水务新技术 | 水质检测要看浑浊度，还要看颗粒计数

本期摘要

饮用水处理旨在去除颗粒物，但过滤池穿透等问题可能会导致颗粒物浓度的突然变化。检测和应对这些变化的能力是保持客户满意度的重要组成部分。了解整个处理过程中粒径分布、浓度和形态的变化可以帮助操作员优化处理效率并分析过滤池性能。如本文所述，将颗粒分析与浊度测量相结合，可以更全面地了解水质，帮助水务企业改进不同的处理工艺，更好地应对紧急情况。

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浑浊度是饮用水水质评价最为重要的指标，一方面，浑浊度代表了水的清澈程度，另一方面，浑浊度也作为重要的微生物指标，表征了水的生物安全性。但是浑浊度的检测方法具有片面性，不能完全表征水中的颗粒物含量，因此通过FIM开展颗粒物分析，对于浑浊度的检测具有重要的补充效应。本文所介绍的FIM的应用和完善历程，代表了水质分析方法不断完善的进程，也给水质分析人员提供了新的思考和借鉴。

浑浊度和颗粒

浑浊度传统上被用作为重要的水质指标，一般来说，连续的浊度监测为正常运行提供了足够的信息。浑浊度是衡量水透明度的一个指标，它指征的是导致光被散射和吸收的光学特性的物质，而不是光通过后依然方向不变的样品。

与浑浊度较低的水相比，高浑浊度意味着更多的光散射和更高的颗粒浓度。然而，颗粒计数和浑浊度之间通常没有线性相关性，主要是因为颗粒尺寸、形状和折射率都会影响光穿过悬浮液的方式。暗颗粒往往比白颗粒反射更少的光，并可能导致浑浊度读数偏低，同样，许多小颗粒可以比等效的大颗粒反射更多的光。

用提供颗粒分析的技术作为浑浊度测量的补充，可以使操作员更好地监测过程中的变化并更快地做出反应。颗粒计数还可以帮助操作员在浑浊度测量中出现问题之前发现问题。使用激光衍射的粒子计数可用于测量激光束穿过样品时散射的光强度的变化。但是，虽然激光衍射可以提供快速的颗粒浓度数据，但它无法测量与表面形状、形状和结构相关的形态特征——没有这些，确定颗粒的成分和来源是具有挑战性的。

流式成像显微镜（FIM）可以通过将传统显微镜提供的形态信息与流式细胞术相当的高通量相结合来应对这些挑战。

FIM的用途和好处

FIM提供低至2µm的快速颗粒浓度和粒径分布结果，在几分钟内提供高度代表水质的分析结果。FIM可用于帮助描述感官问题并减少投诉，许多水务企业使用FIM监测地表水中的藻类/蓝藻。FIM数据还可以与合规数据一起使用，以应对饮用水厂内颗粒浓度的变化。

图1中的示意图大致示意了FIM的元件构成，其功能是使用注射泵通过流动池抽吸样本。发光二极管（通常称为LED）照亮流动中的颗粒，物镜与相机结合放大并记录它们。样品运行期间生成的图像和颗粒测量值存储在软件中以供进一步分析，这些测量值稍后可用于根据尺寸、形状、颜色、圆形度、体积等对颗粒进行分类。

水行业的应用

由于FIM可以分析各种尺寸（约2µm至1000µm）的颗粒，因此可用于监测与相应病原体相关的特定尺寸范围，例如隐孢子虫卵囊的3-5µm和贾第鞭毛虫囊肿的7-14µm。此外，可以监测澄清池和过滤池的进水和出水，以确定特定尺寸范围的去除率。

例如，表1显示了威奇托市柏树水处理设施（WTF）样本集的颗粒计数，包括隐孢子虫卵囊和贾第鞭毛虫囊大小范围内的颗粒计数及其相关的对数去除值（LRV）。对数去除公式为LRV=log（PCI/PCE），其中PCI=进水颗粒计数，PCE=出水颗粒计数。

这种分析可以帮助操作员确定，如果澄清池出水中的颗粒计数增加，何时应优化混凝剂，或者何时过早发生过滤池穿透，何时应在反冲洗之间调整过滤池运行时间。这些结果还表明，这些处理过程可以为隐孢子虫和贾第鞭毛虫大小的颗粒产生可接受的LRV（分别>2.00和>3.00）。对于水务企业来说，可以全年进行此类分析，以确定季节变化。

赛普拉斯环境实验室于2007年开始分析颗粒物，使用激光计数器对原水和出厂水进行尺寸范围和颗粒物计数。该仪器所测量的颗粒与其各自的图像相关联的能力有限，图像仅以黑白形式收集。在接下来的几年里，在常规监测中建立了一个基线，但该仪器最终停止工作，无法再获取更多结果。

2015年，FIM部门投入使用，对藻类和蓝藻进行计数、成像和计数。虽然继续监测相同大小的范围，但重点是将结果纳入有害藻华（HAB）监测计划。

经过三年的常规监测，Jasper WTF的颗粒物计数升高，并将其完成的自来水数据与Cypress WTF数据进行了比较。虽然浑浊度保持在接近正常水平（0.100 NTU），但总颗粒数增加了一倍多。

在浑浊度仍能达到处理目标的情况下，对增加的颗粒数量进行了更深入的探索。Jasper WTF的过滤池运行时间比Cypress WTF短约20小时，因此延长了过滤池运行时间，以观察颗粒计数是否会下降。如图2所示，计数在几天内减少，与Cypress WTF值一致，而浑浊度没有显著变化。

2022年进行了进一步的测试，以研究颗粒计数与浑浊度之间的相关性。试验从输配系统中取样，随着时间的推移比较浊度和颗粒计数的读数并进行分析。颗粒计数和浑浊度通常在入口点位置较低，在整个输配系统中会增加。同样，较小的颗粒物通常比较大的颗粒物更丰富。

FIM捕获了每个样本的粒子图像和统计测量结果。使用数值过滤池（软件中提到的）按尺寸分离颗粒，并将每个尺寸箱的结果与浑浊度进行比较。图3显示了14天内这些数据的比较。对粒径2-3µm（可实现的最小粒径范围）、>15µm和2-50µm进行了颗粒分析。在去除一个异常值（从第9天开始）后，这项研究的结果表明，颗粒浓度和浑浊度数据之间没有相关性。