Lấy mẫu và đo lường Chất lượng nước

Sự phức tạp của chất lượng nước được phản ánh trong nhiều loại phép đo các chỉ số chất lượng nước. Các phép đo chính xác nhất về chất lượng nước được thực hiện tại chỗ, vì nước tồn tại ở trạng thái cân bằng với môi trường xung quanh. Các phép đo thường được thực hiện tại chỗ và tiếp xúc trực tiếp với nguồn nước được đề cập bao gồm nhiệt độ, pH, oxy hòa tan, độ dẫn điện, thế khử oxy (ORP), độ đục và độ sâu đĩa Secchi.

Một trạm lấy mẫu tự động được lắp đặt dọc theo Sông Milwaukee nhánh Đông, New Fane, Wisconsin, Hoa Kỳ. Nắp của thiết bị lấy mẫu tự động 24 chai (giữa) được nâng lên một phần, cho thấy các chai mẫu bên trong. Bộ lấy mẫu tự động được lập trình để thu thập các mẫu tại các khoảng thời gian hoặc tương ứng với dòng chảy trong một khoảng thời gian xác định. Bộ ghi dữ liệu (tủ trắng) ghi lại nhiệt độ, độ dẫn điện riêng và mức oxy hòa tan.

Các phép đo phức tạp hơn thường được thực hiện trong phòng thí nghiệm yêu cầu mẫu nước phải được thu thập, bảo quản, vận chuyển và phân tích tại một địa điểm khác. Quá trình lấy mẫu nước đưa ra hai vấn đề quan trọng:

  • Vấn đề đầu tiên là mức độ mà mẫu có thể đại diện cho nguồn nước đang được nghiên cứu. Nhiều nguồn nước thay đổi theo thời gian và vị trí. Việc đo có thể thay đổi theo mùa hoặc từ ngày này sang đêm hoặc để đáp ứng với một số hoạt động của con người hoặc quần thể tự nhiên của thủy thực vật và động vật.[15] Phép đo này có thể thay đổi theo khoảng cách từ ranh giới nước với khí quyển bên trên và đất nằm bên dưới hoặc cố định. Người lấy mẫu phải xác định xem một thời gian và địa điểm duy nhất có đáp ứng được nhu cầu của cuộc điều tra hay không, hoặc liệu việc sử dụng mẫu nước này có thể được đánh giá thỏa đáng bằng các giá trị trung bình theo thời gian và vị trí hay không, hoặc nếu cực đại và cực tiểu tới hạn yêu cầu các phép đo riêng lẻ trong một khoảng thời gian., địa điểm hoặc sự kiện. Quy trình thu thập mẫu phải đảm bảo trọng số chính xác của thời gian và vị trí lấy mẫu riêng lẻ khi lấy trung bình là thích hợp.[16] :39–40 Khi tồn tại các giá trị tối đa hoặc tối thiểu tới hạn, các phương pháp thống kê phải được áp dụng cho sự biến đổi quan sát được để xác định đủ số lượng mẫu để đánh giá xác suất vượt quá các giá trị tới hạn đó.
  • Vấn đề thứ hai xảy ra khi mẫu được lấy ra khỏi nguồn nước và bắt đầu thiết lập trạng thái cân bằng hóa học với môi trường xung quanh mới - thùng chứa mẫu. Dụng cụ chứa mẫu phải được làm bằng vật liệu có khả năng phản ứng tối thiểu với chất cần đo; và việc làm sạch trước các vật chứa mẫu là quan trọng. Các mẫu nước có thể hòa tan một phần của dụng cụ đựng mẫu và bất kỳ dư lượng trên dụng cụ này, hoặc các hóa chất hòa tan trong mẫu nước có thể hấp thụ vào bình chứa mẫu và vẫn ở đó khi nước được đổ ra để phân tích. :4 Các tương tác vật lý và hóa học tương tự có thể xảy ra với bất kỳ máy bơm, đường ống hoặc thiết bị trung gian nào được sử dụng để chuyển mẫu nước vào bình chứa mẫu. Nước thu được từ độ sâu bên dưới bề mặt thường sẽ được giữ ở áp suất giảm của khí quyển; do đó khí hòa tan trong nước có thể thoát ra không gian chưa được lấp đầy ở trên cùng của bình chứa. Khí trong không khí có trong không khí đó cũng có thể hòa tan vào mẫu nước. Các cân bằng phản ứng hóa học khác có thể thay đổi nếu mẫu nước thay đổi nhiệt độ. Các hạt rắn đã phân tan trước đây lơ lửng do nhiễu loạn nước có thể lắng xuống đáy của vật chứa mẫu hoặc pha rắn có thể hình thành từ sự phát triển sinh học hoặc kết tủa hóa học. Các vi sinh vật trong mẫu nước có thể làm thay đổi sinh hóa nồng độ oxy, carbon dioxit và các hợp chất hữu cơ. Thay đổi nồng độ carbon dioxide có thể làm thay đổi độ pH và thay đổi độ hòa tan của hóa chất quan tâm. Những vấn đề này được đặc biệt quan tâm trong quá trình đo các hóa chất được cho là có ý nghĩa ở nồng độ rất thấp.
Lọc mẫu nước được thu thập thủ công (lấy mẫu) để phân tích

Việc bảo quản mẫu có thể giải quyết một phần vấn đề thứ hai. Một quy trình phổ biến là giữ lạnh mẫu để làm chậm tốc độ phản ứng hóa học và sự thay đổi pha, và phân tích mẫu càng sớm càng tốt; nhưng điều này chỉ đơn thuần giảm thiểu những thay đổi hơn là ngăn chặn chúng.[16] :43–45 Quy trình hữu ích để xác định ảnh hưởng của vật chứa mẫu trong thời gian trì hoãn giữa việc thu thập và phân tích mẫu là chuẩn bị cho hai mẫu nhân tạo trước sự kiện lấy mẫu. Một bình chứa mẫu chứa đầy nước được biết từ lần phân tích trước là không chứa lượng hóa chất quan tâm có thể phát hiện được. Mẫu này, được gọi là "mẫu trắng", được mở ra để tiếp xúc với khí quyển khi mẫu quan tâm được thu thập, sau đó được đóng lại và vận chuyển đến phòng thí nghiệm cùng với mẫu để phân tích nhằm xác định xem quy trình giữ mẫu có đưa vào bất kỳ lượng hóa chất đo được nào của quan tâm. Mẫu nhân tạo thứ hai được thu thập cùng với mẫu đang được nghiên cứu, nhưng sau đó được "tăng vọt" với một lượng bổ sung đo được của hóa chất quan tâm tại thời điểm thu thập. Các mẫu trắng và mẫu có gai được mang theo cùng với mẫu quan tâm và được phân tích bằng các phương pháp giống nhau tại cùng một thời điểm để xác định bất kỳ thay đổi nào trong thời gian trôi qua giữa thu thập và phân tích.[17]

Kiểm tra ứng phó với thiên tai và các trường hợp khẩn cấp khác

Sau các sự kiện như động đất và sóng thần, các cơ quan viện trợ sẽ có phản ứng ngay lập tức khi các hoạt động cứu trợ được tiến hành để cố gắng khôi phục cơ sở hạ tầng cơ bản và cung cấp các hạng mục cơ bản cần thiết cho sự tồn tại và phục hồi sau đó.[18] Mối đe dọa của bệnh tật ngày càng gia tăng do số lượng lớn người sống gần nhau, thường xuyên trong điều kiện ẩm thấp và không có vệ sinh thích hợp.[19]

Sau một thảm họa thiên nhiên, liên quan đến việc kiểm tra chất lượng nước, có nhiều quan điểm rộng rãi về cách hành động tốt nhất cần thực hiện và nhiều phương pháp có thể được áp dụng. Các thông số chất lượng nước cơ bản quan trọng cần được giải quyết trong trường hợp khẩn cấp là các chỉ số vi khuẩn học về ô nhiễm phân, dư lượng clo tự do, pH, độ đục và có thể cả độ dẫn điện / tổng chất rắn hòa tan. Trên thị trường có một số bộ dụng cụ thử nước cầm tay được các cơ quan cứu trợ và cứu trợ sử dụng rộng rãi để thực hiện thử nghiệm đó.[20]

Sau những thảm họa thiên nhiên lớn, phải qua một khoảng thời gian đáng kể chất lượng nước mới trở lại như trước đó. Ví dụ, sau trận sóng thần ở Ấn Độ Dương năm 2004, Viện Quản lý Nước Quốc tế (IWMI) có trụ sở tại Colombo đã theo dõi tác động của nước mặn và kết luận rằng các giếng đã phục hồi chất lượng nước uống trước sóng thần một năm rưỡi sau sự kiện này.[21] IWMI đã phát triển các quy trình làm sạch giếng bị nhiễm mặn; những điều này sau đó đã được Tổ chức Y tế Thế giới chính thức xác nhận như một phần của loạt Hướng dẫn Khẩn cấp.

Phân tích hóa học

Một máy sắc ký khíkhối phổ kế đo thuốc trừ sâu và các chất ô nhiễm hữu cơ khác

Các phương pháp phân tích hóa học đơn giản nhất là những phương pháp đo lường các nguyên tố hóa học mà không liên quan đến hình thức của chúng. Ví dụ, phép phân tích nguyên tố đối với oxy sẽ chỉ ra nồng độ 890 g / L (gam trên lít) mẫu nước vì oxy (O) có 89% khối lượng phân tử nước (H 2 O). Phương pháp được chọn để đo lượng oxy hòa tan cần phân biệt giữa oxy diatomic và oxy kết hợp với các nguyên tố khác. Tính đơn giản so sánh của phân tích nguyên tố đã tạo ra một lượng lớn dữ liệu mẫu và chỉ tiêu chất lượng nước cho các nguyên tố đôi khi được xác định là kim loại nặng. Phân tích kim loại nặng trong nước phải xem xét các hạt đất lơ lửng trong mẫu nước. Những hạt đất lơ lửng này có thể chứa một lượng kim loại có thể đo được. Mặc dù các hạt không hòa tan trong nước nhưng chúng có thể bị tiêu thụ bởi những người uống nước. Thêm axit vào mẫu nước để tránh mất kim loại hòa tan vào vật chứa mẫu có thể hòa tan nhiều kim loại hơn từ các hạt đất lơ lửng. Tuy nhiên, việc lọc các hạt đất khỏi mẫu nước trước khi thêm axit có thể làm thất thoát các kim loại hòa tan vào bộ lọc.[22] Sự phức tạp của việc phân biệt các phân tử hữu cơ tương tự còn khó khăn hơn.

Quang phổ huỳnh quang nguyên tử được sử dụng để đo thủy ngân và các kim loại nặng khác

Thực hiện các phép đo phức tạp này có thể tốn kém. Vì các phép đo trực tiếp về chất lượng nước có thể tốn kém, các chương trình giám sát liên tục thường do các cơ quan chính phủ tiến hành. Tuy nhiên, có các chương trình tình nguyện địa phương và các nguồn lực có sẵn để đánh giá chung.[23] Các công cụ có sẵn cho công chúng bao gồm bộ dụng cụ kiểm tra tại chỗ, thường được sử dụng cho bể cá gia đình và quy trình đánh giá sinh học.

Giám sát thời gian thực

Mặc dù chất lượng nước thường được lấy mẫu và phân tích tại các phòng thí nghiệm, nhưng kể từ cuối thế kỷ 20, công chúng ngày càng quan tâm đến chất lượng nước uống do các hệ thống thành phố cung cấp. Nhiều công ty cấp nước đã phát triển hệ thống thu thập dữ liệu thời gian thực về chất lượng nước nguồn. Vào đầu thế kỷ 21, nhiều loại cảm biến và hệ thống giám sát từ xa đã được triển khai để đo pH nước, độ đục, oxy hòa tan và các thông số khác. Một số hệ thống viễn thám cũng đã được phát triển để giám sát chất lượng nước xung quanh ở các vùng nước ven sông, cửa sông và ven biển.[24][25]

Chỉ số nước uống

Máy đo độ dẫn điện được sử dụng để đo tổng chất rắn hòa tan

Sau đây là danh sách các chỉ số thường được đo lường:

Các chỉ số môi trường

Các chỉ số vật lý

Chỉ thị hóa học

Các thước đo giám sát sinh học đã được phát triển ở nhiều nơi, và một thước đo được sử dụng rộng rãi là sự hiện diện và phong phú của các thành viên của các bộ côn trùng Ephemeroptera, Plecoptera và Trichoptera (tên thường gọi tương ứng là mayfly, stonefly và caddisfly). Các chỉ số EPT tự nhiên sẽ khác nhau giữa các vùng, nhưng nhìn chung, trong một vùng, số lượng đơn vị phân loại từ các đơn hàng này càng lớn thì chất lượng nước càng tốt. Các tổ chức ở Hoa Kỳ, chẳng hạn như EPA. đưa ra hướng dẫn về việc phát triển một chương trình giám sát và xác định các thành viên của các đơn hàng côn trùng thủy sản này và các loài thủy sinh khác. Nhiều cơ sở xả nước thải của Hoa Kỳ (ví dụ: nhà máy, nhà máy điện, nhà máy lọc dầu, hầm mỏ, nhà máy xử lý nước thải đô thị) được yêu cầu tiến hành các xét nghiệm định kỳ về độc tính toàn bộ nước thải (WET).[26]

Các cá nhân quan tâm đến việc giám sát chất lượng nước không đủ khả năng hoặc quản lý phân tích quy mô phòng thí nghiệm cũng có thể sử dụng các chỉ số sinh học để có được kết quả tổng quát về chất lượng nước. Một ví dụ là chương trình giám sát nước tình nguyện IOWATER của Iowa, bao gồm chìa khóa chỉ thị động vật không xương sống vĩ mô đáy.[27]

Động vật thân mềm hai mảnh vỏ phần lớn được sử dụng làm chất kết hợp sinh học để theo dõi sức khỏe của môi trường nước ở cả môi trường nước ngọt và môi trường biển. Trạng thái hoặc cấu trúc quần thể, sinh lý, hành vi của chúng hoặc mức độ ô nhiễm các nguyên tố hoặc hợp chất có thể cho biết tình trạng ô nhiễm của hệ sinh thái. Chúng đặc biệt hữu ích vì chúng không cuống nên chúng đại diện cho môi trường nơi chúng được lấy mẫu hoặc đặt. Một dự án điển hình là Chương trình theo dõi vẹm của Hoa Kỳ,[28] nhưng ngày nay chúng được sử dụng trên toàn thế giới.

Phương pháp Hệ thống tính điểm Nam Phi (SASS) là một hệ thống giám sát chất lượng nước sinh học dựa trên sự hiện diện của động vật không xương sống sống ở đáy. Công cụ quan trắc sinh học thủy sinh SASS đã được cải tiến trong hơn 30 năm qua và hiện đang ở phiên bản thứ năm (SASS5), đã được sửa đổi cụ thể theo các tiêu chuẩn quốc tế, cụ thể là giao thức ISO / IEC 17025.[29] Phương pháp SASS5 được Bộ Nước Nam Phi sử dụng như một phương pháp tiêu chuẩn để đánh giá sức khỏe sông, cung cấp cho Chương trình sức khỏe sông quốc gia và Cơ sở dữ liệu sông quốc gia.