книги / Химия водных растворов, природных и сточных вод

Величину ХПК сточной воды определяют бихроматным ме-

тодом.

Принцип метода – окисление пробы воды К2Сr2O7 в 50 % растворе H2SO4 в присутствии катализатора – оксида ртути – при кипячении. Для устранения влияния хлорид-иона на окисление добавляют сульфат серебра Ag2SO4. В этих условиях окисляются практически все органические соединения на 95–98 %. Для большинства органических веществ рассчитаны теоретические значения ХПК.

Стандартный (арбитражный) метод определения: к раз-

бавленной или неразбавленной пробе сточной воды объемом 20 мл добавляют 10 мл 0,025н р-ра К2Сr2O7, 30 мл H2SO4 (конц.), 0,15 г Ag2SO4, 1г HgO, кипятят в течение двух часов в колбе, соединенной с обратным холодильником. По истечении времени в пробу через холодильник добавляют 80 мл дист. воды, охлаждают и титруют 0,1н раствором соли Мора (FeSO4·(NH4)2SO4) в присутствии индикатора (ферроин). Подобным образом обрабатывается холостая проба (дист. вода).

ХПК определяют по формуле

ХПК (V0 V )CМ ЭО 1000,

Vпр

где V0, V – объем соли Мора, пошедший на титрование холостой пробы и пробы сточной воды соответственно, мл; СМ – молярная концентрация эквивалента соли Мора, моль(экв)/л; Vпр – объем пробы сточной воды, мл; ЭО – эквивалентная масса кислорода, 8 г/моль(экв); 1000 – пересчет концентрации в мгО/л.

5. БПК – биохимическое потребление кислорода (мгО2/л), которое определяется количеством кислорода, потребляемым для дыхательной деятельности микроорганизмов.

Метод анализа основан на имитации процессов самоочищения в водоеме. Пробы анализируемой воды насыщают кислородом и ежедневно определяют его содержание. Разность концентраций кислорода в анализируемых пробах по сравнению с контрольной характеризует количество кислорода, потребляемое на жизнедея-

101

тельность микроорганизмов и биохимическое окисление органических веществ.

БПК характеризует содержание в сточной воде биоразлагаемых органических веществ.

БПКполн характеризует биохимическую потребность в кислороде при проведении биохимического окисления пробы воды до начала нитрификации, т.е. до полного окисления органических веществ.

На практике используют показатель БПК5 – биохимическое потребление кислорода за 5 суток инкубации пробы.

В хозяйственно-бытовой воде БПК5 составляет 60–70 % от

БПКполн.

Разность между ХПК и БПКполн характеризует содержание биорезистентных примесей в сточных водах. Для городских СВ – содержание ингредиентов промышленных СВ.

Отношение БПК5/ХПК характеризует долю биорезистентных примесей в сточной воде. При отношении БПК/ХПК более 0,5–0,7 целесообразно применение биохимических методов очистки СВ. При отношении БПК/ХПК менее 0,4 необходима предварительная очистка СВ физико-химическими методами.

Содержание биорезистентных примесей оценивается экспериментально в лабораторных условиях при аэрировании сточных вод с активным илом в течение 28 суток и контролем величины ХПК. Остаточное значение ХПК характеризует содержание биорезистентных примесей в пробе.

6. Кислотность воды характеризует содержание в воде веществ, вступающих в реакцию с сильными щелочами (гидроксидами натрия или калия, гидроксидом кальция и т.п.).

В природных водах кислотность в большинстве случаев зависит только от содержания свободной растворенной угольной кислоты.

СО 2 +Н2О Н2СО3 Н ++НСО3+

Часть кислотности, обусловленная присутствием гуминовых и других слабых органических кислот, растворенных в воде, называ-

102

ется естественной кислотностью, величина рН такой воды обычно составляет 4,5.

Промышленные сточные воды часто содержат:

1.сильные кислоты (серную, соляную, азотную и др.);

2.слабые кислоты (уксусная, сернистая, угольная, сероводородная и др.);

3.соли слабых оснований (ионы железа ( , ), алюминия, меди ( ) и др.). Соединения, содержащие эти катионы, подвергаются гидролизу с образованием ионов водорода.

Величина рН промышленных сточных вод может быть значительно ниже 4,5.

Кислотность воды определяется титрованием пробы воды раствором сильного основания. Кислоты первой группы определяют титрованием анализируемой воды щелочью с индикатором метиловым оранжевым до перехода окраски из розовой в желтую. При этом изменение окраски наблюдается при величине рН 4,5. Количество 0,1 н. раствора сильного основания, при титровании которым значение рН исследуемой воды достигает величины 4,5, соответствует свободной кислотности воды (m).

Слабые кислоты при титровании щелочью образуют соответствующие им отрицательно заряженные ионы, например:

Н2СО3 + ОН– НСО3– + Н2О СН3СООН + ОН– СН3СОО – + Н2О,

которые в процессе гидролиза придают раствору слабощелочную реакцию.

Поэтому для определения кислотности такой воды надо применять индикаторы, изменяющие окраску в слабощелочной среде, например тимолфталеин или фенолфталеин. У первого окраска проявляется при рН 9,4, а другого – при рН 8,4.

Количество 0,1 н. раствора сильного основания, при титровании которым рН исследуемой воды достигает величины 8,4 или 9,4,

соответствует общей кислотности воды.

103

7. Щелочность воды характеризует содержание в воде веществ, вступающих в реакцию с сильными кислотами (серной, соляной, азотной и т.п.).

Промышленные сточные воды часто содержат:

–щелочи;

–соли слабых кислот (угольной, сероводородной, фосфорной

идр,). Соли подвергаются гидролизу с образованием гидроксид - ионов.

Количество 0,1 н. раствора сильной кислоты, необходимой для нейтрализации, соответствует щелочности воды.

Индивидуальные биогенные элементы сточных вод

К биогенным элементам относятся углерод, кислород, азот, фосфор.

Содержание биогенных элементов в сточных водах является важным фактором при выборе методов их очистки.

В сточных водах определяют и контролируют общий азот (органический и неорганический), содержание нитрит-, нитрат-ионов, ионов аммония, фосфат- и сульфат-ионов.

Специфические элементы сточных вод

При выборе метода очистки важными показателями являются также содержание в воде нефтепродуктов, ионов токсичных тяжелых металлов (свинца, кадмия, меди и др.), неорганических анионов: хлорид-ионов, сульфат-ионов.

5.3.2. Основные показатели санитарной оценки качества воды

Санитарная оценка качества воды водоема или очищенных сточных вод осуществляется на основе определения влияния загрязняющих веществ на биоценоз водоема, методы оценки основаны на изучении качественного и количественного состава населения водоема, т.е. планктона, бентоса, ихтиофауны, макрофитов. Практика исследований показала, что наиболее показательными в этом отношении являются организмы донных отложений – зообентоса. У большинства представителей донной фауны, как известно, жиз-

104

ненный цикл превышает несколько месяцев, а в ряде случаев – и лет. Считается, что донные организмы аккумулируют изменения условий существования в течение длительных периодов.

Наиболее характерным типом загрязнения вод является загрязнение органическими веществами и биогенными элементами, способствующими росту органических соединений в водоеме. Такое загрязнение приводит к заилению дна, снижению содержания в воде кислорода и увеличению микроорганизмов-сапрофитов. Эти факторы изменяют состав и структуру биоценоза.

В водоемы также могут поступать ядохимикаты, нефтепродукты, ионы тяжелых металлов, радиоактивные элементы и др.

Общая картина загрязнения водоемов сложна, но установлено, что виды, устойчивые к органическому загрязнению, в целом более устойчивы и к остальным типам загрязнений. Поэтому устойчивость живых организмов к загрязнению измеряют, как правило, по единой шкале – сапробности.

Сапробность – это способность конкретного микроорганизма обитать в воде с содержанием определенного количества загрязняющего вещества.

Присутствие в воде определенных групп организмов является показателем степени загрязненности воды. На основе длительных экспериментальных исследований биоценозов водоемов установлено, что конкретному качеству водоема соответствуют конкретные микроорганизмы, которые назвали индикаторными.

Создателями системы индикаторных организмов были Кольквитц и Марссон (1908–1909 гг.). Они установили четыре зоны загрязнения.

Изменения качества воды могут происходить в двух противоположных направлениях:

1) от чистого водоема к загрязненному – различают зоны: катаробную (k), ксеносапробную (Ⱦ), олигосапробную (sаpros – разложение) – о-зону, β-мезосапробную (Bm), a-мезосапробную (am) и полисапробную (p);

105

2) в обратном направлении – от загрязненного водоема к чистому; изменение происходит в результате процессов самоочищения.

Рассмотрим основные зоны сапробности.

Катаробная (k) и ксеносопробная зоны характеризуются на-

личием очень чистой воды, не содержащей органических веществ. Это ключевая или родниковая вода, вода из подземных источников, горных ледниковых озер, хорошо очищенная питьевая вода. БПК такой воды не превышает 1 мгО2/л.

Олигосапробная зона (о) характеризует практически чистые водоемы с незначительным содержанием нестойких органических веществ и небольшим количеством продуктов их минерализации. Содержание кислорода близко к насыщению. Содержание кислорода и угольной кислоты не претерпевает заметных колебаний в дневные и ночные часы суток. Цветение водорослей, как правило, не наблюдается. В донных отложениях содержится мало органического детрита, автотрофных микроорганизмов и бентосных животных. Показателями чистоты воды в этой зоне являются некоторые красные водоросли и водные мхи.

Организмы олигосапробной зоны представлены на рис. 5.1. β-мезосапробная зона включает умеренно загрязненные воды

с повышенным содержанием органических веществ. В этой зоне происходит полная минерализация органических веществ. Количество сапрофитных бактерий составляет тысячи клеток в 1 мл и резко увеличивается в период отмирания водной растительности. Концентрация кислорода и углекислоты сильно колеблется в течение суток: в дневные часы содержание кислорода в воде доходит до насыщения, и углекислота может полностью исчезать. В ночные часы наблюдается дефицит кислорода в воде. В зоне активно протекают процессы деструкции органических веществ. Животный и растительный мир разнообразен. Для этой зоны характерно высокое разнообразие видов инфузорий, жгутиковых и саркодовых, а также простейших. Организмы β-мезосапробной зоны представлены на рис. 5.2.

Водоемы этой зоны обычно содержат загрязняющие вещества сточных вод различного происхождения. БПК составляет 2,5– 5 мгО2/л.

106

Рис. 5.1. Организмы олигосапробной зоны: 1 – Halteria cirrifera; 2 – Surirella spriralis; 3 – колониальная инфузория (протист) Carchesium polypinum; 4 – личинка Perla bipunctata; 5 – Micresterias truncata; 6 – Volvax globator; 7 – Pediastrum boryanum; 8 – Cyclidium glaucoma; 9 – Epistylis plicatilis; 10 – зеленая водоросль Cladophora glomerata

α-мезосапробная зона характеризуется высоким содержанием органических загрязняющих веществ. В этой зоне происходит интенсивное аэробное разложение органических веществ с образованием аммиака, содержится много свободной углекислоты, кислород присутствует в малых количествах. Метан и сероводород отсутствуют. Количество загрязнения, определяемого по БПК, велико – десятки миллиграммов О2/л. Количество сапрофитных бактерий составляет десятки и сотни тысяч в одном миллилитре. В воде и донных отложениях протекают окислительно-восстановительные процессы; присутствуют соединения железа (II, III), ил сероватой окраски. В α-зоне развиваются организмы, обладающие большой выносливостью к недостатку кислорода и высокой концентрации

107

угольной кислоты. Обильно развиваются бактериальные зооглеи, нитчатые бактерии, грибы, из водорослей – осциллатории, стигеоклониум. Из животных организмов наблюдается присутствие инфузорий (Carchesium), встречаются коловратки (Brachionus), много окрашенных и бесцветных жгутиковых. В илах значительное количество особей щетинкового червя Tubifex и личинок водных двукрылых – хирономид. Микроорганизмы α-мезосапробной зоны представлены на рис. 5.3.

Рис. 5.2. Организмы -мезосапробной зоны: 1 – Asterionella formosa;

2 – ракообразное Daphnia pulex; 3 – Aktinophrys vesiculata; 4 – Coleps hirtus;

108

Рис. 5.3. Организмы -мезосапробной зоны: 1 – Leptomitus lacteus; 2 – Podophrya collini; 3 – зеленая водоросль Stigeoclonium tenuc, 4 – Callidina vorax; 5 – Paramaecium candatum; 6 – Closterium acorosum; 7 – колониальный жгутиконосец (протист) antophysa vegetans; 8 – гриб Leptomitus lacteus

Полисапробная зона (р) характеризуется высоким содержанием органических веществ и продуктов их анаэробного распада. В воде в изобилии присутствуют белковые вещества. Биологическое потребление кислорода (БПК) составляет 10–50 мг/л. Фотосинтез отсутствует. Кислород может поступать в воду только за счет атмосферной деаэрации, и так как он полностью потребляется на окисление в поверхностных слоях, то в воде практически не обнаруживается. Вода содержит метан и сероводород. Для этой зоны характерно наличие большого числа сапрофитной микрофлоры, представленной сотнями тысяч и даже миллионами клеток в 1 мл.

В донных отложениях кислород отсутствует, протекают восстановительные процессы, железо находится в форме FeS, содержится много органического детрита, ил имеет черную окраску с запахом сероводорода.

109

Вэтой зоне в массе развиваются растительные организмы

сгетеротрофным типом питания: сапрофитные бактерии нитчатые бактерии (Sphaerotilus), серные бактерии (Beggiatoa Thiotrix), бакте-

риальные зооглеи (Zooglea ramigera), из простейших – инфузории, бесцветные жгутиковые. Организмы полисапробной зоны представлены на рис. 5.4.

8 – Euglena viridis; 9 – Trigomonas compressa; 10 – Achromatium oxaliferum; 11 – Spirullina Jenneri; 12 – Polytoma uvella; 13 – Lomprocystis reseo-persicina

Для санитарной оценки степени загрязнения водоемов опреде-

ляется индекс сапробности водных объектов, который рассчитыва-

ют исходя из индивидуальных характеристик сапробности видов, представленных в различных водных сообществах (фитопланктоне, перифитоне):

110