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

Подождите немного. Документ загружается.

Отбор проб и подготовка к определению

Пробы следует отбирать в стеклянные бутылки, закрывать пробками

и проводить определение по возможности сразу же после отбора. Если же

хранение неизбежно, пробы следует хранить в прохладном темном по-

мещении, но не дольше 24 ч., препятствовать контакту пробы с воздухом

и избегать резкого изменения температуры. Если пробы хранятся при

охлаждении, их необходимо перед анализом выдержать при комнатной

температуре.

Выполнение определения

1. Трубку для определения прозрачности закрепите в

штативе. Пробу тщательно перемешайте и поместите в

трубку. Трубку защитите от бокового света экраном и

поместите на ламинированный образец шрифта или

юстировочную метку.

2. Прозрачность пробы наблюдайте сверху через откры-

тое отверстие трубки при достаточном освещении от ис-

точника, расположенного сверху.

3. Постепенно понижайте уровень пробы, отбирая пи-

петкой воду до тех пор, пока не станет видимым образец

шрифта или юстировочная метка.

4. Определите максимальную высоту жидкости h (мм),

при которой различима метка, по делениям на трубке.

5. Полученные данные об измерении высоты жидкости

приводите с точностью до 10 мм.

Образец шрифта

Экран

Трубка

6.1.5. Пенистость

Пенистостью считается способность воды сохранять искусственно

созданную пену. Данный показатель может быть использован для качест-

венной оценки присутствия таких веществ, как детергенты (поверхностно-

активные вещества) природного и искусственного происхождения и др.

Пенистость определяют, в основном, при анализе сточных и загряз-

ненных природных вод.

Методика анализа проста: колбу на 0,5 л заполняют на 1/3 водой,

взбалтывают около 30 сек. Проба считается положительной, если пена

сохраняется более 1 мин. Величина рН воды при этой процедуре должна

быть 6,5–8,5 (при необходимости воду нейтрализуют).

6.2. Общие и суммарные показатели

6.2.1. Температура

Температура является важной гидрологической характеристикой во-

доема, показателем возможного теплового загрязнения. Измерения тем-

пературы воды необходимы также при выполнении некоторых гидрохи-

мических анализов (растворенный кислород, БПК). Тепловое загрязнение

водоема происходит обычно в результате использования воды для отвода

избыточного тепла и сбрасывания воды с повышенной температурой в

водоем. При тепловом загрязнении происходит повышение температуры

воды в водоеме по сравнению с естественными значениями температур в

тех же точках в соответствующие периоды сезона.

Тепловое загрязнение опасно тем, что вызывает интенсификацию

процессов жизнедеятельности и ускорение естественных жизненных

циклов водных организмов, изменение скоростей химических и биохи-

мических реакций, протекающих в водоеме. В условиях теплового за-

грязнения значительно изменяются кислородный режим и интенсивность

процессов самоочищения водоема, изменяется интенсивность фотосинте-

за и др. В результате этого нарушается, часто необратимо, природный

баланс водоема, складываются особые экологические условия, негативно

сказывающиеся на животном и растительном сообществе.

Проводить измерение температуры следует в нескольких точках во-

доема, отстоящих друг от друга на несколько сот метров: в месте, где

ожидается тепловое загрязнение, и в контрольной точке (температурный

фон). Необходимо учитывать, что в выбранных точках должны быть

близкие физические и гидрологические условия: скорость течения, глу-

бина, продуваемость, освещенность солнцем и др. Если изучается про-

точный водоем, то точка контроля должна быть выше по течению.

Следует избегать измерения температуры в местах возможного есте-

ственного прогрева воды – на отмелях, в зарослях водных растений и т.п.,

так как в подобных местах температура обычно значительно превосходит

общий температурный фон.

Температура воды определяется непосредственно на водоеме калиб-

рованным термометром с ценой деления 0,1–0,5°С (в отдельных случаях

оправдано измерение с ценой деления 1°С). Термометр устанавливают в

пробоотборнике, который размещают на выбранной глубине, и выдержи-

вают на нужной глубине не менее 5–10 мин, после чего пробоотборник

поднимают и, не вынимая термометр, сразу же определяют температуру.

При глубоководных измерениях необходимо использовать пробоотборни-

ки опрокидывающегося типа, заполняемые водой на требуемой глубине.

Температуру поверхностных слоев определяют, опуская термометр

на глубину 15–20 см. Температура в поверхностных слоях воды может

значительно (на 3–5°С и более) отличаться от температуры на глубинах в

несколько метров. Предметом особого внимания должны быть впадаю-

щие в водоем реки, каналы и сточные канавы. При наличии впадающих в

водоем притоков (сточных канав, ручьев, рек) определите температуру

также в зонах смешения воды в местах их впадения в водоем. При нали-

чии разницы в измеренных температурах в несколько градусов



мож-

но говорить о тепловом загрязнении водоема.

Погрешность измерения температуры можно свести к минимуму,

выполняя следующие правила:

 для измерений используйте только калиброванный термометр



;

 измеряйте температуру в разных точках одним и тем же термомет-

ром;

 результатом измерения считайте среднее арифметическое несколь-

ких наблюдений.

Оборудование

Калиброванный термометр, пробоотборник (для глубоководных из-

мерений).



Специалисты считают, что разница в значении температуры 3°С или более свидетельст-

вуют о тепловом загрязнении водоема.



Откалибровать термометр или проверить его точность можно, опустив его в тающий лед

(0°С ) и в кипящую воду (100°С).

Выполнение измерений температуры

1. Прогрузите термометр в воду непосредственно на

водоеме не менее чем на одну треть шкалы и вы-

держите в погруженном состоянии на нужной глу-

бине не менее 5 мин. Не вынимая термометра из во-

ды, произведите отсчет показаний (с точностью до

половины цены деления).

2. При изучении теплового загрязнения определите

температуру воды (t,°С) в нескольких местах водо-

ема, отстоящих друг от друга не менее чем на не-

сколько сот метров. Рассчитайте разницу в значени-

ях температуры (t,°С).

6.2.2. Водородный показатель (рН)

Водородный показатель (рН) представляет собой отрицательный ло-

гарифм концентрации водородных ионов в растворе: рН = –lg[Н

Для всего живого в воде (за исключением некоторых кислотоустой-

чивых бактерий) минимально возможная величина рН = 5; дождь, имею-

щий рН<5,5, считается кислотным дождем.

В питьевой воде допускается рН 6,0–9,0; в воде водоемов хозяйст-

венно-питьевого и культурно-бытового водопользования – 6,5–8,5. Вели-

чина рН природной воды определяется, как правило, соотношением кон-

центраций гидрокарбонат-анионов и свободного СО

. Пониженное зна-

чение рН характерно для болотных вод за счет повышенного содержания

гуминовых и других природных кислот.

Измерение рН при контроле качества природной и питьевой воды

проводится практически повсеместно.

Для определения рН используют рН-метрию и визуальную колори-

метрию. рН-метрия предполагает измерение водородного показателя с

помощью стационарных (лабораторных) приборов – рН-метров, в то вре-

мя как визуально-колориметрическое определение проводят с использо-

ванием портативных тест-комплектов, основанных на реакции универ-

сального или комбинированного индикатора с водородными ионами, со-

провождающейся изменением окраски раствора. Точность измерения

водородного показателя с помощью рН-метра может быть высока (до 0,1

единиц рН и менее), с помощью визуально-колориметрических тест-

комплектов – около 0,5 единиц рН.

В некоторых случаях – для быстрого (сигнального) анализа неиз-

вестных 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.

Ниже мы приводим визуально-колориметрический метод определе-

ния рН как наиболее простой и доступный.

Оборудование и реактивы

Пипетка-капельница (0,50 мл); пробирки колориметрические с меткой

«5 мл».

Раствор универсального индикатора.

Контрольная шкала образцов окраски растворов для определения рН

(рН 4,5; 5,0; 5,5; 6,0; 6,5; 7,0; 7,5; 8,0; 8,5) из состава тест-комплекта или

приготовленная самостоятельно.

Приготовление растворов см. приложение 3.

Выполнение анализа

1. Колориметрическую пробирку сполосните не-

сколько раз анализируемой водой. В пробирку на-

лейте до метки анализируемую воду (5 мл).

2. Добавьте пипеткой-капельницей 3–4 капли (око-

ло 0,10 мл) раствора универсального индикатора и

встряхните пробирку.

3. Окраску раствора сразу же сравните с контроль-

ной шкалой, выбирая ближайший по характеру

окраски образец шкалы. Окраску наблюдайте сверху

через открытое отверстие пробирки на белом фоне

при достаточном освещении.

Контроль точности определения водородного

показателя

Контроль точности анализа может быть выполнен путем тестирова-

ния специально приготовленных контрольных буферных растворов,

имеющих значения рН, близкие приведенным образцам на контрольной

шкале. Для контроля значений рН буферных растворов рекомендуется

использовать рН-метр. Состав буферных смесей для приготовления кон-

трольных растворов приведен в приложении 1.

6.2.3. Щелочность и кислотность

Щелочность обусловлена присутствием в воде веществ, содержащих

гидроксо-анион, а также веществ, реагирующих с сильными кислотами

(соляной, серной). К таким соединениям относятся:

1) сильные щелочи (KOH, NaOH) и летучие основания (например,



O), а также анионы, обуславливающие высокую щелочность в

результате гидролиза в водном растворе при рН>8,4 (СО

2–

, S

–

, PO

3–

SiO

2–

и др.);

2) слабые основания и анионы летучих и нелетучих слабых кислот

(HCO

–

, H

–

, HPO

2–

, CH

COO

–

, HS

–

, анионы гуминовых кислот и др.).

Щелочность пробы воды измеряется в моль/л экв. или ммоль/л экв. и

определяется количеством сильной кислоты (обычно используют соля-

ную кислоту с концентрацией 0,05 или 0,1 ммоль/л экв.), израсходован-

ной на нейтрализацию раствора.

При нейтрализации до значений рН 8,0–8,2 в качестве индикатора

используют фенолфталеин. Определяемая таким образом величина назы-

вается свободной щелочностью. При нейтрализации до значений рН 4,2–

4,5 в качестве индикатора используют метиловый оранжевый



. Опреде-

ляемая таким образом величина называется общей щелочностью. При

рН = 4,5 проба воды имеет нулевую щелочность.

Соединения первой группы из приведенных выше определяются 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. Мы уделим

этим компонентам достаточно внимания, рассмотрев подробно в разделе

«Карбонаты и гидрокарбонаты». Соединения первой группы могут со-

держаться также в сточных и загрязненных поверхностных водах.



Титрование в присутствии метилового оранжевого обычно применяется в России. Нацио-

нальным бюро стандартизации США для тех же целей рекомендуется использовать смесь

индикаторов бромкрезолового зеленого и метилового красного.

Аналогично щелочности иногда, главным образом при анализе сточ-

ных и технологических вод, определяют кислотность воды.

Кислотность воды обусловлена содержанием в воде веществ, реа-

гирующих с гидроксо-анионами. К таким соединениям относятся:

1) сильные кислоты: соляная (HCl), азотная (HNO

), серная (H

);

2) слабые кислоты: уксусная (CH

COOH); сернистая (H

); уголь-

ная (H

); сероводородная (H

S) и т.п.;

3) катионы слабых оснований: аммоний (NH

); катионы органиче-

ских аммонийных соединений.

Кислотность пробы воды измеряется в моль/л экв. или ммоль/л экв. и

определяется количеством сильной щелочи (обычно используют раство-

ры КОН или NaOH с концентрацией 0,05 или 0,1 моль/л), израсходован-

ной 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 оттитро-

вываются HCl, HNO

, H

Общая кислотность определяется при титровании до значений рН

8,2–8,4 в присутствии фенолфталеина в качестве индикатора. В этом диа-

пазоне оттитровываются слабые кислоты – органические, угольная, серо-

водородная, катионы слабых оснований.

Естественная кислотность обусловлена содержанием слабых орга-

нических кислот природного происхождения (например, гуминовых ки-

слот). Загрязнения, придающие воде повышенную кислотность, возника-

ют при кислотных дождях, при попадании в водоемы не прошедших ней-

трализацию сточных вод промышленных предприятий и др.

6.2.4. Растворенный кислород

Кислород постоянно присутствует в растворенном виде в поверхно-

стных водах. Содержание растворенного кислорода (РК) в воде характе-

ризует 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 водо-

емов, т.к. участвует в процессах окисления органических и других при-

месей, разложения отмерших организмов. Снижение концентрации РК

свидетельствует об изменении биологических процессов в водоеме, о

загрязнении водоема биохимически интенсивно окисляющимися вещест-

вами (в первую очередь органическими). Потребление кислорода обу-

словлено 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 биохимиче-

ских процессов. Кислород также поступает в водные объекты с дожде-

выми и снеговыми водами. Поэтому существует много причин, вызы-

вающих повышение или снижение концентрации в воде растворенного

кислорода.

Растворенный в воде кислород находится в виде гидратированных

молекул О

. Содержание РК зависит от температуры, атмосферного дав-

ления, 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 рав-

новесной концентрации, принимается равной 100%. Растворимость ки-

слорода 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 су-

точным колебаниям. В эвтрофированных и сильно загрязненных органи-

ческими соединениями водных объектах может иметь место значитель-

ный дефицит кислорода. Уменьшение концентрации РК до 2 мг/л вызы-

вает 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 компонен-

том химического состава вод. При его определении особо тщательно сле-

дует проводить отбор проб: необходимо избегать контакта воды с возду-

хом до фиксации кислорода (связывания его в нерастворимое соедине-

ние).

Контроль содержания кислорода в воде – чрезвычайно важная про-

блема, в решении которой заинтересованы практически все отрасли на-

родного хозяйства, включая черную и цветную металлургию, химиче-

скую промышленность, сельское хозяйство, медицину, биологию, рыб-

ную 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 яв-

ляется частью анализа при определении другого важнейшего показателя

качества воды – биохимического потребления кислорода (БПК).

Определение концентрации РК в воде проводится методом йодомет-

рического титрования – методом Винклера, широко используемым и об-

щепринятым при санитарно-химическом и экологическом контроле



. Ме-

тод 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. Выделив-

шийся йод оттитровывают раствором тиосульфата натрия в присутствии

крахмала в качестве индикатора.

Определение РК проводится в несколько этапов. Сначала в анализи-

руемую воду добавляют соль Мn (II), который в щелочной среде реагиру-

ет с растворенным кислородом с образованием нерастворимого дегидра-

тированного гидроксида Мn (IV) по уравнению:

2Mn

+4OH

–

=2MnO(OH)



Таким образом производится фиксация, т.е. количественное связы-

вание, кислорода в пробе. Фиксация РК, являющегося неустойчивым

компонентом в составе воды, должна быть проведена сразу после отбо-

ра пробы.

Далее к пробе добавляют раствор сильной кислоты (как правило, со-

ляной или серной) для растворения осадка и раствор йодида калия, в ре-

зультате чего протекает химическая реакция с образованием свободного

йода по уравнению:

MnO(OH)

+2J

–

+4H

=Mn

+3H

O .

Затем свободный йод титруют раствором тиосульфата натрия в при-

сутствии крахмала, который добавляют для лучшего определения момен-

та окончания титрования. Реакции описываются уравнениями:

+2S

2 –

=2J

–

2–

+крахмалсинее окрашивание

О завершении титрования судят по исчезновению синей окраски

(обесцвечиванию) раствора в точке эквивалентности. Количество раство-

ра тиосульфата натрия, израсходованное на титрование, пропорциональ-

но концентрации растворенного кислорода.

В ходе анализа воды определяют концентрацию РК (в мг/л) и сте-

пень насыщения им воды (в %) по отношению к равновесному содержа-

нию при данных температуре и атмосферном давлении.



Например, РД 52.24.419, ИСО 5813 и др.

В сточных и загрязненных поверхностных водах могут присутство-

вать компоненты, оказывающие мешающее влияние и искажающие ре-

зультаты определения РК методом Винклера. К таким компонентам от-

носятся следующие загрязняющие вещества.

1. Взвешенные и окрашенные вещества. Они могут помешать

определению, адсорбируя йод на своей поверхности или химически

взаимодействуя с ним. При наличии в анализируемой воде взвешенных

веществ их отделяют отстаиванием (не фильтрованием!) либо осветлени-

ем при добавлении раствора алюмокалиевых квасцов и аммиака.

2. Биологически активные взвешенные вещества (например, ак-

тивный ил биохимических очистных сооружений). Пробы сточных вод,

содержащие плохо оседающие взвешенные вещества, которые могут

вызвать снижение концентрации кислорода вследствие продолжающей-

ся жизнедеятельности микроорганизмов, необходимо осветлять также

прибавлением раствора алюмокалиевых квасцов при одновременном

добавлении токсичного для микроорганизмов вещества (растворов

сульфаминовой кислоты, хлорида ртути или сульфата меди) сразу по-

сле отбора пробы.

3. Восстановители, реагирующие с выделенным йодом в кислой

среде (сульфиты, тиосульфаты, сульфиды). Для устранения влияния вос-

становителей используют метод Росса, основанный на добавках к пробам

растворов гипохлорита натрия NaOCl, хлорной извести CaOCl

и родани-

да калия KNCS.

4. Окислители, выделяющие йод из йодида калия (активный хлор,

нитриты, катионы железа (III) и др.). Влияние железа (III) устраняется

добавлением раствора фторида калия.

Влияние нитритов, которые часто встречаются в природных и сточ-

ных водах, устраняют добавлением раствора сульфаниловой кислоты,

обычно предусмотренного в измерительных комплектах производства

ЗАО «Крисмас+».

Процесс определения РК проводится в кислородных калиброванных

склянках из комплекта и включает:

– специальную обработку пробы для устранения мешающего влия-

ния примесей (выполняется при необходимости, преимущественно при

анализе сточных вод);

– фиксацию кислорода, проводимую немедленно после заполнения

кислородной склянки;

– титрование, которое может быть проведено через некоторое время

(но не более суток).

При выполнении анализа несколько раз повторяются следующие

операции.