現：儀器通過控制一整套的設備或裝置的自動運行來完成以前實驗室人工分析的步驟，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自動校準，以及定期的人工維護。這一類在線水質分析儀器結構復雜，多用于水質成分指標(TOC、SiO2、總磷、總氮、重金屬等)和評估性水質綜合指標(COD、堿度、硬度、生物毒性等)。

隨著現代科學技術的發展，特別是分析化學、材料科學、電子科學以及包括計算機技術和通訊技術、自動控制技術在內的系統工程成套自動化技術的發展， 再加上水質科學自身的發展與進步，從以下介紹的多個維度共同推動了在線水質分析儀器技術的發展。

首先，在測量原理方面，除了傳統的電化學、光學、光電比色法原理，激光誘導擊穿光譜、混合多光譜分析、X射線熒光分析、三維熒光光譜、生物技術等各種新的測量原理被應用到了在線水質分析儀器;同時，流動注射分析技術的發展和應用，使得儀器分析時間大大縮短，增強了在線分析技術實時性的優點。

其次，水質科學的發展，提出了“替代參數”的概念，為在線水質分析儀器的開發和應用開拓了新的空間。水質替代參數是指一類特定的水質參數，可以綜合反映水體的某一類別的水污染情況或水處理過程中某些不能實現在線監測而且實驗室分析也非常繁瑣水質參數的變化。目前，對飲用水水質安全來講，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替代參數，可以通過UV254的實時測量，獲得和水中有機物污染相關的其他參數(如，COD、BOD、TOC等)的信息。由于能實時反映水質的變化，測量“替代參數”的在線水質分析儀器在水處理工藝過程控制中有著非常重要的價值。目前其他重要的在線水質替代參數分析儀器還有：濁度、顆粒物、SDI(污染指數)等。

第三，隨著材料科學的發展，在線水質分析儀器傳感器的環境適應性也得到了很大提高，表現為：高溫材料的采用，使得傳感器的最高工作溫度范圍不斷提高;傳感器材質采用惰性的材料，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;采用鈦合金材料，可長時間應用于海洋監測的傳感器等等。

另外，和所有儀器產品一樣，在線水質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的最新技術。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單、自動化程度高，對設計人員的經驗水平要求也稍低，數字電路技術的采用和普及，使得儀器設計和批量生產的成本得以大幅下降，儀器的可靠性有了很大的提升。

目前的在線水質分析儀器的控制器普遍具有了自動運算、統計、圖形顯示、趨勢分析等數據處理功能;同時，儀器一般具有自動診斷、故障報警功能，方便儀器運行及維護人員及時發現和解決儀器的問題;儀器生產商采用通用控制器也已經成為共識，同一種型號的控制器可以同數十種傳感器連接，由此給儀器生產企業和使用者兩方面都帶來了好處：儀器制造廠家可以實現控制器的大批量生產，取得規模效益;同時通用控制器降低了儀器技術服務的復雜程度，也降低了儀器生產廠家的服務成本;帶給在線分析儀器使用者的好處也是顯而易見的：在保證水處理生產正常運行的同時，可以減少水質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習的時間，可以更快更熟練的掌握儀器的使用及維護，提高生產效率;同時，新型的數字化傳感器可以被通用控制器自動識別，具有“即插即用”功能，極大的減輕了安裝維護人員的勞動強度。

在通訊及數據傳輸方面，RS232、RS485以及Profibus、Modbus等現場總線技術和TCP/IP等網絡協議得到了普遍應用，為實現水質監測數據的實時傳輸及水處理過程的自動控制提供了支持。

最后，標準化進一步支持了在線水質分析儀器技術和行業的發展。國際標準化組織(ISO)在2003年制定的代號為ISO15839-2003的標準《水質在線傳感器/分析設備-水質規范和性能測試》,定義了在線水質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，這個通用性標準給在線水質分析儀器的研發、生產及驗收提供了依據。進入21世紀以來的十多年中， 中國也發布了大量有關在線水質分析儀器的國家標準和一系列的行業標準。這些標準的發布與實施，為在線水質分析儀器的應用與發展提供了技術上的可靠保證。

2.2 水質在線分析儀器的主要檢測技術

作為一種專用于水質分析的特定儀器分析技術，和其他儀器分析技術一樣，水質在線分析儀器檢測技術的理論基礎也是根據水中待測物質的物理化學或者生物化學性質來測定物質的組成及相對含量。根據測定的方法原理不同，主要可以分為電化學分析、光學分析、色譜分析、其他分析方法等4大類。

電化學分析法(electroanalytical chemistry，也稱電分析化學法)，是建立在物質在溶液中電化學性質基礎上的一類分析方法，它是儀器分析方法中的一個重要分支。電化學分析測量系統是一個由電解質溶液和電極構成的化學電池，通過測量電池的電位、電流、電導等物理量，實現對待測物質的分析。根據測定電化學參數的不同，電化學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。

電化學分析法原理的在線水質分析儀器，是出現最早和應用最普遍的一類在線水質分析儀器。其中，既有較為簡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(目前在工業過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。

光學分析法(optical analysis)，是以物質發射或吸收電磁輻射以及物質與電磁輻射相互作用(發光、吸收、散射、光電子發射等)來對待測樣品進行分析的方法。可以分為光譜法和非光譜法兩大類。非光譜分析法，是基于物質引起輻射的方向或物理性質的改變，檢測被測物質的某種物理光學性質，進行定量、定性分析的方法，非光譜分析法不考慮物質內部能量的變化，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組成和結構之間的內在聯系或者以光譜或波譜的測量為基礎，利用物質的光譜特征，進行定性、定量及結構分析的方法。按物質能級躍遷的方式，光譜分析法又分為三種基本類型：發光光譜法(包括分子熒光分析法、X射線熒光分析法等)、吸收光譜法(包括紫外可見分光光度法、紅外分光光度法等)以及散射光譜法(如最近比較熱門的拉曼散射光譜法)。

在線濁度分析儀是目前非光譜分析法在水質在線分析技術最有價值的應用。濁度是水質凈化處理最重要的關鍵性工藝參數，它既可反應水中懸浮物的濃度，同時又是人的感官對水質最直接的評價，全球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，將會散射和吸收通過水樣的光線，散射光與入射光成90度直角時，散射光強度與濁度的大小成線性關系，通過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。目前市場上已經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濁度分析儀器產品，可以滿足從潔凈度極高的膜過濾水到高污染、高懸浮物水樣濁度的實時監測。

目前，采用光譜分析法原理的水質在線分析儀器是能夠測量水質參數最多的一類儀器，這其中，既有采用經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、六價鉻、銅等重金屬分析儀;也有X射線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(多環芳烴)分析儀等。最近，隨著化學計量學和光譜學的發展，采用全光譜掃描方法，可一次分析十多種水質參數的多參數在線水質分析儀也得到越來越多的應用。

另外，隨著流動注射分析技術的出現和大量應用，也為提高“結構比較復雜的自動化分析設備或者裝置”這類在線水質分析儀器的分析速度，實現儀器快速自動完成水樣采集、處理，試劑混合，乃至最終檢測提供了支撐。流動注射分析(Flow Injection Analysis，縮寫FIA)，是一種“非平衡態”化學分析技術，1974年由丹麥化學家魯齊卡(Ruzicka J)和漢森(Hansen E H)提出的一種創新的連續流動分析技術。這種技術是把一定體積的試樣溶液注入到一個連續流動的、無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反應單元，并與載流中的試劑混合、反應后，再進入到流通檢測器進行測定分析及記錄。整個分析過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，在管道中存留時間、溫度和分散過程等條件相同，不要求反應達到平衡狀態就可以按照比較的方法，通過標準溶液所繪制的工作曲線測出試樣溶液中被測物質的濃度。

流動注射分析技術的應用，極大的提高了水樣分析速度。特別是隨著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，增加了可實現自動分析的水質參數，采用流動注射技術的儀器小型化也成為現實。由于流動注射分析技術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現在管道中完成、需要的試劑量小、易于自動連續分析的優點，在水質在線分析儀器領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水質分析儀器所采用。

最近以來，為滿足對水中多種微量成分的實時監測，色譜原理的在線水質分析儀器開始出現，在線離子色譜監測系統監測水中高氯酸鹽和氯酸鹽、在線氣相色譜儀監測水中VOCs(揮發性有機物)的都取得了成功的應用。

其他原理的在線水質分析儀器中，生物技術原理的產品占據了很大的份額，其中，發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水質分析儀器最近幾年都開始得到市場的認可。

2.3 國內外水質在線檢測的技術差距

在中國，由于水質在線分析儀器的主要市場，包括工業水處理過程監測與控制、市政自來水與污水處理、環境自動監測等同歐美和日本等主要發達國家相比，起步都較晚，同時也因為支撐水質在線分析儀器研發制造的電子技術、自動控制、軟件等基礎技術和精密制造產業在中國也主要是改革開放以后的短短幾十年里才開始發展起來的，兩方面的原因造成了中國水質在線分析儀器以及檢測技術發展的差距。

和其他分析儀器產品一樣，可靠性是國內外在線水質分析儀器最大的差距，專門人才的缺乏造成的設計理念和流程的落后、關鍵元器件的穩定性和供應不足以及在線水質分析儀器行業的制造水平、質量管理水平的差異都是造成可靠性差距的原因。

水質在線檢測技術同國內外差距的另外一點是分析原理創新，同發達國家同行不斷應用的新分析原理、新材料、新算法等新技術相比，目前中國水質在線檢測儀器主要原理還是以傳統的電化學、比色法為主，儀器對水質變化的適應性還不能完全滿足目前水處理工業過程控制的要求。

在綠色分析的認知和應用上，國內外水質在線分析技術也存在一定的差距，綠色分析要求是在分析過程減少多環境的影響，避免(或大幅度減少)使用化學試劑，減少氣體、液體和固體廢物的產生，避免使用劇毒(包括生態毒性)的試劑;減少樣品分析的所需的人力和能耗。目前國內在線水質分析儀器，特別是結構比較復雜的監測型在線水質分析儀器，在試劑使用量、廢液產生量以及有毒試劑的使用和能耗方面，同國外先進儀器還有一定的差距。

最近十多年以來，在“自動監測為主，手動監測為輔的監測模式”的環境監測技術路線的大力推動下，中國監測型水質在線分析儀器技術有了長足的進步和發展。從2002年至今，幾乎每年都有上萬臺/套的在線水質分析儀器及系統實現了安裝調試和實際運行。儀器大量的研發制造和實際應用，為行業技術進步提供和積累了寶貴的經驗。與此同時，中國發布了數十項在線水質分析儀器及系統的國家標準、行業標準，這些標準的發布和實施，對在線水質分析儀器在中國市場的應用和發展起到了極大的推動作用，有力的支持了中國監測型在線水質分析儀器研發制造技術的發展，多種適應不同水質條件水樣的應用技術也得以開發。中國監測型在線水質分析儀器已經有了巨大的進步。總體來看，水污染源排放和水環境自動監測的常規在線水質分析儀器及其應用技術達到了國際領先的水平。

03

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、污水處理等等，都是在線水質分析儀器的應用范圍。

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于單純的水質監測，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污染物指標，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、工業企業廢水污染源及市政污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污染物排放自行監測，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污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/地域性特征水質污染指標的在線監測。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污染提供預警，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、余氯、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，主要用于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，被廣泛應用于火力發電廠、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、生物制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泄漏，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污染，或者對廢水處理單元的沖擊。

在半導體廠、生物制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(生物制藥廠)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、余氯/總氯分析儀、pH分析儀、堿度分析儀、游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。

在市政污水處理廠，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，為污水廠的穩定運行、節能降耗和達標排放提供了可靠的支持。由于用于水處理過程控制，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。

對于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。

04

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。

當下處于物聯網、大數據和人工智能的時代，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盡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采用;量子點、石墨烯、碳納米管、生物芯片、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后處理，提供更多有價值的水質數據和信息-不僅是儀器硬件和分析技術,軟件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“硬件+材料+軟件+算法”的組合。

隨著新的分析原理、方法的出現和應用，以及各種新材料的采用，傳感器對復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打印技術的成熟應用，根據待測水樣的不同水質情況，實現差異化設計、制造也將成為現實;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、結構和制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象力的下降，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，結構復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采用得到改進，特別是，工業物聯網技術的進步，可通過產品在硬件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，形成一套用于描述“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，相對于過低的水資源費、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，由于水質條件的多樣化與復雜性，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采用在線水質分析儀器都持有謹慎的態度，在當時嚴重制約了在線水質分析儀器的應用與推廣。

進入21世紀以來，由于水資源短缺、水環境污染的問題日益嚴重，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，采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、生物制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、云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。

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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，采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，隨著中國這個制造大國研發制造水平的不斷提升，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。