[個人寫作]環境實驗法中的濁度和TDS－小蟑螂的土土小窩

圖片：法拉第和泰晤士河的歷史會面(圖片引自維基共享資源)，其實這張圖片展示了法拉第所對於河川濁度的最早測試方式─紙片法。

作者：嚴融怡

晚近以來，有些人會去討論水質濁度與總溶解固體之間的關係，甚至有些網頁廣告曾經標榜以水中總溶解固體(TDS)來代表濁度(Turbidity)，這樣的想法到底正不正確呢？我們或許應該從這些數值的基本定義及其應用做一些討論。

一、關於濁度(Turbidity)的意義

水體的濁度(Turbidity)是水質的重要依據之一。不過不是唯一的依據。最早注意到水質濁度的測量是十九世紀著名的電磁物理學家與化學家麥可法拉第(Michael Faraday)，面對當時倫敦汙染極為嚴重的泰晤士河，1855年法拉第曾提出一個簡易的濁度測量方法，他將白色紙片浸濕丟到河水當中，卻發現下沉不到3公分深就看不見紙了。因此法拉第結論指出整條泰晤士河已然成了倫敦的下水道。果然在1858年夏天，整條河都發出史上最可怕的臭氣薰天情形，甚至連當時英國國會都無法開會，連維多利亞女王也都被迫走避。這就是歷史上著名的大惡臭事件(Great Stink或Big Stink)。

濁度專指水質濁度(Turbidity)，是指水樣中因為大量肉眼可見懸浮物質而造成的混濁情形，類似空氣中的煙塵情形。濁度測量也是水污染或是醫療方面的重要測試項目之一(例如原水濁度、尿液濁度等等)。濁度並不同於色度。流體中可能包括許多大小不同的懸浮物質，夠大夠重的懸浮物質在液體靜置時會沈澱到底部，但非常小的懸浮物質沈澱較慢，若是水體定時攪拌或是形成膠體，懸浮物質甚至不會沈澱。這些小的粒子就是讓液體變混濁的原因。

現行測定濁度，主要可使用濁度計法，在特定條件下，比較水樣與標準參考濁度懸浮液對特定光源散射光的強度，來比較測定出水樣濁度。散射光強度愈大者，其濁度亦愈大。濁度測定起源自傑克遜燭光度測定法，單位是 JTU (Jackson turbidity unit)，現今濁度分析多半使用散射比濁測定法，單位為NTU (nephelometric turbidity unit)。

二、水中總溶解固體(Total dissolved solids , TDS)的定義和速測

圖片：筆者所收藏使用的其中一型數位TDS水質檢測筆。

水中總溶解固體(Total dissolved solids, TDS)，又稱溶解性固體總量，測量單位為毫克/升(mg/L)，它代表一升的水中溶有多少毫克的溶解性固體。TDS值越高，表示水中含有的雜質越多。總溶解固體包括水中全部溶質總量，因此也包括了所有無機物和有機物兩者的含量。在水中經常參與溶解的固體物質包括溶解性碳酸氫離子、氯鹽、硫酸鹽、鈣、鎂、鈉、鉀等等，以及某些受汙染水體所常會含有揮發及非揮發性固體或是有害性重金屬物質(像是鉛、銅、鋇、鉻、汞、鎘)等等。有些溶解物質的存在濃度會影響飲用水的可口度。像是氯化鎂便可以製造水中的苦味。它的標準量測方法為水樣經過濾(0.45μm)後，將濾液以103℃～105℃烘乾後測量殘餘重量。

TDS值越大，通常代表水中的雜質(或污染物含量越大)，反之，則雜質(或污染物)含量越小。世界衛生組織(WHO)訂定合格飲用水的TDS標準為500ppm以下。台灣的飲用水水質TDS標準與美國二級飲用水水質標準、日本飲用水水質標準相同，也都為500mg/L(約等於500ppm)以下，這些限值主要考量了適飲性。臺北的自來水大部分TDS平均為每公升65毫克，少數水源取自雙溪或陽明山等高地，因富含礦物質，因此TDS較一般平地為高，可達每公升100毫克以上或甚至可達每公升200毫克以上。

近幾年市面上有一些速測型的TDS測定儀器，例如數位TDS水質檢測筆。這類檢測不再使用傳統上的過濾烘乾法，而是使用與電導度計、pH-meter相似的電極法，也有一些儀器乾脆將這些測定項目加以整合成複合型的電極裝置。由於新式的電極測定法相當地便利省時，又可節省濾紙和烘乾所需的成本，因此很受到市面歡迎，有的廠商還會標榜這個數值也可以代表濁度，甚至光是使用這個速測法就能迅速知道水質的好壞等等。其實TDS僅能表示溶解於水中的固態物質總含量，包括碳酸氫根離子、硝酸鹽、氯鹽、硫酸鹽、鉀、鈉、鈣、鎂等無機鹽及少量可溶性有機物質(像是部分簡單醣類、蛋白質等等)。但正如電導度計不能明確告知我們到底是哪些物質參與導電性一樣，TDS的測值只能大致反映水源的環境背景，不能完全代表水質的好壞或哪些有害物質的含量較高，哪些物質含量較低。僅能表示該飲用水源地質上的礦物質溶出狀況，例如地下水通常TDS測值比地表水高。

電極法當中的TDS實際上是指存在的離子數量，雖然我們仍以mg/L或ppm來表示；但實際上這套方法正是運用電導度的換算來推估測量總體離子的存在數量，因為不同的離子會產生不同的電導度數值。一般先以TDS水質檢測儀上的電極測量電導率，再以其內建的經驗公式換算為mg/L或ppm的讀數，來代表總體離子的含量。誠如之前另一篇文章所介紹的電導度，電導度實際上是一種可以代表鹽度的間接方法。有些電導度計本身也具有測量鹽度的選項，並以ppt來表示鹽度的情形。由於TDS測量通常用於環境監測，並且所針對的大多數溶解固體是離子型的。也因此實際上如果溶解的物質並非離子型的，其實後者所在水體當中所造成溶液表面吸附層、液體內部膠團等特性都會與離子型溶質有所不同。而這些物質的存在也都會讓這類儀器所測得的TDS值會與實際的TDS值有一定的誤差存在。TDS的電極測定法實際上取決於不同離子種類的單一換算係數(不同國家的文獻與經驗式也會有不同的換算係數)。至於電極材料上的選擇，有不少廠牌仍是使用金屬的電極，但有些商品設計因為鎖定的水質測定對象是高污染污水、鍋爐水或是高硬度冷卻循環水等等，因此會選擇耐酸鹼、導電性佳但不容易和環境物質產生反應的石墨電極。工業上如果要以水中總溶解固體(TDS)或是電導度(EC)來判定原水的硬度，則只能適用於硬水軟化之前，因為水的軟化經常會使用到鈉離子，以蘇打法來說，在硬水中加入碳酸鈉，可讓水體產生成碳酸鈣與碳酸鎂沉澱，再藉此過濾除去鈣鎂離子以獲得軟水。但這個方法當中，水雖然被軟化了，然而TDS其實是沒有改變的。

海水各成分的濃度若以TDS來計算大約是34000ppm。水中所含TDS若在1000到10000ppm之間，則稱為半鹹水，可存在於河海交錯的水域。海水的各類淡化處理技術生產的水質差異很大，有的可適用於工業冷卻用水、洗滌水或供應其他非食用的民生需求。一般而言，海水淡化可達95％以上的淨化去除率，可將水質TDS調節至500~1000ppm之間，氯離子濃度約低於250ppm。

三、關於濁度和TDS之間

水體當中濁度來源的因子包括粘土、坋粒、細微有機物、懸浮固體的膠羽、浮游生物或微生物等存在，以及膠體溶液濃度和廷得耳效應等影響，雖然TDS與濁度在靜止水體之間一定程度上存在關聯(通常當河水或海水受汙染持續增加時，常會連帶同時增加濁度與TDS...)，但兩者並不存在絕對的換算關係。而實際上TDS的數值代表性也有其限度(特別是以電極法速測的TDS)。在水質的探測上，其實還有另一種項目是總懸浮固體(TSS)，這通常是指水體中所發現大於2微米的顆粒。水體所運送的顆粒當中，一些未能沉降的膠體顆粒以及始終保持懸浮的固體顆粒(通常這些顆粒不是太小就是太輕，無法沉降到底部)都會是濁度的重要來源。在2018年Dasharath針對印度哥達瓦里河(Godavari，這是印度境內僅次於恆河的大河)的研究當中，曾發現在季風前季節的強降雨期間，河水流量的增加，會導致TDS降低並增加濁度；而在季風後的季節，河水濁度則會降低而讓TDS數值增加。暴雨所提供的大量河水會妨礙渾濁土壤沖積物的沉降，也會阻止鹽類在水中的溶解。因此，暴雨期間這類河川環境中的濁度與TDS數值之間反而是存在相對立的關係。

參考引用資料：

1.神奇檢測筆不神奇，全面性檢測水質才能為水質把關 ─台北好水電子報第30期(107.03.10出刊)

https://www.water.gov.taipei/Epaper_Send.aspx?s=ED43D0BC9B75FE6E

2.海水資源：海洋來源飲用水 ─科技大觀園

https://scitechvista.nat.gov.tw/c/s2Z7.htm

3.塑膠物語: 界面活性劑

http://psdn.pidc.org.tw/ike/doclib/2003/2003doclib/2003ike35-0/2003ike35-0-307.asp

4.水中濁度檢測方法－濁度計法 ─植根法律網

http://www.rootlaw.com.tw/LawArticle.aspx?LawID=A040300081030200-0940506

5.電導度/TDS/ 鹽度簡介@ 環境※ 法律※ 高科技:: 痞客邦::

https://cycuriver.pixnet.net/blog/post/2464413-%E9%9B%BB%E5%B0%8E%E5%BA%A6--tds--%E9%B9%BD%E5%BA%A6%E7%B0%A1%E4%BB%8B

6.水的電導度與TDS ─鴻偉檢測有限公司