Меню Рубрики

Что такое гидрокарбонаты в анализе воды

Щелочность воды — концентрация суммы анионов слабых кислот (главным образом анионов угольной кислоты), присутствующих в водах, которая может быть определена при титровании пробы сильной кислотой и в значительной мере обуславливается cодержанием гидрокарбонатных и карбонатных ионов.

Источники. Основным источником гидрокарбонатных и карбонатных ионов в поверхностных водах являются процессы химического выветривания и растворения карбонатных пород типа известняков, мергелей, доломитов, например:

Значительные количества гидрокарбонатных ионов поступают с атмосферными осадками и грунтовыми водами, со сточными водами предприятий химической, силикатной, содовой промышленности.

Формы миграции. Гидрокарбонатные и карбонатные ионы являются основными составными компонентами карбонатной системы, а поэтому их растворимость, количественные соотношения и формы нахождения определяются ее состоянием.

В поверхностных водах гидрокарбонатные и карбонатные ионы присутствуют, главным образом, в растворенном состоянии. Соотношения между концентрацией карбонатных и гидрокарбонатных ионов зависит от концентрации ионов водорода и, следовательно, определяется величиной рН исследуемой воды.

Практически в природных водах, рН которых ниже 4,0, гидрокарбонатные ионы фактически отсутствуют, в интервале рН = 6 –10 они являются основной формой производных угольной кислоты ( максимальное их содержание при рН –8,3-8,4). Карбонатные ионы при рН более 10,5 становятся главной формой существования производных угольной кислоты, табл.

Соотношение форм производных угольной кислоты при различных рН, выраженных в % от общего их содержания

Содержание в поверхностных водах. В речных водах содержание гидрокарбонатных и карбонатных ионов колеблется от 30 до 400 мг HCO3, в озерах – от 1 до 500 мг HCO3 в литре. Гидрокарбонатные и карбонатные ионы, как правило, преобладают в водах малой минерализации, которые относятся к гидрокарбонатному классу, их концентрация в поверхностных водах подвержена заметным сезонным колебаниям. В низкоминерализованных водах ее колебания достаточно четко коррелируют с изменением общей минерализации воды.

Свойства, цели наблюдения. Щелочность является важной характеристикой поверхностных вод, по которой можно судить о важнейших гидрохимических процессах.

Наиболее широкое распространение получили методы прямого и обратного титрования, потенциометрические.

Методы прямого титрования основаны на титровании пробы воды сильной кислотой (HCl, H2SO4 и др.) в присутствии различных индикаторов, имеющих переход окраски в эквивалентной точке в области рН от 3 до 4.

Отбор проб, их предварительная обработка и хранение. Определение должно производиться вскоре после отбора проб (не позднее одних суток). Мутные пробы фильтруют через мембранный фильтр 0,45 мк. При отборе проб бутыль следует заполнять водой доверху. Для отбора и хранения необходимо использовать полиэтиленовую посуду, поскольку гидрокарбонаты, карбонаты могут в значительных количествах выщелачиваться из стекла.

Метод основан на взаимодействии бикарбонатов с соляной кислотой.

О величине щелочности судят по количеству израсходованной соляной кислоты (ацидометрический метод).

Для установления эквивалентной точки используют индикатор метилоранж, имеющий в щелочной среде желтую, а в кислой — розовую окраску. По первому изменению окраски судят о конце титрования.

Пипеткой или цилиндром отбирают 100 мл исследуемой воды и переносят ее в титровальную колбу объемом 250 мл. Добавляют 2-3 капли индикатора метилового оранжевого и титруют 0,1N HCl, до устойчивой оранжево-розовой окраски. Количество соляной кислоты, пошедшее на титрование, записывают.

Содержание HCO3— вычисляют по формуле:

HCO3-мг/л = n * N *1000 *61 / V , где

n– количество 0,1 N HCl, израсходованное на титрование пробы, мл

V- объем исследуемой воды, мл

1.Раствор соляной кислоты HCl. х.ч. Готовят из фиксанала путем разбавления содержимого ампулы дистиллированной водой в мерной колбе на 1 л .

2.Метилоранж (индикатор) 0,1% или 0,05%. Готовится путем растворения порошка метилоранжа в дистиллированной воде при нагревании. 0,1 % раствор – 0,1 г порошка растворяют в 100 мл дистиллированной воды.

0,05 % раствор – 0,05 г порошка растворяют в 100 мл дистиллированной воды.

источник

Гидрокарбонаты – это неорганические соли, диссоциирующие в воде на катионы металлов и анионы НСО3 — . В связи с тем, что в анионе присутствует атом водорода, такие соли называются кислыми. В природной воде присутствуют в основном гидрокарбонаты кальция и магния. Карбонаты металлов относятся к средним или нормальным солям, характеризуются маленькой растворимостью. Концентрация карбонатов в растворе минимальна. Угольная кислота характеризуется слабокислыми свойствами. При обменных реакциях с водой соли угольной кислоты и щелочноземельных металлов образуют щелочную среду. Защелачивание организма вызывает неприятные последствия. Вследствие этого концентрация солей угольной кислоты регулярно контролируется.

Нормальные соли угольной кислоты и щелочноземельных металлов в виде природного сырья используются в строительном деле для производства цементов, вяжущих смесей. Известные ископаемые: известняк, магнезит, витерит применяются для получения огнеупорных материалов. Под действием воды и атмосферного углекислого газа средние соли угольной кислоты легко преобразуются в гидрокарбонаты. После нагревания карбонаты превращаются в оксиды, которые обладают высокой термоустойчивостью.

Соли угольной кислоты используются на химических производствах, в коммунальных хозяйствах для нейтрализации промышленных стоков, загрязненных кислотами.

Кислые и средние карбонаты щелочных металлов известны под названием сода. При хлебопечении, в кондитерском производстве, разлагаясь с выделением диоксида углерода, они разрыхляют тесто, улучшают качество изделий.

Содержание в воде. Методы контроля

Концентрация минеральных солей в питьевой воде оказывает существенное влияние на метаболизм в организме человека. Соли угольной кислоты определяют показатели щелочности. Сдвиг значения рН в сторону увеличения изменяет скорость и направление обменных процессов. Оптимальная концентрация гидрокарбонатов, которые долгое время называли бикарбонатами, для благополучного функционирования физиологических процессов составляет минимум 30 мг/л, максимум – 400 мг/л. Вода со значениями концентраций в указанном диапазоне считается полноценной.

В бутилированной воде допускается содержание гидрокарбонатов в верхнем пределе диапазона, 400 мг/л. Расфасованная вода высшей категории подвергается более глубокой очистке, характеризуется содержанием гидрокарбонатов, полностью соответствующим нормам полноценности, от 30 мг/л до 400 мг/л. Регламентируемые показатели зафиксированы в СанПиН 2.1.4.1116-02.

Контроль концентраций солей угольной кислоты осуществляют по методикам ГОСТ 31957—2012, соответствующим международным подходам к определению щелочности. В основе определения лежит титриметрический метод, осуществляемый в два этапа. На первой стадии фиксируется точка оттитровывания карбонат-ионов при рН, равном 8,3. На втором этапе определяют общую щелочность при значении рН=4,5. Титрование можно контролировать по изменению цвета индикаторов или потенциометрически. Для фиксирования скачка значения рН на первой стадии используют фенолфталеин, на второй – метиловый оранжевый.

Расчет полученных показателей по формулам, приведенным в стандарте, позволяет получить полную информацию о содержании гидрокарбонатов в воде.

Влияние на здоровье человека

Для всех живых систем, в том числе организма человека, характерно постоянство среды. Это состояние называется гомеостазом, поддерживается естественными веществами буферного действия.

Изменение щелочности физиологических растворов: желудочного сока, лимфатической жидкости, крови и др, вызывает дисбаланс во всех метаболических процессах. В результате нарушается работа ферментов, ухудшается проницаемость мембран, наблюдаются комплексные изменения.

Возможные проявления могут наблюдаться в нарушениях работы пищевого тракта, сосудистой системы, слизистых оболочек и кожных покровов.

Источники загрязнения воды

Гидрокарбонаты – это естественные природные компоненты воды, попадающие туда из минералов, почвы. Избыточное содержание карбонатов может обнаруживаться в специфических геологических регионах, для которых характерна повышенная жесткость воды. Часто эти районы тесно прилегают к месторождениям известняка.

Техногенное повышение концентрации гидрокарбонатов может наблюдаться в местах расположения комплексов, производящих цемент, другие строительные материалы.

Защитить себя от всех рисков можно воспользовавшись службой доставки бутилированной воды. #ЗнайЧтоПьешь и будь здоров!

источник

Как отмечалось выше (разд. «Щелочность и кислотность») щелочность природной воды определяет, содержание карбонатов и гидрокарбонатов. Содержание этих компонентов в воде обусловлено процессами растворения атмосферного СОг, взаимодействия воды с находящимися в прилегающих грунтах известняками и, конечно, протекающими в воде жизненными процессами дыхания всех водных организмов.

Карбонат- и гидрокарбонат-анионы определяют титриметрическим методом, основанным на измерении водородого показателя (pH) по фенолфталеину (определение карбонат-анионов) или по метиловому оранжевому (определение гидрокарбонат-анионов) в качестве индикаторов. Используя эти два индикатора, удается наблюдать две точки эквивалентности: в первой точке (pH 8,0—8,2) в присутствии фенолфталеина полностью завершается титрование карбонат-анионов, а во второй (pH 4,1—4,5) — гидрокарбонат-анионов. По результатам титрования можно определить концентрации в анализируемом растворе основных ионных форм, обусловливающих связывание водородных ионов (гидроксил-, карбонат- и гидрокарбонат-анионов), а также свободной и общей щелочности воды, величины которой находятся в стехиометрической зависимости от содержания гидроксил-, карбонат- и гидрокарбонат-анио- нов. Для титрования обычно используют титрованные растворы соляной кислоты с точно известным значением концентрации — 0,05 либо 0,1 моль/л.

Определение карбонат-анионов основано на реакции

Присутствие карбонат-аниона в концентрациях, определяемых аналитически, возможно лишь в водах, pH которых более 8,0—8,2. В случае присутствия в анализируемой воде гидроксил-анионов при определении карбонатов протекает также реакция нейтрализации:

Определение гидрокарбонат-анионов основано на реакции

Таким образом, при титровании по фенолфталеину в реакции с кислотой участвуют анионы ОН — и СОз 2- , а при титровании по метиловому оранжевому — ОН — , СОз 2- и НСОз — .

Величина карбонатной жесткости рассчитывается с учетом эквивалентных масс участвующих в реакциях карбонат- и гидрокарбонат-анионов.

При анализе карбонатных природных вод результаты рассчитывают по расходу кислоты на титрование по фенолфталеину и метилоранжу. Если титрование в присутствии фенолфталеина обычно не вызывает затруднений, так как происходит изменение окраски от розовой до бесцветной, то в присутствии метилового оранжевого при изменении окраски от желтой до оранжевой определить момент окончания титрования иногда довольно сложно. Это может привести к значительной ошибке при определении объема кислоты, израсходованной на титрование. В этих случаях для более четкого выявления момента окончания титрования определение полезно проводить в присутствии контрольной пробы, для чего рядом с титруемой пробой помещают такую же порцию воды (во второй склянке), к которой добавлено такое же количество индикатора.

В результате титрования карбоната и гидрокарбоната, которое может выполняться как параллельно в разных пробах, так и последовательно в одной и той же пробе, для расчета значений концентраций необходимо определить общее количество кислоты в миллилитрах, израсходованной на титрование карбоната (Ук) и гидрокарбоната (Кгк). Следует иметь в виду, что при определении расхода кислоты на титрование по метилоранжу (Емо) происходит последовательное титрование и карбонатов, и гидрокарбонатов. По этой причине расходуемый на титрование объем кислоты Кмо обусловлен присутствием в исходной пробе карбонатов, перешедших после реакции с катионом водорода в гидрокарбонаты, и не характеризует только концентрацию гидрокарбонатов в исходной пробе. Следовательно, при расчете концентраций основных ионных форм, обусловливающих расход кислоты, необходимо учесть расход кислоты при титровании по фенолфталеину (Кф) и метилоранжу (Кмо)- Рассмотрим несколько возможных вариантов, сопоставляя величины Уф и Кмо.

  • 1. Уф = 0. Карбонаты, а также гидроксил-анионы в пробе отсутствуют, и при титровании по метилоранжу объем кислоты связан только с присутствием гидрокарбонатов.
  • 2. Кф*0, причем 2 УфУмо- В данном случае в исходной пробе гидрокарбонаты отсутствуют, но присутствуют не только карбонаты, но и другие потребляющие кислоту анионы, а именно гидроксил-анионы. При этом содержание последних эквивалентно Кон = 2 Уф — Кмо- Содержание карбонатов можно рассчитать, решив систему уравнений

5. Уф = Умо- В исходной пробе отсутствуют и карбонаты, и гидрокарбонаты, и потребление кислоты обусловлено присутствием сильных щелочей, содержащих гидроксил-анионы.

Присутствие свободных гидроксил-анионов в заметных количествах (случаи 4 и 5) возможно только в сточных или загрязненных водах.

Массовые концентрации анионов (не солей!) рассчитываются на основании уравнений реакций потребления кислоты карбонатами (Ск) и гидрокарбонатами (Срк.) в мг/л по формулам

где Ук и У к — объемы раствора соляной кислоты, израсходованные на титрование карбоната и гидрокарбоната соответственно, мл; Н — точная концентрация титрованного раствора соляной кислоты (нормальность), моль/л экв.; УА объем пробы воды, взятой для анализа, мл; 60 и 61 — эквивалентная масса карбонат- и гидрокарбонат-аниона соответственно в соответствующих реакциях; 1000 — коэффициент пересчета единиц измерений. Результаты титрования по фенолфталеину и метилоранжу позволяют рассчитать показатель щелочности воды, который численно равен количеству эквивалентов кислоты, израсходованной на титрование пробы объемом 1 л. При этом потребление кислоты при титровании по фенолфталеину характеризует свободную щелочность, а по метилоранжу — общую щелочность (в ммоль/л). Показатель щелочности используется в России, как правило, при исследовании сточных вод. В некоторых странах (США, Канаде, Швеции и др.) щелочность определяется при оценке качества природных вод и выражается массовой концентрацией в пересчете на СаС03.

Следует иметь в виду, что при анализе сточных и загрязненных природных вод получаемые результаты не всегда корректно отражают свободную и общую щелочности, так как в анализируемых пробах воды наряду с карбонатами и гидрокарбонатами, могут присутствовать другие соединения (см. «Щелочность и кислотность»).

Пипетка на 2 мл или на 5 мл, мерный шприц с наконечником и соединительной трубкой; пипетка-капельница; склянка с меткой «10 мл».

Раствор индикатора метилового оранжевого (0,1%) водный; раствор индикатора фенолфталеина; раствор соляной кислоты титрованный (0,05 моль/л).

Приготовление растворов см. приложение 3.

А. Титрование карбонат-аниона

1. В склянку налейте до метки (10 мл) анализируемую воду.

2. Добавьте пипеткой 3—4 капли раствора фенолфталеина.

Примечание. При отсутствии окрашивания раствора либо при слабо-розовом окрашивании считают, что карбонат-анион в пробе отсутствует (pH пробы менее 8,0—8,2).

3. Постепенно титруйте пробу с помощью мерного шприца с наконечником либо мерной пипетки раствором соляной кислоты (0,05 моль/л) до тех пор, пока окраска побледнеет до слабо-розовой (практически бесцветной), и определите объем раствора соляной кислоты, израсходованный на титрование по фенолфталеину (Уф, мл).

Раствор после титрования карбонат-аниона оставьте для дальнейшего определения в нем массовой концентрации гидрокарбонат-аниона.

Б. Титрование гидрокарбонат-аниона

4. В склянку налейте до метки (10 мл) анализируемую воду либо используйте раствор после определения карбонат-аниона.

5. Добавьте пипеткой 1 каплю раствора метилового оранжевого.

Примечание. Для более четкого определения момента окончания титрования определение полезно проводить в присутствии контрольной пробы, для чего рядом с титруемой пробой помещают такую же порцию анализируемой воды (во второй склянке), к которой добавлено такое же количество индикатора.

6. Постепенно титруйте пробу с помощью мерного шприца с наконечником раствором соляной кислоты (0,05 моль/л) при перемешивании до перехода желтой окраски в оранжевую, определяя общий объем раствора, израсходованного на титрование по метилоранжу (Ую, мл). При использовании раствора после определения карбонат-аниона необходимо определить суммарный объем, израсходованный на титрование карбоната и гидрокарбоната.

Примечание. При титровании обязательно перемешивайте раствор ! Момент окончания титрования определяйте по контрольной пробе.

В. Определение ионных форм, обусловливающих потребление кислоты на титрование В зависимости от соотношения между количествами кислоты, израсходованными на титрование по фенолфталеину (Уф) и метилоранжу (КМо), по табл. IV. 12 выберите подходящий вариант для вычисления ионных форм, обусловливающих потребление кислоты при титровании.

Таблица IV. 12. Определение ионных форм, обусловливающих потребление кислоты на титрование

источник

Описание: многоуровневый интегральный параметр, отражающий концентрацию анионов слабых органических и неорганических кислот в воде, в основном — угольной. Характеризует направленность гидро- и геохимических процессов, коррозионной агрессивности воды по отношению к бетону, стали, отопительным котлам, парогенераторам.

Методы определения: титриметрия с использованием индикаторов, потенциометрическое определение.

Типы щёлочности

Тип Обусловленность
Свободная щелочность Наличие в воде карбонат-ионов CO 2− 3 и гидроксильных ионов OH − в водах с pH > 8,3
Карбонатная щелочность Наличие в воде продуктов диссоциации угольной кислоты — карбонатов CO 2− 3 и гидрокарбонатов HCO − 3, находящихся в равновесии
Общая щелочность Наличие в воде анионов слабых неорганических и органических кислот, титруемых сильной кислотой

Методики, используемые в Испытательном центре МГУ определения концентрации гидрокарбонатов в природных средах

Нормативный документ на методику Метод определения Оборудование
Вода
ГОСТ 31957-2012 титриметрия вспомогательное оборудование
РД 52.24.493-2006 титриметрия вспомогательное оборудование
Почва
ГОСТ 26424-85 титриметрия весы

Распространённость: гидрокарбонаты HCO − 3, карбонаты CO 2− 3, гидроксид-ион OH − и ионы слабых органических и неорганических кислот появляются в природной воде естественным образом в процессе растворения в воде углекислого газа, минералов и вмещающих пород при контакте воды с почвой. Поэтому практически все типы вод характеризуются щёлочностью отличной от нуля. Щёлочность тесно связана с показателем pH, поэтому разные щёлочности могут не присутствовать в воде одновременно.

С нормированием щёлочностей дела обстоят сложно. Сама по себе эта группа параметров в воде не нормируется. Однако нормируются гидрокарбонаты (только в бутилированной воде), частично обуславливающие значение щёлочностей. Содержание карбонатов напрямую не нормируются, но, если учесть, что в питьевой воде строго нормируется pH, свободная щёлочность в питьевой воде должна быть равна нулю.

Предельно допустимая концентрация (ПДК) гидрокарбонатов в различных типах вод

Нормирование ПДК, мг/л
Бутилированная вода первой категории
СанПиН 2.1.4.1116-02
0–400
Бутилированная вода высшей категории
СанПиН 2.1.4.1116-02
30–400
Вода систем централизованного водоснабжения
СанПиН 2.1.4.1074-01
Водные объекты рыбохозяйственного значения
Приказ Минсельхоза РФ № 552
Объекты рекреационного водопользования
СанПиН 2.1.5.980-00
Вода плавательных бассейнов
СанПиН 2.1.2.1188-03
Сточные воды в бытовых системах водоотведения
Постановление Правительства РФ № 644
Сточные воды в ливневых системах водоотведения
Постановление Правительства РФ № 644

Несмотря на то, что щёлочность не нормируется в большей части типов вод (кроме бутилированной), у щёлочности есть физиологическое воздействие: при употреблении воды с повышенной щёлочностью неизбежны негативные последствия для организма. Наиболее опасна свободная щёлочность. Общую и карбонатную щёлочности (при отсутствии свободной) лучше контролировать по содержанию гидрокарбонатов. Их содержание не должно превышать 400 мг/л.

При повышенной щёлочности наблюдается:

  • нарушение кислотно-щелочного равновесия;
  • снижение щелочного резерва крови;
  • снижение кислотности желудочных соков;
  • ускорение фильтрации мочевины;
  • увеличение риска развития гипоацидного гастрита.

Появление в питьевой воде свободной щёлочности говорит о наличии загрязнения источника.

  • моющие средства (ПАВ);
  • щёлочи;
  • мелкодисперсные (гидро)карбонаты щелочных и щёлочноземельных металлов (кальция, магния, натрия, калия) в форме порошка.

При загрязнении источника такими загрязнителями очистка воды, как правило, не целесообразна — необходимо проводить очистку самого источника. В случае, если без очистки воды не обойтись, предпочтительнее использовать обратный осмос.

Щёлочность — важный интегральный параметр состояния воды. Повышенное содержание свободной щёлочности говорит о загрязнении источника. Общая и карбонатная щёлочности позволяют судить о происходящих в воде процессах и о балансе карбонатов и гидрокарбонатов, а также о связи этого баланса с показателем pH. Также параметры используются для оценки пригодности воды для использования в технологических процесса и устройства, например парогенераторах, отопительных котлах, бойлерах и т.д.

источник

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6

5.1. Карбонаты и гидрокарбонаты

Как отмечалось выше (в разделе «Щелочность и кислот­ность), карбонаты и гидрокарбонаты представляют собой компо­ненты, определяющие природную щелочность воды. Их содер­жание в воде обусловлено процессами растворения атмосферной С02, взаимодействия воды с находящимися в прилегающих грунтах известняками и, конечно, протекающими в воде жизнен­ными процессами дыхания всех водных организмов.

Определение карбонат — и гидрокарбонат-анионов является титриметрическим и основано на их реакции с водородными ио­нами в присутствии фенолфталеина (при определении карбонат-анионов) или метилового оранжевого (при определении гидро­карбонат-анионов) в качестве индикаторов. Используя эти два индикатора, удается наблюдать две точки эквивалентности: в первой точке (рН 8,0-8,2) в присутствии фенолфталеина полно­стью завершается титрование карбонат-анионов, а во второй (рН 4,1-4,5) — гидрокарбонат-анионов. По результатам титрования можно определить концентрации в анализируемом растворе основных ионных форм, обуславливающих потребление ки­слоты (гидроксо-, карбонат — и гидрокарбонат-анионов), а также величины свободной и общей щелочности воды, т. к. они нахо­дятся в стехиометрической зависимости от содержания гидроксил-, карбонат — и гидрокарбонат-анионов.

Определение карбонат-анионов основано на реакции:

Присутствие карбонат-аниона в концентрациях, опреде­ляемых аналитически, возможно лишь в водах, рН которых бо­лее 8,0-8,2. В случае присутствия в анализируемой воде гидроксо-анионов при определении карбонатов протекает также реакция нейтрализации:

Определение гидрокарбонат-анионов основано на реакции:

Таким образом, при титровании по фенолфталеину в ре­акции с кислотой участвуют анионы ОН- и СOз2- , а при титро­вании по метиловому оранжевому — ОН-, СОз2- и НСОз-.

Величина карбонатной жесткости рассчитывается с уче­том эквивалентных масс участвующих в реакциях карбонат — и гидрокарбонат-анионов.

В результате титрования карбоната и гидрокарбоната, которое может выполняться как параллельно в разных пробах, так и последовательно в одной и той же пробе, для расчета значений концентраций необходимо определить общее количе­ство кислоты (Vo) в миллилитрах, израсходованной на титро­вание карбоната (Vк) и гидрокарбоната (Vгк).

Читайте также:  Расшифровка анализа воды из скважины

Следует иметь в виду, что при определении потребления кислоты на титрование по метилоранжу (Vмо) происходит последовательное титрова­ние и карбонатов, и гидрокарбонатов. По этой причине полу­чаемый объем кислоты Vmo содержит соответствующую долю, обусловленную присутствием в исходной пробе карбонатов, перешедших после реакции с катионом водорода в гидрокар­бонаты, и не характеризует полностью концентрацию гидро­карбонатов в исходной пробе. Следовательно, при расчете концентраций основных ионных форм, обуславливающих по­требление кислоты, необходимо учесть относительное потреб­ление кислоты при титровании по фенолфталеину (Vф) и мети­лоранжу (Vмо). Рассмотрим несколько возможных вариантов, сопоставляя величины Vo и vmo.

1. Vф=0. Карбонаты, а также гидроксо-анионы в пробе отсутствуют, и потребление кислоты при титровании по мети­лоранжу может быть обусловлено только присутствием гидро­карбонатов.

2. Vф?0, причем 2Vф Vмо. В данном случае в исходной пробе гидро­карбонаты отсутствуют, но присутствуют не только карбонаты, но и другие потребляющие кислоту анионы, а именно — гид­роксо-анионы. При этом содержание последних эквивалентно составляет Vон =2Vф — Vмо. Содержание карбонатов можно рас­считать, составив и решив систему уравнений:

5. Vф = Vмо. В исходной пробе отсутствуют и карбонаты, и гидрокарбонаты, и потребление кислоты обусловлено при­сутствием сильных щелочей, содержащих гидроксо-анионы.

Присутствие свободных гидроксо-анионов в заметных количествах (случаи 4 и 5) возможно только в сточных водах.

Результаты титрования по фенолфталеину и метилоран­жу позволяют рассчитать показатель щелочности воды, кото­рый численно равен количеству эквивалентов кислоты, израс­ходованной на титрование пробы объемом 1 л.

При этом потребление кислоты при титровании по фенолфталеину ха­рактеризует свободную щелочность, а по метилоранжу — об­щую щелочность, которая измеряется в мг-экв/л. Показатель щелочности используется в России, как правило, при исследо­вании сточных вод. В некоторых других странах (США, Кана­де, Швеции и др.) щелочность определяется при оценке каче­ства природных вод и выражается массовой концентрацией в эквиваленте СаСОз.

Следует иметь в виду, что, при анализе сточных и загряз­ненных природных вод, получаемые результаты не всегда кор­ректно отражают величины свободной и общей щелочности, т. к. в воде, кроме карбонатов и гидрокарбонатов, могут присутство­вать соединения некоторых других групп (см. «Щелочность и кислотность»).

Сульфаты, — распространенные компоненты природных вод. Их присутствие в воде обусловлено растворением некото­рых минералов — природных сульфатов (гипс), а также пере­носом с дождями содержащихся в воздухе сульфатов. Послед­ние образуются при реакциях окисления в атмосфере оксида серы (IV) до оксида серы (VI), образования серной кислоты и ее нейтрализации (полной или частичной):

Наличие сульфатов в промышленных сточных водах обычно обусловлено технологическими процессами, проте­кающими с использованием серной кислоты (производство минеральных удобрений, производства химических веществ). Сульфаты в питьевой воде не оказывают токсического эффекта для человека, однако ухудшают вкус воды: ощущение вкуса сульфатов возникает при их концентрации 250-400 мг/л. Сульфаты могут вызывать отложение осадков в трубопроводах при смешении двух вод с разным минеральным составом, на­пример, сульфатных и кальциевых (в осадок выпадает CaS04).

ПДК сульфатов в воде водоемов хозяйственно-питьевого назначения составляет 500 мг/л, лимитирующий показатель вредности — органолептический.

Хлориды присутствуют практически во всех пресных поверхностных и грунтовых водах, а также в питьевой воде, в виде солей металлов. Если в воде присутствует хлорид на­трия, она имеет соленый вкус уже при концентрациях свыше 250 мг/л; в случае хлоридов кальция и магния соленость воды возникает при концентрациях свыше 1000 мг/л. Именно по органолептическому показателю — вкусу установлена ПДК для питьевой воды по хлоридам (350 мг/л), лимитирующий показа­тель вредности — органолептический.

Большие количества хлоридов могут образовываться в промышленных процессах концентрирования растворов, ион­ного обмена, высоливания и т. д., образуя сточные воды с высо­ким содержанием хлорид-аниона.

Высокие концентрации хлоридов в питьевой воде не ока­зывают токсических эффектов на людей, хотя соленые воды очень коррозионно активны по отношению к металлам, пагуб­но влияют на рост растений, вызывают засоление почв.

Сухой остаток характеризует содержание в воде нелету­чих растворенных веществ (главным образом минеральных) и органических веществ, температура кипения которых превы­шает 105-110 °С.

Величину сухого остатка можно также оценить расчет­ным методом. При этом надо суммировать полученные в ре­зультате анализов концентрации растворенных в воде мине­ральных солей, а также органических веществ (гидрокарбонат суммируется в количестве 50 %). Для питьевой и природной воды величина сухого остатка практически равна сумме массо­вых концентраций анионов (карбоната, гидрокарбоната, хло­рида, сульфата) и катионов (кальция и магния, а также опреде­ляемых расчетным методом натрия и калия).

Величина сухого остатка для поверхностных вод водо­емов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водополь­зования не должна превышать 1000 мг/л (в отдельных случаях допускается до 1500 мг/л).

7. Общая жесткость, кальций и магний

Жесткость воды — одно из важнейших свойств, имею­щее большое значение при водопользовании. Если в воде на­ходятся ионы металлов, образующие с мылом нерастворимые соли жирных кислот, то в такой воде затрудняется образование пены при стирке белья или мытье рук, в результате чего возни­кает ощущение жесткости. Жесткость воды пагубно сказывает­ся на трубопроводах при использовании воды в тепловых се­тях, приводя к образованию накипи. По этой причине в воду приходится добавлять специальные «смягчающие» химикаты.

Жесткость воды обусловлена присутствием растворимых и малорастворимых солей-минералов, главным образом каль­ция (Са2+’) и магния (Mg2+).

Кроме указанных, к солям жестко­сти относят также соли стронция (Sr2+), цинка (Zn2+) и др., од­нако в поверхностных и грунтовых природных водах из перечисленных катионов заметных концентрациях присутст­вуют практически исключительно кальций и магний.

Величина жесткости воды может варьироваться в широких пределах в зависимости от типа пород и почв, слагающих бассейн водо­сбора, а также от сезона года, погодных условий. Общая же­сткость воды в озерах и реках тундры, например, составляет 0,1-0,2 мг-экв/л, а в морях, океанах, подземных водах достига­ет 80-100 мг-экв/л и даже больше (Мертвое море). В табл. 11 приведены значения общей жесткости воды некоторых рек и водоемов России.

Значения общей жесткости воды некоторых рек и водоемов России

Из всех солей, относящихся к солям жесткости, выделя­ют гидрокарбонаты, сульфаты и хлориды. Содержание других растворимых солей кальция и магния в природных водах обычно очень мало. Жесткость, придаваемая воде гидрокарбо­натами, называется гидрокарбонатной, или временной, т. к. гид­рокарбонаты при кипячении воды (точнее, при температуре более 60 °С) разлагаются с образованием малорастворимых карбонатов (Mg(HC03)2 в природных водах встречается реже, чем Са(НСОз)2, т. к. магнезитовые породы мало распространены. Поэтому в пресных водах преобладает так называемая кальциевая жесткость):

В природных условиях приведенная выше реакция обра­тима, однако при выходе на поверхность подземных (грунто­вых) вод, обладающих значительной временной жесткостью, равновесие сдвигается в сторону образования СO2, который удаляется в атмосферу. Этот процесс приводит к разложению гидрокарбонатов и выпадению в осадок СаСОз и MgCO3. Та­ким путем образуются разновидности карбонатных пород, на­зываемые известковыми туфами.

В присутствии растворенного в воде углекислого газа проте­кает и обратная реакция. Так происходит растворение, или вымывание, карбонатных пород в природных условиях.

Жесткость, обусловленная хлоридами или сульфатами, называется постоянной, т. к. эти соли устойчивы при нагрева­нии и кипячении воды.

Суммарная жесткость воды, т. е. общее содержание рас­творимых солей кальция и магния, получила название «общей жесткости».

Ввиду того, что солями жесткости являются соли разных катионов, имеющие разную молекулярную массу, концентра­ция солей жесткости, или жесткость воды, измеряется в единицах эквивалентной концентрации — количеством г-экв/л или мг-экв/л. При жесткости до 4 мг-экв/л вода считается мягкой; от 4 до 8 мг-экв/л — средней жесткости; от 8 до 12 мг-экв/л — же­сткой; более 12 мг-экв/л — очень жесткой (встречается и дру­гая классификация воды по степеням жесткости)

Допустимая величина общей жесткости для питьевой воды и источников централизованного водоснабжения составляет не более 7 мг-экв/л (в отдельных случаях — до 10 мг-экв/л), лимити­рующий показатель вредности — органолептический.

Для расчета общего солесодержания по сумме массовых концентраций главных анионов в миллиграмм-эквивалентной форме их массовые концентрации, определенные при анализе и выраженные в мг/л, умножают на коэффициенты, указанные в табл. 12, после чего суммируют.

Коэффициенты пересчета концентраций

Концентрацию катиона калия в данном расчете (для при­родных вод) условно учитывают в виде концентрации катиона натрия. Полученный результат округляют до целых чисел (мг/л).

Кислород постоянно присутствует в растворенном виде в поверхностных водах. Содержание растворенного кислорода (РК) в воде характеризует кислородный режим водоема и име­ет важнейшее значение для оценки экологического и санитар­ного состояния водоема. Кислород должен содержаться в воде в достаточном количестве, обеспечивая условия для дыхания гидробионтов. Он также необходим для самоочищения водо­емов, т. к. участвует в процессах окисления органических и других примесей, разложения отмерших организмов. Сниже­ние концентрации РК свидетельствует об изменении биологи­ческих процессов в водоеме, о загрязнении водоема биохими­чески интенсивно окисляющимися веществами (в первую очередь органическими). Потребление кислорода обусловлено также химическими процессами окисления содержащихся в воде примесей, а также дыханием водных организмов.

Поступление кислорода в водоем происходит путем рас­творения его при контакте с воздухом (абсорбции), а также в ре­зультате фотосинтеза водными растениями», т. е. в результате фи­зико-химических и биохимических процессов. Кислород также поступает в водные объекты с дождевыми и снеговыми водами. Поэтому существует много причин, вызывающих повышение или снижение концентрации в воде растворенного кислорода.

Растворенный в воде кислород находится в виде гидратированных молекул О2. Содержание РК зависит от температу­ры, атмосферного давления, степени турбулизации воды, коли­чества осадков, минерализации воды др. При каждом значении температуры существует равновесная концентрация кислорода, которую можно определить по специальным справочным таб­лицам, составленным для нормального атмосферного давления. Степень насыщения воды кислородом, соответствующая рав­новесной концентрации, принимается равной 100 %. Раствори­мость кислорода возрастает с уменьшением температуры и ми­нерализации, и с увеличением атмосферного давления.

В поверхностных водах содержание растворенного ки­слорода может колебаться от 0 до 14 мг/л и подвержено значи­тельным сезонным и суточным колебаниям. В эвтрофированных и сильно загрязненных органическими соединениями вод­ных объектах может иметь место значительный дефицит ки­слорода. Уменьшение концентрации РК до 2 мг/л вызывает массовую гибель рыб и других гидробионтов.

В воде водоемов в любой период года до 12 часов дня концентрация РК должна быть не менее 4 мг/л. ПДК раство­ренного в воде кислорода для рыбохозяйственных водоемов установлена 6 мг/л (для ценных пород рыбы), либо 4 мг/л (для остальных пород).

Растворенный кислород является весьма неустойчивым компонентом химического состава вод. При его определении особо тщательно следует проводить отбор проб: необходимо избегать контакта воды с воздухом до фиксации кислорода (связывания его в нерастворимое соединение).

В ходе анализа воды определяют концентрацию РК (в мг/л) и степень насыщения им воды (в %) по отношению к равновесному содержанию при данных температуре и атмо­сферном давлении.

Контроль содержания кислорода в воде — чрезвычайно важная проблема, в решении которой заинтересованы практи­чески все отрасли народного хозяйства, включая черную и цветную металлургию, химическую промышленность, сельское хозяйство, медицину, биологию, рыбную и пищевую промыш­ленность, службы охраны окружающей среды. Содержание РК определяют как в незагрязненных природных водах, так и в сточных водах после очистки. Процессы очистки сточных вод всегда сопровождаются контролем содержания кислорода. Оп­ределение РК является частью анализа при определении друго­го важнейшего показателя качества воды — биохимического потребления кислорода (БПК).

10. Биохимическое потребление кислорода (БПК)

В природной воде водоемов всегда присутствуют орга­нические вещества. Их концентрации могут быть иногда очень малы (например, в родниковых и талых водах). Природными источниками органических веществ являются разрушающиеся останки организмов растительного и животного происхожде­ния, как живших в воде, так и попавших в водоем с листвы, по воздуху, с берегов и т. п. Кроме природных, существуют также техногенные источники органических веществ: транспортные предприятия (нефтепродукты), целлюлозно-бумажные и лесоперерабатывающие комбинаты (лигнины), мясокомбинаты (белковые соединения), сельскохозяйственные и фекальные стоки и т. д. Органические загрязнения попадают в водоем раз­ными путями, главньм образом со сточными водами и дожде­выми поверхностными смывами с почвы.

В естественных условиях находящиеся в воде органиче­ские вещества разрушаются бактериями, претерпевая аэробное биохимическое окисление с образованием двуокиси углерода. При этом на окисление потребляется растворенный в воде ки­слород. В водоемах с большим содержанием органических ве­ществ большая часть РК потребляется на биохимическое окис­ление, лишая, таким образом, кислорода другие организмы. При этом увеличивается количество организмов, более устойчивых к низкому содержанию РК, исчезают кислородолюбивые виды и появляются виды, терпимые к дефициту кислорода. Таким образом, в процессе биохимического окисления органических веществ в воде происходит уменьшение концентрации РК, и эта убыль косвенно является мерой содержания в воде орга­нических веществ. Соответствующий показатель качества во­ды, характеризующий суммарное содержание в воде органи­ческих веществ, называется биохимическим потреблением кислорода (БПК).

Определение БПК основано на измерении концентрации РК в пробе воды непосредственно после отбора, а также после инкубации пробы. Инкубацию пробы проводят без доступа воздуха в кислородной склянке (т. е. в той же посуде, где определяется значение РК) в течение времени, необходимого для протекания реакции биохимического окисления.

Так как ско­рость биохимической реакции зависит от температуры, инку­бацию проводят в режиме постоянной температуры (20±1) °С, причем от точности поддержания значения температуры зави­сит точность выполнения анализа на БПК. Обычно определяют БПК за 5 суток инкубации (БПК5) (Может определяться также БПК10 за 10 суток и БПКполн за 20 суток (при этом окисляется около 90 и 99 % органических веществ соответст­венно)), однако содержание неко­торых соединений более информативно характеризуется вели­чиной БПК за 10 суток или за период полного окисления (БПК10 или БПКполн. соответственно). Погрешность в определе­нии БПК может внести также освещение пробы, влияющее на жизнедеятельность микроорганизмов и способное в некоторых случаях вызывать фотохимическое окисление. Поэтому инку­бацию пробы проводят без доступа света (в темном месте).

Величина БПК увеличивается со временем, достигая не­которого максимального значения — БПКполн.; причем загряз­нители различной природы могут повышать (понижать) значение БПК. Динамика биохимического потребления кислорода при окислении органических веществ в воде приведена на рис.8.

Рис. 8. Динамика биохимического потребления кислорода:

а — легкоокисляющиеся («биологически мягкие») вещества — сахара, формаль­дегид, спирты, фенолы и т. п.;

в — нормально окисляющиеся вещества — нафтолы, крезолы, анионогенные ПАВ, сульфанол и т. п.;

с — тяжело окисляющиеся («биологически жесткие») вещества — неионогенные ПАВ, гидрохинон и т. п.

Таким образом, БПК — количество кислорода в (мг), требуемое для окисления находящихся в 1 л воды органических вещества в аэробных условиях, без доступа света, при 20°С, за определенный период в результате протекающих в воде, биохимических процессов.

Ориентировочно принимают, что БПК5 составляет около 70 % БПКполн., но может составлять от 10 до 90 % в зависимости от окисляющегося вещества.

источник

Концентрацию катиона калия в данном расчете (для при¬родных вод) условно учитывают в виде концентрации катиона натрия. Полученный результат округляют до целых чисел (мг/л)


9. Растворенный кислород

Кислород постоянно присутствует в растворенном виде в поверхностных водах. Содержание растворенного кислорода (РК) в воде характеризует кислородный режим водоема и имеет важнейшее значение для оценки экологического и санитарного состояния водоема. Кислород должен содержаться в воде в достаточном количестве, обеспечивая условия для дыхания гидробионтов. Он также необходим для самоочищения водоемов, т. к. участвует в процессах окисления органических и других примесей, разложения отмерших организмов. Снижение концентрации РК свидетельствует об изменении биологических процессов в водоеме, о загрязнении водоема биохимически интенсивно окисляющимися веществами (в первую очередь органическими). Потребление кислорода обусловлено также химическими процессами окисления содержащихся в воде примесей, а также дыханием водных организмов.
Поступление кислорода в водоем происходит путем растворения его при контакте с воздухом (абсорбции), а также в результате фотосинтеза водными растениями», т.е. в результате физико-химических и биохимических процессов. Кислород также поступает в водные объекты с дождевыми и снеговыми водами. Поэтому существует много причин, вызывающих повышение или снижение концентрации в воде растворенного кислорода.
Растворенный в воде кислород находится в виде гидратированных молекул О2. Содержание РК зависит от температу¬ры, атмосферного давления, степени турбулизации воды, количества осадков, минерализации воды др. При каждом значении температуры существует равновесная концентрация кислорода, которую можно определить по специальным справочным таблицам, составленным для нормального атмосферного давления. Степень насыщения воды кислородом, соответствующая равновесной концентрации, принимается равной 100 %. Растворимость кислорода возрастает с уменьшением температуры и ми¬нерализации, и с увеличением атмосферного давления.
В поверхностных водах содержание растворенного кислорода может колебаться от 0 до 14 мг/л и подвержено значительным сезонным и суточным колебаниям. В эвтрофированных и сильно загрязненных органическими соединениями водных объектах может иметь место значительный дефицит кислорода. Уменьшение концентрации РК до 2 мг/л вызывает массовую гибель рыб и других гидробионтов.

В воде водоемов в любой период года до 12 часов дня концентрация РК должна быть не менее 4 мг/л. ПДК растворенного в воде кислорода для рыбохозяйственных водоемов установлена 6 мг/л (для ценных пород рыбы), либо 4 мг/л (для остальных пород).
Растворенный кислород является весьма неустойчивым компонентом химического состава вод. При его определении особо тщательно следует проводить отбор проб: необходимо избегать контакта воды с воздухом до фиксации кислорода (связывания его в нерастворимое соединение).
В ходе анализа воды определяют концентрацию РК (в мг/л) и степень насыщения им воды (в %) по отношению к равновесному содержанию при данных температуре и атмо-сферном давлении.
Контроль содержания кислорода в воде — чрезвычайно важная проблема, в решении которой заинтересованы практически все отрасли народного хозяйства, включая черную и цветную металлургию, химическую промышленность, сельское хозяйство, медицину, биологию, рыбную и пищевую промышленность, службы охраны окружающей среды. Содержание РК определяют как в незагрязненных природных водах, так и в сточных водах после очистки. Процессы очистки сточных вод всегда сопровождаются контролем содержания кислорода. Определение РК является частью анализа при определении другого важнейшего показателя качества воды — биохимического потребления кислорода (БПК).

10. Биохимическое потребление кислорода (БПК)
В природной воде водоемов всегда присутствуют органические вещества. Их концентрации могут быть иногда очень малы (например, в родниковых и талых водах). Природными источниками органических веществ являются разрушающиеся останки организмов растительного и животного происхождения, как живших в воде, так и попавших в водоем с листвы, по воздуху, с берегов и т.п. Кроме природных, существуют также техногенные источники органических веществ: транспортные предприятия (нефтепродукты), целлюлозно-бумажные и лесоперерабатывающие комбинаты (лигнины), мясокомбинаты (белковые соединения), сельскохозяйственные и фекальные стоки и т.д. Органические загрязнения попадают в водоем разными путями, главньм образом со сточными водами и дождевыми поверхностными смывами с почвы.
В естественных условиях находящиеся в воде органические вещества разрушаются бактериями, претерпевая аэробное биохимическое окисление с образованием двуокиси углерода. При этом на окисление потребляется растворенный в воде кислород. В водоемах с большим содержанием органических веществ большая часть РК потребляется на биохимическое окисление, лишая, таким образом, кислорода другие организмы. При этом увеличивается количество организмов, более устойчивых к низкому содержанию РК, исчезают кислородолюбивые виды и появляются виды, терпимые к дефициту кислорода. Таким образом, в процессе биохимического окисления органических веществ в воде происходит уменьшение концентрации РК, и эта убыль косвенно является мерой содержания в воде орга¬нических веществ. Соответствующий показатель качества воды, характеризующий суммарное содержание в воде органи¬ческих веществ, называется биохимическим потреблением кислорода (БПК).
Определение БПК основано на измерении концентрации РК в пробе воды непосредственно после отбора, а также после инкубации пробы. Инкубацию пробы проводят без доступа воздуха в кислородной склянке (т.е. в той же посуде, где определяется значение РК) в течение времени, необходимого для протекания реакции биохимического окисления.
Так как скорость биохимической реакции зависит от температуры, инкубацию проводят в режиме постоянной температуры (20±1) °С, причем от точности поддержания значения температуры зависит точность выполнения анализа на БПК. Обычно определяют БПК за 5 суток инкубации (БПК5) (Может определяться также БПК10 за 10 суток и БПКполн за 20 суток (при этом окисляется около 90 и 99 % органических веществ соответственно)), однако содержание некоторых соединений более информативно характеризуется величиной БПК за 10 суток или за период полного окисления (БПК10 или БПКполн. соответственно). Погрешность в определении БПК может внести также освещение пробы, влияющее на жизнедеятельность микроорганизмов и способное в некоторых случаях вызывать фотохимическое окисление. Поэтому инкубацию пробы проводят без доступа света (в темном месте).
Величина БПК увеличивается со временем, достигая некоторого максимального значения — БПКполн.; причем загрязнители различной природы могут повышать (понижать) значение БПК. Динамика биохимического потребления кислорода при окислении органических веществ в воде приведена на рис.8.

Читайте также:  Реагенты для анализа воды в котельной

Рис. 8. Динамика биохимического потребления кислорода:

а — легкоокисляющиеся («биологически мягкие») вещества — сахара, формаль¬дегид, спирты, фенолы и т.п.;
в — нормально окисляющиеся вещества — нафтолы, крезолы, анионогенные ПАВ, сульфанол и т.п.;
с — тяжело окисляющиеся («биологически жесткие») вещества — неионогенные ПАВ, гидрохинон и т.п.


Таким образом, БПК — количество кислорода в (мг), требуемое для окисления находящихся в 1 л воды органических вещества в аэробных условиях, без доступа света, при 20°С, за определенный период в результате протекающих в воде, биохимических процессов.
Ориентировочно принимают, что БПК5 составляет около 70 % БПКполн., но может составлять от 10 до 90 % в зависимости от окисляющегося вещества.
Особенностью биохимического окисления органических веществ в воде является сопутствующий ему процесс нитрификации, искажающий характер потребления кислорода

2NH4++ЗO2=2HNО2+2H2О+2Н++Q
2HNO2+O2=2HNOз+Q
где: Q — энергия, высвобождающаяся при реакциях
.

Рис. 9. Изменение характера потребления кислорода при нитрификации.

Нитрификация протекает под воздействием особых нитрифицирующих бактерий — Nitrozomonas, Nitrobacter и др. Эти бактерии обеспечивают окисление азотсодержащих соединений, которые обычно присутствуют в загрязненных природных и некоторых сточных водах, и тем самым способствуют превращению азота сначала из аммонийной в нитритную, а затем и нитратную формы

. Процесс нитрификации происходит и при инкубации пробы в кислородных склянках. Количество кислорода, по¬шедшее на нитрификацию, может в несколько раз превышать количество кислорода, требуемое для биохимического окисления органических углеродсодержащих соединений. Начало нитрификации можно зафиксировать по минимуму на графике суточных приращений БПК за период инкубации. Нитрификация начинается приблизительно на 7-е сутки инкубации (см. рис. 9), поэтому при определении БПК за 10 и более суток необходимо вводить в пробу специальные вещества — ингибиторы, подавляющие жизнедеятельность нитрифицирующих бактерий, но не влияющие на обычную микрофлору (т.е. на бактерии — окислители органических соединений). В качестве ингибитора применяют тиомочевину (тиокарбамид), который вводят в пробу либо в разбавляющую воду в концентрации 0,5 мг/мл.

В то время как, и природные, и хозяйственно-бытовые сточные воды содержат большое количество микроорганизмов, способных развиваться за счет содержащихся в воде органических веществ, многие виды промышленных сточных вод стерильны, или содержат микроорганизмы, которые не способны к аэробной переработке органических веществ. Однако микрбы можно адаптировать (приспособить) к присутствию различных соединений, в том числе токсичных. Поэтому при анализе таких сточных вод (для них характерно, как правило, повышенное содержание органических веществ) обычно применяют разбавление водой, насыщенной кислородом и содержащей добавки адаптированных микроорганизмов. При определении БПКполн промышленных сточных вод предварительная адаптация микрофлоры имеет решающее значение для получения правильных результатов анализа, т.к. в состав таких вод часто входят вещества, которые сильно замедляют процесс биохимического окисления, а иногда оказывают токсическое действие на бактериальную микрофлору.
Для исследования различных промышленных сточных вод, которые трудно подвергаются биохимическому окислению, используемый метод может применяться в варианте определения «полного» БПК (БПКполн.).
Если в пробе очень много органических веществ, к ней добавляют разбавляющую воду. Для достижения максимальной точности анализа БПК анализируемая проба или смесь пробы с разбавляющей водой должна содержать такое количество кислорода, чтобы во время инкубационного периода произошло снижение его концентрации на 2 мг/л и более, причем остающаяся концентрация кислорода спустя 5 суток инкубации должна составлять не менее 3 мг/л. Если же содержание РК в воде недостаточно, то пробу воды предварительно аэрируют для насыщения кислородом воздуха. Наиболее правильным (точным) считается результат такого определения, при котором израсходовано около 50 % первоначально присутствующего в пробе кислорода.
В поверхностных водах величина БПК5 колеблется в пределах от 0,5 до 5,0 мг/л; она подвержена сезонным и суточным изменениям, которые, в основном, зависят от изменения температуры и от физиологической и биохимической активности микроорганизмов. Весьма значительны изменения БПК5 природных водоемов при загрязнении сточными водами.

Норматив на БПКполн. не должен превышать: для водоемов хозяйственно-питьевого водопользования — 3 мг/л для водоемов культурно-бытового водопользования — 6 мг/л. Соответственно можно оценить предельно-допустимые значения БПК5 для тех же водоемов, равные примерно 2 мг/л и 4 мг/л.

11. Биогенные элементы

Биогенными элементами (биогенами) традиционно считаются элементы, входящие, в значительных количествах, в состав живых организмов. Круг элементов, относимых к биогенным, достаточно широк, это — азот, фосфор, сера, железо, кальций, магний, калий и др.
Вопросы контроля качества воды и экологической оценки водоемов внесли в понятие биогенных элементов более широкий смысл: к ним относят соединения (точнее, компоненты воды), которые, во-первых, являются продуктами жизнедеятельности различных организмов, и во-вторых, являются «строительным материалом» для живых организмов. В первую очередь к ним относятся соединения азота (нитраты, нитриты, органические и неорганические аммонийные соединения), а также фосфора (ортофосфаты, полифосфаты, органические эфиры фосфорной кислоты и др.). Соединения серы нас интересуют в этой связи, в меньшей степени, так как сульфаты мы рассматривали в аспекте компонента минерального состава воды, а сульфиды и гидросульфиты, если присутствуют в природных водах, то в очень малых концентрациях, и могут быть обнаружены по запаху.

11.1. Нитраты
Нитраты являются солями азотной кислоты и обычно присутствуют в воде. Нитрат-анион содержит атом азота в максимальной степени окисления «+5». Нитратобразующие (нитратфиксирующие) бактерии превращают нитриты в нитраты в аэробных условиях. Под влиянием солнечного излучения атмосферный азот (N2) превращается также преимущественно в нитраты посредством образования оксидов азота. Многие минеральные удобрения содержат нитраты, которые при избыточном или нерациональном внесении в почву приводят к загрязнению водоемов. Источниками загрязнения нитратами являются также поверхностные стоки с пастбищ, скотных дворов, молочных ферм и т.п.
Повышенное содержание нитратов в воде может служить индикатором загрязнения водоема в результате распростране¬ния фекальных либо химических загрязнений (сельскохозяйст¬венных, промышленных). Богатые нитратными водами сточные канавы ухудшают качество воды в водоеме, стимулируя массовое развитие водной растительности (в первую очередь — сине-зеленых водорослей) и ускоряя эвтрофикацию водоемов. Питьевая вода и продукты питания, содержащие повы¬шенное количество нитратов, также могут вызывать заболевания, и в первую очередь у младенцев (так называемая метгемоглобинемия). Вследствие этого расстройства ухудшается транспортировка кислорода с клетками крови и возникает синдром «голубого младенца» (гипоксия). Вместе с тем, растения не так чувствительны к увеличению содержания в воде азота, как фосфора.

11.2. Фосфаты и общий фосфор
В природных и сточных водах фосфор может присутствовать в разных видах. В растворенном состоянии (иногда говорят — в жидкой фазе анализируемой воды) он может находиться в виде ортофосфорной кислоты (Н3Р04) и ее анионов (Н2Р04-, НР042-, Р043-), в виде мета-, пиро- и полифосфатов (эти вещества используют для предупреждения образования накипи, они входят также в состав моющих средств). Кроме того, существуют разнообразные фосфорорганические соединения — нуклеиновые кислоты, нуклеопротеиды, фосфолипиды и др., которые также могут присутствовать в воде, являясь продуктами жизнедеятельности или разложения организмов. К фосфорорганическим соединениям относятся также некоторые пестициды.
Фосфор может содержаться и в нерастворенном состоянии (в твердой фазе воды), присутствуя в виде взвешенных в воде труднорастворимых фосфатов, включая природные минералы, белковые, органические фосфорсодержащие соединения, остатки умерших организмов и др. Фосфор в твердой фазе в природных водоемах обычно находится в донных отложениях, однако может встречаться, и в больших количествах, в сточных и загрязненных природных водах.
Фосфор является необходимым элементом для жизни, однако его избыток приводит к ускоренной эвтрофикации во¬доемов. Большие количества фосфора могут попадать в водоемы в результате естественных и антропогенных процессов — поверхностной эрозии почв, неправильного или избыточного применения минеральных удобрений и др.
ПДК полифосфатов (триполифосфат и гексаметафосфат) в воде водоемов составляет 3,5 мг/л в пересчете на ортофосфат-анион РО43-, лимитирующий показатель вредности — органолептический.

11.3. Аммоний

Соединения аммония содержат атом азота в минимальной степени окисления «-З».
Катионы аммония являются продуктом микробиологического разложения белков животного и растительного происхождения.
Образовавшийся таким образом аммоний вновь вовлекается в процесс синтеза белков, участвуя тем самым в биологическом круговороте веществ (цикле азота). По этой причине аммоний и его соединения в небольших концентрациях обычно присутствуют в природных водах.
Существуют два основных источника загрязнения окружающей среды аммонийными соединениями. Аммонийные соединения в больших количествах входят в состав минеральных и органических удобрений, избыточное и неправильное применение которых приводит к соответствующему загрязнению водоемов. Кроме того, аммонийные соединения в значительных количествах присутствуют в нечистотах (фекалиях). Не утилизированные должным образом нечистоты могут проникать в грунтовые воды или смываться поверхностными стоками в водоемы. Стоки с пастбищ и мест скопления скота, сточные воды от животноводческих комплексов, а также бытовые и хозяйственно-фекальные стоки всегда содержат большие количества аммонийных соединений. Опасное загрязнение грунтовых вод хозяйственно-фекальными и бытовыми сточными водами происходит при разгерметизации системы канализации. По этим причинам повышенное содержание аммонийного азота в поверхностных водах обычно является признаком хозяйственно-фекальных загрязнений.
ПДК аммиака и ионов аммония в воде водоемов состав¬ляет 2,6 мг/л (или 2,0 мг/л по аммонийному азоту). Лимитирующий показатель вредности — общесанитарный.

11.4. Нитриты

Нитритами называются соли азотистой кислоты.
Нитрит-анионы являются промежуточными продуктами биологического разложения азотсодержащих органических соединений
и содержат атомы азота в промежуточной степени окисления «+3». Нитрифицирующие бактерии превращают аммонийные соединения в нитриты в аэробных условиях. Некоторые виды бактерий в процессе своей жизнедеятельности также могут восстанавливать нитраты до нитритов, однако это происходит уже в анаэробных условиях. Нитриты часто используются в промышленности как ингибиторы коррозии, в пищевой промышленности как консерванты.
Благодаря способности превращаться в нитраты, нитриты, как правило, отсутствуют в поверхностных водах. Поэтому наличие в анализируемой воде повышенного содержания нитритов свидетельствует о загрязнении воды, причем с учетом частично прошедшей трансформацию азотистых соединений из одних форм в другие.
ПДК нитритов (по N02-) в воде водоемов составляет 3,3 мг/л (или 1 мг/л нитритного азота), лимитирующий показатель вредности — санитарно-токсикологический.

12. Фтор (фториды)

Фтор в виде фторидов может содержаться в природных и грунтовых водах, что обусловлено его присутствием в составе некоторых почвообразующих (материнских) пород и минералов. Этот элемент может добавляться в питьевую воду в целях профилактики заболеваний кариесом. Однако избыточные количества фтора оказывают вредное воздействие на человека, вызывают разрушение зубной эмали. Кроме того, избыток фтора в организме осаждает кальций, что приводит к нарушениям кальциевого и фосфорного обмена. По этим причинам определение фтора в питьевой воде, а также грунтовых водах (например, воде колодцев и артезианских скважин) и воде водоемов хозяйственно-питьевого назначения, является очень важным.
ПДК фтора в питьевой воде для разных климатических районов составляет от 0,7 до 1,5 мг/л, лимитирующий показатель вредности — санитарно-токсический.

13.1. Железо общее

Железо — один из самых распространенных элементов в природе. Его содержание в земной коре составляет около 4,7 % по массе, поэтому железо, с точки зрения его распространенности в природе, принято называть макроэлементом.
Известно свыше 300 минералов, содержащих соединения железа. Среди них — магнитный железняк α-FeO(OH), бурый железняк FeзО4x H2O, гематит (красный железняк), гемит (бурый железняк), гидрогетит, сидерит FeСОз, магнитный колчедан FeSx, (х=1-1,4), железомарганцевые конкреции и др. Железо также является жизненно важным микроэлементом для живых организмов и растений, т.е. элементом, необходимым для жизнедеятельности в малых количествах.
В малых концентрациях железо всегда встречается практически во всех природных водах (до 1 мг/л при ПДК на сумму железа 0,3 мг/л) и особенно — в сточных водах. В последние железо может попадать из отходов (сточных вод) травильных и гальванических цехов, участков подготовки металлических поверхностей, стоков при крашении тканей и др.
Железо образует 2 рода растворимых солей, образующих катионы Fe2+ и Fe3+, однако в растворе железо может находиться и во многих других формах, в частности:
1) в виде истинных растворов (аквакомплексов) [Fe(H2O)б]2+, содержащих железо (II). На воздухе железо (II) быстро окисляется до железа (III), растворы которого имеют бурую окраску из-за быстрого образования гидроксосоединений (сами растворы Fe2+ и Fe3+ практически бесцветны);
2) в виде коллоидных растворов из-за пептизации (распада агрегированных частиц) гидроксида железа под воздействием органических соединений;
3) в виде комплексных соединений с органическими и неорганическими лигандами. К ним относятся карбонилы, ареновые комплексы (с нефтепродуктами и др. углеводородами), гексацианоферраты [Fe(CN)6]4- и др.

В нерастворимой форме железо может быть представлено в виде различных взвешенных в воде твердых минеральных частиц различного состава.
При рН>3,5 железо (Ш) существует в водном растворе только в виде комплекса, постепенно переходящего в гидроксид. При рН>8 железо (П) тоже существует в виде аквакомплекса, претерпевая окисление через стадию образования железа (Ш):

Fe (II) >Fe (III) >FeO (ОН) х Н2О

Таким образом, поскольку соединения железа в воде могут существовать в различных формах, как в растворе, так и во взвешенных частицах, точные результаты могут быть получены только при определении суммарного железа во всех его формах, так называемого «общего железа».
Раздельное определение железа (II) и (III), их нерастворимых и растворимых форм, дает менее достоверные результаты относительно загрязнения воды соединениями железа, хотя иногда возникает необходимость определить железо в его индивидуальных формах.
Перевод железа в растворимую форму, пригодную для анализа, проводят, добавляя к пробе определенное количество сильной кислоты (азотной, соляной, серной) до рН 1-2.
Диапазон определяемых концентраций железа в воде — от 0,1 до 1,5 мг/л. Определение возможно и при концентрации железа более 1,5 мг/л после соответствующего разбавления пробы чистой водой.

ПДК общего железа в воде водоемов составляет 0,3 мг/л, лимитирующий показатель вредности — органолептический.

13.2. Сумма тяжелых металлов
Говоря о повышенной концентрации в воде металлов, как правило, подразумевают ее загрязнение тяжелыми металлами (Cad, Pb, Zn, Cr, Ni, Co, Hg и др.). Тяжелые металлы, попадая в воду, могут существовать в виде растворимых токсичных солей и комплексных соединений (иногда очень устойчивых), коллоидных частиц, осадков (свободных металлов, оксидов, гидроксидов и др.). Главными источниками загрязнения воды тяжелыми металлами являются гальванические производства, предприятия горнорудной, черной и цветной металлургии, машиностроительные заводы и др. Тяжелые металлы в водоеме вызывают целый ряд негативных последствий: попадая в пищевые цепи и нарушая элементный состав биологических тканей, они оказывают тем самым прямое или косвенное токсическое воздействие на водные организмы. Тяжелые металлы по пищевым цепям попадают в организм человека.
Тяжелые металлы по характеру биологического воздействия можно подразделить на токсиканты и микроэлементы, имеющие принципиально различный характер влияния на живые организмы. Характер зависимости эффекта, оказываемого элементом на организмы, в зависимости от его концентрации в воде (и, следовательно, как правило, в тканях организма), приведен на рис. 10.

Как видно из рис. 10, токсиканты оказывают отрицательное воздействие на организмы при любой концентрации, в то время как микроэлементы имеют область недостаточности, вызывающей отрицательный эффект (менее Ci), и область необходимых для жизни концентраций, при превышении которых снова возникает отрицательный эффект (более С2). Типичными токсикантами являются кадмий, свинец, ртуть; микроэлеметами — марганец, медь, кобальт.
Ниже мы приводим краткие сведения о физиологической (в том числе токсической) некоторых металлов, обычно относимых к тяжелым.

Медь. Медь является микроэлементом, содержится в организме человека, главным образом, в виде комплексных органических соединений и играет важную роль в процессах кроветворения. Во вредном воздействии избытка меди решающую роль играет реакция катионов Сu2+ с SH-группами ферментов. Изменения содержания меди в сыворотке и коже обуславливают явления депигментации кожи (витилиго). Отравление соединениями меди могут приводить к расстройствам нервной системы, нарушению функций печени и почек и др. ПДК меди в воде водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения составляет 1,0 мг/л, лимитирующий показатель вредности —органолептический.

Цинк. Цинк является микроэлементом и входит с состав некоторых ферментов. Он содержится в крови (0,5-0,6), мягких тканях(0,7-5,4), кос¬тях (10-18), волосах (16-22 мг %), (единица измерения малых концентраций, 1 мг %=10-3) т.е., в основном, в костях и волосах. Находится в организме в динамическом равновесии, которое сдвигается в условиях повышенных концентраций в окружающей среде. Отрицательное воздействие соединений цинка может выражаться в ослаблении организма, повышенной заболеваемости, астмоподобных явлениях и др. ПДК цинка в воде водоемов составляет 1,0 мг/л, лимитирующий показатель вредности — общесанитарный.

Кадмий. Соединения кадмия очень ядовиты. Действуют на многие системы организма — органы дыхания и желудочно-кишечный тракт, центральную и периферическую нервные системы. Механизм действия соединений кадмия заключается в угнетении активности ряда ферментов, нарушении фосфорно-кальциевого обмена, нарушений метаболизма микроэлементов (Zn, Сu, Ре, Mn, Se). ПДК кадмия в воде водоемов составляет 0,001 мг/л, лимитирующий показатель вредности — санитарно-токсикологический.

Ртуть. Ртуть относится к ультрамикроэлементам и постоянно присутствует в организме, поступая с пищей. Неорганические соединения ртути (в первую очередь катионы Hg реагируют с SH-группами белков («тиоловые яды»), а также с карбоксильными и аминными группами тканевых белков, образуя прочные комплексные соединения — металлопротеиды. В результате возникают глубокие нарушения функций централь¬ной нервной системы, особенно высших ее отделов. Из органических соединений ртути наибольшее значение играет метилртуть, которая хорошо растворима в липидных тканях и быстро проникает в жизненно важные органы, и в том числе в мозг. В результате возникают изменения в вегетативной нервной системе, периферических нервных образованиях, в сердце, сосудах, кроветворных органах, печени и др., нарушения в иммунобиологическом состоянии организма. Соединения ртути обладают также эмбриотоксическим действием (приводят к поражению плода у беременных). ПДК ртути в воде водоемов составляет 0,0005 мг/л, лимитирующий показатель вредности — санитарно-токсикологический.

Свинец. Соединения свинца — яды, действующие на все живое, но вызывающие изменения особенно в нервной системе, крови и сосудах. Подавляют многие ферментативные процессы. Дети более восприимчивы к воздействию соединений свинца, чем взрослые. Обладают эмбриотоксическим и тератогенным действием, приводят к энцефалопатии и поражениям печени, угнетают иммунитет. Органические соединения свинца (тетраметилсвинец, тетраэтилсвинец) — сильные нервные яды, летучие жидкости. Являются активными ингибиторами обменных процессов. Для всех соединений свинца характерно кумулятивное действие. ПДК свинца в воде водоемов составляет 0,03 мг/л, лимитирующий показатель — сани¬тарно-токсикологический.
Ориентировочное предельно-допустимое значение содержания в водах суммы металлов составляет 0,001 ммоль/л (ГОСТ 24902). Значения ПДК для воды водоемов по отдельным металлам приведены ранее при описании их физиологического воздействия.

14. Активный хлор

Хлор может существовать в воде не только в составе хлоридов, но и в составе других соединений, обладающих сильными окислительными свойствами. К таким соединениям хлора относятся свободный хлор (CL2), гапохлорит-анион (СlO-), хлорноватистая кислота (НСlO), хлорамины (вещества, при растворении в воде которых образуются монохлорамин NH2Cl, дихлорамин NHCl2, трихлорамин NCl3). Суммарное содержа¬ние этих соединений называют термином «активный хлор».
Содержащие активный хлор вещества подразделяют на две группы: сильные окислители — хлор, гипохлориты и хлорноватистая кислота — содержат так называемый «свободный активный хлор», и относительно менее слабые окислители — хлорамины — «связанный активный хлор». Благодаря сильным окислительным свойствам соединения, имеющие активный хлор, используются для обеззараживания (дезинфекции) питьевой воды и воды в бассейнах, а также для химической очистки некоторых сточных вод. Кроме того, некоторые содержащие активный хлор соединения (например, хлорная известь) широко используются для ликвидации очагов распространения инфекционных загрязнений.
Наиболее широко для дезинфекции питьевой воды используется свободный хлор, который при растворении в воде диспропорционирует по реакции:

Сl2+Н2О=Н++Сl-+НОСl

В природной воде содержание активного хлора не допускается; в питьевой воде его содержание установлено в пересчете на хлор на уровне 0,3-0,5 мг/л в свободном виде и на уровне 0,8-1,2 мг/л в связанном виде (В данном случае приведен диапазон концентраций активного хлора, т.к. при меньших его концентрациях возможна неблагоприятная ситуация по микробиологическим показателям, а при больших — превышение непосредственно по активному хлору.). Активный хлор в указанных концентрациях присутствует в питьевой воде непродолжительное время (не более нескольких десятков минут) и нацело удаляется даже при кратковременном кипячении воды. По этой причине анализ отобранной пробы на содержание активного хлора следует проводить немедленно.
Интерес к контролю содержания хлора в воде, особенно в питьевой воде, возрос после осознания того факта, что хлорирование воды приводит к образованию заметных количеств хлоруглеводородов, вредных для здоровья населения. Особую опасность представляет хлорирование питьевой воды, загрязненной фенолом. ПДК для фенолов в питьевой воде при отсутствии хлорирования питьевой воды установлено 0,1 мг/л, а в условиях хлорирования (при этом образуются гораздо более токсичные и имеющие резкий характерный запах хлорфенолы) — 0,001 мг/л. Аналогичные химические реакции могут протекать с участием органических соединений природного или техногенного происхождения, приводя к различным токсичным хлорорганическим соединениям — ксенобиотикам.
Лимитирующий показатель вредности для активного хлора — общесанитарный.

Читайте также:  Расход спирта на анализ воды

15. Интегральная и комплексная оценка качества воды

Каждый из показателей качества воды в отдельности, хотя и несет информацию о качестве воды, все же не может служить мерой качества воды, т.к. не позволяет судить о значениях других показателей, хотя иногда косвенно бывает, связан с некоторыми из них. Например, увеличенное, по сравнению с нормой, значение БПК5 косвенно свидетельствует о повышенном содержании в воде легкоокисляющихся органических веществ, увеличенное значение электропроводности — о повышенном солесодержании и др. Вместе с тем, результатом оценки качества воды должны быть некоторые интегральные показатели, которые охватывали бы основные показатели качества воды (либо те из них, по которым зафиксировано неблагополучие).
В простейшем случае, при наличии результатов по нескольким оцениваемым показателям, может быть рассчитана сумма приведенных концентраций компонентов, т.е. отношение их фактических концентраций к ПДК (правило суммации). Критерием качества воды при использовании правила суммации является выполнение неравенства:

Следует отметить, что сумма приведенных концентраций согласно ГОСТ 2874 может рассчитываться только для химических веществ с одинаковым лимитирующим показателем вредности — органолептическим и санитарно-токсикологическим.
При наличии результатов анализов по достаточному количеству показателей можно определять классы качества воды, которые являются интегральной характеристикой загрязненности поверхностных вод. Классы качества определяются по индексу загрязненности воды (ИЗВ), который рассчитывается как сумма приведенных к ПДК фактических значений 6 основных показателей качества воды по формуле:

Значение ИЗВ рассчитывают для каждого пункта отбора проб (створа). Далее по табл. 14 в зависимости от значения ИЗВ определяют класс качества воды.

Характеристики интегральной оценки качества воды

Оценка качества (характе­ристика) воды

В число 6 основных, так называемых «лимитируемых» показателей, при расчете ИЗВ входят, в обязательном порядке, концентрация растворенного кислорода и значение БПК5, а также значения еще 4 показателей, являющихся для данного водоема (воды) наиболее неблагополучными, или которые имеют наибольшие приведенные концентрации (отношение Сi/ПДКi). Такими показателями, по опыту гидрохимического мониторинга водоемов, нередко бывают следующие: содержание нитратов, нитритов, аммонийного азота (в форме органических и неорганических аммонийных соединений), тяжелых металлов —меди, марганца, кадмия и др., фенолов, пестицидов, нефтепродуктов, СПАВ (СПАВ — синтетические поверхностно-активных вещества. Различают неионогенные, а также катионоактивные и анионоактивные СПАВ.), лигносульфонатов. Для расчета ИЗВ показатели выбираются независимо от лимитирующего признака вредности, однако при равенстве приведенных концентраций предпочтение отдается веществам, имеющим санитарно-токсикологический признак вредности (как правило, такие вещества обладают относительно большей вредностью).

Очевидно, не все из перечисленных показателей качества воды могут быть определены полевыми методами. Задачи интегральной оценки осложняются еще и тем обстоятельством, что для получения данных при расчете ИЗВ необходимо проводить анализ по широкому кругу показателей, с выделением из их числа тех, по которым наблюдаются наибольшие приведенные концентрации. При невозможности проведения гидрохимического обследования водоема по всем интересующим показателям целесообразно определить, какие же компоненты могут быть загрязнителями. Это делают на основе анализа доступных результатов гидрохимических исследований прошлых лет, а также сведений и предположений о вероятных источниках загрязнений воды. При невозможности выполнения анализов по данному компоненту полевыми методами (СПАВ, пестициды, нефтепродукты и др.), следует произвести отбор проб и их консервацию с соблюдением необходимых условий (см. главу 5), после чего доставить пробы в требуемые сроки для анализа в лабораторию.

Таким образом, задачи интегральной оценки качества воды практически совпадают с задачами гидрохимического мониторинга, т.к. для окончательного вывода о классе качества воды необходимы результаты анализов по целому ряду показа¬телей в течение продолжительного периода.

Интересным является подход к оценке качества воды, разработанный в США. Национальный Санитарный Фонд этой страны в 1970 г. разработал стандартный обобщенный показатель качества воды (ПКВ), получивший широкое распространение в Америке и некоторых других странах. При разработке ПКВ использовались экспертные оценки на основе большого опыта оценки качества воды при ее использовании для целей бытового и промышленного водопотребления, отдыха на воде (плавания и водных развлечений, рыбалки), охраны водных животных и рыб, сельскохозяйственного использования (водопоя, орошения), коммерческого использования (судоходства, гидроэнергетики, теплоэнергетики) и др. ПКВ является безразмерной величиной, которая может принимать значения от 0 до 100. В зависимости от значения ПКВ возможны следующие оценки качества воды: 100-90 — превосходное; 90-70 — хорошее; 70-50 — посредственное; 50-25 — плохое; 25-0 — очень плохое. Установлено, что минимальное значение ПКВ, при котором удовлетворяется большинство государственных стандартов качества воды, составляет 50—58. Однако вода в водоеме может иметь значение ПКВ больше указанного, и в то же время не соответствовать стандартам по каким-либо отдельным показателям.

ПКВ рассчитывается по результатам определения 9 важнейших характеристик воды — частных показателей, причем каждый из них имеет собственный весовой коэффициент, характеризующий приоритетность данного показателя в оценке качества воды. Частные показатели качества воды, используемые при расчете ПКВ, и их весовые коэффициенты приведены в табл. 15.

Весовые коэффициенты показателей при расчете ПКВ по данным Национального Санитарного Фонда США

Значение весового коэффициента

Количество кишечных палочек

Биохимическое потребление кислорода (БПК5)

Температура (Δt, тепловое за­грязнение)

Как следует из приведенных в табл. 15 данных, наиболее весомыми показателями являются растворенный кислород и количество кишечных палочек, что вполне понятно, если вспомнить важнейшую экологическую роль растворенного в воде кислорода и опасность для человека, обусловленную кон¬тактом с загрязненной фекалиями водой.

Кроме весовых коэффициентов, имеющих постоянное значение, для каждого отдельного показателя разработаны весовые кривые, характеризующие уровень качества воды (Q) по каждому показателю в зависимости от его фактического значения, определяемого при анализе. Графики весовых кривых приведены на рис. 11. Имея результаты анализов по частным показателям, по весовым кривым определяют численные значения оценки для каждого из них. Последние умножаются на соответствующий весовой коэффициент, и получают оценку качества по каждому из показателей. Суммируя оценки по всем определенным показателям, получают значение обобщенного ПКВ.

Обобщенный ПКВ в значительной степени устраняет недостатки интегральной оценки качества воды с расчетом ИЗВ, т.к. содержит группу конкретных приоритетных показателей, в число которых входит показатель микробного загрязнения.
При оценке качества воды, кроме интегральной оценки, в результате которой устанавливается класс качества воды, а также гидробиологической оценки методами биоиндикации, в результате которой устанавливается класс чистоты, иногда встречается также так называемая комплексная оценка, основу которой составляют методы биотестирования.

Последние относятся также к гидробиологическим методам, но отличаются тем, что позволяют определить реакцию водной биоты на загрязнения по различным тестовым организмам — как простейшим (инфузориям, дафниям), так и высшим — рыбам (гуппиям). Такая реакция иногда считается наиболее показательной, особенно применительно к оценке качества загрязненных вод (природных и сточных) и позволяет определять даже количественно концентрации отдельных соединений.

НОРМАТИВЫ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ВОД
Гигиенические нормативы содержания вредных веществ в питьевой воде
по СанПин 2.1.4.559.-96

Безопасность питьевой воды в эпидемическом отношении определяется ее соответствием нормативам по микробиологическим и паразитологическим показателям:.

Термотолерантные колиформные бактерии

Общие колиформные бактерии

Число образующих колоний бактерий в 1 мл.

Число бляшкообразующих единиц (БОЕ) в 100 мл.

Споры сульфитредуцирующих клостридий

Безвредность питьевой воды по химическому составу определяется ее соответствием следующим нормативам:

Единица измерения

Нормативы (ПДК) не более

Показатель вредности

Класс опасности

Обобщенные показатели

Общая минерализация (сухой остаток)

Поверхностно-активные вещества (ПАВ), анионоактивные

Неорганические вещества

Фториды (F) для климатических районов
— I и II
— III

Органические вещества

Химические вещества

  • остаточный свободный
  • остаточный связанный

в пределах 0,3-0,5
в пределах 0,8-1,2

Хлороформ (при хлорировании воды)

Формальдегид (при озонировании воды)

Активированная кремнекислота (пр Si)

Остаточные количества алюминий- и железосодержащих коагулянтов

См. показатели «Алюминий», «Железо»

ЕМФ (единицы мутности по формазину) или
мг/л (по каолину)

Перечень вредных веществ, которые могут содержаться в питьевой воде, их источников и характер воздействия на организм человека.

Воздействие на организм

Неорганические компоненты

Водоочистные сооружения, цветная металлургия

Нейротоксическое действие, болезнь Альцгеймера

Производство пигментов, эпоксидных смол, обогащение каменного угля

Воздействие на сердечно-сосудистую и кроветворную (лейкозы) системы

Снижение репродуктивной функции у мужчин, нарушение овариально — менструального цикла у женщин (ОМЦ), углеводного обмена, активности ферментов

Коррозия труб с гальваническим покрытием, красильная промышленность

Болезнь “итай-итай”, увеличение кардио-васкулярной заболеваемости (КВЗ), почечной, онкологической (ОЗ), нарушение ОМЦ, течения беременности и родов, мертворождаемость, повреждение костной ткани.

Горнодобывающая промышленность, цветная металлургия

Увеличение КВЗ, подагра, эпидемический зоб, нарушение ОМЦ,

Плавильная, стекольная, электронная промышленности, фруктовое садоводство

Нейротоксическое действие, поражения кожи, ОЗ

Гальваника, химическая промышленность, металлургия

Поражение сердца, печени, ОЗ, кератиты

Животноводство, удобрения, сточные воды

Метгемоглобинемия, рак желудка

Протравка зерна, гальваника, электродетали

Нарушение функции почек, нервной системы,

Тяжелая промышленность, пайки, водопроводы

Поражение почек. нервной системы, органов кроветворения, КВЗ, авитаминозы С и В

Горнорудная промышленность, гальваника, электроды, пигменты

Нарушение функции печени. почек

Пластики, электроды, горнорудная промышленность, удобрения

Поражение нервной системы, щитовидной железы

Мочекаменная и слюнно-каменная болезнь, склероз, гипертония.

Нарушение функции почек, печени, снижение калия

Флюороз скелета и зубов, остеохондроз

Гепатит, анемия, заболевание печени

Органические токсиканты

Растворители, побочный продукт хлорирования воды (ППХВ)

Тригалометаны (хлороформ, бромоформ,)

ППХВ, медицинская промышленность

Мутагенное действие, частично ОЗ

ППХВ, производство сжиженного газа, красок, фумигантов

ППХВ, текстильная, клеевая промышленность, обезжириватели металлов, химчистка, растворители,

Ароматические углеводороды:
— бензол

-производство продуктов питания, лекарств. пестицидов, красок. пластиков, газов

— каменноугольные смолы, горючие органические вещества, вулканизация
— лесозащита, гербициды

— воздействие на печень и почки

— воздействие на печень и почки, ОЗ

— атразин — 2,4-
дихлор-феноуксусная кислота

— инсектицид для рогатого скота, леса, овощей

— пестицид (запрещен для использования)

— гербицид для зерновых культур

— протравление гербицидами пшеницы, кукурузы, корнеплодов, почвы, газонов

— гербицид для зерновых и водорослей

— поражение печени, почек, нервной, иммунной, сердечно-сосудистой систем

— ОЗ, поражение нервной системы и печени

Химические вещества, влияющие на органолепти-ческие
свойства воды

Поступление из водопроводной сети, природный фон

Аллергические реакции. болезни крови

Диарея, увеличение числа гипоацидных состояний желудка, желчно- и мочекаменная болезнь.

Гипертензия, гипертоническая болезнь, заболевания сердечно-сосудистой системы.

Оказывает элебриотоксическое и гонадотоксическое действие

Отбор проб воды и их консервация

Отбор проб — операция, от правильного выполнения которой во многом зависит точность получаемых результатов. Отбор проб при полевых анализах необходимо планировать, намечая точки и глубины отбора, перечень определяемых показателей, количество воды, отбираемой для анализа, совместимость способов консервации проб для их последующего анализа. Чаще всего на водоеме отбираются так называемые разовые пробы. Однако при обследовании водоема может возникнуть необходимость отбора и серий периодических и регулярных проб — из поверхностного, глубинного, придонного слоев вод и т.д. Пробы могут быть отобраны также из подзем¬ных источников, водопровода и т.п. Усредненные данные о составе вод дают смешанные пробы.
В нормативных документах (ГОСТ 24481, ГОСТ 17.1.5.05, ИСО 5667-2 и др.) определены основные правила и рекомендации, которые следует использовать для получения репрезентативных10 проб. Различные виды водоемов (водоисточников) обуславливают некоторые особенности отбора проб в каждом случае. Рассмотрим основные из них.
Пробы из рек и водных потоков отбирают для определения качества воды в бассейне реки, пригодности воды для пищевого использования, орошения, для водопоя скота, рыборазведения, купания и водного спорта, установления источников загрязнения.
Для определения влияния места сброса сточных вод и вод притоков, пробы отбирают выше по течению и точке, где произошло полное смешение вод. Следует иметь в виду, что загрязнения могут быть неравномерно распространены по потоку реки, поэтому обычно пробы отбирают в местах максимально бурного течения, где потоки хорошо перемешиваются. Пробоотборники помещают вниз по течению потока, располагая на нужной глубине.
Пробы из природных и искусственных озер (прудов) отбирают с теми же целями, что и пробы воды из рек. Однако, учитывая длительность существования озер, на первый план выступает мониторинг качества воды в течение длительного периода времени (несколько лет), в том числе в местах, предполагаемых к использованию человеком, а также установление последствий антропогенных загрязнений воды (мониторинг ее состава и свойств). Отбор проб из озер должен быть тщательно спланирован для получения информации, к которой можно было бы применять статистическую оценку. Слабопроточные водоемы имеют значительную неоднородность воды в горизонтальном направлении. Качество воды в озерах часто сильно различается по глубине из-за термальной стратификации, причиной которой является фотосинтез в поверхностной зоне, подогрев воды, воздействие донных отложений и др. В больших глубоких водоемах может появляться также внутренняя циркуляция.
Следует отметить, что качество воды в водоемах (как озерах, так и реках) носит циклический характер, причем наблюдается суточная и сезонная цикличность. По этой причине ежедневные пробы следует отбирать в одно и тоже время суток (например, в 12 часов), а продолжительность сезонных исследований должна быть не менее 1 года, включая исследования серий проб, отобранных в течение каждого времени года. Это особенно важно для определения качества воды в реках, имеющих резко отличающиеся режимы — межень и паводок.
Пробы влажных осадков (дождя и снега) чрезвычайно чувствительны к загрязнениям, которые могут возникнуть в пробе при использовании недостаточно чистой посуды, попадании инородных (не атмосферного происхождения) частиц и др. Считается, что пробы влажных осадков не следует отбирать вблизи источников значительных загрязнений атмосферы — например, котельных или ТЭЦ, открытых складов материалов и удобрений, транспортных узлов и др. В подобных случаях проба осадков будет испытывать значительное влияние указанных локальных источников антропогенных загрязнений.
Образцы осадков собирают в специальные емкости, приготовленные из нейтральных материалов. Дождевая вода собирается при помощи воронки (диаметром не менее. 20 см) в мерный цилиндр (или непосредственно в ведро) и хранится в них до анализа.
Отбор проб снега обычно проводят, вырезая керны на всю глубину (до земли), причем делать это целесообразно в конце периода обильных снегопадов (в начале марта). Объем снега в переводе на воду можно также вычислить по вышеприведенной формуле, где D — диаметр керна.
Пробы грунтовых вод отбирают для определения пригодности грунтовых вод в качестве источника питьевой воды, для технических или сельскохозяйственных целей, определение влияния на качество грунтовых вод потенциально опасных хозяйственных объектов, при проведении мониторинга загрязнителей грунтовых вод.
Грунтовые воды изучают, отбирая пробы из артезианских скважин, колодцев, родников. Следует иметь в виду, что качество воды в различных водоносных горизонтах может значительно различаться, поэтому при отборе пробы грунтовых вод следует оценить доступными способами глубину горизонта, из которого отобрана проба, возможные градиенты подземных потоков, информацию о составе подземных пород, через которые пролегает горизонт. Поскольку в точке отбора пробы может создаться концентрация различных примесей, отличная от всего водоносного слоя, необходимо откачивать из скважины (или из родника, делая в нем углубление) воду в количестве, достаточном для обновления воды в скважине, водопроводе, углублении и т.п.
Пробы воды из водопроводных сетей отбирают в целях определения общего уровня качества водопроводной воды, поиска причин загрязнения распределительной системы, контроля степени возможного загрязнения питьевой воды продуктами коррозии и др.
Для получения репрезентативных проб при отборе воды из водопроводных сетей соблюдают следующие правила;
— отбор проб проводят после спуска воды в течение 10-15 мин — времени, обычно достаточного для обновления воды с накопившимися загрязнителями;
— для отбора не используют концевые участки водопроводных сетей, а также участки с трубами малого диаметра (менее 1,2см);
— для отбора используют по возможности участки с турбулентным потоком — краны вблизи клапанов, изгибов;
— при отборе проб вода должна медленно течь в пробоотборную емкость до ее переполнения.
Отбор проб с целью определения состава воды (но не качества!) проводится также при изучении сточных вод, вод и пара котельных установок и др. Подобные работы имеют, как правило, технологические цели, требуют от персонала специальной подготовки и соблюдения, дополнительных правил безопасности. Полевые методы вполне (и часто весьма эффективно) могут быть использованы специалистами и в этих случаях, однако, по указанным причинам, мы не будем рекомендовать их к работе образовательных учреждений, населения и общественности, и описывать соответствующие методики отбора проб.
При отборе проб следует обращать внимание (и фиксировать в протоколе) на сопровождавшие отбор проб гидрологические и климатические условия, такие как осадки и их обилие, паводки, межень и застойность водоема и др.
Пробы воды для анализа могут отбираться как непосредственно перед анализом, так и заблаговременно. Для отбора проб специалисты используют стандартные батометры либо бутыли вместимостью не менее 1 л, открывающиеся и наполняющиеся на требуемой глубине. В связи с тем, что для анализа полевыми методами по какому-либо одному показателю (за исключением растворенного кислорода и БПК) обычно достаточно 30-50 мл воды, отбор проб непосредственно перед анализом может быть выполнен в колбу вместимостью 250-500 мл (например, из состава комплекта-лаборатории, измерительного комплекта и т.п.).
Понятно, что посуда для отбора проб должна быть чистой. Чистота посуды обеспечивается предварительным мытьем ее горячей мыльной водой (стиральные порошки и хромовую смесь не использовать!), многократным споласкиванием чистой теплой водой. В дальнейшем для отбора проб желательно использовать одну и ту же посуду. Сосуды, предназначенные для отбора проб, предварительно тщательно моют, ополаскивают не менее трех раз отбираемой водой и закупоривают стеклянными или пластмассовыми пробками, прокипяченными в дистиллированной воде. Между пробкой и отобранной пробой в сосуде оставляют воздух объемом 5-10 мл. В общую посуду отбирают пробу на анализ только тех компонентов, которые имеют одинаковые условия консервации и хранения.
Отбор проб, не предназначенных для анализа сразу же (т.е. отбираемых заблаговременно), производится в герметично закрывающуюся стеклянную или пластмассовую (желательно фторопластовую) посуду вместимостью не менее 1 л.
Для получения достоверных результатов анализ воды сле¬дует выполнять, по возможности, скорее. В воде протекают процессы окисления-восстановления, сорбции, седиментации, биохимические процессы, вызванные жизнедеятельностью микроорганизмов и др. В результате некоторые компоненты могут окисляться или восстанавливаться: нитраты — до нитритов или ионов аммония, сульфаты — до сульфитов; кислород может расходоваться на окисление органических веществ и т.п. Соответственно могут изменяться и органолептические свойства воды — запах, привкус, цвет, мутность. Биохимические процессы можно замедлить, охладив воду до температуры 4-5 °С (в холодильнике).
Однако, даже владея полевыми методами анализа, не всегда есть возможность выполнить анализ сразу же после отбора пробы. В зависимости от предполагаемой продолжительности хранения отобранных проб может возникнуть необходимость в их консервации. Универсального консервирующего средства не существует, поэтому пробы для анализа отбирают в несколько бутылей. В каждой из них воду консервируют, добавляя соответствующие химикаты в зависимости от определяемых компонентов.
В табл. приведены способы консервации, а также особенности отбора и хранения проб. При анализе воды на некоторые показатели (например, растворенный кислород, фенолы, нефтепродукты) к отбору проб предъявляются особые требования. Так, при определении растворенного кислорода и сероводорода важно исключить контакт пробы с атмосферным воздухом, поэтому бутыли необходимо заполнять при помощи сифона — резиновой трубки, опущенной до дна склянки, обеспечивая переливание воды через край при переполнении склянки. Подробно особые условия при отборе проб (если они существуют) приводятся при описании соответствующих анализов.

Способы консервации, особенности отбора и хранения проб

Анализируе­мый показа­тель

Способ консервации и количество консер­ванта на 1 л воды

Максимальное время хране­ния пробы

Особенности отбора и хра­нения проб

источник


Группы веществ