Ekologichesky_monitoring / Мониторинг_пособие

81

для которых ПДК установлено по органолептическому показателю - запаху (например, для фенолов и хлорфенолов).

Вкус и привкус. Различают 4 вкуса: соленый, кислый, горький, сладкий. Остальные вкусовые ощущения считаются привкусами: (солоноватый, горьковатый, металлический, хлорный и т. д.). Интенсивность вкуса и привкуса оценивают по 5- балльной шкале. Для питьевой воды допускаются значения показателей вкуса и привкуса не более 2 баллов.

Мутность воды обусловлена содержанием взвешенных в воде мелкодисперсных примесей - нерастворимых или коллоидных частиц различного происхождения. Мутность воды обусловливает и некоторые другие характеристики воды:

•Наличие осадка, который может отсутствовать, быть незначительным, заметным, большим, очень большим (мм).

•Взвешенные вещества, или грубодисперсные примеси определяются гравиметрически после фильтрования пробы, по привесу высушенного фильтра. Этот показатель обычно мало информативен и имеет значение главным образом для сточных вод.

•Прозрачность, измеряется как высота столба воды, при взгляде сквозь который на белой бумаге можно различать стандартный шрифт.

Мутность определяют фотометрически либо визуально - по степени мутности столба высотой 10-12 см. В последнем случае пробу описывают качественно следующим образом: прозрачная, слабо опалесцирующая, опалесцирующая, слабо мутная, мутная, очень мутная (ГОСТ 1030).

Пенистостью считается способность воды сохранять искусственно созданную пену. Данный показатель может быть использован для качественной оценки присутствие таких веществ, как поверхностно-активные вещества природного и искусственного происхождения. Пенистость определяют в основном при анализе сточных и загрязненных природных вод. Проба положительна, если пена сохраняется больше 1 мин (рН 6,5 -

8,5).

Водородный показатель. Для всего живого в воде минимально возможная величина рН=5, дождь, имеющий рН<5,5, считается кислотным. В питьевой воде допускается рН= 6,0 -

82

9,0, в воде водоемов хозяйственно-бытового и культурнобытового водопользования – 6,5 - 8,5.

Щелочность и кислотность. Щелочность обусловлена присутствием в воде веществ, содержащих гидроксоанион, а также веществ, реагирующих с сильными (соляной, серной) кислотами.

Ктаким соединениям относятся:

1.Сильные щелочи (КОН, NaOH) и летучие основания

(например, NH4OH), а также анионы, обусловливающие высокую щелочность в результате гидролиза в водном растворе при

рН>8,4 (CO32-, S2-, PO43-, SiO32- и др.).

2. Слабые основания и анионы летучих и нелетучих слабых кислот (НСО3-, Н2РО4-, НРО42-, СН3СОО-, HS-, анионы гуминовых кислот и др.).

Щелочность пробы воды измеряется в моль-экв/л или ммольэкв/л и определяется количеством сильной кислоты (обычно используют соляную кислоту с концентрацией 0,05 или 0,1 мольэкв/л), израсходованной на нейтрализацию раствора. При нейтрализации до значений рН 8,0 - 8,2 в качестве индикатора используют фенолфталеин. Определяемая таким образом величина называется свободной щелочностью. При нейтрализации до значений рН 4,2 - 4,5 в качестве индикатора используют метиловый оранжевый. Определяемая таким образом величина называется общей щелочностью.

При рН=4,5 проба воды имеет нулевую щелочность. Соединения первой группы из приведенных выше опреде-

ляются по фенолфталеину, второй - по метилоранжу. Щелочность природных вод в силу их контакта с атмосферным воздухом и известняками обусловлена главным образом содержанием в них гидрокарбонатов и карбонатов, которые вносят значительный вклад в минерализацию воды.

Соединения первой группы могут содержаться также в сточных и загрязненных поверхностных водах. Аналогично щелочности, иногда, главным образом при анализе сточных и технологических вод, определяют кислотность воды.

Кислотность воды обусловлена содержанием в воде веществ, реагирующих с гидроксоанионами. К таким соединениям относятся:

83

1.Сильные кислоты: соляная (НСl), азотная (HNO3), серная (H2SO4).

2.Слабые кислоты: уксусная (СН3СООН), сернистая (H2SO3), угольная (H2CO3), сероводородная (H2S) и др.

3.Катионы слабых оснований: аммоний (NH4+), катионы органических аммонийных соединений.

Кислотность пробы воды измеряется в моль-экв/л или ммоль-экв/л и определяется количеством сильной щелочи (обычно использут растворы КОН или NaOH с концентрацией 0,05 или 0,1 моль-экв/л), израсходованной на нейтрализацию раствора. Аналогично показателю щелочности различают свободную и общую кислотность. Свободная кислотность определяется при титровании до значений рН 4,3-4,5 в присутствии в качестве индикатора метилового оранжевого. В этом диапазоне

оттитровываются HCl, HNO3, H2SO4, Н3РO4.

Общая кислотность определяется при титровании до значений рН 8,2 - 8,4 в присутствии фенолфталеина в качестве индикатора. В этом диапазоне оттитровываются слабые кислоты - органические, угольная, сероводородная, катионы слабых оснований. Естественная кислотность обусловлена содержанием слабых органических кислот природного происхождения (например, гуминовых кислот). Загрязнения, придающие воде повышенную кислотность, возникают при кислотных дождях, при попадании в водоемы не прошедших нейтрализацию сточных предприятий и др.

Общая жесткость. Жесткость воды представляет собой свойство природной воды, зависящее от наличия в ней главным образом растворенных солей кальция и магния. Суммарное содержание этих солей называют общей жесткостью.

Общая жесткость подразделяется на карбонатную, обусловленную концентрацией гидрокарбонатов (и карбонатов при рН 8,3) кальция и магния, и некарбонатную - концентрацию в воде кальциевых и магниевых солей сильных кислот.

Поскольку при кипячении воды гидрокарбонаты переходят в карбонаты, которые выпадают в осадок, карбонатную жесткость называют временной или устранимой. Остающаяся после кипячения жесткость называется постоянной. Результаты определения жесткости обычно выражают в ммоль-экв/л.

84

В естественных условиях ионы кальция, магния и других щелочноземельных металлов, обусловливающих жесткость, поступают в воду в результате взаимодействия растворенного диоксида углерода с карбонатными минералами и других процессов растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов являются также микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные воды различных предприятий.

Жесткость воды колеблется в широких пределах. Вода с жесткостью менее 4 ммоль-экв/л считается мягкой, от 4 до 8 ммоль-экв/л - средней жесткости, от 8 до 12 ммоль-экв/л - жесткой и выше 12 ммоль-экв/л - очень жесткой. Общая жесткость колеблется от единиц до десятков, иногда сотен ммоль-экв/л, причем карбонатная жесткость составляет до 70-80% от общей жесткости. Обычно преобладает жесткость, обусловленная ионами кальция (до 70%); однако в отдельных случаях магниевая жесткость может достигать 50-60%. Жесткость морской воды и океанов значительно выше (десятки и сотни ммоль-экв/л). Жесткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего в период половодья.

Высокая жесткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус и оказывая действие на органы пищеварения. Величина общей жесткости в питьевой воде не должна превышать 10,0 ммоль-экв/л. Жесткость воды выражается числом ммоль-экв кальция и магния в 1 л воды.

Общая жесткость определяется методом комплексонометрического титрования. Комплексонометрическое титрование основано на образовании комплексных соединений металлоионов с неорганическими и органическими лигандами. Наибольшее распространение получило комплексонометрическое титрование, в котором используют специальные реагенты – комплексоны – производные аминополикарбоновых кислот. Чаще всего в качестве титранта применяют комплексон III - динатриевую соль этилендиаминтетрауксусной кислоты Na2H2Y - ЭДТА (трилон Б).

Схематически образование комплексного соединения можно представить следующим образом:

85

Me2+ + H2Y2- = MeY2- + 2H+;

Me3+ + H2Y2- = MeY- + 2H+;

Me4+ + H2Y2- =MeY + 2H+.

Эти уравнения показывают, что один атом металла, независимо от его валентности, связывает одну молекулу комплексона. Титрование комплексоном III должно проводиться при определенном рН раствора, так как от этого зависит устойчивость комплекса, а также изменение окраски индикатора. Необходимое значение рН среды создают прибавлением буферных растворов. Для индикации конечной точки титрования в методе комплексонометрии применяют металлохромные индикаторы (эриохром черный Т, мурексид, ксиленоловый оранжевый и др.). Эти индикаторы образуют с ионами металлов комплексы, менее устойчивые, чем комплекс иона металла с ЭДТА. Поэтому в конце титрования комплексон III вытесняет индикатор из его комплекса с металлом (металл связывается в более устойчивый комплекс с ЭДТА). Окраска при этом изменяется, раствор окрашивается в цвет, характерный для индикатора при данном рН раствора.

Сухой остаток - это масса остатка, получаемого выпариванием профильтрованной пробы воды, и высушенная при 103105°С или 178-182°С.

Величина эта должна выражать суммарное количество растворенных в пробе веществ, неорганических и органических. Получаемые результаты, однако, удовлетворяют этому требованию лишь приближенно, при какой бы из указанных двух температур ни проводилось высушивание остатка.

Если остаток высушивали при 103-105°С, то в нем сохранится вся или почти вся кристаллизационная вода солей, образующих кристаллогидраты, а также частично и окклюдированная вода. С другой стороны, при выпаривании и высушивании удаляются все летучие с водяным паром органические вещества, растворенные газы, а также СО2 из гидрокарбонатов, которые при этом превратятся в карбонаты.

Если остаток высушивали при 178-182°С, то окклюдированная вода будет удалена полностью. Кристаллизационная вода также удалится, но некоторое количество может остаться,

86

особенно когда в пробе присутствуют сульфаты. Гидрокарбонаты превратятся в карбонаты, но последние могут частично разложиться с образованием оксидов или окси-солей. Может произойти незначительная потеря нитратов. Органические вещества теряются в большей мере, чем в первом случае.

Высушивание при 178-182°С следует предпочесть при анализе вод, содержащих преимущественно неорганические соли, так как тогда получаемый результат приближается в большей мере к сумме результатов отдельных определений катионов и анионов в пробе.

Вопросы для самопроверки

1.Перечислите показатели качества воды и методы их определе-

ния.

2.Какие показатели относятся к органолептическим?

ГЛАВА 9

ВОДА КАК ОБЪЕКТ АНАЛИЗА

Землю по праву называют водной планетой. Вода - источник всех известных форм жизни и единственный компонент, который существует в трех агрегатных состояниях (газообразном, жидком и твердом) благодаря положению Земли в Солнечной системе. Расстояние от Земли до Солнца составляет 149,6 млн км. Если бы это расстояние было менее 134 млн км, то вода полностью бы испарилась и, наоборот, при расстоянии от Земли до Солнца более 166 млн км планета оказалась бы скована вечными льдами. Таким образом, Солнце находится на необходимом расстоянии от Земли, чтобы поддерживать вечное движение ее «водяного колеса».

Солнце испаряет воду с поверхности Мирового океана, озер, водохранилищ, рек. Значительное количество воды поступает в атмосферу в результате испарения воды зелеными растениями. Круговорот воды в природе происходит непрерывно, и ее запасы на Земле практически не изменились. С поверхности Мирового океана ежегодно испаряется около 505 тыс. км3 воды, из которых 458 тыс. км3 не имеют практического применения,

87

поскольку в виде осадков поступают обратно в морские водоемы, т.е. только 47 тыс. км3 переносится воздушными потоками на большие расстояния и выпадает на суше. Именно эта вода используется нами для многочисленных нужд - в быту, промышленном производстве, сельском хозяйстве.

Таким образом, водная оболочка Земли представляет собой совокупность океанов, морей, озер, рек, прудов, болот, подземных вод. Общее количество воды на Земле - 1386 млн км3, общая площадь морей и океанов превышает в 2,5 раза территорию суши. Из общего объема вод на Земле доля пресных вод составляет 2,5% - более 8 млн м3 на каждого жителя планеты. Подавляющая часть пресной воды труднодоступна, почти 70% ее заключено в ледниках. Под почвой находятся обширные запасы подземных вод. Пресные воды залегают до глубины 150 - 200 м, ниже они переходят в рассолы. Объем подземных вод в 100 раз больше, чем объем поверхностных пресных вод. Вода - единственная природная жидкость, имеющаяся на поверхности Земли в огромном количестве. Она находится не только в гидросфере, но и в атмосфере, в виде водяного пара и конденсата, и литосфере.

Потребление воды промышленным и сельским хозяйством достигло огромных размеров. Больше всего воды потребляет сельское хозяйство, при этом 3/4 ее теряется безвозвратно. Например, для выращивания 1 т пшеницы необходимо 150 т воды, 1 т риса – 7000, хлопка – 10000.

В промышленности для производства 1 т стали, чугуна требуется 15-20 м3, кальцинированной соды – 10, серной кислоты – 25-80, азотной кислоты – 80-180, пластмасс – 500-1000, синтетического каучука – 2000-3000 м3 и т.д. Для работы теплоэнергостанции мощностью 3000 тыс. кВт требуется более 300 км3 воды в год. Качество воды, используемой на производственные нужды, зависит в каждом конкретном случае от ее назначения. Под качеством воды понимают совокупность физических, химических, биологических и бактериологических показателей, обеспечивающих пригодность воды для всех видов использования.

88

Загрязнение рек, морей, озер и океанов происходит с нарастающей скоростью. Основными источниками загрязнения природных вод являются:

1.Атмосферные воды, несущие массы вымываемых из воздуха загрязнителей промышленного происхождения. При стекании по склонам атмосферные и талые воды дополнительно увлекают за собой огромное количество веществ; опасны стоки

сгородских улиц, с территорий нефтеперерабатывающих и химических заводов.

2.Городские сточные воды, включающие бытовые отхо-

ды.

3.Промышленные сточные воды, образующиеся в самых разнообразных отраслях производства, среди которых наиболее активно потребляют воду черная металлургия, химическая, лесохимическая, нефтеперерабатывающая промышленность.

Из промышленных сточных вод необходимо выделить следующие виды сточной воды:

1.Реакционные воды, образующиеся в процессе реакции с выделением воды. Загрязнены как исходными веществами, так и продуктами реакции.

2.Воды, содержащиеся в сырье и исходных продуктах. При переработке последних вода загрязняется разными веществами.

3.Промывные воды - воды после промывки сырья, продуктов, тары, оборудования.

4.Водные экстрагенты и абсорбенты.

5.Охлаждающие воды, которые не соприкасаются с технологическими продуктами и используются в системах оборотного водоснабжения.

6.Бытовые воды - воды столовых, прачечных, душевых, туалетов и т.д.

Без сомнения, сточные воды - один из серьезных компонентов загрязнения окружающей среды. Поэтому их очистка - обязательная мера перед выпуском сточных вод в природные водоемы.

Процесс очистки предполагает удаление следующих основных веществ и типов загрязнений: 1) взвесей, например ила, делающего воду мутной и приводящего к образованию отложе-

89

ний; 2) веществ, поглощающих кислород; 3) питательных веществ, необходимых для образования новых организмов.

Питательными веществами являются фосфаты и нитраты, содержащиеся в воде, используемой на бытовые нужды. В последнее время из-за применения удобрений в сельском хозяйстве их содержание в сточных водах резко возросло, что вызывает серьезные проблемы. Большое количество загрязняющего фосфора и азота поступает в водоемы и воды рек от производства синтетических моющих средств. Поэтому очистные станции в значительной степени насыщены фосфором и азотом.

Кроме этого, сточные воды городов содержат патогенные бактерии, вирусы, различные химические вещества (ртуть, свинец, медь, цинк, хром). Несомненно, такие вещества пагубно влияют на флору и фауну рек и озер. Стоки отработанной воды предприятий целлюлозно-бумажной промышленности понижают рН воды, вызывая гибель ценных пород рыб. Воды кожевенных и текстильных фабрик, наоборот, повышают рН воды, что приводит к тем же результатам.

Две другие группы загрязнителей, оказывающих негативное воздействие на биологическую среду, составляют пестициды и соединения углеводорода, которые сбрасываются нефтеперерабатывающими заводами, станциями обслуживания автомобилей.

Процесс очистки сточных вод предполагает следующие четыре стадии: отделение взвеси; биологическая очистка; физи- ко-химическая очистка; дополнительная очистка, например фильтрация.

На первой стадии удаляют крупные частицы тяжелых нерастворимых веществ, песок, камни. После этого оставшиеся взвеси попадают в резервуар, где скорость стока специально замедлена. В результате твердые частицы оседают на дно и удаляются с помощью скребков. Эта стадия длится около трех часов и осуществляется двумя методами.

В первом случае (аэрация стоков с активным илом) вода поступает в резервуар, где она аэрируется вместе с биологически активным илом. Содержащиеся в иле бактерии взаимодействуют с твердыми частицами. Вода насыщается воздухом с помощью аэраторов турбинного типа, приходит в движение, и в

90

ней постепенно скапливается осадок. Через 3 ч суспензия поступает в отстойник, где ил оседает, после чего он либо используется повторно, либо удаляется.

Во втором случае используются биофильтры, состоящие, как правило, из уложенного слоями необработанного камня. Слизистый налет на камнях, состоящий из микроорганизмов, задерживает органические вещества, разлагает их и периодически смывается. Затем вода поступает в отстойник, где взвешенные вещества оседают на дно.

Следующая стадия - химическая очистка, при которой в воду для образования осадка вводятся сульфаты алюминия и соединения железа. На этой стадии из сточных вод удаляется фосфор. Для очистки остающихся загрязнений используют фильтрацию. При этом возникает новая проблема: как освободиться от осадка – постоянного побочного продукта в процессе очистки сточных вод. Существует несколько методов утилизации обезвоженного осадка:

1)захоронение в специальных местах, при этом осадок не должен проникать в грунтовые воды;

2)компостирование вместе с твердыми бытовыми отхо-

дами;

3)сжигание (недостаток этого метода - загрязнение атмо-

сферы);

4)использование в качестве удобрений (недостаток метода - остается проблема тяжелых металлов).

Таким образом, проблема очистки сточных вод порождает, в свою очередь, новые проблемы, образуя замкнутый круг. Альтернатив этому, к сожалению, не так уж и много. Помимо внедрения новых технологий производства, не загрязняющих воду, необходимо совершенствовать методы, исключающие сброс промышленных стоков в реки и озера; совершенствовать очистку сточных вод, решая проблему утилизации побочных продуктов.

Большую опасность представляют загрязнения вод радиоактивными веществами. Масштабы загрязнения рек, озер принимают такие размеры, что последние теряют способность к самоочищению. Загрязнение водных систем представляет боль-