Цели и задачи тестирования мониторинга качества воды

 Цели и задачи тестирования при мониторинге качества воды 

 Введение

Мониторинг качества воды является важнейшим инструментом для оценки состояния водных объектов, выявления источников загрязнения и управления водными ресурсами. Путем систематического измерения физических, химических и микробиологических показателей мониторинг качества воды обеспечивает научную основу для защиты окружающей среды, общественного здравоохранения и промышленного производства. Различные виды использования воды (например, питьевая, промышленная, сельскохозяйственная) имеют разные требования к качеству, что приводит к различным целям и задачам мониторинга. В данной статье подробно рассматриваются цели тестирования, задачи и ключевые показатели мониторинга качества воды, анализируется их значение в различных сценариях применения и обсуждаются связанные с ними технологические тенденции.

 Цели тестирования при мониторинге качества воды

Целью мониторинга качества воды является количественный анализ типов, концентраций и тенденций изменения загрязняющих веществ в водных объектах, оценка состояния качества воды и обеспечение данных для защиты водных ресурсов, контроля загрязнения и управления экологией. Конкретные цели включают: 

1. Обеспечение общественного здравоохранения

   - Мониторинг питьевой воды: Гарантирует, что источники питьевой воды соответствуют стандартам безопасности, предотвращая угрозу здоровью человека со стороны вредных веществ (например, патогенов, тяжелых металлов, органических загрязнителей).

   - Задача: Контроль физических (например, цветность, мутность), химических (например, тяжелые металлы, аммонийный азот) и микробиологических (например, общие колиформные бактерии) показателей для обеспечения соответствия национальным стандартам, таким как Стандарты качества питьевой воды (GB 5749-2022). 

2. Защита водных экосистем

   - Мониторинг поверхностных вод: Оценивает уровни загрязнения в реках, озерах и водохранилищах для предотвращения эвтрофикации, цветения водорослей и экологического дисбаланса.

   - Задача: Мониторинг химического потребления кислорода (ХПК), общего фосфора (TP), общего азота (TN) и других показателей для анализа источников загрязнителей и путей их миграции, поддерживая экологическое восстановление и систему управления «Речных начальников». 

3. Поддержка промышленного производства

   - Мониторинг промышленной воды: Гарантирует соответствие качества воды производственным нуждам, предотвращая такие проблемы, как снижение качества продукции или повреждение оборудования (например, коррозия трубопроводов, образование накипи).

   - Задача: Контроль pH, жесткости, содержания взвешенных веществ и специфических химикатов для обеспечения пригодности воды для промышленных процессов (например, котловая вода, фармацевтическая вода). 

4. Контроль загрязнения и регулирование

   - Мониторинг сточных вод: Контроль сбросов промышленных и бытовых сточных вод для оценки эффективности очистки и обеспечения соответствия стандартам выбросов (например, Стандарт сброса загрязняющих веществ для городских очистных сооружений GB 18918-2002).

   - Задача: Отслеживание источников загрязнения путем мониторинга ХПК, аммонийного азота, общего фосфора и т.д. для усиления регулирования и предотвращения незаконных сбросов. 

5. Аварийное реагирование и мониторинг инцидентов

   - Внезапные случаи загрязнения: Быстрое обнаружение разливов химикатов, нефтяного загрязнения или других инцидентов для оценки их масштаба и серьезности.

   - Задача: Предоставление данных в реальном времени для руководства аварийными мерами и минимизации экологических и экономических потерь. 

6. Поддержка научных исследований

   - Накопление данных: Анализ распределения, миграции и закономерностей трансформации загрязняющих веществ посредством долгосрочного мониторинга для прогнозирования тенденций качества воды.

   - Задача: Обеспечение поддержки данных для моделирования водной среды, технологий предотвращения загрязнения и стратегий экологической защиты.

 Задачи мониторинга качества воды

Задачи мониторинга качества воды заключаются в научном обосновании выбора показателей и частоты мониторинга на основе использования водного объекта и экологических потребностей, обеспечивая репрезентативность, точность и полезность данных. Конкретные задачи включают:

- Количественная оценка качества воды: Комплексное отражение уровней загрязнения и состояния здоровья через физические, химические и микробиологические показатели.

- Идентификация источников загрязнения: Анализ концентраций и распределения загрязнителей для отслеживания точечных источников (например, промышленные сбросы) и диффузных источников (например, сельскохозяйственные стоки).

- Оценка эффективности очистки: Мониторинг воздействия станций очистки сточных вод, проектов экологического восстановления или мер по контролю загрязнения для оптимизации стратегий.

- Предупреждение о рисках загрязнения: Использование онлайн-мониторинга в реальном времени для своевременного обнаружения аномалий качества воды и предотвращения распространения загрязнения.

- Поддержка разработки политики: Предоставление данных для управления водными ресурсами, системы «Речных начальников» и интеллектуальных систем водоснабжения для содействия точному управлению и устойчивому развитию.

 Ключевые показатели мониторинга качества воды

Выбор показателей мониторинга качества воды зависит от использования водного объекта и целей мониторинга, охватывая физические, химические и микробиологические категории. Ниже приведены общие ключевые показатели и их значение: 

1. Цветность

   - Определение: Отражает окраску воды, обычно вызванную растворенным органическим веществом, ионами металлов или взвешенными твердыми частицами; выражается в платиново-кобальтовых единицах (PCU).

   - Значение: Высокая цветность влияет на эстетическое качество и восприятие питьевой воды. Национальные стандарты требуют, чтобы цветность питьевой воды не превышала 15 PCU, при значениях выше 30 PCU вызывается неудовлетворенность пользователей.

   - Методы измерения: Спектрофотометрия или визуальное сравнение цветов.

   - Применение: Питьевая вода, мониторинг живописных водных объектов. 

2. Мутность

   - Определение: Указывает на прозрачность воды, вызванную взвешенными частицами (например, осадком, микроорганизмами); выражается в NTU (нефелометрическая единица мутности).

   - Значение: Высокая мутность увеличивает сложность дезинфекции, снижает эффективность стерилизации и может переносить бактерии или вирусы. Для питьевой воды обычно требуется мутность ниже 1 NTU.

   - Методы измерения: Датчики мутности (рассеяние света) или спектрофотометрия.

   - Применение: Очистка питьевой воды, очистка сточных вод, мониторинг поверхностных вод. 

3. Запах и вкус

   - Определение: Запах вызывается летучими органическими соединениями, сульфидами или продуктами микробного разложения; вкус влияет на опыт потребления.

   - Значение: Запахи указывают на ухудшение качества воды, возможно, из-за загрязнения сырой воды или неадекватной очистки. Питьевая вода не должна иметь заметного запаха.

   - Методы измерения: Сенсорная оценка или газохромато-масс-спектрометрия (ГХ-МС) для летучих соединений.

   - Применение: Источники питьевой воды, мониторинг стоков очистных сооружений. 

4. Видимые вещества (Взвешенные вещества)

   - Определение: Видимые частицы или взвешенные вещества в воде, такие как мусор, осадок или органические остатки.

   - Значение: Влияет на прозрачность воды и экологическое здоровье, потенциально перенося загрязнители или патогены.

   - Методы измерения: Гравиметрический метод (фильтрация и взвешивание) или оптическое наблюдение.

   - Применение: Поверхностные воды, мониторинг поступающих стоков очистных сооружений. 

5. Остаточный хлор

   - Определение: Количество эффективного хлора, остающегося после хлорирования воды; выражается в мг/л.

   - Значение: Остаточный хлор обеспечивает непрерывную стерилизацию и предотвращает вторичное загрязнение трубопроводов, но избыточные уровни могут образовывать побочные продукты, такие как хлороформ. Остаточный хлор в питьевой воде обычно контролируется на уровне 0,05–0,5 мг/л.

   - Методы измерения: Колориметрический метод DPD или электрохимический метод.

   - Применение: Водоочистные станции, мониторинг вторичного водоснабжения. 

6. Химическое потребление кислорода (ХПК)

   - Определение: Представляет собой количество органических веществ и восстановителей, окисленных сильным окислителем; выражается в мг/л.

   - Значение: Более высокий ХПК указывает на большее количество органических загрязнителей, отражая серьезность загрязнения. Обычно используется для оценки промышленных сточных вод и бытовых отходов.

   - Методы измерения: Бихроматный метод, метод УФ-абсорбции.

   - Применение: Очистка сточных вод, мониторинг загрязнения рек. 

7. Общее микробное число

   - Определение: Общее количество жизнеспособных бактерий в воде; выражается в КОЕ/мл (колониеобразующих единиц на миллилитр).

   - Значение: Отражает уровни микробного загрязнения. Стандарты питьевой воды требуют, чтобы общее микробное число было ниже 100 КОЕ/мл.

   - Методы измерения: Посев на чашки Петри или мембранная фильтрация.

   - Применение: Питьевая вода, мониторинг качества воды в бассейнах. 

8. Общие колиформные бактерии

   - Определение: Группа микроорганизмов, указывающая на фекальное загрязнение; выражается в НВЧ/100 мл (наиболее вероятное число) или КОЕ/100 мл.

   - Значение: Высокие уровни указывают на фекальное загрязнение и потенциальное наличие патогенов. Стандарты питьевой воды ограничивают общие колиформы до 3 НВЧ на 100 мл.

   - Методы измерения: Многотрубочный метод брожения или мембранная фильтрация.

   - Применение: Источники питьевой воды, мониторинг стоков очистных сооружений. 

9. Термотолерантные колиформные бактерии

   - Определение: Подгруппа колиформ, растущих при 44,5°C; выражается в НВЧ/100 мл или КОЕ/100 мл.

   - Значение: Более точно указывает на фекальное загрязнение человеком или животными, ключевой показатель безопасности питьевой воды.

   - Методы измерения: Многотрубочный метод брожения или селективные питательные среды.

   - Применение: Оценка безопасности питьевой воды, отслеживание источников загрязнения. 

10. Другие ключевые показатели

В зависимости от целей мониторинга дополнительные показатели могут включать:

- pH: Отражает кислотность/щелочность воды, обычно 6,5–8,5 для питьевой воды.

- Растворенный кислород (DO): Указывает на способность воды к самоочищению; поверхностные воды требуют DO выше 5 мг/л.

- Общий фосфор (TP)/Общий азот (TN): Оценка риска эвтрофикации, критически важна для мониторинга озер и водохранилищ.

- Тяжелые металлы (например, свинец, кадмий, ртуть): Контролируются при промышленном загрязнении, имеют строгие лимиты для питьевой воды.

- Аммонийный азот: Отражает органическое разложение и сельскохозяйственное загрязнение; ограничен до 0,5 мг/л в питьевой воде.

 Критерии выбора показателей мониторинга

Выбор показателей мониторинга качества воды зависит от следующих факторов:

1. Использование водного объекта:

   - Питьевая вода: Акцент на цветность, мутность, остаточный хлор, общее микробное число и колиформы.

   - Промышленная вода: Упор на pH, жесткость, взвешенные вещества и специфические химикаты.

   - Поверхностные воды: Приоритет ХПК, общему фосфору, общему азоту и растворенному кислороду.

2. Нормативные стандарты: Ссылка на Стандарт качества окружающей среды для поверхностных вод (GB 3838-2002), Стандарты качества питьевой воды (GB 5749-2022) и т.д.

3. Характеристики загрязнения: Выбор показателей на основе источников загрязнения (например, промышленные сбросы, сельскохозяйственные стоки).

4. Частота и стоимость мониторинга: Баланс между точностью и стоимостью, выбор онлайн-датчиков или лабораторного анализа. 

 Технологии и системы мониторинга качества воды

- Лабораторный анализ: Спектрофотометрия, атомно-абсорбционная спектроскопия для высокоточного анализа.

- Приборы онлайн-мониторинга: Многопараметрические датчики (pH, ХПК, мутность и т.д.) для мониторинга в реальном времени.

- Системы мониторинга: Состоят из датчиков, регистраторов данных и центров управления, интегрированных с IoT для удаленного управления.

- Портативные устройства: Подходят для полевого мониторинга и аварийного реагирования. 

 Будущие тенденции

- Интеллектуальные технологии: Использование ИИ для прогнозирования тенденций качества воды и оптимизации планов мониторинга.

- Многопараметрическая интеграция: Разработка датчиков, объединяющих несколько показателей для снижения затрат.

- IoT и большие данные: Обеспечение передачи и обмена данными в реальном времени через облачные платформы для интеллектуальных систем водоснабжения.

- Зеленые технологии: Продвижение безреагентных методов (например, мониторинг на основе УФ) для снижения воздействия на окружающую среду.

- Дистанционное зондирование: Сочетание спутников и дронов для мониторинга водных объектов на больших территориях.

 Заключение

Цели тестирования при мониторинге качества воды включают обеспечение общественного здравоохранения, защиту водных экосистем, поддержку промышленного производства, контроль загрязнения и продвижение научных исследований. Путем измерения ключевых показателей, таких как цветность, мутность, остаточный хлор, ХПК, общее микробное число и колиформы, качество воды может быть всесторонне оценено для удовлетворения различных потребностей. Под влиянием интеллектуальных технологий и IoT мониторинг качества воды развивается в сторону эффективности, точности и устойчивости, обеспечивая надежную поддержку управления водными ресурсами и защиты окружающей среды.