Качество воды - Water quality

Розетка Пробоотборник используется для сбора проб воды в глубокой воде, такие как Great Lakes или океаны, для тестирования качества воды.

Под качеством воды понимаются химические , физические и биологические характеристики воды, основанные на стандартах ее использования. Чаще всего он используется в качестве ссылки на набор стандартов, соответствие которым может быть оценено , как правило, путем обработки воды. Наиболее распространенные стандарты, используемые для мониторинга и оценки качества воды, отражают здоровье экосистем , безопасность контакта с людьми, степень загрязнения воды и состояние питьевой воды . Качество воды оказывает значительное влияние на водоснабжение и часто определяет варианты водоснабжения.

Категории

Параметры качества воды определяются предполагаемым использованием. Работа в области качества воды , как правило, сосредоточены на воде , который обрабатывают для промышленного, пригодности для питья / бытового использования или восстановления (из окружающей среды / экосистемы, как правило , для здоровья / водной жизни человека).

Потребление человеком

Загрязнение питьевой воды на региональном и национальном уровнях в зависимости от типа химического вещества и численности населения, подверженного риску воздействия

Загрязняющие вещества, которые могут находиться в неочищенной воде, включают микроорганизмы, такие как вирусы , простейшие и бактерии ; неорганические загрязнители, такие как соли и металлы ; органические химические загрязнители в результате промышленных процессов и использования нефти ; пестициды и гербициды ; и радиоактивные загрязнители. Качество воды зависит от местной геологии и экосистемы , а также от использования человеком, такого как рассеивание сточных вод, промышленное загрязнение, использование водоемов в качестве поглотителя тепла и чрезмерное использование (что может снизить уровень воды).

Агентство США по охране окружающей среды (EPA) ограничивает количество определенных загрязняющих веществ в водопроводной воде , предоставленной американских системы общественного водоснабжения . Закон о безопасной питьевой воде разрешает EPA выпускать два типа стандартов:

  • первичные стандарты регулируют вещества, потенциально влияющие на здоровье человека;
  • вторичные стандарты предписывают эстетические качества, влияющие на вкус, запах или внешний вид.

В США за продуктами и лекарствами правил (FDA) установить пределы для загрязняющих веществ в воду в бутылках . Можно разумно ожидать, что питьевая вода, включая воду в бутылках, будет содержать хотя бы небольшое количество некоторых загрязняющих веществ. Присутствие этих загрязнителей не обязательно указывает на то, что вода представляет опасность для здоровья.

В урбанизированных районах по всему миру технология очистки воды используется в муниципальных системах водоснабжения для удаления загрязняющих веществ из исходной воды (поверхностных или подземных вод ) перед их распределением по домам, предприятиям, школам и другим получателям. Вода, забираемая непосредственно из ручья, озера или водоносного горизонта и не прошедшая обработки, будет иметь неопределенное качество с точки зрения пригодности для питья.

Бремя загрязненной питьевой воды непропорционально сказывается на недостаточно представленных и уязвимых группах населения. Сообщества, в которых отсутствует такая чистая питьевая вода, подвергаются риску заражения передаваемыми через воду и связанными с загрязнением болезнями, такими как холера, диарея, дизентерия, гепатит А, брюшной тиф и полиомиелит. Эти общины часто находятся в районах с низким уровнем доходов, где бытовые сточные воды сбрасываются в близлежащий дренажный канал или канализацию поверхностных вод без надлежащей очистки или используются для орошения сельскохозяйственных угодий.

Промышленное и бытовое использование

Растворенные ионы могут повлиять на пригодность воды для различных промышленных и бытовых целей. Самым известным из них, вероятно, является присутствие кальция (Ca 2+ ) и магния (Mg 2+ ), которые мешают очищающему действию мыла и могут образовывать твердые сульфатные и мягкие карбонатные отложения в водонагревателях или бойлерах . Для удаления этих ионов жесткую воду можно смягчить. В процессе размягчения часто заменяются катионы натрия . Для некоторых групп населения жесткая вода может быть предпочтительнее мягкой, поскольку проблемы со здоровьем связаны с дефицитом кальция и избытком натрия. Потребность в дополнительных количествах кальция и магния в воде зависит от рассматриваемого населения, потому что люди обычно удовлетворяют свои рекомендуемые количества через пищу.

Качество воды в окружающей среде

Подпишите в Сандимаунте , Ирландия, описание качества воды, указав уровни фекальных колиформных бактерий E. coli и Enterococcus faecalis .
Сброс городских стоков в прибрежные воды

Качество воды в окружающей среде , также называемое качеством воды в окружающей среде , относится к водным объектам, таким как озера , реки и океаны . Стандарты качества воды для поверхностных вод значительно различаются в зависимости от условий окружающей среды, экосистем и предполагаемого использования человеком. Токсичные вещества и высокие популяции определенных микроорганизмов могут представлять опасность для здоровья в непьющих целях, таких как орошение, плавание, рыбалка, рафтинг, катание на лодках и промышленное использование. Эти условия могут также повлиять на диких животных, которые используют воду для питья или в качестве среды обитания. Согласно EPA, законы о качестве воды обычно определяют защиту рыболовства и рекреационного использования и требуют, как минимум, сохранения текущих стандартов качества.

У населения есть некоторое желание вернуть водные объекты к нетронутым или доиндустриальным условиям. Большинство действующих законов об окружающей среде сосредоточены на обозначении конкретных видов использования водного объекта. В некоторых странах эти обозначения допускают некоторое загрязнение воды при условии, что конкретный тип загрязнения не наносит вреда определенным видам использования. Учитывая изменения ландшафта (например, освоение земель , урбанизация , вырубка лесов) в водосборных бассейнах многих пресноводных водоемов, возвращение к первозданным условиям будет серьезной проблемой. В этих случаях ученые-экологи сосредотачиваются на достижении целей по поддержанию здоровых экосистем и могут сосредоточиться на защите популяций исчезающих видов и охране здоровья человека.

Отбор проб и измерение

Сбор образцов

Автоматическая станция отбора проб, установленная вдоль реки Ист-Бранч Милуоки , Нью-Фейн, Висконсин . Крышка автосэмплера на 24 флакона (в центре) частично приподнята, показывая флаконы для проб внутри. В AutoSampler собирает образцы с интервалами времени, или пропорциональной потоку в течение определенного периода. Регистратор данных (белый шкаф) регистрирует температуру, удельную проводимость и уровни растворенного кислорода.

Сложность качества воды как предмета отражается во многих типах измерений показателей качества воды. Некоторые измерения качества воды наиболее точно выполняются на месте, поскольку вода находится в равновесии с окружающей средой . Измерения, обычно выполняемые на месте и в непосредственном контакте с рассматриваемым источником воды, включают температуру , pH , растворенный кислород , проводимость , потенциал восстановления кислорода (ОВП) , мутность и глубину диска Секки .

Отбор проб воды для физических или химических испытаний может проводиться несколькими методами в зависимости от необходимой точности и характеристик загрязнителя. Методы выборки включают, например, простую случайную выборку, стратифицированную выборку , систематическую выборку и выборку по сетке, адаптивную кластерную выборку , выборочные выборки, полунепрерывный мониторинг и непрерывную пассивную выборку , дистанционное наблюдение, дистанционное зондирование и биомониторинг . Использование пассивных пробоотборников значительно снижает стоимость и потребность в инфраструктуре на месте отбора проб.

Многие случаи загрязнения резко ограничены по времени, чаще всего в связи с дождями. По этой причине «отборные» пробы часто не подходят для полного количественного определения уровней загрязнения. Ученые, собирающие данные такого типа, часто используют устройства для автоматического отбора проб, которые перекачивают воду в определенное количество времени или с интервалами сброса .

Более сложные измерения часто проводятся в лаборатории, где требуется сбор, хранение, транспортировка и анализ пробы воды в другом месте. Процесс отбора проб воды создает две существенные проблемы:

  • Первая проблема заключается в том, насколько образец может быть репрезентативным для интересующего источника воды. Источники воды меняются в зависимости от времени и местоположения. Представляющие интерес измерения могут меняться в зависимости от сезона, от дня к ночи или в зависимости от активности человека или природных популяций водных растений и животных . Представляющие интерес измерения могут варьироваться в зависимости от расстояний от водной границы с вышележащей атмосферой и подстилающим или ограничивающим грунтом . Отборщик проб должен определить, соответствует ли конкретное время и место потребностям исследования, или если интересующее водопользование может быть удовлетворительно оценено с помощью усредненных значений отбора проб по времени и месту, или если критические максимумы и минимумы требуют отдельных измерений в широком диапазоне. раз, мест или событий. Процедура отбора проб должна обеспечивать правильное взвешивание отдельных времен отбора проб и мест, где уместно усреднение. Если существуют критические максимальные или минимальные значения, к наблюдаемым вариациям должны применяться статистические методы, чтобы определить достаточное количество образцов для оценки вероятности превышения этих критических значений.
  • Вторая проблема возникает, когда образец удаляется из источника воды и начинает устанавливать химическое равновесие с его новым окружением - контейнером для образца. Контейнеры для проб должны быть изготовлены из материалов с минимальной реакционной способностью по отношению к измеряемым веществам; важна предварительная очистка контейнеров для проб. Образец воды может растворять часть контейнера для образца и любые остатки на этом контейнере, а химические вещества, растворенные в образце воды, могут сорбироваться на контейнере для образца и оставаться там, когда вода выливается для анализа. Аналогичные физические и химические взаимодействия могут иметь место с любыми насосами , трубопроводами или промежуточными устройствами, используемыми для переноса пробы воды в контейнер для пробы. Вода, собираемая с глубин ниже поверхности, обычно будет удерживаться при пониженном давлении атмосферы; поэтому растворенный в воде газ будет собираться в верхней части емкости. Атмосферный газ над водой также может растворяться в пробе воды. Равновесие других химических реакций может измениться, если температура пробы воды изменится. Мелкодисперсные твердые частицы, ранее взвешенные в результате турбулентности воды, могут осесть на дно контейнера для образца, или твердая фаза может образоваться в результате биологического роста или химического осаждения . Микроорганизмы в образце воды могут биохимически изменять концентрацию от кислорода , двуокиси углерода и органических соединений . Изменение концентрации углекислого газа может изменить pH и растворимость интересующих химических веществ. Эти проблемы вызывают особую озабоченность при измерении химических веществ, которые считаются значимыми при очень низких концентрациях.
Фильтрация отобранной вручную пробы воды ( отборная проба ) для анализа

Сохранение образца может частично решить вторую проблему. Распространенной процедурой является поддержание образцов в холодном состоянии, чтобы замедлить скорость химических реакций и фазового перехода, а также анализ образца как можно скорее; но это просто минимизирует изменения, а не предотвращает их. Полезная процедура для определения влияния контейнеров для образцов во время задержки между сбором образцов и анализом включает подготовку двух искусственных образцов до начала отбора образцов. Один контейнер для пробы заполнен водой, о которой известно из предыдущего анализа, что она не содержит поддающегося обнаружению количества интересующего химического вещества. Этот образец, называемый «холостой», открывается для воздействия атмосферы, когда интересующий образец собирается, затем снова запечатывается и транспортируется в лабораторию вместе с образцом для анализа, чтобы определить, были ли введены процедуры сбора или хранения образца какое-либо измеримое количество интересующее химическое вещество. Второй искусственный образец отбирается вместе с представляющим интерес образцом, но затем "добавляется" отмеренное дополнительное количество представляющего интерес химического вещества во время сбора. Бланк ( отрицательный контроль ) и образец с добавлением ( положительный контроль ) переносятся с представляющим интерес образцом и анализируются одними и теми же методами в одно и то же время для определения любых изменений, указывающих на прирост или убыток в течение времени, прошедшего между сбором и анализом.

Тестирование при стихийных бедствиях и других чрезвычайных ситуациях

Тестирование воды в Мексиканском заливе после разлива нефти Deepwater Horizon

После таких событий, как землетрясения и цунами , агентства по оказанию помощи незамедлительно отреагируют, когда начнутся операции по оказанию помощи, чтобы попытаться восстановить базовую инфраструктуру и предоставить основные предметы, необходимые для выживания и последующего восстановления. Угроза заболеваний чрезвычайно возрастает из-за большого количества людей, живущих близко друг к другу, часто в ужасных условиях и без надлежащей санитарии.

Что касается проверки качества воды после стихийного бедствия , то широко распространены мнения о том, что лучше всего предпринять, и можно использовать различные методы. Ключевыми основными параметрами качества воды, которые необходимо решить в чрезвычайной ситуации, являются бактериологические индикаторы фекального загрязнения, остаточного свободного хлора , pH , мутности и, возможно, проводимости / общего количества растворенных твердых веществ . Существует множество методов обеззараживания.

После крупных стихийных бедствий может пройти значительный период времени, прежде чем качество воды вернется к уровню, существовавшему до стихийных бедствий. Например, после цунами 2004 года в Индийском океане Международный институт управления водными ресурсами (IWMI) в Коломбо провел мониторинг воздействия соленой воды и пришел к выводу, что качество питьевой воды в колодцах восстановилось до качества, существовавшего до цунами, через полтора года после этого события. IWMI разработал протоколы очистки колодцев, загрязненных соленой водой; Впоследствии они были официально одобрены Всемирной организацией здравоохранения как часть ее серии Рекомендаций по чрезвычайным ситуациям.

Химический анализ

Самыми простыми методами химического анализа являются методы измерения химических элементов без учета их формы. Элементный анализ кислорода , например, показал бы концентрацию 890 г / л ( граммов на литр ) пробы воды, потому что кислород (O) составляет 89% массы молекулы воды (H 2 O). Метод, выбранный для измерения растворенного кислорода, должен различать двухатомный кислород и кислород в сочетании с другими элементами. Сравнительная простота элементного анализа позволила получить большой объем данных по пробам и критериев качества воды для элементов, иногда определяемых как тяжелые металлы . При анализе воды на содержание тяжелых металлов необходимо учитывать частицы почвы, взвешенные в пробе воды. Эти взвешенные частицы почвы могут содержать измеримые количества металла. Хотя частицы не растворяются в воде, люди, пьющие воду, могут их съесть. Добавление кислоты к пробе воды для предотвращения потери растворенных металлов в контейнере для пробы может привести к растворению большего количества металлов из взвешенных частиц почвы. Однако фильтрация частиц почвы из пробы воды перед добавлением кислоты может вызвать потерю растворенных металлов на фильтре. Еще сложнее дифференцировать похожие органические молекулы .

Атомно-флуоресцентная спектроскопия используется для измерения ртути и других тяжелых металлов.

Выполнение этих сложных измерений может быть дорогостоящим. Поскольку прямые измерения качества воды могут быть дорогостоящими, программы постоянного мониторинга обычно проводятся, а результаты публикуются государственными органами . Однако существуют местные волонтерские программы и ресурсы для некоторой общей оценки. Инструменты, доступные широкой публике, включают наборы для тестирования на месте, обычно используемые для домашних аквариумов , и процедуры биологической оценки.

Мониторинг в реальном времени

Хотя образцы качества воды обычно берутся и анализируются в лабораториях, с конца 20-го века общественный интерес к качеству питьевой воды, поставляемой муниципальными системами, растет. Многие предприятия водоснабжения разработали системы для сбора данных о качестве исходной воды в режиме реального времени. В начале 21 века для измерения pH воды, мутности, растворенного кислорода и других параметров были развернуты различные датчики и системы дистанционного мониторинга. Некоторые системы дистанционного зондирования также были разработаны для мониторинга качества окружающей воды в речных, устьевых и прибрежных водоемах.

Индикаторы

Индикаторы питьевой воды

Ниже приводится список индикаторов, часто измеряемых по ситуационным категориям:

Показатели окружающей среды

Физические показатели

Химические индикаторы

Биологические индикаторы

Метрики биологического мониторинга были разработаны во многих местах, и одним из широко используемых семейств измерений пресноводных является присутствие и численность представителей отрядов насекомых Ephemeroptera , Plecoptera и Trichoptera (EPT) ( бентосных макробеспозвоночных , общие названия которых, соответственно, поденок , веснянки и ручейники). Индексы EPT, естественно, будут варьироваться от региона к региону, но, как правило, внутри региона, чем больше количество таксонов в этих отрядах, тем лучше качество воды. Организации в США, такие как EPA. предложить руководство по разработке программы мониторинга и идентификации членов этих и других отрядов водных насекомых. Многие предприятия по сбросу сточных вод в США (например, заводы, электростанции, нефтеперерабатывающие заводы , шахты, муниципальные очистные сооружения ) обязаны проводить периодические испытания на токсичность всех сточных вод (WET).

Лица, заинтересованные в мониторинге качества воды, которые не могут позволить себе лабораторный анализ или проводить его, могут также использовать биологические индикаторы, чтобы получить общее представление о качестве воды. Одним из примеров является программа добровольного мониторинга воды IOWATER в Айове , которая включает индикаторный ключ EPT.

Двустворчатые моллюски широко используются в качестве биоиндикаторов для мониторинга состояния водной среды как в пресной, так и в морской среде. Их популяционный статус или структура, физиология, поведение или уровень загрязнения элементами или соединениями могут указывать на состояние загрязнения экосистемы. Они особенно полезны, так как они сидячие, поэтому они репрезентативны для среды, в которой их отбирают или помещают. Типичным проектом является Программа наблюдения за мидиями в США , но сегодня они используются во всем мире.

Метод южноафриканской системы оценки (SASS) - это система биологического мониторинга качества воды, основанная на присутствии бентических макробеспозвоночных (EPT). Инструмент водного биомониторинга SASS совершенствовался в течение последних 30 лет и сейчас находится на пятой версии (SASS5), которая была специально модифицирована в соответствии с международными стандартами, а именно протоколом ISO / IEC 17025 . Метод SASS5 используется Департаментом водных ресурсов Южной Африки в качестве стандартного метода оценки состояния рек, который используется в национальной программе здоровья рек и в национальной базе данных по рекам.

Стандарты и отчеты

При установлении стандартов агентства принимают политические и технические / научные решения в зависимости от того, как будет использоваться вода. В случае с естественными водными объектами агентства также дают разумную оценку нетронутого состояния. Природные водные объекты будут варьироваться в зависимости от условий окружающей среды в регионе, при этом на состав воды влияют окружающие геологические особенности, отложения и типы горных пород, топография , гидрология и климат. Ученые- экологи и водные геохимики работают над интерпретацией параметров и условий окружающей среды, которые влияют на качество воды в регионе, что, в свою очередь, помогает определить источники и судьбу загрязнителей . Юристы- экологи и лица, определяющие политику, работают над определением законодательства с целью поддержания качества воды, надлежащего для ее установленного использования.

Другое общее представление о качестве воды - это простое свойство, которое говорит о том, загрязнена ли вода или нет. Фактически, качество воды - сложный вопрос, отчасти потому, что вода - это сложная среда, неразрывно связанная с экологией , геологией и антропогенной деятельностью региона. Промышленная и коммерческая деятельность (например, производство , добыча полезных ископаемых , строительство , транспорт ) являются основной причиной загрязнения воды, так же как и стоки с сельскохозяйственных территорий, городские стоки и сброс очищенных и неочищенных сточных вод .

Международный

  • Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) опубликовала рекомендации по контролю качества питьевой воды (GDWQ) в 2011 году.
  • Международная организация по стандартизации (ISO) опубликовала регулирование качества воды в разделе ICS 13.060, начиная от отбора проб воды, питьевой воды, воды класса промышленных, сточных вод, а также экспертизы воды для химических, физических или биологических свойств. ICS 91.140.60 охватывает стандарты систем водоснабжения.

Национальные требования к воде для питья и окружающей среды

Европейский Союз

Водная политика Европейского Союза в основном кодифицирована в трех директивах :

Индия

Южная Африка

Руководящие принципы качества воды для Южной Африки сгруппированы в соответствии с типами потенциальных пользователей (например, домашние, промышленные) в Руководящих принципах качества воды 1996 года. Качество питьевой воды регулируется Южноафриканским национальным стандартом (SANS) 241 «Спецификация питьевой воды».

Объединенное Королевство

В Англии и Уэльсе допустимые уровни питьевого водоснабжения перечислены в «Правилах водоснабжения (качества воды) 2000 года».

Соединенные Штаты

В Соединенных Штатах стандарты качества воды устанавливаются государственными агентствами для различных водоемов, руководствуясь желаемым использованием водного объекта (например, среда обитания рыб, питьевое водоснабжение, рекреационное использование). Закон о чистой воде (CWA) требует, чтобы каждая управляющая юрисдикция (штаты, территории и охваченные племенными образованиями) представляла набор двухгодичных отчетов о качестве воды в их районе. Эти отчеты известны как отчеты 303 (d) и 305 (b), названные в честь соответствующих положений CWA, и представляются и утверждаются EPA. Эти отчеты заполняются регулирующей юрисдикцией, обычно государственным агентством по охране окружающей среды . EPA рекомендует, чтобы каждое государство представило единый «Интегрированный отчет», включающий список загрязненных вод и состояние всех водных объектов в штате. Инвентаризации Национальный отчет качества воды Конгрессу общий отчет по качеству воды, обеспечивая общую информацию о количестве миль ручьев и рек и их агрегатного состояния. CWA требует, чтобы государства приняли стандарты для каждого из возможных назначенных видов использования, которые они назначают своим водам. Если доказательства предполагают или документально подтверждают, что ручей, река или озеро не соответствуют критериям качества воды для одного или нескольких назначенных видов использования, они включаются в список загрязненных вод. После того, как государство включило водный объект в этот список, оно должно разработать план управления, устанавливающий общие максимальные суточные нагрузки (TMDL) для загрязняющих веществ, ухудшающих использование воды. Эти TMDL устанавливают сокращения, необходимые для полной поддержки обозначенного использования.

Стандарты питьевой воды, которые применимы к общественным системам водоснабжения , издаются EPA в соответствии с Законом о безопасной питьевой воде .

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

Международные организации
Европа
Южная Африка
Соединенные Штаты
Другие организации