Муравьев А.Г. Руководство по определению показателей качества воды полевыми методами

Подождите немного. Документ загружается.

Предисловие

В настоящей книге сделана попытка изложить в доступной форме

теорию и технологию оценки качества воды полевыми методами анализа

по основным показателям, предусмотренным действующими в России

нормативными документами. Интерес к контролю качества воды в на-

стоящее время неуклонно растет, что обусловлено рядом причин. В их

числе – продолжающееся загрязнение окружающей среды и, в частности,

водных объектов; рост интереса к контролю качества окружающей среды

со стороны широких слоев общества – специалистов, законодателей, по-

литиков, членов общественных объединений и др.; переход от деклара-

тивного учета требований охраны окружающей среды к практическим

мониторинговым исследованиям. Введение вопросов контроля окру-

жающей среды в образовательные программы школ, учреждений допол-

нительного образования, средних специальных учебных заведений и др.

также значительно расширяет круг заинтересованных в соответствующей

литературе. В связи с этим материалы настоящей книги изложены под

определенным углом зрения, а именно:

 что представляют собой те или иные показатели?

 как они связаны с другими показателями и характеристиками воды?

 к каким экологическим и др. последствиям приводит соответствую-

щее изменение характеристик воды?

Методы контроля, являющиеся, в большинстве своем, гидрохимиче-

скими, приведены с описанием протекающих при анализе химических

реакций, а операции – с сопроводительными рисунками, облегчающими

понимание текста и узнавание упомянутого оборудования. В этом отно-

шении книга полезна при изучении и практической отработке вопросов

контроля окружающей среды в курсах экологии, химии, биологии, а так-

же в специальных курсах «Экология и природопользование», «Экологи-

ческий мониторинг», «Промышленная экология», «Экологическая химия» и

др., помогая обеспечивать практический (деятельностный) компонент обу-

чения и выполняя соответствующие дидактические функции.

Вместе с тем, автор не ставил перед собой задачу разработки мето-

дик проведения занятий с учащимися, т.к. подобные методики логично

вытекают из предлагаемого материала, основываясь на педагогической

технологии. Далеко не все образовательные учреждения имеют доста-

точную материальную базу и персонал, способный обеспечить подготов-

ку экспериментальных работ. По этой причине в книге дается описание

приготовления всех реагентов и растворов, используемых при выполне-

нии анализов, а также ссылки на выпускающееся в России и за рубежом

оборудование для выполнения анализов рассматриваемыми методами.

Необходимо отметить, что из множества методов анализа воды, опи-

санных в специальной литературе, автором отобраны и приведены в кни-

ге лишь те, которые не только позволяют произвести анализ с достаточ-

ной точностью, но и легко выполнимы как в полевых, так и в лаборатор-

ных условиях. Оборудование для соответствующих работ, выпускаемое

санкт-петербургским научно-производственным объединением ЗАО

«Крисмас+», получило широкое распространение во многих регионах

России и ближнего зарубежья, рекомендовано Министерством образова-

ния России для оснащения образовательных учреждений.

Настоящая книга не подменяет собой практикумы (и тем более

учебники) по экологии, химии или биологии, является своеобразным до-

полнительным материалом для учителей, преподавателей и учащихся,

желающих расширить представления о показателях качества воды и их

экологическом значении, и позволяет более осознанно и эффективно

проводить практические работы.

Рассматривая использование книги в сфере образования, можно вы-

делить следующие уровни сложности выполняемых работ: начальный (8–

9 кл. общеобразовательной школы), средний (10–11 кл. общеобразова-

тельной школы), а также повышенный (специализированные школы, ву-

зы). По этой причине в тексте при описании методики анализа по ряду

показателей читатель может выбрать подходящий по уровню сложности

вариант аналитического определения.

Следует отметить, что понятие «оценка качества воды» автор не

отождествляет с понятием «экологическая оценка водного объекта», т.к.

последняя значительно шире и включает также определение биотиче-

ских, гидрологических и др. параметров водоема.

В заключение автор хотел бы отметить, что появление настоящего из-

дания является результатом совместной творческой работы с сотрудниками

кафедры экологического образования Санкт-Петербургского государствен-

ного университета педагогического мастерства: д.п.н. профессором

С.В. Алексеевым, к.п.н. Н.В. Груздевой; научно-производственного объе-

динения ЗАО «Крисмас+»: Б.В. Смолевым, А.А. Лавриненко, В.В. Даниловой;

Санкт-Петербургского городского Дворца творчества юных:

А.Р. Лянзбергом; Всероссийского НИИ метрологии им. Д.И. Менделеева:

д.т.н. Л.А. Конопелько, Л.В. Осиповой, и приносит им глубокую благодар-

ность.

Автор очень благодарен также заведующей кабинетом химии

СПбГУПМ Т.Т. Буровцевой и учителям химии высшей категории – ди-

ректору школы № 167 В.И. Недосекину и учителю школы № 71

М.А. Смирновой, детально рассмотревшим руководство с точки зрения

школьного курса химии и давшим ряд ценных замечаний.

1. О полевых методах анализа и

портативности в гидрохимических

измерениях

Аналитические задачи, решаемые при исследовании воды, оценке

состояния водных объектов и почвы в профессиональных и учебных ла-

бораториях, часто требуют применения методов, которые, давая количе-

ственную информацию, тем не менее являются портативными. В отличие

от малогабаритных переносных электропотребляющих приборов контро-

ля воды и тест-систем, для которых портативность очевидно свойственна,

для методов традиционно «мокрой химии» и комплектов на их основе

свойство портативности создает ряд новых полезных, а в ряде случаев –

незаменимых потребительских качеств. Именно такими свойствами об-

ладают многие производимые ЗАО «Крисмас+», представленные в на-

стоящем издании комплекты-лаборатории и тест-комплекты.

Свойство портативности для методов «мокрой химии» многими спе-

циалистами связывается с возможностью применения в полевых услови-

ях, и для такого сопоставления есть нормативная основа. Из большого

числа методов анализа воды и почвенных вытяжек выделена относитель-

но небольшая группа методов, называемых «полевыми» (впервые были

приведены в ГОСТе 1030



). Под полевым методом подразумевался такой

метод, который может применяться непосредственно в полевых услови-

ях, при отсутствии водопровода, централизованных источников электро-

энергии, стационарных и специально оборудованных лабораторных по-

мещений (ГОСТ 24902). Полевые методы, без сомнения, могут быть от-

несены к портативным методам. Последние применимы в самых разно-

образных условиях – как специалистами, при лабораторных исследова-

ниях и др., так и неспециалистами – например, в условиях образователь-

ных учреждений. Они могут использоваться также широким кругом за-

интересованных лиц, не имеющих связей с лабораториями, аналитиче-

скими и экологическими центрами – работниками котельных, судовыми

механиками, аквариумистами и многими другими



. Группы потребите-

лей, применяющих портативные комплекты для гидрохимических изме-

рений, и соответствующие аналитические задачи приведены ниже.



ГОСТ 1030 в настоящее время не действует в связи с его заменой на ГОСТ 24902.



Методы, рекомендованные к применению отраслевыми документами для водно-

химического анализа в котельных, ТЭЦ, контроля воды на судах, также во многом можно

отнести к портативным.

Аналитические задачи при гидрохимических измерениях

и потребители продукции

Аналитические задачи

Потребители

Химический анализ по

действующим руково-

дящим документам (РД)

и методикам выполне-

ния измерений (МВИ)

Химики-аналитики, вы-

полняющие измерения

химических параметров

воды, почвы в лаборато-

рии и вне ее

Контроль водно-

химического режима

тепловых сетей, ТЭЦ,

котельных, предприяти-

ях топливно-

энергетического ком-

плекса

Специалисты по контро-

лю водно-химического

режима энергетических

установок и эксплуата-

ции тепловых сетей

Контроль качества за-

борной воды, контроль

водно-химического ре-

жима силовых установок

на судах

Специалисты по экс-

плуатации силовых ус-

тановок на судах мор-

ского и речного флота

Контроль показателей

качества воды и анализ

стоков при водоочистке

и водоподготовке

Специалисты по водо-

очистке

и водоподготовке

Учебно-

исследовательская рабо-

та и практикум по оцен-

ке состояния окружаю-

щей среды

Школьники, студенты,

учителя

Контроль качества ово-

щей, фруктов, соков,

аквариумной воды, воды

бассейнов, грунтовых

вод и др.

Население

Портативные (полевые) методы в ряду аналитических методов «мок-

рой химии» обладают некоторыми характерными особенностями.

Во-первых, портативные методы являются относительно неслож-

ными. Под сложностью метода понимается сложность используемого

оборудования, сложность и трудоемкость его обслуживания, включая

повышенные требования к квалификации персонала, выполняющего

анализ. Применение недорогого портативного оборудования, напри-

мер фотоколориметра, при проведении анализов в полевых условиях

весьма желательно и значительно расширяет возможности портатив-

ных методов.

Во-вторых, к достоинствам портативных методов относится их

экспрессность. Не секрет, что в ряде случаев использование тех или

иных методов определяет не только сложность, но и длительность

анализа, которая, включая операции подготовки, может достигать от

нескольких часов до нескольких суток. Предлагаемые в настоящей

книге методы и соответствующие комплекты для гидрохимических

измерений позволяют сократить продолжительность подготовки и

анализа, как правило, до нескольких десятков минут, а часто – и до

нескольких минут.

В-третьих, к портативным (полевым) методам анализа предъявляют-

ся особые, менее жесткие (и это закреплено в нормативных документах –

см., например, ГОСТ 24902) требования по точности анализов.

Портативные методы гидрохимического анализа можно рассматри-

вать как несколько упрощенные варианты более сложных лабораторных

методов. Это упрощение может быть обусловлено разными средствами, в

частности:

– применением визуально-колориметрического определения на за-

вершающем этапе определения вместо (либо в дополнение) к фотометри-

ческому;

– изменением состава аналитических растворов в направлении

упрощенной и ускоренной их дозировки (например, вместо разбавленных

растворов реагентов используются растворы с повышенной концентраци-

ей, вместо жидких реагентов используются сухие сыпучие и др.);

– применением портативных средств дозировки растворов и проб

(например, вместо пипеток или мерных цилиндров используются шпри-

цы или мерные склянки).

В результате подобного упрощения может несколько снизиться

точность анализа, однако приобретаются указанные выше преимуще-

ства. Портативные и полевые методы анализа, так же как их более

сложные лабораторные аналоги, в необходимых случаях предусмат-

ривают различные добавки в аналитические растворы. Применение

добавок определенного назначения (буферных, стабилизирующих,

связывающих, фиксирующих и т.п.) позволяет обеспечить избира-

тельность анализа и использовать предлагаемые методы для контроля

основных показателей качества питьевой воды, природных (поверхно-

стных и подземных), показателей водно-химического режима энерге-

тических и силовых установок, а по некоторым показателям – и нор-

мативно-очищенных сточных вод.

Окрашенные пробы, образующиеся в ходе анализа колориметриче-

скими методами, в портативном варианте обычно колориметрируются

методами визуальной колориметрии, с применением пленочных окра-

шенных шкал либо шкал на основе эталонных растворов. Однако точно-

стные характеристики при анализе могут быть значительно улучшены

при использовании, наряду с указанными цветными шкалами, также пор-

тативного полевого колориметра.

В некоторых отношениях портативные (полевые) методы сравнива-

ют с тест-методами и экспресс-методами. Основные качества тест-

методов – получение преимущественно качественной или полуколичест-

венной информации о химическом составе объекта, иногда с очень хоро-

шей чувствительностью, при простейшем алгоритме применения, причем

предполагается, что анализ выполняется достаточно быстро, а сами тест-

системы дешевы. Именно низкая стоимость анализа является важнейшим

полезным качеством для тест-метода. Важнейшим параметром экспресс-

методов является минимальное время анализа (стоимость анализа в дан-

ном случае – не главное). Непосредственно сближаясь с тест-методами и

экспресс-методами по некоторым характеристикам, портативные (поле-

вые) методы имеют ряд преимуществ, что расширяет области их приме-

нения при оценке параметров окружающей среды, делая полезными как

для специалистов-аналитиков, так и (благодаря простоте) для неспециа-

листов.

Для определения параметров воды удобно использовать также при-

борные методы анализа. С этой целью обычно применяют портативные

рН-метры, оксиметры, кондуктометры и др. Несмотря на сравнительно

высокую стоимость приборов и необходимость их правильного техниче-

ского обслуживания (проверки технического состояния, калибровки, кон-

троля точности и др.), полученная приборными методами информация

отличается достоверностью и точностью, а сами приборы – длительным

сроком эксплуатации. Не случайно наиболее простые приборы специали-

сты относят к тестерам, т.е. средствам быстрого тестирования объектов,

причем сами приборы включаются, наряду с тест-системами и тест-

комплектами, в состав сложных многофункциональных лабораторий для

экспресс-контроля окружающей среды



. Подобные укладки – модульные

лаборатории – серийно производятся НПО ЗАО «Крисмас+» (комплекты-

лаборатории серии «НКВ», «ВЭХЛ» и др., см. описания в приложении 5).

Включение приборов в инструментальный арсенал выполняющих анали-

зы существенно расширяет области применения портативных методов,



См., например, материалы Всероссийского симпозиума по тест-методам (Москва, МГУ

им. М.В. Ломоносова, 2001 г.).

позволяет достаточно быстро выполнять анализ различных объектов –

воды, почвенных вытяжек, воздуха, продуктов питания.

Следует отметить, что некоторые параметры воды, подлежащие обя-

зательному определению при некоторых аналитических работах, могут

быть выполнены только с использованием приборов. Например, опреде-

ление электропроводности при водно-химическом контроле выполняется

только электрометрическим методом с применением кондуктометра.

Следует отметить также, что некоторые анализы по определению

гидрохимических показателей, имеющих важное экологическое, гидро-

логическое, санитарно-химическое и т.п. значение, не могут быть выпол-

нены вне лабораторий. Для выполнения подобных операций необходимы

специальные условия, т.к. в ходе анализа используются такие операции,

как прокаливание, точное взвешивание, кипячение и др. Тем не менее

портативные методы и оборудование на их основе могут применяться и в

условиях базового экспедиционного лагеря, котельной, судового отсека

при наличии проб, отобранных и подготовленных в «полевых» условиях.

2. Методы определения показателей

качества воды и особенности их

применения

В этой главе мы приводим некоторые характеристики используемых

методов и особенности их применения, а также описание основного обо-

рудования и наиболее важных выполняемых операций. Мы предполага-

ем, что читатель знаком с методами и оборудованием для количественно-

го химического анализа. Вместе с тем, мы надеемся, что и для «непосвя-

щенного» читателя используемые при полевых анализах методы и обору-

дование окажутся достаточно доступными в нашем изложении, а приве-

денные ниже сведения расширят кругозор читателя и позволят ему ус-

пешно выполнять контроль качества воды предлагаемыми, относительно

несложными, методами.

2.1. Характеристики методов определения

показателей качества воды

Большинство полевых методов определения показателей качества

воды являются химическими, т.к. позволяют определить содержание хи-

мических компонентов в составе воды и основаны на химико-

аналитических реакциях. Перед тем как приступить к анализу воды хи-

мическими методами, необходимо познакомиться с требованиями к вы-

полнению анализов и практически освоить основные аналитические опе-

рации. Для этого обычно в лабораторных условиях проводится обучение

приемам работы и правилам техники безопасности (см. главу «Меры

безопасности при выполнении анализов»). При обучении используются

растворы реактивов-стандартов, имеющих в своем составе определяемый

компонент (катион, анион, функциональные группы). Хорошим объектом

для обучения является продающаяся в магазинах минеральная вода с из-

вестным химическим составом, который приводится, как правило, на

этикетке бутылки. Для обучения могут использоваться также специально

приготовленные модельные растворы с точно известным значением кон-

центрации целевого компонента. Обучение при определении отдельных

компонентов в воде или модельных растворах проводится только под

руководством специалиста-аналитика или преподавателя.

Если в ходе практических работ берутся готовые оборудование и ма-

териалы, то используемые при выполнении анализа растворы, реактивы,

посуда и другие компоненты комплекта должны быть предварительно

осмотрены. При осмотре проверяют:

 целостность и герметичность упаковки растворов, реактивов;

 соответствие выбранного для использования реактива (раствора) или

посуды требованиям методики анализа, наличие хорошо и одно-

значно читаемой этикетки, меток на мерной посуде, контрольных

шкал;

 отсутствие повреждений мерной посуды, пробирок, контрольных

шкал и др.

При транспортировке оборудование для анализа, склянки с реакти-

вами и растворами и принадлежности следует располагать в укладочных

ящиках на предусмотренных для них местах. Это позволит обеспечить

надежную доставку комплектов для полевых анализов к месту работы,

исключить бой посуды и попадание внутрь контейнеров пыли и других

загрязнений.

После проведения анализа мерные склянки и пипетки следует про-

мыть чистой водой, склянки с растворами необходимо герметично за-

крыть и уложить в укладочные контейнеры. Затруднения при закрывании

контейнеров обычно свидетельствуют о небрежности при укладке.

Характеристики образцов воды могут определяться непосредственно

в отобранных пробах различными методами: визуальным, органолепти-

ческим, визуально-колориметрическим, титриметрическим, турбидимет-

рическим и расчетным. Характеристики почвенных вытяжек (водных,

солевых) определяются путем их анализа с помощью методов, исполь-

зуемых для анализа соответствующих компонентов в воде. Методы опре-

деления различных показателей качества воды и их основные характери-

стики приведены в табл. 1.

2.2. Условия применения полевых методов

при анализе

Полевые методы применяются в условиях, которые не сказываются

сколько-нибудь заметным образом на скорости и выходе химико-

аналитической реакции. Это и понятно, т.к. скорость большинства хими-

ческих реакций увеличивается в 2–4 раза при повышении температуры на

каждые 10°С. С другой стороны, концентрация образующегося при хи-

мико-аналитической реакции вещества, как правило, связана с концен-

трациями других, участвующих в реакции или образующихся веществ в

растворе, находясь в химическом равновесии. Характерно, что для реак-

ций в растворах (в отличие от реакций в газовой фазе) практически толь-

ко температура является внешним фактором, влияющим на положение

равновесия. Следовательно, именно температура является тем влияющим

фактором внешних условий, который мы должны учитывать в первую

очередь при использовании полевых методов.

Таблица 1

Методы определения различных показателей качества воды,

реализованные в портативной (полевой) модификации,

и их основные характеристики

Наименование

показателя

Метод

определения

Диапазон

определяемых

концентраций



Норматив

качества



Объем

пробы для

анализа,

мл

1. Органолептические показатели

1.1. Запах

Органолептиче-

ский

–

Не более 2

баллов

–

1.2. Вкус и привкус

То же

–

Не более 2

баллов

–

1.3. Цветность

Колориметриче-

ский

10–1000 град.

цветн.

20 (35)

1.4. Мутность и про-

зрачность

По шрифту

1–40 см

–

300

2. Общие и суммарные показатели

2.1. Водородный пока-

затель (pH)

Колориметриче-

ский

4,5–11,0 ед. рН

6–9 ед. рН

2.2. Щелочность

Титриметриче-

ский

0,1–5,0 ммоль/л

экв.

–

25–100

2.3. Кислород раство-

ренный

Титриметриче-

ский, по Винклеру

Колориметриче-

ский, с индиго-

кармином

0,5–15 мгО/л

0,01–0,10 мгО/л

4 мг/л

100–200

200–250

2.4. Биохимическое

потребление кислорода

(БПК)

Титриметриче-

ский по Винклеру

0,5 мгО/л и более

3–6 мг/л

240

2.5. Химическое по-

требление кислорода

(ХПК), бихроматная

окисляемость

Титриметриче-

ский (ускорен-

ный)

50–4000 мгО/л

15 мгО/л

(ХПН)

30 мгО/л

(КБН)

1 (5) мл

2.6. Перманганатная

окисляемость

Титриметриче-

ский по Кубелю

0,5–10 мгО/л

5,0 мгО/л

(питьевая во-

да)

2.7. Сухой остаток

Расчетный

–

1000 мг/л

–

2.8. Сумма тяжелых

металлов (



Me)

Экстракционно-

колориметриче-

ский

0,0001–0,0010

ммоль/л

0,0001

ммоль/л



Диапазон измеряемых концентраций приведен без учета возможного разбавления пробы.



Нормативы качества приведены по данным СанПиН 2.1.4.559-96, ГН 2.1.5.689-98 (для

питьевой воды и воды поверхностных источников хозяйственно-питьевого назначения).