Часто используемые показатели при анализе качества воды

Thread Content

1. Показатели органической химии. Растворенный кислород (сокращенно DO) – это кислород в молекулярной форме, растворенный в воде (сокращенно O2). Уровень растворенного кислорода в воде зависит от таких факторов, как атмосферное давление, температура воды и содержание солей. Снижение атмосферного давления, повышение температуры воды и увеличение содержания соли приводят к снижению содержания растворенного кислорода. В обычно чистых реках содержание растворенного кислорода может приближаться к его насыщенному значению, зависящему от температуры воды. Когда происходит массовое размножение водорослей, содержание растворенного кислорода может стать чрезмерным. Если вода загрязняется органическими и неорганическими веществами, это приводит к снижению уровня растворенного кислорода, который может даже снизиться до нуля. В таких условиях активно размножаются анаэробные бактерии, что способствует ухудшению качества воды. Когда содержание растворенного кислорода в воде составляет менее 3–4 мг/л, у многих рыб возникают трудности с дыханием, и они умирают от удушья. Растворенный кислород — один из важных показателей состояния загрязнения воды. Химическая потребность в кислороде (Chemical oxygen demand, сокращенно COD) – это количество окислителя, необходимое для окисления восстановительных веществ в воде с использованием калийнокроматата (K2Cr2O7) или калиймарганцатата (KMnO4). Результат выражается в количестве кислорода (в мг/л). Водорастворимые восстановительные вещества включают органические вещества и неорганические вещества, такие как нитриты, сульфиды, соли двухвалентного железа и т. д. Химический потребление кислорода отражает степень загрязнения воды восстановительными веществами. Поскольку загрязнение водоемов органическими веществами является довольно распространенным явлением, этот показатель также используется в качестве одного из комплексных индикаторов относительного содержания органических веществ. Он применяется в различных нормативных актах, касающихся качества воды, в качестве показателя для контроля. Примечание: В стандартах качества поверхностных вод, принятых в нашей стране в 1988 году, указано, что значение COD, полученное с использованием метода кислого перхлората калия, называется химическим содержанием кислорода (сокращенно CODCr). А значение COD, полученное с использованием метода перманганата калия, называется индексом перманганатов (сокращенно CODMn). Индекс перманганатов, потребление кислорода (CODMn). Индекс перманганатов, также называемый показателем потребления кислорода, является распространенным показателем, отражающим степень загрязнения водоемов органическими и неорганическими окисляемыми веществами. Определяется как: при определенных условиях окисление некоторых органических веществ и неорганических восстановителей в образце воды с помощью перманганата калия; количество оксигена, эквивалентное потребленному количеству перманганата калия, рассчитывается на основе этого значения. Он отражает количество неорганических и органических веществ, находящихся в растворе или в виде осадка в воде, которые могут быть окислены перманганатом калия. Индекс перманганатов в процессе прежних исследований качества воды также назывался методом калия перманганата, который соответствует показателю химического потребления кислорода. Однако, поскольку при использовании этого метода в установленных условиях органические вещества в воде окисляются лишь частично, этот показатель не соответствует теоретическому объему кислорода, необходимого для их окисления, а также не является мерой общего содержания органических веществ в воде. Поэтому использование термина «индекс перманганатной окисляемости» в качестве показателя качества воды, чтобы отличать его от химического потребления кислорода, определяемого по методу дихромата калия, более соответствует объективной реальности. Значение CODcr обычно в 2–5 раз превышает значение CODMn. Данные, полученные нами в практической работе, в основном находятся в этом диапазоне. Биохимическая потребность в кислороде (Biochemical Oxygen Demand, сокращенно BOD) – это количество растворенного кислорода, которое потребляют аэробные микроорганизмы в процессе биохимического окисления органических веществ в воде при наличии растворенного кислорода. Кроме того, сюда входит и количество кислорода, потребляемое при окислении восстановительных неорганических веществ, таких как сульфиды и ферриты, однако доля этой части обычно очень мала. Аэробный разложение органических веществ под действием микроорганизмов в целом делится на два этапа. 1) Этап окисления углеродсодержащих веществ: в основном углеродсодержащие органические вещества окисляются до углекислого газа и воды; 2) Этап нитрификации: в основном азотсодержащие органические соединения под действием нитрифицирующих бактерий распадаются на нитриты и нитраты. Значительные изменения происходят примерно через 5–7 дней. Поэтому в настоящее время распространенный метод оценки значения BOD при температуре 20°C с использованием пятидневного периода инкубации (метод BOD5) обычно не включает этап нитрификации. BOD — это комплексный показатель, отражающий степень загрязнения водоемов органическими веществами. Он также является важным параметром при изучении биологической разлагаемости сточных вод, эффективности их биологической обработки, а также при проектировании технологий биологической обработки сточных вод и изучении процессов, происходящих в ходе этой обработки. Общий фосфор (сокращенно TP) является основным показателем для контроля эвтрофикации водоемов. Рассчитывается как сумма всех форм фосфора, которые в воде могут быть окислены сильными окислителями до фосфатов. Фосфор является питательным элементом для роста растений, а также необходим для жизни. Если концентрация фосфора в воде превышает критическое значение, это стимулирует рост водных растений, что приводит к появлению «цветения водорослями» и гиперэвтрофикации водоемов. Фосфор попадает в водоемы различными способами: через сточные воды, содержащие фосфорсодержащие соединения, через поверхностный сток с сельскохозяйственных угодий, а также с ферм и других предприятий животноводства. В последние годы из-за использования фосфорсодержащих моющих средств и других бытовых продуктов, содержащих фосфор, также увеличилось количество выбросов фосфора. Азот аммиаковый (аммиачный азот, сокращенно NH3-N) — это азот в воде, находящийся в виде свободного аммиака NH3 (также называемого неионным аммиаком) и ионизированного аммиака NH4+. Для поверхностных вод часто требуется определять неионный аммиак. Соотношение этих двух компонентов зависит от pH и температуры воды: при высоком значении pH доля свободного аммиака выше, в противном случае — доля аммонийных солей выше. Основными источниками аммиака в воде являются продукты разложения азотсодержащих органических веществ, содержащихся в бытовых стоках, под действием микроорганизмов, промышленные стоки от производства кокса и синтеза аммиака, а также стоки с сельскохозяйственных угодий. При высоком содержании аммиака и азота он оказывает токсическое воздействие на рыб, а также наносит вред человеку в разной степени. Общее содержание азота (сокращенно TN) — это суммарное количество неорганического и органического азота в воде во всех его формах. Включает неорганический азот, такой как NO3-, NO2- и NH4+, а также органический азот — белки, аминокислоты и органические амины; выражается в миллиграммах азота на литр воды. Часто используется для обозначения степени загрязнения водоемов питательными веществами. Общее содержание азота в воде является одним из важных показателей качества воды. Его измерение способствует оценке степени загрязнения водоемов и их способности к самоочищению. Когда содержание азота и фосфора в поверхностных водах превышает допустимые значения, микроорганизмы активно размножаются, планктон быстро растет, что приводит к явлению эвтрофикации. Общий органический углерод (Total Organic Carbon, сокращенно TOC) — это комплексный показатель, отражающий общее количество органических веществ в воде по содержанию углерода. Поскольку для определения TOC используется метод сгорания, все органические вещества могут быть полностью окислены. Поэтому этот показатель лучше отражает общее количество органических веществ, чем BOD5 или COD. Общая потребность в кислороде (Total Oxygen Demand, сокращенно TOD) — это количество кислорода, необходимое для окисления органических веществ в воде при сгорании; результат измеряется в мг O2 на литр. TOD может отражать лишь количество кислорода, необходимое для превращения практически всей органической материи в процессе сгорания в CO2, H2O, NO, SO2 и т. д. Оно ближе к теоретическому значению потребности в кислороде, чем BOD и COD. 2. Показатели неорганической химии: твердость. Изначально твердость означала степень образования пузырьков мыла в воде. В настоящее время в химии содержание ионов Ca и Mg в воде переводится в эквивалентное им количество CaCO3 для расчета значения твердости; это значение выражается в мг/л. Твердость может измеряться по таким показателям, как общая твердость, твердость, обусловленная кальцием, твердость, обусловленная магнием, твердость карбонатов (временная твердость) и твердость, не связанная с карбонатами (постоянная твердость). Значение pH показывает степень кислотности или щелочности воды. Оно вычисляется как отрицательный логарифм активности ионов водорода в растворе: pH = -lgαH+. Значение pH является одной из основных характеристик воды; оно определяет степень диссоциации слабых кислот и слабых оснований в воде, снижает токсичность хлоридов, аммиака, сероводорода и т. д., а также предотвращает высвобождение тяжелых металлов из ила. Он влияет на изменения качества воды, на численность биологических организмов, на степень коррозии, а также на эффективность очистки воды; является важным показателем для оценки качества воды. Показатель pH природной воды обычно находится в диапазоне от 6 до 9; у питьевой воды он составляет от 6,5 до 8,5. У некоторых видов промышленной воды показатель pH должен поддерживаться в диапазоне от 7,0 до 8,5, чтобы предотвратить коррозию металлического оборудования и трубопроводов. Проводимость (conductivity): проводимость воды связана с количеством содержащихся в ней неорганических кислот, щелочей и солей. Этот показатель часто используется для оценки общей концентрации ионов или солесодержания в воде. У воды разных типов разная электропроводность. Потенциал окислительно-восстановительной реакции (Oxidation reduction potential) – это суммарный результат окислительно-восстановительных реакций между различными окислителями и восстановителями в воде. Хотя этот показатель и не может служить мерой концентрации окислителей и восстановителей, он помогает нам понять электрохимические характеристики водной среды и анализировать её свойства; это комплексный показатель. Потенциал окислительно-восстановительного состояния водоема должен определяться непосредственно на месте. 3. Показатели физических свойств: мутность (Turbidity). Мутность – это степень препятствования прохождению света из-за взвешенных частиц в воде. Когда в воде присутствуют взвешенные вещества, такие как ил, глина, органические и неорганические вещества, планктон и микроорганизмы, это может привести к рассеянию или поглощению света, что увеличивает мутность воды. Степень мутности воды зависит не только от количества частиц в ней, но и от их размера, формы, а также от свойств поверхности частиц, определяющих их способность к рассеянию света. Уровень мутности обычно не может напрямую указывать на степень загрязнения воды, однако повышение мутности свидетельствует о ухудшении качества воды. Прозрачность — это степень чистоты воды; чистая вода является прозрачной. Прозрачность противоположна мутности: чем больше в воде взвешенных веществ и коллоидных частиц, тем ниже её прозрачность. Способами определения прозрачности являются метод с использованием шрифтовых элементов, метод с использованием Седжвика и крестообразный метод. Твердые взвеси (сокращенно SS) — это твердые загрязнители в воде, которые существуют в водной среде в виде взвешенных частиц, коллоидов и растворенных веществ. Твердые загрязнители, находящиеся в суспензии, обычно называются твердыми частицами. К ним относятся примеси, неорганические вещества в виде ила, органические вещества, образующиеся в результате деятельности животных и растений, а также планктон. Твердые взвеси ухудшают внешний вид воды, повышают ее мутность и меняют цвет. Твердые частицы оседают на дне реки, образуя отложения, что мешает размножению водных организмов и негативно сказывается на рыболовстве. Если эти отложения попадают на земли, используемые для орошения, они блокируют капилляры почвы, нарушая ее проницаемость и способствуя ее уплотнению, что не способствует росту сельскохозяйственных культур. 4. Основные показатели металлов: кадмий (Cadmium) (Cd). Температура плавления кадмия составляет 320,9°C, а температура кипения — 765°C. Это металл с высокой пластичностью и мягкостью; он растворяется в разбавленных кислотах. Кадмий обладает высокой токсичностью; он может накапливаться в таких тканях человеческого организма, как печень и почки, что приводит к повреждению этих органов. Особенно сильно страдают почки. Кроме того, кадмий может вызывать остеопороз и ослабление костей, что способствует возникновению болезней. У подавляющего большинства пресных вод содержание кадмия составляет менее 1 мкг/л. В природе кадмий в основном встречается в виде минерала сульфид кадмия; он часто сосуществует с такими минералами, как цинк, свинец, медь, марганец и др. Поэтому в процессах переработки этих металлов может выделяться большое количество кадмия. Кроме того, сточные воды от покрытия металлами электролитическим способом, производства красителей, батарей и химической промышленности также являются основными источниками загрязнения кадмием. Хром (шестивалентный) (Chromium) (Cr6+) представляет собой блестящий серебристо-белый твердый металл, стойкий к коррозии и жаре. Это один из необходимых микроэлементов для организма человека. Среди хромовых соединений наиболее распространенными являются трехвалентные и шестивалентные формы. Токсичность хрома зависит от его степени окисления: металлический хром безвреден, а шестивалентный хром обладает высокой токсичностью, является канцерогеном и легко усваивается организмом, накапливаясь в нем. Считается, что токсичность шестивалентного хрома в 100 раз выше, чем у трехвалентного. Соединения трехвалентного и шестивалентного хрома могут преобразовываться друг в друга. Промышленными источниками загрязнения хромом в основном являются сточные воды из таких отраслей, как переработка хромовой руды, обработка металлических поверхностей, дубление кожи, крашение тканей, производство фотоматериалов и т. д. Хром является важным показателем для контроля загрязнения воды. Медь (Copper) (химический символ: Cu). Медь обладает пластичностью, ее легко обрабатывать. Это хороший проводник тепла и электричества. Медь является необходимым микроэлементом для организма человека. При его недостатке у человека могут возникать анемия, диарея и другие заболевания. Однако чрезмерное потребление меди также может быть вредным. Медь представляет серьезную опасность для водных организмов: у устриц в воде, загрязненной ионами меди, может накапливаться большое количество этого металла. Примеры таких проблем были зафиксированы в заливе Энго в Японии и реке Эрэньци на Тайване. Токсичность меди для водных организмов связана с её формой: токсичность свободных ионов меди значительно выше, чем у комплексированной меди. Основными источниками загрязнения меди являются сточные воды, выделяемые такими отраслями, как покрытие металлов электролитическим способом, производство металлов, обработка металлических изделий, добыча полезных ископаемых, нефтехимическая и химическая промышленность. Железо (химический символ: Fe) — один из микроэлементов, присутствующих в природных водах. Его содержание в воде зависит от геологических условий данного региона, а также от других химических компонентов, имеющихся в воде. Двухвалентные и трехвалентные ионы железа являются основными формами железа в водной среде. Двухвалентный железо встречается в водах, в которых отсутствует растворенный кислород, или на больших глубинах слоистых озер с анаэробным дном. Когда уровень растворенного кислорода в воде повышается или появляются окислители, двухвалентное железо быстро окисляется до трехвалентных ионов железа. Эти ионы могут выпадать в осадок в виде гидроксида железа или вместе с другими анионами. Оксиды трехвалентного железа на самом деле являются нерастворимыми. Если в иле присутствует сульфид водорода, образуется сульфид железа(II), в результате чего возникает черный неорганический вещество. Железо является незаменимым микроэлементом для растений и животных. В некоторых водах железо может становиться фактором, ограничивающим рост водорослей и других растений. В крови позвоночных и некоторых беспозвоночных железо играет ключевую роль в транспортировке кислорода. Железо не оказывает токсического воздействия на здоровье человека, оно влияет лишь на использование воды. Железо заметно влияет на вкус питьевой воды, а также может загрязнять белье при стирке. Цинк (Zinc) (Zn) — металл, широко используемый в повседневной жизни. Температура плавления составляет 419,5°C; он растворяется в кислотах и концентрированных щелочах. Он часто образует комплексы с сульфидами других металлов, в особенности с сульфидами свинца, меди, кадмия и железа. Цинк — неотъемлемый элемент для человеческого организма, но он оказывает сильное воздействие на рыб и других водных организмов. Безопасная концентрация цинка для рыб составляет примерно 0,1 мг/л. Кроме того, цинк оказывает определенное подавляющее воздействие на процесс самоочищения водоемов. Основными источниками загрязнения являются стоки от предприятий по покрытию поверхностей электролитическим способом, металлургических заводов, производителей красителей и химической промышленности. Селен (Selenium) (Se) в водоемах присутствует в виде селитрата или селезиевой кислоты; естественная концентрация селена в воде пропорциональна содержанию селена в почве. Селен — это элемент, необходимый для организма человека, но чрезмерное его потребление также может привести к отравлению. Токсичность металлического селена низкая, тогда как токсичность селена в двухвалентном состоянии очень высока. Он обычно усваивается через кишечник и накапливается в печени и почках. Основными источниками загрязнения являются сточные воды, сбрасываемые при добыче полезных ископаемых, производстве металлов и на заводах по производству продуктов на основе селена. Тяжелые металлы (Heavy metals) — с химической точки зрения металлы делятся на тяжелые и легкие в зависимости от их плотности; металлы с плотностью более 4,5 г/см³ обычно называют тяжелыми металлами. Например: золото, серебро, медь, свинец, цинк, никель, кобальт, хром, ртуть, кадмий и прочие — около 45 видов. Некоторые тяжелые металлы, присутствующие в воде, являются необходимыми для здоровья человека стабильными и микроэлементами, тогда как другие вредны для здоровья, такие как ртуть, кадмий, хром, свинец, медь, цинк, никель, барий, ванадий, арсен и др. В загрязненных поверхностных водах и промышленных сточных водах содержание соединений вредных металлов часто значительно увеличивается. При попадании в организм вредных металлов некоторые ферменты теряют свою активность, что приводит к проявлению симптомов отравления различной степени тяжести. Степень токсичности зависит от вида металла, его физико-химических свойств, концентрации, а также от степени окисления и формы, в которой он существует. Например, ртуть, кадмий, хром в шестивалентной форме, свинец и их соединения являются вредными металлами, оказывающими долгосрочное воздействие на здоровье человека. Органические соединения таких металлов, как ртуть, свинец и арсен, обладают гораздо более высокой токсичностью, чем их неорганические аналоги. Растворимые металлы также более токсичны, чем металлы в твердом состоянии. Шестивалентный хром также более токсичен, чем трехвалентный хром.