Показатели качества воды и их определение

Если найденное суммарное  содержание тяжелых металлов превосходит первое из этих значений (1,8·10^-4), приступают к определению содержания отдельных металлов, начиная с кадмия.

 

Органический  углерод.

Определение органического  углерода – одно из основных определений при выполнении органического элементного анализа. Органическое вещество сжигают

• «сухим способом» в токе кислорода (после выпаривания пробы) или
• «мокрым» способом – обработкой пробы окислителем (K₂Cr₂O₇; CrO₃ или K₂S₂O₈) в растворе H₂SO₄  в присутствии катализатора Ag₂SO₄.

Образующийся в обоих  случаях диоксид углерода поглощают  КОН или Ва(ОН)₂ и заканчивают определение гравиметрическим или титриметрическим методом.

В последнее время конечное определение диоксида углерода стали проводить ИК-спектрометрическим методом, более простым в выполнении и легко автоматизируемым. Имеются приборы, в которых анализируют очень малые порции вод (всего лишь 20-40 мкл), и всё определение занимает 3-5 мин. Содержание СО₂ определяют в ИК-анализаторе по длине (высоте) получаемого очень узкого пика.

 

Общий азот.

Общее содержание азота («общий азот») и азот органических веществ («органический азот»)определяют по методу Кьельдаля.

 При нагревании органических веществ со смесью H₂SO_4 конц. и К₂SO₄ (т. кип. 315-370⁰С) в присутствии катализатора – соли Сu или Hg происходит разложение этих веществ с образованием сульфата аммония.

Раствор подщелачивают, отгоняют аммиак и определяют его в отгоне. Вычитая из полученного результата отдельно найденное содержание азота аммонийного, получают «органический азот».

Предварительно в пробе  определяют аммонийные ионы и аммиак путём отгонки аммиака при рН=9,5, поглощением отогнанного аммиака раствором борной кислоты и определением продукта титрованием серной кислотой или фотометрическим методом с реактивом Неслера.

 

 

Общая сера.

Для определения общего содержания серы окисляют все серосодержащие вещества; сера при этом превращается в сульфат ионы, затем определяют содержание последних.

  Если содержание органических веществ в пробе невелико, то достаточно кипячения пробы после добавления к ней бромной воды.

  При высоком содержании органических веществ и в присутствии свободной серы и трудноокисляемых веществ обработку надо проводить бромом в присутствии хлороформа или тетрахлорида углерода (в которых растворяются как бром, так и большое количество органических веществ и сера. Завершить окисление спеканием со смесью MgO + Na₂CO₃ сухого остатка после выпаривания.

Сульфат-ион определяют комплексометрическим, гравиметрическим или титриметрическим методами.

 

Определение химического потребления кислорода (ХПК).

 ХПК – количество  кислорода (или окислителя в  расчете на кислород) в мг/л,  необходимое для полного окисления содержащихся в пробе органических веществ, при котором углерод, водород, сера, фосфор и другие элементы (кроме азота), если они присутствуют в органическом веществе, окисляются до СО₂, Н₂О, Р₂О₅, SO₃, а азот превращается в аммонийную соль. При этом кислород, входивший в состав окисляемых органических веществ, участвуют в процессе окисления, а водород этих соединений отдаёт по три атома на каждый атом азота при образовании аммонийной соли.

При определении ХПК  вместе с органическими веществами окисляются и неорганические восстановители, если они были в пробе. Содержание их в пробе определяют отдельно специальными методами, и результаты этих определений вычисляют из найденного значения ХПК. ХПК_теор в мг на 1 мл вещества составляет: этанола – 2,09; уксусной кислоты – 0,18; фенола – 2,38; синильной кислоты (HCN + H₂O + O = NH₃ +CO₂) – 0,59; гликоли (H₂NCH₃COOH +3O = NH₃ + 2CO₂ + H₂O) – 0,64

Применявшийся раньше метод  перманганатного окисления не пригоден для анализа сточных вод, так как многие соединения при этом не окисляются. Лучшим окислителем является бихромат калия. Органические вещества окисляются бихроматом калия в 18Н (разбавление 1:1) серной кислоте. Бихромат при этом восстанавливается согласно уравнению:

Cr₂O₇^2- + 14H⁺ + 6å^- = 2Cr³⁺ + 7H₂O

Окисление ускоряется в  присутствии катализатора сульфата серебра. Мешающее влияние хлоридов (окисляющихся в процессе определения до элементарного хлора) устраняют маскированием их сульфатом ртути(II) в количестве 22,2 мг HgSO₄ на 1 мг Cl^-.  HgCl₂ устойчив в данной среде.

Как известно, определение  ХПК осуществляют путём кипячения  раствора в присутствии бихромата калия, серной кислоты, Ag₂SO₄, HgSO₄ в течение 2 часов и титрованием избытка бихромата калия раствором соли Мора. Существует фотометрический метод определения ХПК при малых концентрациях органических веществ.

 

В водоемах и водотоках, подверженных сильному воздействию хозяйственной деятельности человека, изменение окисляемости выступает как характеристика, отражающая режим поступления сточных вод. Для природных малозагрязненных вод рекомендовано определять перманганатную окисляемость; в более загрязненных водах определяют, как правило, бихроматную окисляемость (ХПК).

В соответствии с требованиями к составу и свойствам воды водоемов

• у пунктов питьевого водопользования величина ХПК не должна превышать 15 мг О/л;
• в зонах рекреации в водных объектах допускается величина ХПК до 30 мг О/л.

В программах мониторинга  ХПК используется в качестве меры содержания органического вещества в пробе, которое подвержено окислению сильным химическим окислителем. ХПК применяют для характеристики состояния водотоков и водоемов, поступления бытовых и промышленных сточных вод (в том числе, и степени их очистки), а также поверхностного стока.

Таблица № 9. Величины ХПК в водоемах с  различной степенью загрязненности
Степень загрязнения (классы водоемов)	ХПК, мг О/л
Очень чистые	1
Чистые	2
Умеренно загрязненные	3
Загрязненные	4
Грязные	5–15
Очень грязные	>15

 

Для вычисления концентрации углерода, содержащегося в органических веществах, значение ХПК (мг О/л) умножается на 0,375 (коэффициент, равный отношению количества вещества эквивалента углерода к количеству вещества эквивалента кислорода).

Бихроматная окисляемость позволяет  получить значение ХПК, наиболее приближенную к ХПК_теор., т. е. наиболее полное окисление достигается бихроматом калия (основной метод). В условиях этого метода большинство органических соединений окисляется на 95 % и более, однако окисляются не все соединения (толуол, бензол, пиридин, парафин практически не окисляются).

Катализатор – сульфат  серебра. Избыток бихромата оттитровывается раствором соли Мора. Реакцию проводят в жестких условиях – в 50 % - ной (18 н) H₂SO₄ при кипячении.

Cr₂O₇^2- + 14H⁺ + 6e^- = 2Cr³⁺ + 7H₂O

 

ПДК = 95 – 98 % от ХПК _теор.

В качестве индикатора используют ферроин – комплекс 1,10 – фенантролина с сульфатом железа(II). При этом катион Fe²⁺ реагирует с катионом хрома:

3Fe²⁺ + Cr⁶⁺ = 3Fe³⁺ + Cr³⁺.

Индикатор образует интенсивно окрашенное соединение с Fe²⁺ бесцветное – с Fe³⁺. В точке эквивалентности окраска раствора меняется с синевато – зеленой до красно – коричневой.

 

ХПК в Международной терминологии называется COD «Chemical oxygen demand». При этом имеется в виду исключительно  бихроматная окисляемость.

Перманганатная окисляемость (за рубежом – «перманганатный индекс»).

 

MnO₄^- + 8H⁺ + 3e^- = Mn⁴⁺ + 4H₂O

Определение перманганатной окисляемости может быть рекомендовано лишь при анализе природных вод для контроля за динамикой содержания легкоокисляющихся веществ природного происхождения.

Согласно СанПиН 2.1.559 – 96 регламентируется ХПК именно по перманганатной окисляемости. Для питьевой воды норматив составляет 5,0 мг О/л.

 

 

Определение биохимического потребления кислорода (БПК).

 Биохимическим потреблением  кислорода называют количество  кислорода в миллиграммах, требуемое для окисления находящихся в 1 л сточной воды органических веществ в аэробных условиях в результате происходящих в воде биологических процессов. БПК не включает расхода кислорода на нитрификацию.

Биохимическое окисление  различных органических веществ  происходит с различной скоростью. Легко окисляемые вещества: формальдегид, глюкоза, низшие алифатические спирты, фенол и другие трудноокисляемые вещества: гидрохинон, сульфанол НП-1, неионогенные ПАВ и другие. Процесс биохимического окисления может затянуться на 10-15 суток. Поэтому определение БПК сточных вод надо проводить до конца. Для подавления жизнедеятельности нитрифицирующих микроорганизмов в раствор добавляют этилентиокарбамид.

Следить за ходом процесса можно  двумя способами: по тому как сокращается  количество кислорода, введённого в склянку с пробой, и по тому как уменьшается количество органических веществ. Соответственно этому существуют два метода определения БМК: «Метод разбавления» и «Метод определения по разности между результатами определения ХПК».

По методу разбавления сточную  воду после двухчасового отстаивания разбавляют водой, содержащей культуру микроорганизмов, взятой в таком количестве, чтобы содержащегося в ней кислорода с избытком хватило для полного окисления всех органических веществ в сточной воде. Определив содержание растворенного кислорода в полученной смеси, её оставляют в закрытой склянке на 2; 3; 5; 10… суток, определяя содержание кислорода по истечении каждого периода времени. Уменьшение количества кислорода в воде показывает, сколько его за это время израсходовано на окисление органических веществ, находящихся в сточной воде. Это количество, отнесенное к 1 л сточной воды, и является биохимическим потреблением кислорода за данный промежуток времени (БПК₂, БПК₃, БПК₅, БРК₁₀ и т. д. до БПК_полн), когда поглощение кислорода прекратится.

Метод определения БМК по разности ХПК. Если количество органических веществ в начале биохимического окисления выразить тем количеством кислорода, которое требуется для полного окисления, то есть значением ХПК жидкой и твердой фаз инкубации (ХПК_н.ж.+ХПК_н.т.), а содержание органических веществ в конце процесса (не окислившиеся вещества и превратившиеся в биомассу) также представить в виде необходимого на их окисление кислорода (ХПК_к.ж.+ ХПК_к.т. ), то разность между этими величинами покажет значение БПК за время проведения процесса:

БПК = (ХПК_н.ж.+ХПК_н.т ) - (ХПК_к.ж.+ ХПК_к.т )

Эту разность умножают на 1,12 ( коэффициент, отражающий разбавление пробы, сделанное  при добавлении реактивов).