Введение

Мутность жидкости

Мутность – это облачность или взвешенность жидкости, вызванная большим количеством отдельных частиц, которые обычно невидимы невооруженным глазом, подобно дыму в воздухе. Измерение мутности является ключевым показателем как прозрачности, так и качества воды. Жидкости могут содержать взвешенные твердые частицы, состоящие из частиц различных размеров. В то время как некоторые взвешенные вещества достаточно велики и тяжелы, чтобы быстро оседать на дно емкости, если оставить жидкую пробу в покое (оседаемые твердые частицы), очень мелкие частицы будут оседать лишь очень медленно или не оседать вовсе, если пробу регулярно перемешивать или частицы находятся в коллоидном состоянии. Эти мелкие твердые частицы и вызывают мутный вид жидкости. Мутность (или опалесценция) также применяется к прозрачным твердым веществам, таким как стекло или пластик. В производстве пластмасс опалесценция определяется как процент света, отклоняющегося более чем на 2,5° от направления падающего света.

Причины и последствия

Замученность открытых водоемов может быть вызвана ростом фитопланктона. Человеческая деятельность, нарушающая почвенный покров, такая как строительство, горнодобывающая промышленность и сельское хозяйство, может приводить к попаданию большого количества взвешенных веществ в водоемы во время дождевых бурь из-за поверхностного стока дождевой воды. Районы, подверженные высокой эрозии берегов, а также урбанизированные территории также вносят значительный вклад в замученность близлежащих вод посредством загрязнения ливневыми стоками с твердых поверхностей, таких как дороги, мосты, парковки и аэропорты. Некоторые отрасли промышленности, например, разработка карьеров, добыча полезных ископаемых и извлечение угля, могут создавать очень высокие уровни замученности из-за коллоидных частиц горных пород. В питьевой воде, чем выше уровень замученности, тем выше риск развития желудочно-кишечных заболеваний. Это особенно опасно для людей с ослабленным иммунитетом, поскольку такие загрязнители, как вирусы или бактерии, могут прикрепляться к взвешенным веществам. Взвешенные вещества мешают дезинфекции воды хлором, поскольку частицы служат защитой для вирусов и бактерий. Аналогично, взвешенные вещества могут защищать бактерии от ультрафиолетовой (УФ) стерилизации воды. В водоемах, таких как озера, реки и водохранилища, высокая замученность может уменьшить количество света, достигающего нижних слоев, что может подавлять рост подводных растений и, как следствие, влиять на виды, зависящие от них, такие как рыба и моллюски. Высокая замученность также может снижать способность жабр рыбы поглощать растворенный кислород. Это явление регулярно наблюдается в Чесапикском заливе на востоке Соединенных Штатов. Для многих мангровых зарослей высокая замученность необходима для поддержания определенных видов, например, для защиты молоди рыб от хищников. Для большинства мангровых зарослей вдоль восточного побережья Австралии, в частности в заливе Мортон, уровни замученности до 600 Нефелометрических единиц мутности (NTU) необходимы для поддержания здоровья экосистемы.

Измерение

Измерение мутности является ключевым показателем как прозрачности, так и качества воды. Существует два стандартных измерения для определения мутности: Формазинские нефелометрические единицы (FNU) согласно ISO 7027 и Нефелометрические единицы мутности (NTU) согласно методу USEPA 180.1. ISO 7027 и FNU чаще всего используются в Европе, в то время как NTU – в США. Стандарт ISO 7027 определяет метод определения мутности в воде. Он используется для определения концентрации взвешенных частиц в образце воды путем измерения света, рассеянного под прямым углом к образцу. Рассеянный свет улавливается фотодиодом, который генерирует электронный сигнал, преобразуемый в значение мутности. Аппаратное обеспечение с открытым исходным кодом, разработанное на основе метода ISO 7027, позволяет надежно измерять мутность с помощью микроконтроллера Arduino и недорогих светодиодов. Существует несколько практических способов проверки качества воды, наиболее прямым из которых является измерение ослабления (то есть уменьшения интенсивности) света при прохождении через водный столб. Мутность в озерах, водохранилищах, каналах и океане можно измерить с помощью диска Секки. Этот черно-белый диск опускают в воду до тех пор, пока он перестанет быть виден; глубина (глубина Секки) регистрируется как показатель прозрачности воды (обратно пропорциональный мутности). Диск Секки имеет преимущества интеграции мутности по глубине (при наличии слоев с переменной мутностью), простоту и скорость использования, а также низкую стоимость. Он может дать приблизительную оценку глубины эвфотической зоны, разделив глубину Секки на три, однако этот метод неприменим на мелководье, где диск все еще виден на дне. Трубка для измерения мутности конденсирует воду в градуированной трубке, что позволяет определять мутность по контрастному диску на дне, аналогично диску Секки. Мутность воздуха, вызывающая ослабление солнечного излучения, используется как показатель загрязнения. Для моделирования ослабления лучистой энергии введены различные параметры мутности, включая фактор мутности Линке (TL).

Нормы питьевой воды

Правительства установили стандарты допустимой мутности питьевой воды. В Соединенных Штатах общественные системы водоснабжения, использующие традиционные или прямоточные методы фильтрации, не должны допускать мутности выше 1,0 NTU на выходе очистных сооружений, и все пробы на мутность должны быть не более 0,3 NTU не менее чем в 95 процентах проб в течение любого месяца. Системы, использующие фильтрацию, отличную от традиционной или прямоточной, должны соответствовать региональным нормам, которые должны предусматривать, чтобы мутность ни в коем случае не превышала 5 NTU. Многие водоканалы стремятся достичь уровня 0,1 NTU. Европейский стандарт мутности составляет 4 NTU.

Соединенные Штаты

Агентство по охране окружающей среды США (EPA) опубликовало критерии качества воды по мутности. Эти критерии являются научными оценками влияния мутности, которые используются штатами для разработки стандартов качества воды для водоемов. (Штаты могут также публиковать собственные критерии.) Некоторые штаты приняли стандарты качества воды по мутности, в том числе:
Луизиана. 25, 50 или 150 НТУ, или фоновое значение плюс 10 процентов, в зависимости от водоема. Вермонт. 10 НТУ или 25 НТУ, в зависимости от классификации водоема. Вашингтон. 5 НТУ сверх фонового значения (если фоновое значение 50 НТУ или меньше), или увеличение на 10 процентов, если фоновое значение превышает 50 НТУ.

Лечение

Мутность обычно устраняется посредством осаждения или фильтрации, либо сочетания обоих процессов. В зависимости от области применения, для повышения эффективности осаждения или фильтрации в водный поток могут добавляться флокулянты. Очистка питьевой воды и муниципальные очистные сооружения часто удаляют мутность, используя комбинацию отстойников, фильтрации через зернистую среду и осветлителей. Обработка воды непосредственно в водоеме или прямое дозирование реагентов для устранения мутности распространено, когда пораженные водоемы рассредоточены (то есть существует множество водоемов, разбросанных по географической области, например, небольшие резервуары питьевой воды), когда проблема непостоянна (то есть мутность в водоеме наблюдается только во время и после сезона дождей) или когда требуется экономичное решение. Непосредственная обработка мутности в водоеме включает добавление реагента, как правило, флокулянта, равномерно распределяемого по поверхности воды. Образовавшиеся хлопья затем оседают на дно водоема, где остаются или удаляются при осушении. Этот метод часто используется на угольных шахтах и погрузочных терминалах угля, где в прудах для сбора дождевой воды наблюдаются сезонные проблемы с мутностью. Ряд компаний предлагают переносные системы очистки для обработки воды непосредственно в водоеме или прямого дозирования реагентов.

Реактивные вещества

Существует ряд химических реагентов, доступных для устранения мутности. К реагентам, используемым для обработки мутности, относятся сульфат алюминия или квасцы (Al2(SO4)3·nH2O), хлорид железа (FeCl3), гипс (CaSO4·2H2O), полихлорид алюминия, полимеры на основе акриламида с длинной цепью и множество фирменных реагентов. При химической дозировке необходимо тщательно учитывать химический состав воды, поскольку некоторые реагенты, такие как квасцы, могут изменять pH воды. Также необходимо учитывать процесс дозирования при использовании реагентов, так как флокулы могут разрушаться при чрезмерном перемешивании.