Troebelheidssensor

Waarom troebelheid meten? Troebelheid of turbiditeit (Engels: turbidity) van water is een indirecte maat voor de concentratie zwevende stoffen (gesuspendeerde stoffen, onopgeloste bestanddelen) in water. Het gehalte zwevende stoffen (Engels: Total Suspended Solids, afkorting TSS) in het water is vaak van belang, omdat veel andere verontreinigingen (zoals zware metalen en PAK) zich binden aan zwevende stoffen, vooral aan de kleinste fractie (0,45 tot 63 µm). Om de concentratie TSS nauwkeurig te bepalen, moet u monsters nemen en deze in het laboratorium analyseren. Maar de troebelheid van water kunt u veel sneller en eenvoudiger in het veld meten. Hierdoor zijn troebelheidsmetingen onder meer geschikt om snel een indicatie van de waterkwaliteit te krijgen. Een voorbeeld is het gebruik van troebelheidssensoren om realtime gemalen te sturen (RTC) op basis van waterkwaliteit (zie Vgs 2.0 sturen op waterkwaliteit met sensor voor turbiditeit). Troebelheid is omgekeerd evenredig met doorzicht: hoe troebeler het water, des te minder doorzicht. Doorzicht speelt een belangrijke rol bij de ESF Lichtklimaat, een van de belangrijkste ecologische sleutelfactoren (ESF)  . Figuur A Stroomsnelheid en troebelheid in gemengde riolering tijdens een bui (Bron: Langeveld et al., 2005) Vergroot afbeelding Kenmerkende waarden troebelheid van stedelijk water Tabel A geeft bandbreedtes van de troebelheid van de verschillende soorten stedelijk water. In de riolering kan de mate van troebelheid tijdens een afvoergebeurtenis zeer veranderlijk zijn (zie figuur A). Tabel A Indicatieve bandbreedtes van troebelheid van stedelijk water Watersoort Kenmerkende bandbreedte troebelheid (NFU) Vers hemelwater < 5 Afgestroomd hemelwater (normaal vervuild) 5 - 75 Afgestroomd hemelwater (sterk vervuild) > 75 Gedemineraliseerd water < 1 Drinkwater < 4 (Drinkwaterbesluit 2011) Huishoudelijk afvalwater 10 - 500 Overstortwater 30 - 500 Influent rwzi 30 - 500 Effluent rwzi < 5 Oppervlaktewater (voor gebruik drinkwater) < 13 (Drinkwaterregeling 2011) Oppervlaktewater (troebel, zicht < 0,4 m) > 15 Oppervlaktewater (helder, zicht > 0,6 m) < 5 Figuur B Nefelometrische troebelheidssensor Vergroot afbeelding Meten van troebelheid met de nefelometrische troebelheidssensor Er zijn in de loop van de tijd verschillende methoden ontwikkeld om troebelheid te meten. De belangrijkste is de nefelometrische troebelheidssensor (zie figuur B). Nefelometrisch betekent ‘onder een rechte hoek’. Bij deze meetmethode wordt een lichtstraal op een watermonster gericht en de verstrooiing van het licht bepaald. Het idee is dat naarmate er meer deeltjes in het water zitten, de hoeveelheid verstrooid licht ook toeneemt. De detector is een lichtgevoelige diode die het verspreide licht opvangt onder een hoek van 90° en de straling omzet in een elektrische stroom. Deze stroom wordt omgerekend naar een troebelheidswaarde. De troebelheidssensor wordt geijkt op een aantal suspensies van verschillende concentraties formazine in water. Als de meting is opgezet volgens de Amerikaanse standaard USEPA 180.1, wordt als lichtbron wit licht gebruikt. De meetwaarden hebben de eenheid Nephelometric Turbidity Unit (NTU). Europese standaard met infrarood licht Een nefelometrische meting conform ISO 7027 en EN 27027 (de Europese standaard) lijkt sterk op de hierboven beschreven methode, met het verschil dat de lichtbron infrarood licht uitzendt. Gebruik van infrarood licht vermijdt een meetafwijking door eventuele kleur van het water door opgeloste bestanddelen. De waarden van deze ISO-conforme metingen hebben de eenheid Formazin Nephelometric Unit (FNU). Dankzij een geautomatiseerde reinigingsfunctie blijven de lenzen van een nefelometrische troebelheidssensor schoon. Regelmatig wordt een straal water over de lenzen gespoten die de vervuiling op de lenzen meeneemt. Ook reiniging door ultrasoon geluid, dat verontreinigingen op de sensor 'lostrilt', komt voor. Andere meetmethoden Figuur C Doorzichtmeting met Secchi-schijf (Bron: Themanyfacesofwater.eu) Vergroot afbeelding Rechtdoor meten Metingen onder andere hoeken dan 90° komen ook voor: onder 180° (= rechtdoor) kunt u de afname (Engels: attenuation) van het doorgelaten licht (transmittance) meten. Een voorbeeld is een meting van een uv/vis-sensor in het zichtbare spectrum. Standaarden om de troebelheid te meten, zoals de hierboven genoemde USEPA 180.1 en ISO 7027, beschouwen de verspreiding van het licht als een betere maat voor de troebelheid dan de afname van het doorgelaten licht in rechtdoorgaande richting. De meting onder 180° is daardoor niet een geldige troebelheidsmeting, behalve in sommige bijzondere situaties. Bij een rechtdoorgaande meting hebben de meetresultaten de eenheid Formazin Attenuation Unit (FAU). Jackson-methode De Jackson-methode is een historische '180°-methode' die een lichtbron onder een buis gebruikt. De te bemeten vloeistof wordt in de buis gegoten totdat de lichtbron niet meer zichtbaar is. De Jackson-methode is technisch eenvoudig, maar wordt in Nederland nauwelijks meer gebruikt. De Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) noemt de Jackson-methode als 'low cost' en 'low technology' optie voor troebelheidsmetingen. De meetwaarden hebben de eenheid Jackson Turbidity Unit (JTU). Backscatter Met een troebelheidsmeting onder 0° of 45° wordt het teruggekaatste licht (Engels: backscattered light) gemeten. Secchi-schijf (doorzichtmeting) In oppervlaktewater wordt het doorzicht bepaald met een Secchi-schijf (zie figuur C). De meting is simpel, maar niet heel nauwkeurig. U laat de schijf zakken totdat deze niet meer zichtbaar is en noteert vervolgens de ‘zichtdiepte’. Figuur D Troebelheidsmeting in NTU Vergroot afbeelding Meeteenheden van troebelheid De eenheden NTU, FNU, FTU en FAU zijn allemaal gebaseerd op dezelfde formazinestandaard. De in de praktijk veelvoorkomende eenheid Formazin Turbidity Unit (FTU) geeft aan dat een nefelometrische troebelheidsmeter met formazine als standaard is gebruikt, maar specificeert niet of het instrument meet conform USEPA 180.1, ISO 7027 of een andere standaard. In het Nederlands is de equivalente benaming FTE: formazine troebelingseenheden. Als dezelfde standaard formazinesuspensie wordt gemeten, zal de waarde van al deze eenheden gelijk zijn. Maar gemeten troebelheidswaarden zijn ook afhankelijk van de gebruikte methode, want in een andere te bemeten vloeistof dan de formazinestandaard kunnen de uitkomsten van de verschillende methoden significant afwijken. De eenheden van de verschillende methoden zijn daardoor wel vergelijkbaar, maar niet volledig uitwisselbaar. Veelgebruikte nefelometrische troebelheidsmeters hebben een infrarode lichtbron en voldoen aan ISO 7027; deze meten dus in FNU. Gebruik in de rapportage van de metingen een eenheid die overeenkomt met de gebruikte meetmethode (zie figuur D). Relatie troebelheid/TSS Een troebelheidsmeting is een indirecte, indicatieve benadering van de hoeveelheid zwevende stoffen in het water. De verhouding tussen troebelheid en de hoeveelheid TSS hangt onder meer af van het type water. Zo is de correlatie voor rwzi-effluent beter dan voor ‘vers’ afvalwater. Een lokale benadering van de relatie tussen troebelheid en TSS kunt u afleiden door behalve de troebelheidsmeting ook monsters te analyseren op TSS. Een voorbeeld van een dergelijke relatie vindt u in figuur E. Figuur E Metingen van troebelheid versus concentratie onopgeloste bestanddelen in een hemelwaterriool in Arnhem (Bron: STOWA Database afstromend hemelwater) Vergroot afbeelding J.G. Langeveld, R.G. Veldkamp, F. Clemens, 2005. Suspended solids transport: an analysis based on turbidity measurements and event based fully calibrated hydrodynamic models. Water Sci Technol (2005) 52 (3): 93–101. https://doi.org/10.2166/wst.2005.0065