Мониторинг окружающей среды. Река Лесная

В некоторых случаях  – для быстрого (сигнального) анализа  неизвестных растворов – используется рН-индикаторная бумага, имеющая точность определения рН не более ±1, что  недостаточно для выполнения анализа  природной и питьевой воды. Вместе с тем, при грубой оценке (начальный  уровень, 5–8 классы) индикаторная бумага также может быть полезна.

      Сухой остаток

 

Сухой остаток характеризует  содержание в воде нелетучих растворенных веществ (главным образом минеральных) и органических веществ, температура  кипения которых превышает 105–110°С. Сухой остаток определяют гравиметрическим и расчетным методами. Перед определением сухого остатка пробу необходимо фильтровать либо отстаивать для  отделения от взвешенных веществ.

Гравиметрический  метод основан на определении  веса высушенного остатка.

 При гравиметрическом  определении сухого остатка сначала  проводят выпаривание основной  массы пробы, которая может  составлять 250–500 мл. Далее оставшуюся  часть пробы высушивают во  взвешенной, доведенной до постоянной  массы чашке (стакане, тигле)  в сушильном шкафу в стандартных  условиях в два этапа. На  первом этапе удаляются влага  и все летучие органические  вещества, однако сохраняется почти  вся кристаллизационная вода  солей – кристаллогидратов. На  втором этапе разлагаются кристаллогидраты, более полно испаряются и разлагаются  органические вещества, разлагаются  также некоторые соли – например, гидрокарбонаты до карбонатов  и далее до оксидов. Величину  сухого остатка определяют по  разности масс остатка пробы  до и после высушивания. Взвешивание  выполняют на аналитических весах  с погрешностью не более ±1  мг (лучше ±0,1 мг). Перед взвешиванием  тигель необходимо охладить до  комнатной температуры.

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).

   

 

Метод определения  взвешенных твердых частиц фильтрованием  через стекловолоконный фильтр устанавливает  международный стандарт ИСО 1923. Данный метод применим к неочищенной  воде и сточным водам.

Нижний предел определения  составляет приблизительно 2 мг/л. Верхний  передел не установлен. Для образцов, содержащих более 100 мг/л взвешенных твердых частиц, может потребоваться  специальная обработка.

Образцы сточных  вод не всегда стабильны, содержание взвешенных твердых частиц зависит  от времени и условий хранения, значения рН других факторов. Результаты, полученные на нестабильных образцах, следу интерпретировать с осторожностью. Результаты определения до некоторой  степени зависят от типа фильтра, следовательно, тип фильтра должен быть установлен. Всплывающие масла  и другие несмешивающиеся органические жидкости вызывают помехи.

Распределение частиц по размерам в различных образцах воды может различаться в очень  широких пределах. Поэтому не существует корреляции между результатами, полученными  на фильтрах с различным диаметром  пор и коэффициентов перевода результатов, полученных на одном фильтре  другой, не существует.

Сущность метода состоит в фильтровании образца через стекловолокнистый фильтр под вакуумом или под давлением. Затем фильтр высушивают при 105°С и определяют взвешиванием массу остатка на фильтре.

Растворенный  кислород

 

Содержание растворенного  кислорода (РК) в воде характеризует  кислородный режим водоема и  имеет важнейшее значение для  оценки его экологического и санитарного  состояния. 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.

Содержание РК зависит  от температуры, атмосферного давления, степени турбулизации воды, количества осадков, минерализации воды др. 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 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).

Определение концентрации РК в воде проводится методом йодометрического титрования – методом Винклера, широко используемым и общепринятым при санитарно-химическом и экологическом  контроле. Метод определения концентрации РК основан на способности гидроксида марганца (II) окисляться в щелочной среде до гидроксида марганца (IV), количественно  связывая при этом кислород. В кислой среде гидроксид марганца (IV) снова  переходит в двухвалентное состояние, окисляя при этом эквивалентное  связанному кислороду количество йода. Выделившийся йод оттитровывают  раствором тиосульфата натрия в  присутствии крахмала в качестве индикатора.

Реакции описываются  уравнениями:       

J₂ + крахмал --» синее окрашивание

О завершении титрования судят по исчезновению синей окраски (обесцвечиванию) раствора в точке  эквивалентности. Количество раствора тиосульфата натрия, израсходованное  на титрование, пропорционально концентрации растворенного кислорода.

   Биохимическое потребление кислорода  (БПК)

 

 

    В природной воде водоемов  всегда присутствуют органические  вещества. 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.  Техногенные источники органических  веществ: транспортные предприятия  (нефтепродукты), целлюлозно-бумажные  и лесоперерабатывающие комбинаты  (лигнины), мясокомбинаты, сельскохозяйственные  и фекальные стоки и т.д.   

В естественных условиях находящиеся в воде органические вещества разрушаются бактериями, претерпевая  аэробное биохимическое окисление  с образованием двуокиси углерода. 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. Обычно определяют БПК  за 5 суток инкубации (БПК₅), однако содержание некоторых соединений более информативно характеризуется величиной БПК за 10 суток или за период полного окисления (БПК₁₀ или БПК_полн соответственно). Инкубацию пробы проводят без доступа света (в темном месте) во избежание фотохимического окисления.

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. 2.

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.

Рис. 2. Динамика биохимического потребления кислорода.

 

Таким образом, БПК  – количество кислорода в миллиграммах, требуемое для окисления находящихся  в 1 л воды органических веществ 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% БПК_полн, 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  (рис. 3).

 
Рис. 3. 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. Соответствующие процессы описываются  уравнениями:

 
где: Q – энергия, высвобождающаяся при реакциях.

Процесс нитрификации происходит и при инкубации пробы  в кислородных склянках. Количество кислорода, пошедшее 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. 3), поэтому при  определении БПК за 10 и более  суток необходимо вводить в пробу  специальные вещества – ингибиторы (тиомочевину или  тиокарбамид  в концентрации 0,5 мг/мл.),подавляющие  жизнедеятельность нитрифицирующих  бактерий, но не влияющие на обычную  микрофлору.

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.

Наиболее распространен  для определения РК при анализе  БПК метод йодометрического титрования – метод Винклера (подробно описан в разделе 4.2.5. Растворенный кислород).

Мешающее влияние  на определение БПК оказывают  процессы, происходящие в пробе в  промежуток времени между отбором  пробы и ее обработкой в лаборатории. Для исключения этого влияния  начинать определение необходимо сразу  же на месте отбора пробы. При этом следует соблюдать те же условия, что и при работе в лаборатории (хранение пробы в темноте, без  доступа воздуха, при температуре 20°С). Полевой вариант метода является адаптированным вариантом метода, приведенного в РД 52.24.420-95 и ИСО 5815.

Окисляемость, или химическое потребление кислорода (ХПК)

 

 

   Показатель, характеризующий суммарное  содержание в воде органических веществ  по количеству израсходованного на окисление  химически связанного кислорода, называется химическим потреблением кислорода (ХПК). Являясь интегральным (суммарным) показателем, ХПК в настоящее время считается одним из наиболее информативных показателей антропогенного загрязнения вод. Этот показатель, в том или ином варианте, используется повсеместно при контроле качества природных вод, исследовании сточных вод и др. 

Однако не все  органические вещества в равной степени  участвуют в реакции химического  окисления. Так же, как и при  биохимическом окислении, при химическом окислении можно выделить группы легко, нормально и тяжело окисляющихся органических веществ. Поэтому всегда существует разница между теоретически возможным и практически достигаемым  значениями ХПК.   

 Теоретическим  значением ХПК (ХПК_теор) называют количество кислорода (или окислителя в пересчете на кислород) в мг/л, необходимое для полного окисления содержащихся в пробе органических веществ, т.е. всех способных окисляться элементов из состава органического соединения. В качестве окислителей обычно используют бихромат- и перманганат-анионы, и соответственно называются основные методы определения ХПК – бихроматный и перманганатный.   

 Практически  используемые методы определения  ХПК дают результаты, близкие  к ХПК_теор, но всегда отклоняющиеся в ту или иную сторону.  

Бихроматная окисляемость позволяет получить значение ХПК, наиболее приближенное к ХПК_теор, т.е. наиболее полное окисление достигается бихроматом калия. Поэтому определение бихроматной окисляемости является основным методом определения ХПК. Именно бихроматную окисляемость часто называют «химическим потреблением кислорода». В условиях этого метода большинство органических соединений окисляется на 95% и более, однако окисляются не все соединения (толуол, бензол, пиридин, парафин и др. практически не окисляются). Катализатором окисления является сульфат серебра, который добавляется в аналитическую рецептуру для ускорения реакции и повышения полноты окисления органических веществ. Избыток бихромата оттитровывается раствором соли Мора. Реакцию проводят в жестких условиях – в 50%-ной серной кислоте при кипячении. Содержание неорганических восстановителей в пробе определяют отдельно специальными методами и вычитают из ХПК пробы.