水務一線 |【收藏】生產運行需要了解的實驗室過程控制的質量保證/質量控制

欄目導讀

中國科技核心期刊《凈水技術》關注我國供排水和工業水處理生產一線的實際問題，打造一線生產技術人員實戰經驗的分享平臺。本欄目內容主要選自發表于《凈水技術》“供排水企業運行及管理成果專欄”的原創論文或由《凈水技術》情報資訊板塊精選翻譯的國外經典文獻，供同行交流參考。

本期摘要

實驗室的過程控制對于生成高質量的數據非常重要，高質量的實驗室數據可以成為是供水企業運營決策的依據，因此期重要性已經超出了水質報告的范疇。本文作為“Need to know”系列的延續，從專業的角度系統講解了了實驗室過程控制中的各個要素和專業名詞，如精準度與精密度、瞬時樣本和復合樣本、QA和QC之間的差異，可以成為實驗室人員有價值的參考閱讀資料。

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數據的質量取決于為保障其質量而正確實施的實踐。這些實踐被稱為質量保證（QA）和質量控制（QC）。有效的QA/QC系統通過最小化采樣、運輸、分析和數據審查中的錯誤來保持數據的完整性。嚴格的QA/QC程序能生成高質量數據，而松散的QA/QC實踐則會導致低質量的結果。

運營人員需理解自身行為如何影響其生成的數據質量，因為這些數據將用于處理決策、法規合規，并最終保護公眾健康與環境。本文探討實驗室過程控制中的QA/QC及運營人員應避免的誤區。

什么是QA/QC？

QA是用于確保數據、材料或產品符合特定規范的框架。過程控制實驗室必須制定計劃，描述每項分析流程并說明各方法中將采取的措施，以獲取準確、精密、可重復且可驗證的數據。

QC則是提供這些保障的具體步驟，例如同步分析空白去離子水樣、標準品（已知濃度的樣品）、平行樣品（重復檢測未知水樣）或重復分樣（分析同一來源的兩個子樣）。QA/QC程序能增強結果的可信度，確保分析后的數據可用于計算水處理方案中的過程控制調整。表1對比了QA與QC的差異。

表1 QA和QC的差異對比

樣品類型與計劃

在采樣過程中遵循QA/QC實踐對實驗室過程控制至關重要。水質數據的可靠性取決于對相關實踐的嚴格遵守，任何偏差都可能影響數據的準確性與可信度。采樣前，人員需接受采樣程序與設備使用的書面培訓，并明確以下問題：為何采樣、何處采樣、何時采樣、如何采樣以及采樣數量。

采樣人員應通過采樣計劃提前審閱操作說明、場地平面圖及時間表。場地平面圖包括配水系統細節、采樣點及聯系人信息。設備與耗材（如樣品容器、監測設備等）需提前準備。采樣程序需指導容器選擇、保存要求、樣品體積、現場處理步驟及保存時限。

水質評估涉及兩種采樣方法：瞬時樣品與復合樣品（表2）。

表2 瞬時樣本和復合樣本

瞬時樣品反映某一地點在短時間（秒至分鐘）內的水質情況，適用于監測水質參數（如流量、化學成分或微生物群落）的漸變過程。標準化操作程序（SOP）可確保瞬時樣品的代表性。集成樣品可通過合并不同地點的同步瞬時樣品獲取（常用于湖泊評估）。

復合樣品通過人工或自動采樣設備組合多個瞬時樣品，提供更全面的視角。連續復合采樣使用編程采樣器，以固定間隔進行連續均勻的泵吸采樣。復合采樣的優勢包括降低成本、更好表征復雜基質、為有限測試提供更大樣本量，以及通過更具代表性的樣本提升決策質量。

保持水樣完整性有助于可靠的數據分析。水廠及輸配系統的運營人員需遵循正確采樣方法，避免因臟污容器、不當操作或采樣污染導致數據失真。

實驗室過程控制的QA/QC

準確且可驗證的數據對水處理廠至關重要。例如，化學藥劑投加量的決策需基于實驗室分析結果。因此，嚴格的QA/QC程序是保障工藝運行、控制成本及生產高質量水的關鍵，需滿足以下核心要求：

標準化操作程序（SOP）：分析方法須記錄于SOP手冊中，運營人員需接受培訓。方法更新時，SOP需同步修訂，并每年評估運營人員對最新版SOP的遵守情況。所有培訓需記錄存檔。

標準品：標準品是含已知濃度化學品的溶液，用于提高分析準確性（例如驗證比色計性能）。許多標準品可商業采購，便于使用和解讀。

標準品還可用于評估現有人員準確性及培訓新員工。定期分析標準品可確認檢測是否正確執行。實驗室引入標準品有以下優勢：驗證試劑體積、混合時間是否正確; 判斷試劑質量是否合格或是否過期; 確認分析人員是否遵循正確步驟; 確保玻璃器皿潔凈。采購標準品時，需確保其獲美國國家標準與技術研究院（NIST）認證。到貨后需記錄接收日期、開封日期、供應商、批號及有效期。

標準品應與常規樣品同等對待，經歷完整分析流程。建議使用濃度位于檢測范圍中上區的標準品，且避免將移液管直接插入標準品瓶中。傾倒足夠量用于分析，并從該分裝液移取。通常建議分析至少兩種不同濃度的樣品，需稀釋至檢測范圍內。已知濃度的標準品可簡化此任務。

過程控制：若缺乏規范的分析流程與QA/QC，實驗室分析與在線儀器將無法有效監測處理過程或檢測異常。監測水質偏差并采取糾正措施的過程稱為過程控制。運營人員需表征原水特性并調整工藝，確保各處理階段達到水質目標。

實驗分析與在線儀器可指導運營人員選擇最佳化學品、投加量或工藝調整。例如，可靠數據有助于決定是否啟用二級處理化學品、調整投加量或啟動濾池反沖洗，并驗證當前選擇是否為最具成本效益的方案。

當顯示意外或異常讀數時，可能會出現過程問題。通過從生產線上獲取樣本并進行適當的測試，可以驗證可疑的在線讀數，以確定是否確實存在工藝中斷。定期取樣或在懷疑水質偏離標準時進行取樣，也可以幫助確定工廠內的質量和性能問題，如空氣束縛泵、噴射器堵塞或漿料管線堵塞。

隨著水處理技術發展，運營人員可能參與重大工藝改造（如膜過濾技術、新型濾料、新井建設或曝氣系統安裝）。可靠的實驗與在線數據可為工程師提供水質信息，輔助水廠設計或新工藝開發。

準確度與精密度

準確度指測量值與真實值的接近程度，精密度指重復測量同一標準溶液時結果的一致性。結果可能精密度高但準確度低（數值集中但偏離真實值），或準確度高但精密度低（結果在可接受范圍內但波動較大）。圖1展示了二者的區別。

不同準確度與精密度的組合可幫助判斷問題來源。例如，高精密度與低準確度可能需重新校準設備，而低精密度與高準確度可能需檢查分析方法。

圖1 精準度與精密度的差異

校準與驗證

校準是指對已知濃度的樣品進行分析，以調整分析儀儀器，對每個值進行積分（識別），然后計算出特定的響應。通過配置分析儀對已知濃度的樣品進行積分，然后可以識別任何后續樣品的濃度，這些樣品的濃度介于低值和高值之間。

驗證是通過分析已知濃度的樣品來進行的，以保持儀器正常運行并產生預期結果。假設分析員使用已知的1、2、3和4 mg/L標準品校準溶液校準臺式或現場儀器;然后可以通過分析已知溶液之一來驗證儀器是否正確校準，例如，分析員可以在設備上測試2 mg/L溶液，并期望結果在可接受的2 mg/L范圍內，以確認儀器被正確校準。

應根據制造商和/或監管規范每六個月進行一次校準。對于較大和較復雜的儀器，應在以下情況下進行校準或重新校準：

當新分析師使用儀器或引入新方法時 當儀器斷電時 當驗證分析時-檢查標準不再符合規格 當儀器或儀器響應出現明顯問題時

部分手持儀器由制造商預校準，僅需用已知溶液驗證（如多數手持比色計）。臺式或在線儀器的驗證頻率需遵循制造商要求，但不得低于校準頻率。部分監管機構可能要求更頻繁的驗證，需遵循本地法規。

實驗室技術和維護

飲用水處理過程的控制取決于精確和準確的測量以及關鍵參數的調節。一些常用的技術、維護實踐、設備和測量參數包括以下內容：樣品攪拌：分析樣品時，操作人員應始終使用攪拌器，確保它們充分混合，并且探頭或傳感器具有穿過其檢測點的樣品材料的連續流動。一些樣品可能由于基質中的大顆粒或沉淀物而沉降，而另一些則可能由于介質中的熱變化而分層。在連續攪拌的情況下，由于整個樣品保持均勻，因此可對整個樣品進行分析。

溫度。溫度是物質粒子動能的量度。溫度高表示物質中的能量高，反之亦然。溫度還驅動化學反應的速率;反應速率隨溫度升高而增加，反之亦然。因此，應立即記錄溫度，因為樣品在采集后開始立即穩定在環境（室溫）溫度下。還應使用經校準的溫度計測量溫度。

pH值。潛在的氫，通常稱為pH值，是樣品酸性或堿性的量度。樣品的pH值會因與空氣的相互作用而改變（例如，二氧化碳的吸收會導致pH值下降）。樣品內的微生物活動或化學反應也會導致pH值的改變。為了獲得反映樣品原始狀態的測量值并保持其完整性以符合法規要求，采集后立即測量并記錄pH值。通過攪拌或渦旋（不形成渦流）防止樣品中的pH值讀數不準確。

此外，pH計應每天使用各種緩沖溶液進行校準（例如，4、7、10 pH），以及不同的pH（例如，5）可用作檢查標準。電極應儲存在pH儲存溶液中以避免干燥。這會導致不正確的結果。使用正確的溶液定期清潔電極可以防止沉積物的積聚并延長儀器的使用壽命。pH電極的性能會受到溫度的影響。

事實上，作為pH電極功能基礎的能斯特方程將溫度作為一個變量。要獲得準確的讀數，請使用具有自動溫度補償功能的儀器，或根據溫度效應手動調節儀器。

濁度。定期用標準溶液校準濁度儀。采樣前需倒置樣品瓶混勻，靜置消泡。各州對校準頻率有不同的要求，因此操作人員必須了解各州的指導方針。為避免誤差，應倒置樣品使其均勻化，但在測量前應使氣泡消散。氣泡可通過加熱、使用超聲波浴、或在水面上抽真空。樣品池需要仔細清潔。不要使用臟的或有劃痕的樣品池，因為可能會發生額外的光散射并扭曲結果。如果在溫暖潮濕的環境中分析冷水，樣品池外部可能會形成冷凝。在這種情況下，可能需要將樣品加熱至接近室溫，以獲得有效的閱讀。

在使用濁度計之前，用待分析的水沖洗樣品池三次，以去除異物。將樣品池填充到適當的水平，并驗證樣品中沒有小氣泡。如果臺式濁度計設計為使用硅油，請使用它。硅油將沉積在樣品池外部的小缺陷中，并將改善其光學質量。池對齊很重要;因此，大多數樣品池的外部都有一條很小的對齊線。為了獲得最佳結果，在濁度測試過程中，請務必按照制造商要求的SOP將樣品池放置在單元中。

色度計。許多手持式現場分析儀的正確操作需要進行驗證檢查。色度計通常有一套彩色凝膠或溶液，用于驗證（未校準）這些驗證標準可以在任何時候使用，但也可能是當地或州控制機構要求的，并遵循特定的時間表。運營人員應與其監管控制機構核實，它需要色度計的驗證標準。

當色度計的驗證表明該儀表不再報告值在可接受的范圍內，請聯系制造商將儀器送去維修和重新校準。分析儀附帶的說明書將說明特定儀器的適當范圍。如有疑問，請聯系制造商，并保留溝通記錄和任何后續文件。

滴定。滴定通過向樣品中加入試劑并閱讀樣品特性的變化來確定未知濃度的污染物，即顏色、pH值、電導率。始終使用新鮮的試劑，因為舊的或降解的指示劑可能會影響結果。運營人員應遵循每次滴定的相同程序，因為變化可能會導致不一致。

建議使用自動滴定法，因為它們使用可靠的終點測定技術，可以評估其準確性和一致性，并減少程序不一致的可能性。此外，它們比手動分析更準確，更精確，比替代方法更有效，比手動滴定耗時更少。

電極。各種類型的電極用于測量水樣中的參數。電極還用于使用標準溶液驗證儀表校準和/或在驗證失敗時校準儀表。以下是一些最常用的電極：

• pH電極，用于測量溶液的pH值，通常為玻璃。它們的工作原理是通過薄玻璃膜進行選擇性離子交換。

• 氧化還原電位電極測量溶液的氧化或還原電位。他們通常用于監測水處理中的消毒過程和氧化過程的效率。

• 離子選擇性電極測量溶液中的特定離子，通常用于在飲用水和廢水處理過程中評估樣品。常見的例子是用于氟化物，氯化物，硝酸鹽和游離氨的電極。

• 電導率電極測量水傳導電流的能力，這與水中溶解的總固體有關。該參數可以提供有關水的純度的信息。

• 溶解氧（DO）電極測量溶解在水中的氧氣量，從而評估水支持水生生物的能力。

• 溫度電極或傳感器通常與其他類型的電極集成，例如用于確定pH和DO結果的電極。雖然不是化學測量，但溫度會影響許多其他測量。

每種類型的電極都提供了有價值的數據，有助于全面了解水的化學成分和整體質量。這些電極的定期校準和維護至關重要。運營人員應根據制造商的說明清潔表面。最好避免讓大多數電極變干。將它們儲存在適當的儲存溶液中，如商用混合物，去離子水，或根據其制造商的規格。干燥儲存的電極應始終進行適當清潔。

樣品的類型

QC樣品的類型實驗室可能在其程序中包括以下類型的QC樣品，這取決于方法或內部要求：

• 方法空白是含有很少或不含目標分析物的樣品，用于驗證用于制備標準品的水不含目標污染物。

• 校準標準品是含有遞增濃度的已知分析物的樣品，其被測量并用于量化未知樣品濃度。

• 一式兩份是從同一來源測量的兩個未知樣品，以評估初始樣品及其一式兩份之間的測量方差，從而確定兩個結果之間的精確度。

• 連續校準是指含有與校準標準品相同濃度的分析物的樣品，其測量結果表明校準標準品和連續校準標準品之間的準確度和精密度。

• 加標物是添加到選定樣品中的已知濃度的分析物;其測量值表明兩個樣品測量值之一（實驗室強化空白-加標空白;實驗室強化基質-加標樣品）之間的精密度。

• 內標物是一種已知濃度的分析物，添加到每個樣品中;它的測量表明整個樣品運行中樣品測量之間的精確度。

• 替代物是在分析過程開始時添加到每個樣品中的已知濃度的分析物，而不是感興趣的分析物;其測量表明整個分析過程的準確度和精密度。

倫理考慮

道德是決策的指導性道德哲學，是健全的QA/QC計劃的一部分;同樣，數據完整性必須植根于健全的原則。雖然他們的工作可能不完全相同，但水廠運營人員和實驗室工作人員有一個共同的認識：他們在工作中的行為會影響到他們產品的消費者。無論是偽造化學飼料信息，生成虛假的實驗室數據，還是不當的采樣，這些和其他行為都可能導致明顯的健康問題，甚至可能導致死亡。

當實驗室人員的行為不道德且不以自己的工作為榮時，水、污水和公共衛生實驗室都會面臨后果。這可能導致對他們和/或他們的公司的訴訟和法律的起訴，以及對所持有的任何認證的紀律處分。

通過適當的實驗室培訓和監督，可以最大限度地減少不道德的情況。培訓是實驗室質量保證/質量控制計劃的一個組成部分，需要定期審查操作人員和實驗室人員的道德期望。道德期望培訓將有助于解決某些問題;例子可以在圖2中看到。當運營商建立自己的性格和完整性的人，員工不太可能陷入妥協的境地，當出現不道德的情況時，他們更有可能挺身而出。

圖2 培訓中的道德倫理

根據QA/QC做出明智的決策

通過遵循本文中概述的提示和技術，水處理運營人員可以提高他們在過程控制數據的基礎上監測、調整甚至改進處理過程的能力。結果質量越高，他們的決策就越明智。這將導致水質和法規合規性的改善，如果沒有強有力的QA/QC實踐，這一切都是不可能的。

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來源：原文出自AWWA的J Opflow，原文標題《Operators Need to Know Process Control Laboratory QA/QC》。

作者：HUNTER ADAMS, BECKY THAMES, TOM CLARK, SATHYA GANEGODA, DAVE THOMAS, ZONETTA ENGLISH, STEVE ASH, AND MARK SOUTHARD

翻譯：由上海《凈水技術》雜志社實習編輯 張龍龍 翻譯，匯編于，歡迎訂閱。

排版：《凈水技術》編輯 李濱妤

審核：《凈水技術》社長/執行主編 阮辰旼

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