لماذا من الضروري فحص عكارة الماء؟ وكيف يقوم جهاز استشعار العكارة بفحصها؟

هل تعلم أن الماء النظيف ضروري لصحة الإنسان، وللنظام البيئي، ولنظام الري؟ فالماء الصافي والأقل عكارة أساسي لرفاهية المجتمع. لذا، تلعب أجهزة استشعار العكارة دورًا بالغ الأهمية في تنقية المياه. جهاز استشعار العكارة هو جهاز يُسلط شعاعًا ضوئيًا على الماء ويكشف الضوء المتناثر بزاوية معينة. كلما زاد الضوء المتناثر، زادت العكارة.

ستتناول هذه المقالة موضوع العكارة، وأهميتها، والطرق المختلفة لقياسها. كما ستناقش تأثير ارتفاع العكارة على مختلف المجالات واللوائح المتعلقة بكيمياء المياه.

1. ضرورة اختبار عكارة المياه

1.1. تعريف العكارة

تقيس العكارة صفاء الماء وتشير إلى وجود جزيئات عالقة تحجب الضوء المار عبره. تتحقق أجهزة استشعار العكارة من العكارة عن طريق رصد الأشعة المتشتتة من هذه الجزيئات. تزيد بعض الجزيئات المعروفة من العكارة، بما في ذلك الطحالب والطين والطمي والرواسب والمواد العضوية. يبدو الماء الأكثر عكارة أكثر غيومًا، كما هو موضح في الصورة أدناه.

تُعدّ العكارة معيارًا أساسيًا يُبيّن درجة نقاء المياه في مختلف القطاعات، وهي تؤثر على صحة الإنسان والحياة المائية. تقيس أجهزة استشعار العكارة هذه الخاصية بوحدات قياس مختلفة، وفيما يلي اثنتان منها:

• وحدة قياس العكارة النيفيلومترية:

وحدة قياس العكارة النيفيلومترية (NTU) هي الوحدة الأكثر شيوعًا لقياس العكارة. تقيس هذه الوحدة كمية الضوء الأبيض المتشتت بواسطة الجسيمات العالقة بزاوية 90 درجة. كلما ارتفعت قيمة NTU، زادت العكارة؛ وكلما انخفضت، تحسنت صفاء المياه. إذا احتوى لتر واحد من الماء على 0.3 ملغ من الجسيمات العالقة، فإن ذلك يعادل وحدة NTU واحدة.

• وحدة قياس التعكر باستخدام الفورمازين:

يقيس جهاز قياس العكارة FNU (وحدة فورمازين النفيلومترية) عكارة السوائل. يستخدم هذا النوع من أجهزة استشعار العكارة ضوءًا تحت أحمر بطول موجي 860 نانومتر بدلًا من الضوء الأبيض. وتكمن ميزته في أنه لا يتأثر بالألوان المائية. يتراوح نطاق قياس العكارة الطبيعي بين 0.01 و4000 وحدة FNU. FNU هي وحدة مرجعية من معيار ISO 7027 (الأوروبي) لقياس العكارة. ووفقًا لمنظمة الصحة العالمية، يبلغ متوسط ​​العكارة في مياه الشرب 0.2 إلى 1 وحدة FNU، ويجب ألا تتجاوز 5 وحدات FNU.

1.2. آثار العكارة العالية

تؤثر عكارة المياه العالية على العديد من الجوانب، مما يدل على أهمية مستشعر العكارة.

• مياه الشرب: قد تشكل العكارة العالية في مياه الشرب المنزلية مخاطر صحية. فهي تحتوي على كميات أكبر من الكائنات الدقيقة، مثل الفيروسات والطفيليات والبكتيريا، التي تسبب الأمراض. وقد تؤدي هذه الأمراض إلى الغثيان والإسهال والصداع. كما أن العكارة العالية تتفاعل مع المطهرات، مما يقلل من فعالية إزالة مسببات الأمراض والكائنات الدقيقة الضارة الأخرى.
• الأثر البيئي: حتى النباتات المائية تنمو في الماء، لكنها لا تزال بحاجة إلى ضوء الشمس لعملية التمثيل الضوئي. زيادة عكارة الماء تحجب ضوء الشمس، مما يبطئ نمو النباتات. يؤثر هذا الانسداد على السلسلة الغذائية المائية بأكملها. كما تزيد مستويات عكارة الماء المرتفعة من احتمالية تلوث البيئة البحرية، مما يقلل من الحياة البحرية، مثل أعداد الأسماك.
• التأثير الصناعي: تمر المياه عالية العكارة عبر معدات مثل المبادلات الحرارية والغلايات، مما يقلل من كفاءتها نتيجة ترسب الجزيئات الصلبة العالقة. وينتج عن ذلك زيادة في استهلاك الوقود والتكاليف. كما تؤثر العكارة العالية على مواد هذه المعدات، مما يزيد من احتمالية تعطلها المبكر.

1.3. المعايير والإرشادات التنظيمية

في جميع أنحاء العالم، تعمل لوائح وإرشادات مختلفة على توحيد حدود العكارة وتقنيات القياس:

معايير مياه الشرب: تُطبّق معايير CEN في حوالي 34 دولة. يُعدّ معيار EN27027 معيارًا لمياه الشرب، وكذلك معيار ISO7027. تشترط منظمة الصحة العالمية ألا تتجاوز عكارة مياه الشرب وحدة عكارة واحدة (FNU)، مع حد أقصى قدره 0.3 وحدة عكارة لعينات المياه من شركات تحلية المياه الكبرى. كما يُستخدم معيار وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) في الولايات المتحدة.

لوائح تصريف النفايات الصناعية: حددت اللوائح المذكورة أعلاه حدودًا لتصريف المياه الصناعية. وتُصنَّف هذه اللوائح بناءً على أنواع النفايات الناتجة. فعلى سبيل المثال، تُعدّ اللائحة الصينية GB3838 قائمةً بـ 69 نوعًا من ملوثات المياه و10 ملوثات أخرى، بالإضافة إلى معاييرها وحدودها .

2. كيف يتم اختبار عكارة الماء؟

2.1. الطرق التقليدية

• طريقة شمعة جاكسون: كانت هذه أول طريقة معروفة لقياس العكارة باستخدام مستشعر يدوي. تتكون من أنبوب يوضع على شمعة. تُملأ عينة الماء في الأنبوب حتى مستوى لا يمكن رؤية لهب الشمعة من الأعلى. يُعاير هذا الارتفاع بوحدة JTU ثم بوحدة NTU (2.5 JTU = 1 NTU).
• قرص سيكي: يتكون من قرص أبيض وأسود متصل مركزه بسلك عليه علامات. يُغمر القرص في الماء ويُترك مغمورًا حتى يختفي. عندئذٍ، تُرسم علامة على خط مغمور في الماء، ويُقاس طولها. يُسمى هذا الطول عمق سيكي. يُعد قرص سيكي اختبارًا للوضوح البصري.

على الرغم من أن الطرق المذكورة أعلاه بسيطة ورخيصة، إلا أنها غير دقيقة لأنها تعتمد على العديد من العوامل، مثل بصر الشخص، وظروف الإضاءة، ووقت اليوم، وما إلى ذلك.

2.2. أجهزة استشعار وقياس العكارة

تعتمد الطرق الحديثة لقياس العكارة على أجهزة استشعار العكارة، التي تستخدم تفاعل شعاع ضوئي مع الجسيمات العالقة. تتميز هذه الأجهزة بدقتها العالية وعمرها الطويل. وهناك ثلاثة أنواع من أجهزة استشعار العكارة.

• مستشعر قياس العكارة النيفيلومتري: يقوم هذا الكاشف بتسليط ضوء على عينة الماء، فتقوم الجسيمات العالقة بتشتيت الضوء. يوضع المستشعر بزاوية 90 درجة. ويحدد قياس تشتت الضوء مستوى العكارة في الماء. يُعد القياس عبر الضوء أدق طريقة لقياس العكارة حتى الآن، ولذلك يُستخدم بشكل أساسي لمياه الشرب منخفضة العكارة.
• مستشعر امتصاص العكارة: تقيس هذه الطريقة كمية الضوء التي تمتصها جزيئات الماء رغم تشتت الضوء. وهي ليست دقيقة مثل مستشعر NTS، ولكنها تُستخدم في المياه التي تتغير عكارتها باستمرار.
• مستشعر العكارة للمواد الصلبة العالقة الكلية (TSS): يعمل هذا النوع من المستشعرات بنفس مبدأ عمل مستشعر العكارة غير الخطي (NTS)، ولكنه يتطلب وضع الكاشف على مصادر الضوء المتناثر بزاوية 90 و135 درجة. ولأنه يلتقط كمية أكبر من الضوء المتناثر، فإنه يُستخدم عادةً للمياه ذات العكارة العالية.

3. كيف تعمل أجهزة استشعار العكارة؟

3.1. مصدر الضوء وأجهزة الكشف

عادةً ما يكون مصدر الضوء عبارة عن مصباح LED ذي طول موجي محدد. في معظم أجهزة الاستشعار، يُستخدم ضوء الأشعة تحت الحمراء بطول موجي 860 نانومتر، لأنه يتوافق مع معيار ISO 7027. كما يُستخدم الضوء الأبيض، ولكن فقط في أجهزة قياس NTU مختارة جدًا، وهو يتوافق مع معيار EPR. بعد تشتت الضوء بفعل الشوائب، يجب أن يلتقطه كاشف بزوايا محددة. تُستخدم الثنائيات الضوئية عادةً لهذا الغرض. كما تُستخدم المضاعفات الضوئية في بعض أجهزة القياس للكشف عن كميات ضئيلة من الضوء.

3.2. معالجة الإشارات والقياس

تُعدّ الكواشف الضوئية المكونات التي تحوّل الطاقة الضوئية إلى إشارات كهربائية، والتي تُعاير بدورها للحصول على خرج NTU - أي تحويل الضوء إلى إشارة كهربائية. كما تُعاير مستشعرات العكارة للحصول على الخرج المطلوب عن طريق تحضير محلول مائي قياسي ذي قيمة NTU معروفة مسبقًا، ثم ضبط قيمة خرج NTU لتُطابق قيمة العينة. يُنصح عادةً بمعايرة مستشعرات العكارة بالأشعة تحت الحمراء بطول موجة 860 نانومتر كل ثلاثة أشهر.

3.3. العوامل المؤثرة على دقة المستشعر

هناك العديد من العوامل التي تؤثر على دقة مستشعر العكارة:

• اللون: قد تحتوي المواد الكيميائية المستخدمة في معالجة المياه على ألوان في المنتج، مما يشير إلى ارتفاع نسبة العكارة.
• فقاعات الهواء: تعمل فقاعات الهواء على تشتيت أشعة الضوء وتظهر قيمة تعكر أعلى من القيم الفعلية.
• درجة الحرارة: تؤدي درجة حرارة الماء أيضًا إلى تغيير معامل انكسار الجسيمات العالقة، مما يؤدي بدوره إلى تغيير القيمة الفعلية.
• ترسب الجسيمات: إذا ترسبت الجسيمات العالقة، فإنها لا تشارك في عملية التشتت ولا يمكن رصدها بواسطة مستشعر العكارة. لذلك، يُعدّ الخلط الجيد ضروريًا قبل القياس.
• المعايرة: تأكد من معايرة الإشارات الكهربائية التي تنتجها الخلية الضوئية بدقة لقياس NTU.

4. المعايير المطلوب مراقبتها

4.1. العكارة كمؤشر أساسي

تُستخدم العكارة على نطاق واسع كمؤشر رئيسي لجودة المياه. ولذلك، تُدمج العديد من الصناعات أجهزة استشعار العكارة التي تراقب عكارة المياه باستمرار في نقاط مختلفة، مما يُسهّل التحقق من أي خلل في أي مرحلة من مراحل العملية. كما يُساعد ضبط التنبيهات على القيم الحرجة مع إزاحة محددة المشغل على الانتباه لجودة المياه واتخاذ الإجراءات اللازمة، مثل تغيير المرشحات أو تجديد الأغشية.

4.2. معلمات الارتباط

يجب أيضاً مراقبة العديد من المعايير إلى جانب العكارة للحصول على صورة أفضل لجودة المياه.

• المواد الصلبة العالقة (TSS): تشير TSS إلى المواد الصلبة العالقة في الماء، والتي يمكن العثور عليها في عينة عشوائية تُؤخذ إلى المختبر. وبما أن زيادة TSS تزيد من العكارة، فإن أجهزة استشعار العكارة تساعد في رصد هذا الارتفاع من خلال توفير قيم فورية.
• الرقم الهيدروجيني (pH): يؤثر الرقم الهيدروجيني على القيمة الفعلية للجسيمات في الماء، ويمكن استخدامه للحصول على صورة كاملة عن الماء. غالبًا ما تضع الشركات حدودًا للرقم الهيدروجيني لضمان جودة أفضل. يؤثر اللون أيضًا على العكارة، ولكن يمكن استبعاد هذا التأثير لأن العديد من أجهزة استشعار العكارة ترصد الضوء المتشتت بزاوية 90 درجة، وهو ما لا يمكن أن يحدث إلا بواسطة الجسيمات. يؤثر حجم الجسيمات أيضًا على العكارة، حيث أن الجسيمات الكبيرة تشتت ضوءًا أكثر من الجسيمات الصغيرة. كما يؤثر شكل الجسيمات ومعامل انكسارها على العكارة.

5. تطبيقات أجهزة استشعار العكارة

5.1. معالجة مياه الشرب

تلعب أجهزة استشعار العكارة دورًا أساسيًا في جودة معالجة المياه. تستخدم محطات تحلية المياه عادةً هذه الأجهزة لفحص جودة المياه في مراحل مختلفة من العملية. تُفحص المياه الخام المراد معالجتها دائمًا منذ البداية لتقييم مستوى الترشيح والأساليب الأخرى، مثل التخثير أو التلبيد. إذا بدأت المرشحات في النفاد قبل الوقت المُقدّر، فهذا يعني أن المياه الداخلة تحتوي على نسبة أعلى من المواد الكيميائية المتدهورة، وهو ما يمكن لأجهزة استشعار العكارة رصده. كما يمكن استخدام عينة من المياه بعد الترشيح لفحص كفاءة المرشحات، بحيث يمكن للمرشح تصريف مياه الصرف الصحي عند الضرورة. وتلبي أجهزة استشعار العكارة هذه الحاجة من خلال توفير قيم العكارة في الوقت الفعلي.

5.2. معالجة مياه الصرف الصحي

في العديد من الصناعات، يُعدّ رصد تصريف مياه الصرف الصحي أمرًا بالغ الأهمية، نظرًا لتأثيره على الأنهار والمحيطات التي تُستخدم كمصادر للمياه الخام، وعلى الحياة المائية. ولهذا الغرض، وُضعت لوائح مثل لوائح الاتحاد الأوروبي ولوائح مسؤولية المنتج الموسعة للحدّ من تصريف مياه الصرف الصحي، إذ يُعدّ الرصد المستمر لمياه الصرف الصحي ضروريًا لضمان الامتثال للحدود التنظيمية. ويمكن لأجهزة استشعار العكارة تلبية هذه الحاجة من خلال توفير قيم العكارة في الوقت الفعلي.

5.3. الرصد البيئي

تُستخدم أجهزة قياس العكارة أيضًا لفحص جودة الأنهار والبحيرات وتقييم اتجاه جودة المياه بشكل عام في البيئة. وتساعد النتائج الباحثين على تتبع تغير جودة المياه على مدى فترة زمنية محددة. علاوة على ذلك، تُظهر هذه النتائج مدى فعالية تدابير مكافحة التلوث المتخذة عالميًا.

5.4. العمليات الصناعية

يجب الحفاظ على جودة المياه خلال العمليات الصناعية، فهي ليست ضرورية للعملية فحسب، بل تدعم أيضاً تحقيق الحد الأدنى لجودة مياه الصرف الصحي. وبما أن العكارة هي المقياس المباشر لجودة المياه، فإن العديد من الصناعات تستخدمها كعامل تحكم في كيمياء المياه. وقد فرضت الجهات التنظيمية قيماً للحد من العكارة. يجب ألا تتجاوز عكارة المياه المستخدمة في صناعة الأغذية والمشروبات والأدوية وحدة عكارة نفيلومترية واحدة (NTU)، بينما تتراوح عكارة المياه المستخدمة في المعالجة الكيميائية بين 1 و2 وحدة عكارة نفيلومترية.

6. الخاتمة

يُعدّ استخدام أجهزة استشعار العكارة أمرًا بالغ الأهمية لفحص جودة المياه، ما يُتيح للأساليب المُستخدمة تقييم فعالية المعالجة أو النظام الحالي. ومع استمرار التطور العمراني والصناعي، بات الحفاظ على نظافة المياه تحديًا متزايدًا. لذا، ينبغي على المجتمعات المحلية والجهات المعنية المشاركة في ضبط مستويات نقاء المياه من خلال المراقبة الدقيقة وإجراء اختبارات العكارة الدورية. كما يتعين على الهيئات التنظيمية العمل على حدود معايير المياه المُحددة لديها، وذلك بمراجعة أثر الالتزام بها على المجتمع والقطاعات الصناعية. علاوة على ذلك، ينبغي على عامة الناس معرفة مصطلحي العكارة وأجهزة استشعارها. كل هذه العوامل كفيلة بتخليص كوكبنا من الأوساخ والتلوث، وجعله مكانًا أفضل للعيش والنمو.

إذا كنت تبحث عن مستشعر يتوافق مع المعايير الدولية ويقدم نتائج دقيقة، فضع في اعتبارك مستشعر ريكا.RK500-07 (SS) تعتمد هذه التقنية على طريقة بصرية، باستخدام مصدر ضوء بالأشعة تحت الحمراء بطول موجي 860 نانومتر للكشف عن الضوء المتشتت بزاوية 90 درجة، مما يضمن التوافق مع معايير EN27027 وISO7027. يقلل هذا الأسلوب من تداخل الألوان المائية، مما يعزز دقة القياس. تفضل بزيارة موقع ريكا الإلكتروني للاطلاع على قائمة شاملة بأجهزة الاستشعار عالية الجودة.