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如何检测水质?鉴于预算有限,可采用化学检测法

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比色分析样本
图片来源:化学遗产基金会Flickr账户
其符合知识共享组织2.0条款之规定
得益于现代化学发展,我们可以测定水中所含的数千种化学物质,即便其含量极低。不断延长的现有检测内容清单令人感到任务繁重,绝大部分检测方法要求具备最先进的实验室设施。好在我们无需检测所有内容!少得多且更实用的检测内容可以使我们很好地采用化学方法测定水质,将检测结果用于监测目的。好消息是,现有技术含量较低的多种检测方法可供预算有限情况下使用。


检测形式

为从化学角度对水质进行监测,典型的技术含量较低的手持类实地检测方法可分别三大类: 
  • 检测条——指一次性使用的小条,其颜色变化可显示出水中具体化学物质的浓度。视具体检测项目,使用者可“激活”该纸条或塑料条,具体做法是将其插入水样中并来回晃动几下,或手持该条,将其放入水流中。等候片刻后,使用者将该条的颜色与色图进行比较,即可读出具体化学物质的浓度。此类检测方法极其简单,但检测结果准确度逊于其它检测方法,在使用者不按照说明进行检测情况下尤为如此。
  • 色盘检测法——色盘检测方法可用于检测多种化学物质。在一个典型装置中,使用者向装在可复用塑料试管中的水样中倒入一包粉末试剂或滴入几滴液体试剂,之后将该试管放入用于观察的塑料小盒中。该观察盒中装有一个塑料盘,盘上印有一张色图。使用者旋转该色盘,找到与水样颜色最吻合的部分,之后即可从该盘上读出具体化学物质的浓度。色盘检测法一般涉及多个步骤,通常也有规定的等候时间,因此比其它方法稍显复杂,成本也稍高,但结果一般更为准确。
  • 手持式数字检测仪—— 轻型、手持式数字仪表、颜色仪表以及光度计可用于水质检测。这三种检测方法的结果最为准确,但所用仪器比前两种工具更贵,也更为精致。此类仪器需要使用电池,也需要校准。尽管数字仪器对现场技术人员有所帮助,也是持续或远程监测网络不可或缺的组成部分,但它们不太适用于“大众科学”(即由非专业人士检测)或众包类水质检测

关于水质的化学参数

在确定各类检测形式之后,下一个问题是:我们检测哪些参数?联合国儿童基金会建议把氟化物、砷和硝酸盐列为化学检测的重点。在土壤中本来就富含氟化物和砷等矿物质的地区,井水中矿物质的含量可能会很高,导致对这些矿物质的长期暴露有害于人体健康。[1]  

那么,我们怎样才能检测下列元素呢? 
  • 氟化物:至少需具备一种色盘类检测工具用于检测氟化物。不过,出于对检测结果准确度的担心,手持式数字颜色仪表通常为首选工具。检测组织Ackvo Caddisfly近期推出了一种采用颜色仪表检测氟化物的方法,其检测结果可通过一款智能手机应用软件读出
  • 用于检测砷浓度的手持式现场检测方法较为有限;(砷)这一污染物最好在实验室检测。商业化检测工具目前确实存在,但它们相对复杂,也涉及好几个步骤。虽然采用此类检测工具检测出的砷浓度可能不准确,但在几乎所有水样中,此类工具检测出的砷浓度均大于100ug/L;在大部分水样中,检测出的砷浓度也介于50-99 ug/L之间。因此,联合国儿童基金会建议在公布手持式检测工具检测出的砷浓度结果时采用50 ug/L参考浓度,以“有”或“没有”形式公布——该参考浓度是很多受水体中天然砷污染影响的国家的饮用水水质标准。
  • 硝酸盐:检测条和色盘检测工具可用于硝酸盐检测。硝酸盐也可采用数字仪器检测。水中营养物含量高与肥料(氮肥和磷肥)和动物粪尿(富含氮)所致农业污染有关。源于厕所、污水、垃圾填埋场的污染和工业污染也可增加水中氮含量。硝酸盐监测是用以评估农业垃圾和人粪尿对水质影响的一种简单方法。
联合国儿童基金会建议,在条件允许情况下,可在监测项目中加入三种化学物质参数,即天然金属铁和镁以及总溶解性固体。这三种物质均可导致味觉和恶臭问题,后者可能会促使消费者寻找更具吸引力但可能不安全的水源。 
  • 镁:检测条和色盘检测工具可用于检测这两种金属,它们也可用手持式数字仪器加以检测。采用数字仪器进行现场检测被视为可靠的铁和镁检测方法。
  • 总溶解性固体(TDS):TDS包括各类无机盐,其主要成份为钠、氯化物、钙、镁等。在TDS检测过程中,所检测的并不是特定成份,而是采用数字仪器检测水的电导率。检测条或色盘检测法不可用于TDS检测,虽然至少有一种电导率检测仪与智能手机相连
在添加了氯的配水系统中,还要监测另外两种化学物质参数:pH值和氯残留。 
  • pH值:pH值检测条和色盘检测工具在很多地方都可买到。更昂贵、技术含量更高的检测工具包括电极类pH值检测仪。pH值是衡量氢离子活性的一种指标,可揭示水的酸碱度。pH值并不是污染物,但却是显示化学物质浓度的一个主变量。pH值可影响其它化学物质的行为,包括残留氯对微生物污染的效性。pH值突变也可揭示出污水处理厂失灵或自然水体中的污染事件(如工业污染非法排放)。
  • 氯:多种简易方法可用于检测氯残留水平,包括检测条、色盘乃至为检测泳池中水质而设计的工具。另外,也可采用手持式数字仪器,它们可提供可靠的定量检测结果。 
    视当地具体情况和水质检测项目的重点,在检测过程中可加入更多化学物质。例如,可检测碱度或硬度(包括钙、镁等;目前存在这方面的实地检测方法)、氯化物(路盐或海水入侵的一种指标;目前存在这方面的检测方法)、溶解氧[2]有机碳水平(生化需氧量、化学需氧量、有机碳总量)、农用化学品(特定农药或化肥)或采矿业/工业污染物(如多氯联苯、氰化物等)。最后,铅、汞、铜、铬等重金属通常是当地关注的重点。 
不过,鉴于现有技术有限,这些新增检测内容的绝大部分最好在实验室进行。换言之,技术含量较低的检测(通常涉及智能手机)是关于农药等参数的现有研究的一项内容(另请参见这里)。

我们的下一篇博文将详细介绍水质的微生物检测法,敬请期待!
 
[1] 如果之前的检测已然明确砷和氟化物不是某个特定水系存在的问题,则可忽略这两个参数,以便考虑更多的当地相关参数。砷和氟化物污染也可能由采矿和工业垃圾排放等人类活动导致。
[2]技术含量较低的溶解氧检测法要求采取多个步骤,需添加试剂,之后还需采用滴定法。该方法可能需要一些培训,采用该方法的检测结果可能比采用其它方法的检测结果更为多变。另外,目前也有用于检测水质的数字仪表。

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