Ολικά διαλυμένα στερεά

Ολικά διαλυμένα στερεά (Total dissolved solids ή TDS) είναι ένα μέτρο των σύνθετων περιεχομένων ουσιών όλων των ανόργανων και οργανικών ενώσεων που περιέχονται σε ένα υγρό σε μοριακή, ιονισμένη ή μικροκοκκώδη αιωρούμενη μορφή. Γενικά, ο λειτουργικός ορισμός είναι ότι τα στερεά πρέπει να είναι αρκετά μικρά για να επιβιώσουν της διήθησης μέσα από ένα φίλτρο πόρων ονομαστικού μεγέθους δύο μικρομέτρων ή μικρότερων. Τα ολικά διαλυμένα στερεά κανονικά εξετάζονται μόνο για συστήματα γλυκού νερού, επειδή η αλατότητα περιλαμβάνει μερικά από τα ιόντα που αποτελούν τον ορισμό των TDS. Η κύρια εφαρμογή των TDS είναι στη μελέτη της ποιότητας του νερού για ρυάκια, ποταμούς και λίμνες, αν και τα TDS δεν θεωρούνται γενικά ως βασικοί ρύποι (π.χ. δεν θεωρούνται ότι συσχετίζονται με επιπτώσεις υγείας) χρησιμοποιούνται ως μια ένδειξη των αισθητικών χαρακτηριστικών του πόσιμου νερού και ως ένας συγκεντρωτικός δείκτης της παρουσίας μιας πλατιάς σειράς χημικών ρυπαντών.

Οι κύριες πηγές για τα TDS στα ύδατα υποδοχής είναι η γεωργική και η αστική απορροή, ύδατα βουνών πλούσιων σε άργιλο, η απόπλυση των αποβλήτων της ρύπανσης των υδάτων από το έδαφος και το σημείο εκπομπής από βιομηχανικές εγκαταστάσεις ή επεξεργασία λυμάτων. Τα πιο συνηθισμένα χημικά συστατικά είναι ασβέστιο, φωσφορικά, νιτρικά, νάτριο, κάλιο και χλώριο, που βρίσκονται σε απορροή θρεπτικών συστατικών, γενική απορροή από όμβρια ύδατα και από κλίματα με χιόνια όπου ρίχνεται αλάτι για ξεπάγωμα των δρόμων. Τα χημικά μπορεί να είναι κατιόντα, ανιόντα, μόρια ή συσσωματώματα της τάξης χιλίων ή λιγότερων μορίων, εφόσον σχηματίζεται ένας διαλυτός μικροκόκκος. Πιο επιβλαβή για τα TDS είναι τα παρασιτοκτόνα που προκύπτουν από την επιφανειακή απορροή. Κάποια φυσικά εμφανιζόμενα ολικά διαλυμένα στερεά προκύπτουν από την διάβρωση και τη διάλυση των πετρωμάτων και των εδαφών. Οι ΗΠΑ έχουν καθιερώσει μια δευτερεύουσα τυπική ποιότητα του νερού 500 mg/l για να προβλέψουν τη γευστικότητα του πόσιμου νερού.

Τα ολικά διαλυμένα στερεά διαφέρουν από τα ολικά αιωρούμενα στερεά (total suspended solids ή TSS), επειδή τα δεύτερα δεν μπορούν να περάσουν μέσα από έναν ηθμό δύο μικρομέτρων και ακόμα αιωρούνται επ' αόριστο στο διάλυμα. Ο όρος "καθιζάνοντα στερεά (settleable solids)" αναφέρεται στα υλικά οποιουδήποτε μεγέθους τα οποία δεν θα παραμείνουν αιωρούμενα ή διαλυμένα σε μια δεξαμενή κατακράτησης όταν δεν υπόκεινται σε κίνηση και αποκλείει και τα TDS και τα TSS. Τα καθιζάνοντα στερεά μπορεί να περικλείουν μεγαλύτερα μικροσωματίδια ή αδιάλυτα μόρια.

Μέτρηση
Οι δύο βασικές μέθοδοι μέτρησης των ολικών διαλυμένων στερεών είναι η σταθμική ανάλυση και η αγωγιμότητα. Οι σταθμικές μέθοδοι είναι οι πιο ακριβείς και περιλαμβάνουν την εξάτμιση του υγρού διαλύτη και μέτρηση του εναπομείναντος υπολείμματος. Αυτή η μέθοδος είναι γενικά η καλύτερη, αν και είναι χρονοβόρα. Αν τα ανόργανα άλατα αποτελούν τη μεγάλη πλειοψηφία του TDS, οι σταθμικές μέθοδοι είναι κατάλληλες.

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα του νερού συνδέεται άμεσα με τη συγκέντρωση των διαλυμένων ιονισμένων στερεών στο νερό. Τα ιόντα από τα διαλυμένα στερεά στο νερό δημιουργούν τη δυνατότητα στο νερό να άγει το ηλεκτρικό ρεύμα, που μπορεί να μετρηθεί χρησιμοποιώντας ένα συμβατικό αγωγιμόμετρο ή μετρητή TDS. Όταν συσχετιστεί με εργαστηριακές μετρήσεις TDS, η αγωγιμότητα παρέχει μια προσεγγιστική τιμή για τη συγκέντρωση των TDS, συνήθως με απόκλιση της ακρίβειας έως 10%. 

Η σχέση των TDS και της ειδικής αγωγιμότητας των υπόγειων υδάτων μπορεί να δοθεί προσεγγιστικά από τη σχέση:

TDS = keEC

όπου το TDS εκφράζεται σε mg/L και EC είναι η ηλεκτρική αγωγιμότητα σε μικροζίμενς ανά εκατοστόμετρο στους 25 °C. Ο συντελεστής συσχέτισης ke κυμαίνεται μεταξύ 0,55 καιd 0,8.

Υδρολογική προσομοίωση

Τα πρότυπα υδρολογικής μεταφοράς χρησιμοποιούνται για τη μαθηματική ανάλυση της κίνησης των TDS σε ποτάμια συστήματα. Τα πιο συνηθισμένα πρότυπα αντιμετωπίζουν την επιφανειακή απορροή, επιτρέποντας μεταβολή στον τύπο χρήσης γης (land use), την τοπογραφία, τον τύπο του εδάφους, την κάλυψη της βλάστησης, τον υετό και την πρακτική διαχείρισης του εδάφους (π.χ. τον ρυθμό εφαρμογής ενός λιπάσματος). Τα πρότυπα απορροής έχουν εξελιχθεί σε καλό βαθμό ακρίβειας και επιτρέπουν την εκτίμηση εναλλακτικών μεθόδων διαχείρισης γης ανάλογα με τις επιπτώσεις της ποιότητας του νερού της ροής.

Πρότυπα λεκάνης χρησιμοποιούνται για πιο πλήρη αξιολόγηση των ολικών διαλυμένων στερεών μέσα σε μια λεκάνη απορροής (catchment basin) και δυναμικά με τις διάφορες αφίξεις ροών. Το πρότυπο DSSAM αναπτύχθηκε από την Υπηρεσία Περιβαλλοντικής Προστασίας των ΗΠΑ (EPA). Αυτό το πρότυπο υδρολογικής μεταφοράς βασίζεται στην πραγματικότητα στη μετρική της φόρτισης ρύπων που λέγεται "ολικό μέγιστο ημερήσιο φορτίο (Total Maximum Daily Load ή TMDL)", που αντιμετωπίζει τα TDS και άλλους ειδικούς χημικούς ρύπους. Η επιτυχία αυτού του προτύπου συνέβαλε στην διευρυμένη δέσμευση της Υπηρεσίας στη χρήση του υποκείμενου πρωτοκόλλου TMDL στην πολιτική της για διαχείριση πολλών ποτάμιων συστημάτων στις ΗΠΑ.

Πρακτικές επιπτώσεις

Τα υψηλά επίπεδα των ολικών διαλυμένων στερεών δεν συσχετίζονται με το σκληρό νερό, αφού οι αποσκληρυντές του νερού δεν μειώνουν τα TDS. Οι αποσκληρυντές του νερού αφαιρούν τα ιόντα του μαγνησίου και του ασβεστίου, που δημιουργούν το σκληρό νερό, αλλά αυτά τα ιόντα αντικαθίστανται από ίσο αριθμό ιόντων νατρίου ή καλίου. Αυτό αφήνει το γενικό TDS αμετάβλητο. Το σκληρό νερό μπορεί να προκαλέσει δημιουργία επικαθήσεων στους σωλήνες, σε βαλβίδες και φίλτρα, μείωση της απόδοσης και αύξηση στα κόστη συντήρησης του συστήματος. Αυτές οι επιπτώσεις μπορούν να φανούν σε ενυδρεία, λουτρά, πισίνες και σε συστήματα επεξεργασίας νερού με αντίστροφη ώσμωση. Συνήθως, σε αυτές τις εφαρμογές, τα ολικά διαλυμένα στερεά και οι μεμβράνες διήθησης ελέγχονται συχνά για να αποφευχθούν οι επιβλαβείς επιπτώσεις.

Στην περίπτωση της υδροπονίας (hydroponics) και της υδατοκαλλιέργειας (aquaculture), τα TDS παρακολουθούνται συχνά για να δημιουργήσουν ένα περιβάλλον ποιότητας του νερού ευνοϊκό για την παραγωγικότητα του οργανισμού. Για τα  στρείδια και τις πέστροφες του γλυκού νερού, καθώς και για άλλα θαλασσινά υψηλής αξίας, οι μέγιστες παραγωγικές και οικονομικές απολαβές πετυχαίνονται  με προσομοίωση των επιπέδων TDS και pH κάθε τοπικού περιβάλλοντος των ειδών. Για υδροπονικές καλλιέργειες, τα ολικά διαλυμένα στερεά θεωρούνται ως ένας από τους καλύτερους δείκτες θρεπτικής διαθεσιμότητας για την ανάπτυξη των υδρόβιων φυτών.

Επειδή το κατώφλι των αποδεκτών αισθητικών κριτηρίων για το ανθρώπινο πόσιμο νερό είναι 500 mg/l, δεν υπάρχει ανησυχία για την οσμή, τη γεύση και το χρώμα σε ένα επίπεδο πολύ χαμηλότερο από το απαιτούμενο για να είναι επιβλαβές. Έχουν διεξαχθεί κάποιες μελέτες που δείχνουν διαφορετικές αντιδράσεις των ειδών από δυσανεξία μέχρι απόλυτη τοξικότητα λόγω αυξημένων επιπέδων TDS. Τα αριθμητικά αποτελέσματα πρέπει να ερμηνεύονται με προσοχή, επειδή τα πραγματικά αποτελέσματα της τοξικότητας συσχετίζονται με συγκεκριμένες χημικές ουσίες. Παρόλα αυτά, κάποιες αριθμητικές πληροφορίες είναι ένας χρήσιμος οδηγός για τη φύση των κινδύνων στην έκθεση υδρόβιων οργανισμών ή χερσαίων ζώων σε υψηλά επίπεδα TDS. τα περισσότερα θαλάσσια οικοσυστήματα που περιέχουν μικτή ιχθυοπανίδα μπορούν να ανεχθούν επίπεδα 1000 mg/l TDS.

Ο χονδροκέφαλος Leuciscinae (Pimephales promelas), παραδείγματος χάρη, εμφανίζει ένα LD50 με συγκέντρωση 5600 ppm με βάση μια έκθεση 96 ωρών. Το LD50 είναι η απαιτούμενη συγκέντρωση για να παραγάγει ένα θανάσιμο αποτέλεσμα σε 50 % του εκτιθέμενου πληθυσμού. Η Daphnia magna, ένα καλό παράδειγμα ενός πρωτογενούς μέλους της τροφικής αλυσίδας, είναι ένα μικρό πλαγκτονικό καρκινοειδές, μήκους περίπου 0,5 mm, που έχει LD50 περίπου 10.000 ppm TDS για μια έκθεση 96 ωρών.

Οι γόνοι των ψαριών και τα νεαρά ψάρια φαίνεται να είναι πιο ευαίσθητα σε υψηλά επίπεδα TDS. Παραδείγματος χάρη, βρέθηκε ότι συγκεντρώσεις των 350 mg/l TDS μείωσαν τη γονιμοποίηση στο γραμμωτό λαβράκι (Morone saxatilis) στην περιοχή του δέλτα στον κόλπο του Σαν Φρανσίσκο και συγκεντρώσεις κάτω από 200 mg/l αύξησαν τις πιο υγιεινές συνθήκες γονιμοποίησης. Στον ποταμό Truckee, η EPA βρήκε ότι τα νεαρά Oncorhynchus clarkii henshawi υπόκεινται σε μεγαλύτερη θνησιμότητα όταν εκτίθενται σε θερμική μόλυνση σε συνδυασμό με υψηλές συγκεντρώσεις ολικών διαλυμένων στερεών.

Για τα χερσαία ζώα, τα πουλερικά έχουν συνήθως ένα ασφαλές άνω όριο έκθεσης σε TDS περίπου 2900 mg/l, ενώ οι γαλακτοφόρες αγελάδες έχουν μετρηθεί να έχουν ένα ανώτερο όριο γύρω στα 7100 mg/l. Η έρευνα έχει δείξει ότι το η έκθεση σε TDS επιδεινώνει την τοξικότητα όταν άλλοι καταπονητές είναι παρόντες, όπως ανώμαλο pH, υψηλή θόλωση, ή μειωμένο διαλυμένο οξυγόνο.

Σε χώρες με συχνά επισφαλή/ακάθαρτη τροφοδοσία δικτύου του νερού, όπως στο μεγαλύτερο τμήμα της Ινδίας, το TDS του πόσιμου νερού ελέγχεται συχνά από τεχνικούς για να μετρήσουν πόσο αποτελεσματικά δουλεύουν οι συσκευές διήθησης του νερού. Ενώ οι μετρήσεις του TDS δεν δίνουν απάντηση για την ποσότητα των μικροοργανισμών που υπάρχουν στο δείγμα του νερού, μπορούν να δώσουν μια καλή ιδέα για την αποτελεσματικότητα της διήθησης από την ποσότητα του TDS που εμφανίζεται.

Ταξινόμηση του νερού
Το νερό μπορεί να ταξινομηθεί από το επίπεδο του TDS στο νερό:
Μαλακό νερό: λιγότερο από 500 mg/L TDS=0,5ppt
Υφάλμυρο νερό: 500 μέχρι 30.000 mg/L TDS=0,5-30ppt
Αλμυρό νερό: 30.000 μέχρι 40.000 mg/L TDS=30-40ppt
Υπεραλμυρό νερό: μεγαλύτερο από 40.000 mg/L TDS>=40ppt

Παραπομπές

Χημεία περιβάλλοντος
Ρύπανση των υδάτων