الأربعاء، 5 أكتوبر، 2016

طرق قياس جودة الماء

مقاييس ومعايير لجودة مياه الشرب
 طرق قياس جودة الماء
هنالك عدة استعمالات للماء مثل مياه للشرب للإنسان والحيوان ، مياه للري ، للبيوت تنمية للكائنات وأيضًا في الصناعة لتبريد المحركات والطوربينات وكمادة متفاعلة في الصناعة .
إن المصطلح جودة المياه يختلف ويتعلق باستعمال الماء المذكور أعلاه . مثلا المياه التي تناسب استعمال معين لا تناسب استعمالا آخر . إذا كان تركيز الأملاح في الماء 300 ملغم/لتر ، فإنها تصلح للشرب ولكنها لا تصلح لري أشجار الأفوكادو . إذا كانت المياه تحتوي على عدد قليل من البكتيريا فلا تصلح للشرب ولكنها تصلح لاستعمالات في الصناعة .
هنالك عدة ملوثات موجودة في المياه الطبيعية ، ولا يوجد لدينا مياه نقية تمامًا، حتى مياه الأمطار تذيب في طريقها الغبار والغازات الموجودة في الجو .
جزء من هذه الملوثات قابل للذوبان في الماء حيث معروف أن الماء مذيب جيد لأغلب المواد . جزء آخر من الملوثات غير قابل للذوبان في الماء ، وهذه الملوثات تدعى بالمواد العائمة وتقسم إلى قسمين : الملوثات التي ترسب بالماء وبعد ذلك تبقي الماء شفافًا ، وقسم آخر تبقى الجزيئات عائمة في الماء لفترة طويلة وتغير من شكل الماء حيث يكون غير شفاف وهذه الملوثات تدعى قلوية، مثل الطحين والخميرة .
هنالك عدة مقاييس لقياس جودة المياه ، منها الفيزيائية ، الكيماوية ، البيولوجية والإشعاعية .
1. مقاييس فيزيائية :
أ‌.    درجة الحرارة : تؤثر درجة الحرارة بشكل خاص على العمليات البيولوجية التي تحدث بالماء مثل عمليتي التنفس والتمثيل الضوئي . كما هو معروف كلما ارتفعت درجة الحرارة ينخفض تركيز الأكسجين المذاب بالماء ، ومن جهة أخرى يرتفع معدل عمليات الأيض للكائنات الحية مما يزيد من كميتها .
أحد الأسباب لتغيير درجة الحرارة هو الارتفاع العام في درجة الحرارة الناتج من الاحتباس الحراري ، ولكن أيضًا نتيجة ما يسمى بالتلوث الحراري . ينتج التلوث الحراري من محطات توليد الطاقة والمصانع حيث يقومون بسحب المياه من المجمعات المائية (البحار ، البحيرات والأنهار) لتبريد الطوربينات والمحركات وإرجاع هذه المياه بعد ارتفاع درجة حرارتها مرة أخرى إلى المجمعات المائية . هذا يؤدي إلى رفع درجة حرارة الماء في هذه المجمعات . بما أن بعض الكائنات تتأقلم مع درجة حرارة معينة ، فإن ارتفاع درجة حرارة الماء يؤثر سلبيًا على هذه الكائنات مما يقلل من تكاثرها أو يؤدي إلى هجرتها أو إلى موتها وبالتالي يقل عددها في هذه المجمعات .
ب. تعكر : إن الأجسام الصلبة غير القابلة للذوبان في الماء مثل ذرات الرمل ، الطحالب ، البكتيريا وغيرها تؤدي إلى تعكر الماء . هذا التعكر يقلل من دخول أشعة الشمس إلى المجمع المائي وبالتالي تقل عملية التمثيل الضوئي . تقليل عملية التمثيل الضوئي يقلل من تركيز الأكسجين ويزيد تركيز ثاني أكسيد الكربون في الماء وهذا يؤثر على الكائنات التي تعيش بالماء .
ممكن قياس التعكر بجهاز يقيس أشعة الضوء التي تمر من المياه أو بواسطة استعمال صفيحة سكي . هذه الصفيحة مدهونة بمثلثات سوداء وأخرى بيضاء . يتم إدخال الصفيحة إلى الماء حتى لا نستطيع رؤية الألوان ، ثم نقيس عمق الماء عند اختفاء الألوان . كلما اختفى اللون بعمق أقل معناه أن التعكر مرتفع جدًا . يعبر عن التعكر بوحدات NTU .
ج. لون ، طعم ورائحة : كما ذكرنا لا لون ولا طعم ولا رائحة للماء ، ولذلك وجود أي صفة من هذه الصفات تدل على وجود مواد مختلفة تلوث الماء . مثلا وجود معادن مثل الحديد يغير من لون الماء ، وجود مواد عضوية تتحلل لاهوائيًا في الماء تعطي رائحة كريهة .

2. مقاييس كيميائية : يعبر عن هذه المقاييس بتركيز للمواد المختلفة الموجودة في الماء مثل تركيز الأملاح ، تركيز النيترات والفوسفات وتركيز الأكسجين بوحدات ملغم/لتر .
أ. الملوحة : هنالك أملاح ذائبة بالماء وعند ذوبانها تتأين إلى أيونات موجبة وأيونات سالبة . إن الملح الأكثر انتشارًا في الماء هو ملح الطعام أو كلوريد الصوديوم (NaCl) ، ولذلك يعبر عادةً عن تركيز الملوحة بتركيز الكلور . إن مصدر الأملاح الموجودة في الماء هو إما بشكل طبيعي من إذابة الصخور أو الأملاح الموجودة في التربة ، وإما بتدخل الإنسان حيث يزيد هذه الأملاح عن طريق استعمال الأسمدة الكيماوية أو سكب مياه المجاري في المجمعات المائية . هنالك قدرة معينة لتأقلم الكائنات الحية لتركيز معين من الأملاح ولكن زيادة هذا التركيز تؤدي إلى موتها .
ب. النيترات والفوسفات : كما هو معروف تحتوي النيترات على النيتروجين والفوسفات على فسفور ، وتصل هذه المواد إلى المجمع المائي عن طريق جرف المواد العضوية وتحليلها بالماء . كذلك تتواجد الفوسفات بشكل خاص في مياه المجاري البيتية حيث تشكل مركبًا من مواد التنظيف في البيت . تحتوي المواد العضوية الزلالية على النيتروجين وتحتوي الحوامض النووية (DNA , RNA) على النيتروجين والفوسفات ، لذلك أي زيادة بتركيز هذه المواد يؤدي إلى زيادة تكاثر الكائنات الحية النباتية في الماء خاصةً الطحالب ، وهذا يسمى بازدهار الطحالب . هذه الظاهرة تحجب أشعة الشمس عن الماء ، مما يقلل من عملية التمثيل الضوئي للنباتات والطحالب في الماء ، يقل تركيز الأكسجين وتموت اغلب الكائنات حيث تحلل تحليلا لاهوائيًا وتنتج غازات سامة وروائح كريهة . ضرر آخر للنيترات في مياه الشرب أنها تتصل مع مادة الهيموغلوبين الموجودة في خلايا الدم الحمراء وتعيق عملية نقل الأكسجين وتؤدي إلى مرض الازرقاق وهذا المرض يصيب بشكل خاص الأطفال .  
ج. الأكسجين : إن الكائنات التي تعيش في الماء بحاجة إلى تركيز معين من الأكسجين والتركيز الأدنى لوجود حياة في الماء هو 4 ملغم/لتر ، أي بأقل من هذا التركيز أغلب الكائنات لا تستطيع أن تعيش . بعض الكائنات بحاجة إلى تركيز أكسجين أعلى من ذلك . يعتبر الأكسجين عاملا محددًا في الماء وهو يقرر نوع وعدد الكائنات التي تستطيع العيش في الماء . يصل الأكسجين إلى الماء بطريقتين أساسيتين : بواسطة الانتشار من الهواء ، وبواسطة عملية التمثيل الضوئي . يتأثر ذوبان الأكسجين بالماء بعدة عوامل . يبين الجدول التالي العوامل التي تؤثر على ذوبان الأكسجين في الماء وطريقة تأثيرها :

مواد عضوية
علاقة عكسية
درجة الحرارة
علاقة عكسية
عمق الماء
علاقة عكسية
كثرة الكائنات
علاقة عكسية
سرعة الجريان
علاقة طردية
الضغط الجوي
علاقة طردية
سطح التلامس
علاقة طردية
كائنات منتجة
علاقة طردية
ساعات اليوم
علاقة طردية

ملاحظة : علاقة عكسية أي كلما زاد العامل قل تركيز الأكسجين
           علاقة طرديه أي كلما زاد العامل زاد تركيز الأكسجين

الجدول التالي يبين العلاقة بين الارتفاع في درجة الحرارة وذوبان الأكسجين في الماء .

درجة الحرارة (Co)
ذوبان الأكسجين (ملغم/لتر)
0
14.6
5
12.7
10
11.3
15
10.1
20
9.1
25
8.3
30
7.5

د. الـ pH : وهو مقياس لدرجة حامضية أو قاعدية الماء . إن مقياس الـ pH هو من مجال 0-14 حيث pH = 7 هو متعادل وأقل من 7 حامضي أما أكثر من 7 فهو قاعدي . يتعلق pH الماء بعوامل مختلفة أهمها ثاني أكسيد الكربون CO2 . يذوب ثاني أكسيد الكربون بالماء مكونًا حامض الكربونيك
                                                            CO2 + H2O                 H2CO3
يتعلق تركيز ثاني أكسيد الكربون بساعات اليوم ، فمثلا خلال النهار تحدث عملية التمثيل الضوئي فيُستغل ثاني أكسيد الكربون ويقل تركيزه ، مما يؤدي إلى ارتفاع نسبي للـ pH ، أما في الليل حيث لا تتم عملية التمثيل الضوئي فينتج ثاني أكسيد الكربون خلال عملية التنفس الذي يذوب في الماء مكونًا الحامض مما يقلل من قيمة الـ pH نسبيًا .
هـ. عسر الماء : يبين عسر الماء مجموع تركيز أيونات الكالسيوم والماغنيسيوم في الماء . كلما احتوى الماء على تركيز أعلى لهذه الأيونات كلما ارتفع عسر الماء ، وهذا يؤدي إلى ترسبات في الأملاح المتكونة خاصًة في أنابيب الماء وأوعية مختلفة تستعمل في البيوت وفي الصناعة (مثل الغسالة والمسخن الكهربائي) .
و. معادن ثقيلة : إن مصدر هذه المعادن ممكن أن يكون طبيعيا عن طريق ذوبان الصخور أو صناعيا بواسطة المجاري الصناعية . هذه المعادن تؤثر على الصحة وعلى البيئة . تتراكم هذه المعادن في الجسم حيث تنتقل بواسطة السلسلة الغذائية وهذا يسمى بالتضخم البيولوجي . الأضرار الناتجة من تراكم المعادن الثقيلة تؤثر على أجهزة مختلفة في الجسم أهمها جهاز الأعصاب . مثال على التضخم البيولوجي : تركيز معدن معين في الماء هو 0.000003 جزء/المليون ، تركيزه بالعائمات النباتية يصبح 0.04 (جزء بالمليون) ، أما بالعائمات الحيوانية يصل إلى 0.2 (جزء بالمليون) وفي الأسماك والعصافير يصل إلى 20 (جزء بالمليون) وهذا التركيز يصبح أعلى في الإنسان .

3. مقاييس بيولوجية :  
أ‌.    مواد عضوية : مصدر المواد العضوية في الماء من الكائنات الحية ، الكائنات الميتة وإفرازات الكائنات الحية ، إضافًة إلى مياه المجاري . هذه المواد العضوية الطبيعية ولكن ممكن أن تحتوي المياه على مواد عضوية اصطناعية (أي من صنع الإنسان) ، مثل بعض أنواع الوقود ومبيدات كيماوية . إن وجود كمية كبيرة من المواد العضوية في الماء هو دلالة على وجود تلوث كبير في الماء وتصبح هذه المياه غير صالحة للاستعمال .
يتم قياس المواد العضوية الطبيعية في الماء بواسطة فحص استهلاك الأكسجين البيوكيميائي (BOD) ، أما جميع المواد العضوية (الطبيعية والاصطناعية) فيتم قياسها بواسطة استهلاك  الأكسجين الكيماوي .
فحص استهلاك الأكسجين البيوكيميائي يتم بالطريقة التالية : نعبئ قنينة من الماء المراد فحصه ، ونقيس تركيز الأكسجين في الماء . نغلق هذه القنينة لعدم دخول الهواء إليه ، ونضعها لمدة خمسة أيام في الظلام وفي درجة حرارة 20 درجة مئوية . بعد مرور خمسة أيام نقيس تركيز الأكسجين مرة أخرى . إن قيمة استهلاك الأكسجين البيوكيميائي (والتي يعبر عنها بوحدات ملغم أكسجين/لتر) هي الفرق بين تركيز الأكسجين في الفحص الأول وبين تركيزه في الفحص الثاني . مثال على ذلك إذا كان تركيز الأكسجين في الفحص الأول 25 ملغم/لتر وبعد خمسة أيام انخفض التركيز إلى 10 ملغم/لتر ، تكون قيمة استهلاك الأكسجين البيوكيميائي 15 ملغم/لتر .
إن فحص استهلاك الأكسجين البيوكيميائي يمثل كمية المواد العضوية القابلة للتحليل بواسطة الكائنات الدقيقة . ولكن هنالك مواد عضوية غير قابلة للتحليل ، أو ممكن أن يتواجد في الماء مواد سامة تعيق عملية التحليل ففي هذه الحالة يتم استعمال فحص استهلاك الأكسجين الكيماوي . في هذا الفحص يتم إضافة مادة كيماوية للماء تتفاعل مع جميع المواد العضوية الموجودة في الماء وتحللها . إن كمية المادة الكيماوية المستهلكة هي مقياس لكمية المواد العضوية في الماء . ممكن ترجمة هذه القيمة إلى وحدات استهلاك أكسجين بهدف المقارنة مع قيمة استهلاك الأكسجين البيوكيميائي .
ب. كائنات دقيقة مسببة للأمراض : تحتوي المياه الطبيعية عادًة على كائنات دقيقة غير مسببة للأمراض والتي تصل إليها من التربة . ملوثات بكتيرية ممكن أن تصل إلى المياه عن طريق إفرازات الحيوانات والإنسان ، والتي تحتوي على بكتيريا ، فيروسات وطفيليات مسببة للأمراض . إن شرب هذه المياه أو أي اتصال فيها ممكن أن تسبب أمراضًا  متنوعة مثل التهاب الكبد الفيروسي ، مرض الكوليرا ، الدزنطاريا، التيفوس ، أمراض في الأمعاء، أمراض جلدية وغيرها . هذه الأمراض تؤدي إلى موت الكثير من الأشخاص وبشكل خاص الأطفال . إن الطرق لفحص وجود هذه البكتيريا المسببة للأمراض معقدة ، بطيئة وباهظة الثمن . لذلك ممكن فحص وجود هذه الكائنات في الماء بطريقة غير مباشرة وبسيطة وسهلة الاستعمال وذلك بواسطة عد البكتيريا المعروفة باسم E. Coli . هذه البكتيريا هي قولونية تعيش بشكل دائم داخل أمعاء الإنسان والحيوان دون أن تسبب أي ضرر ، بل بالعكس تزود الإنسان بالفيتامينات من نوع B . إن وجود هذه البكتيريا (E. Coli) في الماء هي دلالة على وجود إفرازات للإنسان أو للحيوان في هذه المياه ولذلك هنالك إمكانية لوجود بكتيريا مسببة للأمراض أيضًا . إن بكتيريا E. Coli تشكل مؤشر على إن الماء ممكن أن يكون ملوثًا بكائنات مسببة للأمراض .



يبين الجدول التالي معيار وجود بكتيريا قولونية في الماء وذلك حسب الاستعمال :

استعمال الماء
أعلى تركيز مسموح به لبكتيريا قولونية في 100 ملل ماء
ماء للشرب
0
ماء لبرك السباحة
100
مياه للسباحة في شواطئ البحار
200
مياه للترفيه والاستجمام بدون اتصال مباشر مع الإنسان
1000


4. مقاييس اشعاعية : مواد مشعة هي المواد التي تطلق إشعاعًا منها . هنالك احتمال لتلوث المياه بمواد مشعة . مصدر هذه المواد إما بشكل طبيعي من ذوبان صخور مشعة أو بواسطة الإنسان عن طريق إلقاء المواد المشعة المستعملة في المستشفيات والمختبرات إلى الماء . إن التعرض لكمية معينة من هذا الإشعاع ممكن أن يحدث طفرات في مبنى المادة الوراثية (DNA) أو أن يؤدي إلى مرض السرطان .