Жесткость питьевой воды по стандарту должна быть не выше 7 мг-экв/л

Степень жесткости природных вод

2.3. Определение химической окисляемости воды

Под окисляемостью воды понимают количество кислорода искусственно введенного окислителя (например, KMnO₄ или K₂Cr₂O₇), идущее на окисление содержащихся в воде органических веществ. Различают перманганатную (KMnO₄), бихроматную (K₂Cr₂O₇) и иодатную (KIO₃) окисляемость.

Повышенная окисляемость может указывать на загрязнение воды органическими веществами. Прямое определение органических веществ в воде является сложной и трудоемкой задачей. Поэтому пользуются более простыми косвенными методами, например методом определения перманганатной окисляемости, дающим представление о содержании в воде легко окисляющихся органических веществ. Его используют для анализа природных малозагрязненных вод. В более загрязненных водах - определяют бихроматную (K₂Cr₂O₇) или иодатную (KIO₃) окисляемость, т.к. ими достигается наиболее полное окисление (95 – 100%).

Бихроматную и иодатную окисляемость называют химической потребностью в кислороде (ХПК), т.е. оценивают количество О₂, необходимое для окисления примесей воды (перевода С в СО₂, Н в Н₂О, N в NH₃ и т.д.).

Нормативы ХПК воды хозяйственно-питьевого водоснабжения 15 мгО/л

Величины ХПК в водоемах с различной степенью загрязненности:

Определение основано на том, что KMnO₄, будучи сильным окислителем, реагирует с присутствующими в воде восстановителями (органические вещества, соли железа (II), нитраты). Ион MnO₄^- переходит при этом в Mn²⁺ по уравнению:

MnO₄^- + 8H⁺ + 5 → Mn²⁺ + 4H₂O

Избыток KMnO₄ реагирует с вводимой в раствор щавелевой кислотой:

2MnO₄^- + 5H₂C₂O₄ + 6H⁺ → 2Mn²⁺ + 10CO₂ + 8H₂O

Не вступившая в реакцию щавелевая кислота оттитровывается KMnO₄ по приведенному уравнению.

Ход работы. В термостойкую колбу отмеряют пипеткой 100 мл исследуемой воды, приливают 5 мл H₂SO₄ (1: 3) и 15 мл 0,01 н раствора KMnO₄. Кипятят колбу 10 мин., жидкость приобретает красноватый оттенок. В окрашенную жидкость приливают пипеткой 15 мл 0,01 н раствора Н₂С₂О₄, содержимое колбы при этом обесцвечивается. Титрируют колбу до появления устойчивой слабо розовой окраски от одной прибавленной капли KMnO₄. Записывают суммарное количество KMnO₄, израсходованного на окисление органических веществ в пробе и 15 мл Н₂С₂О₄.

Вычисление результатов производится по формуле:

мг/л О₂ = , где

8 – эквивалентная масса кислорода,

N - нормальность раствора KMnO₄ (0,01 н),

А – количество KMnO₄, израсходованное на окисление органических веществ и

15 мл Н₂С₂О₄, мл

В – количество KMnO₄, израсходованное на окисление 15 мл Н₂С₂О₄, мл,

V – объем пробы воды, взятой для анализа, мл.

2.4. Определение растворенного кислорода

Количество растворенного в воде кислорода имеет большое значение для оценки санитарного состояния водоемов, Его снижение указывает на резкое изменение биологических процессов в водоеме, а также на загрязнение водоемов веществами, химически интенсивно окисляющимися. На концентрацию О₂ в воде также влияют природные факторы: атмосферное давление, температура, тип водоема, время года.

Концентрация растворенного О₂ в пробе, отобранной до 12 часов дня, не должна быть ниже 4 мг/л в любой период года.

Содержание О₂ в водоемах с различной степенью загрязненности:

В загрязненных сточных водах растворенного кислорода либо не бывает совсем, либо его концентрация не превышает 0,5 – 1 мг/л. Очищенные сточные воды, спускаемые в водоем, обычно содержат 4 – 8 мг/л растворенного кислорода. Определяют количество О₂ только в очищенных сточных водах электрохимическим методом, который основан на измерении тока восстановления О₂, диффундирующего к катоду через полупроницаемую мембрану. Скорость диффузии зависит от температуры воды. Мембрана пропускает и другие неполярные газы (азот, СО₂ и др.). При применении щелочного электролита, восстанавливается только О₂. Метод пригоден для анализа любых вод, в том числе мутных и окрашенных.

Ход работы. Перед началом работы ознакомиться с инструкцией на прибор «Оксимер» и провести определение содержания кислорода.

2.5. Определение биохимической окисляемости воды за 5 суток

Биохимическая окисляемость или биохимическая потребность в кислороде (БПК)

- количество кислорода (мг), требуемое для окисления находящихся в 1 л воды органических веществ микроорганизмами при 20⁰С в результате протекания биохимических процессов за определенный период времени

(БПК_п , БПК_5, 3, 10, 20 суток).

полная 5-суток

Для водоемов хозяйственно-питьевого водопользования БПК₅ не должна превышать 3 мгО/л.

К легко окисляющимся (“биологически мягким”) веществам относятся формальдегид, фенол, низшие алифатические спирты;

среднее положение занимают крезолы, нафтолы, ксиленолы, резорцин, анионо-

активные ПАВ;

медленно разрушаются “биологически жесткие” вещества: сульфонол, гидрохинон …..

Окисление осуществляют аэробные гетеротрофные бактерии, которые существуют за счет загрязнений воды в качестве источника питания.

БПК – количество кислорода, требуемого микроорганизмами на весь цикл реакции синтеза клеточного вещества и получение энергии.

Определение БПК₅ основано на вычислении разности в содержании растворенного кислорода в воде в момент отбора и после инкубации пробы в течение 5 суток в термостате при температуре 20⁰С (± 2⁰С).

Ход работы. Чаще всего применяют метод разведения: 1 часть сточной воды смешивают с n частями разбавляющей воды, смесь до предела насыщают растворенным кислородом путем продувки или встряхивания, разливают в инкубационные склянки и тщательно их герметизируют. Склянки оставляют в термостате при температуре 20⁰С на 5 суток и более. В склянке развивается сообщество микроорганизмов. Величина уменьшения кислорода в склянке, умноженная на степень разведения дает численную величину БПК.

Разбавляющую воду готовят на основе дистиллированной воды, в которую добавляют фосфорные и аммонийные соли, хлорное железо, хлористый кальций и сернокислый магний для создания буферной среды и элементов питания для микроорганизмов (т.к. многие воды их не имеют), а также добавляют бактериальную затравку - жидкость, содержащую смесь культур бактерий, способных разлагать органические вещества исследуемой воды (затравки не требуется при анализе городских сточных вод, т.е. они всегда содержат сапрофиты, способные развиваться за счет примесей).

Когда ожидаемая БПК примерно известна, степень разбавления устанавливают примерным расчетом. Например, запись БПК_{5 (1: 100)} означает, что определена

5 – суточная БПК при разведении 1 части сточной воды 99 частями разбавляющей воды.

Контрольные вопросы:

1. Что такое рН? На каком принципе основано его определение?
2. Какие известны виды жесткости воды и способы ее устранения? Каково гигиеническое значение жесткости воды?
3. Каковы принцип метода и ход определения общей жесткости? Напишите формулу расчета.
4. Каково гигиеническое значение определения растворенного в воде кислорода?
5. На чем основано определение БПК?
6. Каковы принцип метода и ход определения окисляемости воды?
7. Чем обусловлена кислотность природных вод?
8. Какие показатели свидетельствуют о загрязнении воды органическими веществами?
9. При определении окисляемости 100 см³ водопроводной воды на окисление органических веществ пошло 3,5 см³ 0,01 н раствора перманганата калия. Рассчитайте окисляемость воды и сопоставьте ее с гигиеническими нормами.
10. Для определения какого из показателей качества воды в экологическом мониторинге используют реактив трилон Б?
11. Какие реагенты используют для определения ХПК сточных вод?

Лабораторная работа №3

Определение биологических показателей качества воды

Цель работы: обучение студентов проведению микробиологических исследований качества воды.

Объем работы: 2 часа.

Прямое количественное определение возбудителей всех инфекций для контроля за качеством воды неосуществимо в связи с многообразием их видов и трудоемкостью анализа. Поэтому в практической санитарной микробиологии прибегают к косвенным методам, позволяющим определить потенциальную возможность заражения воды патогенными микроорганизмами.

Санитарно-биологическая оценка качества воды основана на определении двух основных показателей: микробного числа и числа бактерий группы Coli.

3.1. Определение микробного числа

Микробное число дает представление об общей обсемененности воды аэробными сапрофитами, которые составляют только часть общего числа микробов в воде. Однако существует прямая зависимость между величиной микробного числа и вероятностью присутствия в воде патогенных микроорганизмов.

Микробное число водопроводной воды не должно превышать 100.

Его определяют методом посева на питательную среду – мясопептонный агар

(МПА).

Ход определения. В чашку Петри пипеткой вносят 1 мл исследуемой питьевой воды

(если исследуют сточную воду, ее разбавляют стерильной водой в несколько раз), затем заливают пробу 10 – 12 мл остуженного питательного мясопептонного агара

(МПА), имеющего температуру приблизительно 45⁰С. После застывания среды чашку помещают в термостат и выдерживают при температуре 37⁰С в течение 24 часов. За это время в чашке Петри вырастают колонии, которые видны при увеличении в 2 – 5 раз.

Обычно вырастает от 30 до 300 колоний.

По полученным данным определяют степень загрязнения воды.

«а» имеет значение от 1 до 9.

3.2. Определение бактерий группы Coli

Бактерии группы Coli являются постоянными обитателями кишечника человека и животных; постоянно и в большом числе выделяются во внешнюю среду; дольше, чем патогенные микроорганизмы сохраняют жизнеспособность в этой среде; более устойчивы к действию хлора, чем возбудители большинства инфекций. Поэтому их используют в виде санитарно-показательных микроорганизмов.

Для количественного определения коли-форм применяют фуксин-сульфитный агар

(среда Эндо).

Анализ водопроводной и чистой природной воды проводят после предварительного концентрирования воды на мембранных фильтрах. Результаты выражают в виде коли-индекса - числа бактерий в 1 л воды или коли-титра - наименьшего объема воды (в мл), содержащего 1 кишечную палочку.

Коли-индекс водопроводной воды не должен превышать 3, а коли-титр 300 мл.

Ход определения. В фильтровальный аппарат помещают стерильный мембранный фильтр и фильтруют 300 – 500 мл воды. После окончания фильтрования фильтр снимают обожженным пинцетом с прибора и накладывают на поверхность среды Эндо, помещенной в чашку Петри. Чашку помещают в термостат при температуре 37⁰С на 24 часа и затем подсчитывают колонии, окрашенные в красный цвет с металлическим блеском.

Формула для расчета:

Коли-индекс = , где

m – количество бактерий,V – анализируемый объем воды, л

Контрольные вопросы:

1. Какие показатели определяют безопасность питьевой воды в эпидемиологическом отношении? Опишите методику определения общего количества бактерий в воде.
2. Как определяют коли-титр и коли-индекс? Какие факторы влияют на данные показатели качества воды?
3. Подсчет числа колоний на среде Эндо показал, что при посеве 1 мл сточной воды без разбавления выросло 3 колонии. Определите коли-индекс и коли-титр данной воды.
4. Оцените качество хлорирования воды на водопроводной станции: микробное число 50; коли-индекс – 2; запах – хлорный, 1 балл.
5. Оцените качество артезианской воды, предлагаемой для водоснабжения больницы: запах и вкус – 2 балла; мутность – 0,5 мг/дм³; общая жесткость – 2,0 мг-экв/л; микробное число – 80; коли-индекс – 3.
6. Для определения каких показателей качества воды используют фуксин- сульфитный агар?

Лабораторная работа №4

Контроль содержания в сточных водах ионов тяжелых металлов

методом бумажной хроматографии

Цель работы: обучение студентов приемам хроматографирования и оценке содержания в сточных водах предприятий ионов Cu²⁺, Pb²⁺ и Ni²⁺.

Объем работы: 2 часа.

Ионы тяжелых металлов, такие как никель, медь, свинец и хром являются приоритетными загрязнителями промышленных стоков предприятий. Это связано с наличием на предприятиях гальванических цехов, в которых производится нанесение на изделия металлических покрытий, выполняющих разнообразные функции (защита от коррозии, придание красивого внешнего вида, повышение электропроводности и др.). В результате сточные воды загрязняются ионами тяжелых металлов, концентрацию которых необходимо контролировать и поддерживать на уровне ПДК.

Бумажная хроматография применяется для анализа неорганических и органических веществ. При этом отдельные компоненты смеси распределяются между подвижной и неподвижной фазами соответственно различию значений их коэффициентов распределения R_f. Даже при небольшом различии коэффициентов распределения R_f вещества образуют отдельные зоны (пятна) на хроматографической бумаге. Значения коэффициентов R_f являются постоянными величинами для определенных условий эксперимента. На рис. 1 представлена схема разделения двух компонентов на хроматографической бумаге.

Значения коэффициентов R_f находятся по формуле:

R_f =

где: l – расстояние, пройденное i - тым веществом от стартовой линии, мм;

Z – расстояние, пройденное фронтом растворителя от стартовой линии, мм.

Ход работы.

Для проведения исследований из хроматографической бумаги вырезают 2 полосы шириной 3 см. Длину хроматографической бумаги выбирают, исходя из высоты хроматографической камеры. Затем на каждой полосе хроматографической бумаги наносят простым карандашом стартовую линию, отступив от края 15 – 20 мм.

В центр стартовой линии хроматографической бумаги №1 последовательно наносят специальным микродозатором по 5 мкл стандартных растворов с содержанием ионов меди, никеля и свинца по 1 г/л, постоянно подсушивая пятно феном, чтобы его диаметр не превышал 1 см. В центр хроматографической бумаги №2 микродозатором объемом 5 мкл наносят 20 мкл сточных вод, также постоянно подсушивая пятно феном. Затем обе хроматограммы полностью высушивают в сушильном шкафу.

Хроматографирование проводят в хроматографической камере, которая представляет собой стеклянный цилиндрический сосуд с крышкой. В него наливают растворитель и вертикально подвешивают хроматографическую бумагу таким образом, чтобы она была погружена в растворитель не более, чем на 0,5 см. При этом пятно на стартовой линии не должно быть погружено в раствор. Затем покрывают хроматографическую камеру крышкой и оставляют стоять до тех пор, пока фронт растворителя не поднимется, не доходя 1 см до верхнего края хроматографической бумаги.

Далее бумагу вынимают из камеры, отмечают простым карандашом фронт растворителя и сушат в сушильном шкафу при температуре не выше 85⁰С.

На высушенной хроматографической бумаге измеряют расстояние, пройденное растворителем (Z), и производят расчет расстояний, пройденных ионами меди, никеля и свинца. Для расчетов используют значения R_f, представленные в табл.1.

Расстояния, пройденные ионами Cu²⁺, Pb²⁺, Ni²⁺, наносят на оба листа хроматографической бумаги и в центре хроматографической бумаги на рассчитанном расстоянии от стартовой линии производят проявление хроматограмм с помощью специфических реактивов (при обработке Ni²⁺ диметилглиоксимом необходимо выдержать хроматограмму в парах аммиака).

Сравнивая окраску проявленной хроматографической бумаги №2, на которую нанесен образец сточных вод, с окраской пятен на хроматографической бумаге №1 (свидетеле), а также зная открываемый минимум (мкг) данного иона с данным специфическим реактивом, делают вывод о присутствии в образце сточных вод предприятия ионов тяжелых металлов в количестве меньшем или превышающим ПДК данного иона. Результаты наблюдений заносят в табл.1.

Контрольные вопросы:

1. В чем заключается сущность явления хроматографии?
2. В чем заключается сущность адсорбционно - хроматографического анализа?
3. В чем особенности колоночной, бумажной и тонкослойной жидкостной хроматографии?
4. Как определяют коэффициент распределения в бумажной хроматографии?
5. В чем сущность и достоинства метода газовой хроматографии?
6. Сделайте выводы о соответствии определенных вами количеств тяжелых металлов нормативам.

Лабораторная работа №5

Определение концентрации шестивалентного хрома в сточных

водах предприятия

Цель работы: обучение студентов определению концентрации и условий процесса восстановления шестивалентного хрома до трехвалентного.

Объем работы: 2 часа.

Сточные воды гальванических производств после процесса хромирования металлических изделий содержат хром (VI) в виде ионов Cr₂O₇^-2, которые образуются в результате использования хромового ангидрида СrO₃ для нанесения электролитического покрытия. Из концентрированных растворов хром может быть регенерирован.

Ионы хрома, как известно, являются наиболее токсичными среди других ионов тяжелых металлов (ПДК_Cr+6= 0,01 мг/л; ПДК_Cr+3= 0,1 мг/л). Сначала необходимо восстановить Cr (VI) до Cr (III) или Cr (II), а затем осадить его известью по реакции:

2Cr⁺³ + 3Ca(OH)₂ = 2Cr(OH)₃↓ + 3Ca⁺² (1)

Осажденный Cr(OH)₃ можно легко регенерировать во вторичное сырье (Cr₂O₃).

Для восстановления Cr(VI) можно использовать Fe, Fe(II) или О₂. Реакции восстановления описываются следующими уравнениями:

Cr₂O₇^-2 + 6Fe⁺² + 14H⁺ ⇄ 2Cr⁺³ + 6Fe⁺³ + 7H₂O (2)

Cr₂O₇^-2 + 2Fe + 14H⁺ ⇄ 2Cr⁺³ + 2Fe⁺³ + 7H₂O (3)

Cr₂O₇^-2 +6Fe⁺² + 11H⁺ ⇄ Fe(OH)₃↓ + 5Fe⁺³ +2Cr⁺³ + 4H₂O (4)

Cr₂O₇^-2 + 6Fe⁺² + 8H⁺ ⇄ 2Fe(OH)₃↓ + 4Fe⁺³ + 2Cr⁺³ + H₂O (5)

Cr₂O₇^-2 + 2Fe + 8H⁺ ⇄ 2Fe(OH)₃↓ + 2Fe⁺³ + H₂O (6)

Fe + 2H⁺ + ½ O₂ ⇄ Fe⁺² + 2H₂O (7)

Присутствие в этих реакциях ионов Н⁺ свидетельствует о кислой среде. Из практики известно, что наиболее хорошие результаты получаются при значении величины рН = 2,5 – 3,0.

Построение калибровочного графика

Из стандартного раствора бихромата калия (Т_Cr+6 = 10 ^-5 г/мл) готовят серию растворов с титром по хрому (VI) 1·10 ^-7 г/мл, 2·10 ^-7 г/мл, 3·10 ^-7 г/мл, 4·10 ^-7 г/мл, 5·10 ^-7 г/мл, 6·10 ^-7 г/мл, 7·10 ^-7 г/мл, отбирая соответственно 1 мл, 2 мл, 3 мл, 4 мл, 5 мл, 6 мл, 7 мл исходного раствора и разбавляя в колбе на 100 мл, предварительно добавив в каждую колбу 3 мл раствора H₂SO₄ и 1 мл раствора дифенилкарбазида. Дифенилкарбазид является реактивом на Cr (VI). В кислой среде он окисляется ионами Cr₂O₇ ^-2 с образованием растворимого соединения красно-фиолетового цвета. Полученные растворы фотометрируют с зеленым светофильтром в кюветах с толщиной слоя 1 см. Затем по полученным данным строят калибровочный график зависимости оптической плотности (Д) от концентрации хрома (Т _Cr+6).

Ход работы.

Исследуемый хромсодержащий раствор сточных вод фотометрируют с зеленым светофильтром, отбирая 7 мм и разбавляя водой в колбе на 100 мл, предварительно добавив 3 мл раствора H₂SO₄ и 1 мл раствора дифенилкарбазида. Затем по калибровочному графику находят содержание Cr (VI) в исходном растворе сточных вод.

Для исследования кинетики процесса восстановления Cr (VI) в сточных водах в

5 колб (или больших пробирок) наливают по 20 мл сточных вод. Затем в 3 колбы добавляют по 2 грамма стальной стружки и взбалтывают с помощью мешалки: в течение 30 мин. колбу №1, в течение 45 мин. колбу №2 и в течение 60 мин. колбу №3. В оставшиеся колбы добавляют различное количество стальной стружки и взбалтывают с помощью мешалки одинаковое время (45 мин.). В колбу №4 добавляют 2,8 грамма стальной стружки, а в колбу №5 добавляют 4 грамма стальной стружки (табл.№1).

Остаточное количество невосстановленного Cr (VI) во всех колбах определяют аналогично определению Cr (VI) в исходном растворе сточных вод, отбирая из каждой колбы по 7 мл раствора сточных вод.

Расход железа (г/л) рассчитывают по наиболее вероятному механизму (реакция №3).

Экспериментальные данные заносят в таблицу №1.

Таблица №1

По полученным расчетным данным строят графики зависимости остаточной концентрации Cr(VI) от времени восстановления и от количества железной стружки, взятой для восстановления Cr(VI).

Оптимальными являются те условия процесса восстановления, при которых удается достичь конечную концентрацию Cr(VI) в растворе менее 1 мг/л для использования воды в обороте, и не менее 0,01 мг/л для сброса воды в водоем. В случае невозможного достижения указанных условий в качестве оптимальных выбираются параметры, при которых достигнута наименьшая конечная концентрация Cr(VI) в растворе после восстановления.

По заданию преподавателя рассчитывают материальный баланс процесса восстановления хрома в 1 м³ сточных вод:

Исходные данные: V_{сточных вод} = 1 м³

m_Cr(VI) = ……….. кг

m_{стальной стружки} = ……кг

1. Восстановление Cr(VI):

рН = 2,5 – 4,0; время восстановления ….. мин.

2. Нейтрализация и осаждение хрома в виде Cr(OH)₃:

m Ca(OH)₂ = ……кг

3.Фильтрация и выделение осадка:

m Cr(OH)₃ = ….. кг

Итоговые данные:

Остаточная масса Cr(VI) ………….кг,

масса осажденного Cr(VI) ………..кг,

процент удаления Cr(VI)…………..%.

Контрольные вопросы:

1. На каком принципе основана работа ФЭК?
2. Как осуществляется количественное определение Cr(VI) в воде?
3. При каких концентрациях Cr(VI) сточную воду разрешается спускать в водоем?
4. С какой целью Cr(VI) восстанавливают до Cr(III)?
5. По какому уравнению реакции рассчитывают расход железа на восстановление Cr(VI) до Cr(III)?
6. Сделайте выводы по проведенным вами опытам. Выберите оптимальные условия процесса восстановления Cr(VI) стальной стружкой.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: