Принципы определения показателя мутности в сточной, природной и питьевой воде

 

Мутность (турбидность) воды – визуальный органолептический показатель её безопасности и качества. Лабораторные исследования проб из различных источников, – водопроводный кран, скважина, река, озеро, подземный ручей, стоки, – показывают уровень химической и биологической контаминации только после скрупулезного аналитического контроля. Неприглядный внешний облик мутной жидкости виден сразу, поэтому закономерно вызывает у частных пользователей и промышленников отторжение. Существуют небезосновательные сомнения относительно возможности её использования. Сначала анализ – потом принятие решения. Необходимо понять, как минимизировать количество примесей неорганических и органических загрязнителей.

Тонкодисперсные примеси в воде

Причина турбидности воды в той или иной степени – присутствие в ней тонкодисперсных взвешенных частиц, не обладающих способностью к полноценному растворению. Стандартный размер мелкодисперсных частиц укладывается в диапазон: 0,004 – 1 мм.

Специалисты прозвали мутность воды метким термином «облачность» за ее внешнее сходство с «грязным» небом с плывущими по нему разноцветными тучами.

Характеристики мутности и прозрачности воды

Между понятиями «мутность» и «прозрачность» существует тесная взаимосвязь: чем выше первый показатель, тем ниже второй. Выбор показателя зависит от целеполагания исследователя. Например, многие производственные процессы требуют воды безупречной прозрачности, а центры контроля качества вод следят за их мутностью.

Состав тонкодисперсных веществ

Как правило, в составе природных источников находятся: песок, глина, ил, водоросли и микроорганизмы. Неорганические химические элементы представлены соединениями алюминия, солями карбонатного характера, оксидами железа и марганца в коллоидной форме. Органические вещества – различные соединения углерода, образующие маслянистые пятна на поверхности воды. Отдельные роль в процессе замутнения воды играют зоопланктон, растительные микроорганизмы, бактерии.

«Начинка» тонкодисперсных образований целиком и полностью зависит от региона, климатических условий, времени года, соседства с промышленными объектами и сельскохозяйственными угодьями, использующими в технологических цепочках широкое разнообразие химических веществ.

Причина появления в стоках

Характерное снижение прозрачности стоков чаще всего обусловлено нарушениями в механизме технологических циклов на крупных промышленных объектах, утечками химических запасов со складов, неграмотным использованием минералов, пестицидов, удобрений в сельском хозяйстве, халатностью персонала. Увеличение мутности в зависимости от первопричины можно поделить на 3 группы.

Природные источники

Активными поставщиками нерастворимой «грязи» в сточные воды, как химической, так и биологической породы, чаще всего становятся: дожди, растаявшие снежные покровы, ледники, лавины, сели, бурные паводки, грунтовые воды. Встреча соленых морских вод с речными артериями в местах их слияния – ещё одна причина природного замутнения вод.

Бытовые

Быт жителей многоквартирных домов, частных городских и загородных владений; деятельность крестьянских хозяйств, мелкого и среднего бизнеса (химчистки, точки общественного питания, отели, гостиничные комплексы, санатории, торговые центры, зоны развлечений и отдыха, спортивные комплексы) – всё это прямо или косвенно влияет на чистоту (прозрачность) вод.

Работа промышленности

Работа предприятий нефтеперерабатывающей отрасли, тяжелого машиностроения, горнодобывающих и рудные комбинатов наносит значительный вред водоёмам, снижает чистоту вод. К ним можно присовокупить деятельность транспорта – они создают пыль на дорогах, которая оседает в водоёмах.

Нормы для питьевой и сточной воды

По российскому санитарному законодательству показатель «мутность воды» строго нормируется сразу в нескольких документах, указанных в таблице 1:

Таблица 1

Вид воды	Регламентирующий документ	Допустимый предел в ЕМФ (единицах мутности по формазину ЕМ/л)
Упакованная питьевая вода, включая её природную минеральную разновидность: обработанная, купажированная, в том числе искусственно-минерализованная для: взрослых, детей	ТР ЕАЭС 044/2017	1 0,5
Вода, расфасованная в емкости: высшая категория; первая категория	СанПиН 2.1.4.1116-02	1 0,5
Вода централизованного питьевого водоснабжения	СанПиН 2.1.4.1074-01	2,6 (3,5)*
Вода нецентрализованного водоснабжения	СанПиН 2.1.4.1175-02	в пределах 2,6-3,5*
Поверхностные воды, в том числе стоки**: при сбросе сточных вод, производстве работ на водном объекте и в прибрежной зоне содержание взвешенных веществ в контрольном створе (пункте) не должно увеличиваться по сравнению с естественными условиями более чем на: питьевое, хозяйственное, бытовое снабжение водой, в том числе для нужд пищевых предприятий; рекреационное использование, нужды населенных пунктов	СанПиН 2.1.5.980-00	Присутствие взвешенных веществ (показатель мутность – не нормируется):     0,25 мг/дм3   0,75 мг/дм3
Поверхностные воды, в том числе стоки всех видов	СанПиН 2.1.5.980-00	Плавающие примеси (условно создающие дополнительную мутность): на поверхности воды не должны обнаруживаться пленки нефтепродуктов, масел, жиров и скопление других примесей
Примечания: * устанавливается на региональном уровне, в единицах по каолину (мг/л) имеет значение – 1,5 (2); ** Для водных объектов, содержащих в пределах более 30 мг/дм3 природных взвешенных веществ, допускается увеличение их содержания в воде в пределах 5 %. Взвеси со скоростью выпадения более 0,4 мм/с для проточных водоемов и более 0,2 мм/с для водохранилищ к спуску запрещаются.

Международная система здравоохранения совместно с экспертами ВОЗ не считает турбидность воды особо опасным для здоровья людей, животных и растений показателем, приписывая потере прозрачности скорее субъективные эстетические свойства.

По внешнему виду источникам воды, по их мнению, достаточно находиться в пределах 5 «западных» единиц NTU. В том случае, если появились замечания со стороны санитарных служб, начинать мероприятия по обеззараживанию, следует при достижении 1 NTU*.

*NTU (Nephelometric Turbidity Unit) повсеместно для служебного пользования переводится в более привычные для всех континентов и стран, в том числе для России, мг/л, учитывая большую погрешность в исчислении западной единицы, применяемой США и ВОЗ. Слово Turbidity переводится с английского языка, как «мутность».

Диапазон выглядит следующим образом – 1 NTU = 0.13 мг/литр, если это кремнезём в формации диатомита, 1 NTU = 1 мг/л, если применялся каолин.

Единицы измерения мутности

В химических справочниках, учебной литературе для специалистов, методиках по определению этого показателя в контексте понятия «мутность воды» используют разные единицы измерения количественной характеристики. Основа – исходная шкала стандартов, содержащая искусственно смоделированные концентрации взвешенных частиц. Базовая платформа – «считывание» колебаний интенсивности светового потока, проникающего через плавающие в пробах взвеси.

Мутность по каолину (мг/л)

Эталонная суспензия – белая глина каолина в мелкодисперсной формации. Полученный результат отображается в мг/л (дм³).

По формазину (ЕМФ)

Стандартный раствор со взвесями готовят на основе полимеров формазина. Аббревиатура этой единицы измерения мутности в воде наиболее часто встречаемый вариант в российских документах – ЕМФ. В полной версии звучит как «единицы мутности по формазину на 1 литр (дм³)».

Прочие показатели

Использование прочих единиц измерения мутности воды скорее характерно для зарубежных химиков. В России используется в случае работы со стандартами ISO, EPA, ASBS. Дословные технические переводы терминов в различных источниках разнятся, но понять их суть и угадать виды используемых коллегами стандартов взвешенных частиц вполне можно:

• FNU (formazine Nephelometric Unit) – единица турбидности по формазину для нефелометров;
• NTU (Nephelometric Turbidity Unit) – нефелометрическая единица мутности;
• JTU (Jackson Turbidity Unit) – единица мутности Джексона;
• FTU (formazine turbidity unit) – единица мутности по формазину;
• NTRU – единица турбидности в системе

Специалистам, связанным с аналитическим контролем разных видов воды, следует помнить, что метрологические аспекты калибровки для всех этих единиц измерений лежат в разных плоскостях. Пересчитать результаты, полученные в ходе применения методик можно, но эти действия будут иметь скорее теоретический, чем полезный практический характер.

Как перевести?

На математическом языке «химия мутности» воды выглядит следующим образом:

1 FTU = 1 ЕМФ = 1 ЕМ/литр = 1 FTU = 1 FNU = 1 NTU = 0,053 JTU.

Перевод в мг/л всегда чреват числовыми потерями и грешит в точности. Поэтому химики предпочитают придерживаться выбранного варианта методики и экспериментировать только в крайних случаях.

В российских национальных стандартах рекомендовано придерживаться условного соответствия формуле: 1 ЕМФ=0,58 мг/дм³ (по каолину).

Методики определения мутности по ГОСТ

На территории Российской Федерации в вопросах определения концентрации взвешенных частиц в воде разного формата стоит придерживаться нормативных документов, указанных в таблице 2:

Таблица 2

Обозначение документа	Наименование документа	Статус	Область применения
ГОСТ Р 57164-2016	Вода питьевая. Методы определения запаха, вкуса и мутности	Действует с 01.01.2018.	Распространяется на природную и питьевую воду, в том числе расфасованную в емкости
ГОСТ 3351-74	Вода питьевая. Методы определения вкуса, запаха, цветности и мутности	Утратил силу на территории РФ с 01.01.2018.	Распространяется на питьевую воду
ПНД Ф 14.1:2:3.110-97	Методика измерений массовой концентрации взвешенных веществ в пробах природных и сточных вод гравиметрическим методом	Действует	Распространяется на природные (поверхностные и подземные) и сточные воды

Каждый из предложенных методов исследования воды на мутность имеет результативные параметры, позволяющие аналитикам выбрать самый оптимальный вариант работы. Основные характеристики технических и химических приемов собраны в таблице 3:

Таблица 3

Регламентирующий документ	Суть методики	Диапазон измерений	Погрешность
ГОСТ Р 57164-2016	Определение мутности с использованием оптических приборов (нефелометр или турбидиметр)*	Нижний предел обнаружения – 1 ЕФМ	Относительная погрешность при вероятности Р=0,95 лежит в диапазонах: 1-15 ЕФМ – 20%; свыше 15 ЕФМ – 14%
ГОСТ 3351-74	Выявление мутности с помощью показаний фотоэлектроколориметра	Нижний предел обнаружения: – 0,5 мг/ дм3 каолина; – 1 ЕМ/дм3 формазина	Не обозначена
ПНД Ф 14.1:2:3.110-97	Измерение массовой концентрации взвешенных веществ с применением мембранных фильтров и последующим взвешиванием полученного осадка	3-5000 мг/дм3	Относительная погрешность при вероятности Р=0,95 лежит в диапазонах: 3-10 мг/дм3 – 30%; 10-50 мг/дм3 – 20% 50-5000 мг/дм3 -10%
*Примечания: *Нефелометрический метод лучше зарекомендовал себя при значениях мутности до 40 ЕФМ в исследуемой пробе, при больших значениях «облачности» лучше использовать турбидиметрию.

Многолетняя практика аналитиков позволила сделать вывод, что самыми эффективными методиками в ходе исследований оказались методы сравнения, фотоэлектроколориметрия, нефелометрия, турбидиметрия.

Интересный факт! Среди «полевых» методик определения турбидности экологи чаще всего отдают предпочтение диску Секки. Принцип его применения прост: пока погруженное в воду устройство с самим диском и утяжелителем его массы (грузиком), видимо глазам, показания не фиксируют. Мера видимости служит показателем «мутности». Значения расстояния служат мерой мутности исследуемой водной среды.

Методы сравнения и их особенности

Любые сравнительные способы оценки мутности базируются на «диагностике» состояния стандартных суспензий и «подопытной» воды.

Дистиллированная (бидистиллированная) вода должна иметь минимальную мутность, не превышающую 0,2 ЕМФ.

Для проведения серии сравнений не может быть использовано менее 5-6 рабочих растворов «искусственных» взвесей, равномерно охватывающих рабочий диапазон используемого оборудования.

Для чистоты проведения анализа его лучше проводить не позднее 24 часов после отбора проб. В противном случае пробы обязательно должны быть законсервированы (на 1 дм³ исследуемой жидкости – 2-4 мл хлороформа).

Фотометрические принципы

Для испытаний подойдет любой тип фотоэлектроколориметра с зеленым светофильтром. Длина волны – 530 нм. Кюветы стандартные. Длина слоя, поглощающего свет – 100 и 50 мм. Для прибора не важно, какими стандартными суспензиями придется оперировать: каолина или формазина.

Перед каждой линейкой проб обязательная калибровка по одному из вариантов:

• стандартные суспензии мутности с заранее известной оптической плотностью в твердой формации;
• жидкие стандартные суспензии с заданной оптической плотностью.

Перед аналитикой пробы нужно ее тщательно взболтать. Ориентиром по выбору стандарта воды в кювете служит цветность той же пробы: до 10° Сr-Со шкалы ориентируются на бидистиллят, выше этого значения на специально подготовленную в центрифуге исследуемую пробу воды.

Окончательный результат определяют по заранее сделанному градуированному графику.

Мутномеры (нефелометры, турбидиметры)

Средства измерения (СИ), используемые для определения показателей качества проб воды с функцией мутномеров, в роли которых выступают нефелометры, турбидидиметры, анализаторы мутности нефелометрические, должны обладать рядом сходных технических параметров:

• падающее излучение отвечает длине волны в 860 нм;
• размер ширины спектральной полосы, призванной пропускать падающее излучение – < или = 60 нм;
• искомый угол между оптической осью падающего и рассеянного излучения при этом должен составлять 90,0° (±2,5°).

Нижняя граница любого из анализаторов мутности воды не должна быть меньше 1 ЕМФ.

EPA- и ISO-совместимые

Для эффективной работы испытательного центра, занимающегося вопросами исследований проб воды различного формации, будет нелишним знать, что самыми инновационными СИ в этой сфере ныне считаются те, что способны работать не только в соответствии с требованиями национальных ГОСТов, но и в рамках стандартов EPA 180.1 и ISO 7027.

О плюсах и минусах EPA

EPA-совместимые СИ для выявления уровня мутности воды предназначены для адаптации с международным стандартом EPA 180.1. Превосходно работают в случае анализа таких видов воды, как:

• водопроводная;
• бутилированная (расфасованная в той или иной вид емкости);
• морская;
• поверхностная (реки, озера, пруды);
• грунтовая и паводковая;
• сточная.

Предполагаемый диапазон измерений: от 0 до 40 единиц NTU. Источник светового потока – вольфрамовые лампы, цветовые температурные показатели в градусах Кельвина: 2200-3000. Спектральный отклик пика – 400-600 нм. Погрешность методик лежит в диапазоне – 0,02 NTU.

Безусловное преимущество этих средств измерений – четкость результатов анализов почти «чистой» воды из категории, предназначенной для питья. Важен тот факт, что они признаются всеми нормативными базами EPA в качестве достоверных результатов испытаний. Досадный недостаток – низкое распознавание мутности в «цветных» образцах.

Преимущества и недостатки ISO

По популярности занимают второе место после системы EPA. Во многом сходны с ними по техническим требованиям. Источник света для этих СИ – инфракрасный светодиод, с длиной волны 860 нм и шириной спектральной полосы излучения – 60 нм.

Явное достоинство методик – они прекрасно себя чувствуют даже при работе с пробами, имеющими высокий уровень цветности. Еще один плюс – четкость результатов при высоких значениях турбидности в пробах. Протоколы, выписанные на основе применения стандартов ISO, не имеют юридической силы только на территории США.

Калибровка и проверка мутномера

Для поддержания мутномеров в рабочем состоянии надо с ними бережно обращаться, соблюдать периодичность рекомендуемых калибровок и поверок.

Для калибровки желательно использовать те гелевые образцы, что входят в комплектацию оборудования. Если таковых нет, необходимо приготовить из формазина суспензию со «стойким» значением турбидности – 4000 ЕМФ.

Калибровку и градуировку СИ можно проводить только при условии четкого следования инструкции, прилагаемой к прибору. Рекомендуемая периодичность градуировки – 1 раз в полгода. Проверка стабильности её состояния – 1 раз в месяц. При смене рабочих кювет, градуировочные параметры надо перепроверить, привести в соответствие, если нужно.

В случае возникновения сомнений в адекватности работы прибора, аналитикам следует обратится за советом к заводу-изготовителю.

Периодичность производственного аудита точности измерений зависит от числа проб воды, уровня внутрилабораторного контроля системы качества аналитических работ, который устанавливается в каждом испытательном центре в индивидуальном формате.

Какой выбрать?

Какой нефелометр, турбидиметр, анализатор мутности выбрать? Всё зависит от профессиональных, санитарных, промышленных задач, поставленных перед испытательной лабораторией.

Оптимальный вариант для тех, кто имеет дело со всеми видами воды – прибор, работающий в широком диапазоне показателя «мутность». Если требуется проводить аналитический контроль проб воды – нужно СИ с максимальным нижним пределом обнаружения. Предстоит принимать на испытания стоки (сильно загрязненные химической и биологической контаминацией), поверхностные и надземные воды. Надо выбирать оборудование, работающее с высокими значениями этого показателя.

Как повысить точность измерений?

На чистоту ежедневных экспериментов оказывают опосредованное влияние следующие факторы:

• Используемые кюветы должны находиться в идеальном состоянии, быть тщательно вымытыми, не иметь царапин и сколов.
• Лучший маскировщик дефектов на поверхности кювет – силиконовое масло.
• Для калибровки приборов лучше использовать свежеприготовленные стандартные суспензии.
• Пробы с высокой долей мутности необходимо корректировать разбавлением прозрачной водой. Отметим, что результаты в этом случае пересчитывают с учетом использованного коэффициента разбавления.
• Перед началом испытания не помешает дополнительная протирка кювет чистым тканевым материалом без ворса.

Определение органолептического показателя «мутность воды» имеет важное значение для сохранения здоровья потребителей, создания санитарного заслона некачественным питьевым запасам, работе над очисткой стоков, улучшению экологического состояния планеты. Точность результатов позволяет справляться со всеми этими проблемами быстро и слаженно. К выбору методики, оборудования, принципов аналитического контроля нужно подходить со всей серьезностью.