Мутность — это облачность или дымка жидкости , вызванная большим количеством отдельных частиц , которые обычно невидимы невооруженным глазом , подобно дыму в воздухе . Измерение мутности — это ключевой тест как прозрачности, так и качества воды .
Жидкости могут содержать взвешенные твердые частицы, состоящие из частиц самых разных размеров. В то время как некоторые взвешенные частицы будут достаточно большими и тяжелыми, чтобы быстро осесть на дно контейнера, если жидкий образец оставить стоять (твердые частицы, способные осаждаться ), очень мелкие частицы будут осаждаться очень медленно или вообще не осаждаться, если образец регулярно перемешивать или частицы являются коллоидными . Эти мелкие твердые частицы заставляют жидкость казаться мутной.
Мутность (или дымка) также применяется к прозрачным твердым телам, таким как стекло или пластик. В производстве пластика дымка определяется как процент света, который отклоняется более чем на 2,5° от направления входящего света. [1]
Мутность в открытой воде может быть вызвана ростом фитопланктона . Деятельность человека, которая нарушает состояние земли, например, строительство , добыча полезных ископаемых и сельское хозяйство , может привести к высокому уровню осадка , попадающего в водоемы во время ливней из-за стока ливневых вод . Районы, подверженные высоким темпам береговой эрозии, а также урбанизированные районы также вносят большой вклад в мутность близлежащих вод из-за загрязнения ливневыми водами с мощеных поверхностей, таких как дороги, мосты, парковки и аэропорты. [2] Некоторые отрасли промышленности, такие как разработка карьеров , добыча полезных ископаемых и добыча угля, могут создавать очень высокий уровень мутности из-за частиц коллоидных пород.
В питьевой воде, чем выше уровень мутности, тем выше риск того, что люди могут заболеть желудочно-кишечными заболеваниями . [3] Это особенно проблематично для людей с ослабленным иммунитетом, потому что такие загрязнители, как вирусы или бактерии, могут прикрепляться к взвешенным твердым частицам. Взвешенные твердые частицы мешают дезинфекции воды хлором, потому что частицы действуют как щиты для вирусов и бактерий. Аналогично, взвешенные твердые частицы могут защищать бактерии от ультрафиолетовой (УФ) стерилизации воды. [ необходима цитата ]
В водоемах, таких как озера , реки и водохранилища , высокие уровни мутности могут уменьшить количество света, достигающего нижних глубин, что может подавлять рост подводных водных растений и, следовательно, влиять на виды, которые зависят от них, такие как рыбы и моллюски . Высокие уровни мутности также могут влиять на способность жабр рыб поглощать растворенный кислород. Это явление регулярно наблюдается по всему Чесапикскому заливу на востоке Соединенных Штатов. [4] [5]
Для многих мангровых зон высокая мутность необходима для поддержания определенных видов, например, для защиты молоди рыб от хищников. Для большинства мангровых зарослей вдоль восточного побережья Австралии , в частности залива Мортон , для надлежащего здоровья экосистемы необходимы уровни мутности до 600 нефелометрических единиц мутности (NTU) . [ необходима цитата ]
Измерение мутности является ключевым тестом как прозрачности, так и качества воды . [ требуется ссылка ] Существует две стандартные единицы для сообщения о мутности: нефелометрические единицы формазина (FNU) из ISO 7027 и нефелометрические единицы мутности (NTU) из метода USEPA 180.1. ISO 7027 и FNU в основном широко используются в Европе, тогда как NTU в основном широко используется в США. ISO 7027 предоставляет метод определения мутности в качестве воды. Он используется для определения концентрации взвешенных частиц в образце воды путем измерения падающего света, рассеянного под прямым углом от образца. Рассеянный свет улавливается фотодиодом , который производит электронный сигнал, преобразуемый в мутность. Аппаратное обеспечение с открытым исходным кодом было разработано в соответствии с методом ISO 7027 для надежного измерения мутности с использованием микроконтроллера Arduino и недорогих светодиодов . [6]
Существует несколько практических способов проверки качества воды, наиболее прямым из которых является некоторая мера ослабления (то есть уменьшение силы) света при прохождении через образец столба воды. [7] Альтернативно используемый метод свечи Джексона (единицы: единица мутности Джексона или JTU ) по сути является обратной мерой длины столба воды, необходимого для полного затемнения пламени свечи, наблюдаемого через него. Чем больше требуется воды (чем длиннее столб воды), тем прозрачнее вода. Конечно, вода сама по себе производит некоторое ослабление, и любые растворенные в воде вещества, которые производят цвет, могут ослаблять некоторые длины волн. Современные приборы не используют свечи, но этот подход ослабления светового луча через столб воды должен быть откалиброван и указан в JTU. [7]
Склонность частиц рассеивать сфокусированный на них световой луч теперь считается более значимой мерой мутности в воде. Мутность, измеряемая таким образом, использует прибор, называемый нефелометром, с детектором, установленным сбоку от светового луча. Больше света достигает детектора, если есть много мелких частиц, рассеивающих исходный луч, чем если их мало. Единицами мутности от калиброванного нефелометра могут быть либо NTU, либо FTU, в зависимости от используемого стандартного метода. В некоторой степени то, сколько света отражается для данного количества частиц, зависит от свойств частиц, таких как их форма, цвет и отражательная способность. По этой причине (и по той причине, что более тяжелые частицы быстро оседают и не влияют на показания мутности), корреляция между мутностью и общим содержанием взвешенных твердых частиц (TSS) несколько необычна для каждого местоположения или ситуации. [7]
Мутность в озерах, водохранилищах, каналах и океане можно измерить с помощью диска Секки . Этот черно-белый диск опускается в воду до тех пор, пока его больше не будет видно; затем глубина (глубина Секки) регистрируется как мера прозрачности воды (обратно связана с мутностью). Диск Секки имеет преимущества интеграции мутности по глубине (где присутствуют слои переменной мутности), является быстрым и простым в использовании и недорогим. Он может дать грубое указание глубины эвфотической зоны с 3-кратным делением глубины Секки , однако это нельзя использовать в мелководье, где диск все еще можно увидеть на дне. [8]
Дополнительным устройством, которое может помочь в измерении мутности на мелководье, является трубка для измерения мутности. [9] [8] Трубка для измерения мутности конденсирует воду в градуированной трубке, что позволяет определять мутность на основе контрастного диска на ее дне, аналогичного диску Секки.
Мутность воздуха, которая вызывает солнечное ослабление, используется как мера загрязнения. Для моделирования ослабления лучевого излучения были введены несколько параметров мутности, включая фактор мутности Линке (T L ). [10] [11]
Правительства установили стандарты допустимой мутности питьевой воды. В Соединенных Штатах системы общественного водоснабжения , использующие обычные или прямые методы фильтрации, не должны иметь мутность выше 1,0 NTU на выходе из установки, а все образцы мутности должны быть меньше или равны 0,3 NTU для по крайней мере 95 процентов образцов в любой месяц. Системы, использующие фильтрацию, отличную от обычной или прямой фильтрации, должны следовать государственным ограничениям, которые должны включать мутность, не превышающую 5 NTU. Многие коммунальные службы питьевой воды стремятся достичь уровней вплоть до 0,1 NTU. [12] Европейский стандарт мутности составляет 4 NTU. [13]
Агентство по охране окружающей среды США (EPA) опубликовало критерии качества воды для определения мутности. [14] Эти критерии представляют собой научную оценку воздействия мутности, которая используется штатами для разработки стандартов качества воды для водоемов. (Штаты также могут публиковать свои собственные критерии.) Некоторые штаты обнародовали стандарты качества воды для определения мутности, в том числе:
Опубликованные аналитические методы определения мутности включают:
Мутность обычно обрабатывается с помощью процесса отстаивания или фильтрации, или и отстаивания, и фильтрации. В зависимости от применения, флокулянты могут дозироваться в поток воды для повышения эффективности процесса отстаивания или фильтрации. [21] [22] Очистные сооружения питьевой воды и муниципальные сточные воды часто удаляют мутность с помощью комбинации отстойников, гранулированной фильтрации и осветлителей .
Обработка воды на месте или прямое дозирование для лечения мутности распространены, когда затронутые водоемы рассредоточены (т. е. имеется множество водоемов, разбросанных по географической области, например, небольшие резервуары питьевой воды), когда проблема не является постоянной (т. е. когда мутность в водоеме наблюдается только во время и после сезона дождей) или когда требуется недорогое решение. Обработка мутности на месте включает добавление реагента, как правило, флокулянта , равномерно распределенного по поверхности водоема. Затем хлопья оседают на дне водоема, где они остаются или удаляются при сливе водоема. Этот метод обычно используется на угольных шахтах и угольных погрузочных предприятиях, где пруды для сбора ливневых вод имеют сезонные проблемы с мутностью. Ряд компаний предлагают переносные системы очистки для очистки воды на месте или прямого дозирования реагентов.
Существует ряд химических реагентов , которые доступны для обработки мутности. Реагенты, которые доступны для обработки мутности, включают сульфат алюминия или квасцы (Al2 ( SO4 ) 3 · nH2O ) , хлорид железа (FeCl3 ) , гипс (CaSO4 · 2H2O ) , полиалюминийхлорид , длинноцепочечные полимеры на основе акриламида и многочисленные фирменные реагенты. [23] Химический состав воды должен быть тщательно учтен при дозировании химикатов, так как некоторые реагенты, такие как квасцы, изменят pH воды.
При использовании реагентов также необходимо учитывать процесс дозирования, поскольку хлопья могут разрушиться из-за чрезмерного перемешивания.
