7.2.2. Суммарные показатели воды и их определение
Цвет воды. Цвет воды рекомендуется определять измерением её оптической плотности на спектрофотометре при различных длинах волн проходящего света. Исследуемую воду предварительно профильтровывают, отбрасывая первые порции фильтрата. Оптическую плотность измеряют при толщине слоя 10 см, вторую кювету заполняют дистиллированной водой. Длина волны света, максимально поглощаемого водой, является характеристикой её цвета. Значение оптической плотности исследуемой воды при длине волны, близкой к максиму поглощения, является мерой интенсивности её окраски.
В отсутствие приборов цвет сточной воды приходится определять визуальным наблюдением: светло-желтый, пурпурно-красный и т.д.
Поскольку по правилам спуска сточных вод в водоём требуется, чтобы вода в водоёме после смешения её со сточной водой не имела видимой окраски при толщине слоя 10 см, практическое значение имеет определение степени разбавления сточной воды, при которой цвет её при указанной толщине перестаёт различаться. Для этого помещают на лист бумаги три цилиндра (диаметром 20-25 мм) из бесцветного стекла. В первый наливают исследуемую сточную воду (высота слоя 10 см), в третий – такое же количество дистиллированной воды, во второй цилиндр наливают в таком же объёме разбавленную сточную воду, увеличивая каждый раз степень разбавления (1:1, 1:2, 1:3 и т.д.), пока при просматривании сверху через воду во втором и третьем цилиндрах бумага не будет выглядеть одинаково белой.
Запах воды. Качественное определение запаха проводят как при комнатной температуре, так и при нагревании до 60єС в колбе, покрытой часовым стеклом. Результат этого определения выражают описательно: хлорный – запах свободного хлора, землистый – запах влажной почвы, фенольный, запах нефти, аптечный, сероводородный, навозный, затхлый, запах гнилого сена, гнилостный и т. п.
Для количественного определения запаха находят так называемое пороговое число, выражающее во сколько раз надо разбавить анализируемую воду чистой, не имеющей запаха, чтобы запах пробы перестал ощущаться.
Все определения проводят в комнате, куда не могут проникать какие-либо запахи. Аналитики не должны перед анализом курить, принимать пищу, пользоваться духами и др.
Наименьшее из разбавлений, при котором запах исчезает, и есть пороговое число.
Пороговое число =
,
где А- объём введённой анализируемой пробы, мл; В – объём прибавленной разбавляющей воды, мл
Определение порогового числа избавляет от необходимости определять количественное содержание в воде всех тех веществ, для которых ПДК установлена по запаху.
Тяжелые металлы, суммарное определение. Тяжелые металлы – свинец, медь, кадмий, цинк, никель – извлекаются из раствора в виде их дитизонатных комплексов, избыток дитизона удаляют, полученную смесь дитизонатов обрабатывают солью ртути (II). Поскольку ртуть образует с дитизоном наиболее устойчивые комплексные соединения, дитизонаты всех перечисленных металлов превращаются в дитизонат ртути Hg(HD2)2. Измеряют оптическую плотность его раствора при длине волны 485 нм (е=7·104). Результат определения находят по калибровочному графику.
ПДК тяжелых металлов (в мэкв/л) располагается в следующем ряду по возрастанию: кадмий (1,8·10-4), свинец (9,7·10-4),медь (3,1·10-3), никель (3,4·10-3), цинк (3,1·10-2). 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. Суммарное содержание азота находят путём нагревания пробы (органических веществ) со смесью концентрированной серной кислоты и сульфата калия (т. кип. 315-370єС) в присутствии катализатора – соли меди или ртути. Происходит разложение примесей с образованием сульфата аммония (метод Кьельдаля). Раствор подщелачивают, отгоняют аммиак и определяют его в отгоне. 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.
Вычитая из суммарного содержания азота отдельно найденное содержание азота аммонийного получают содержание в пробе азота органических веществ «органический азот».
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. ХПКтеор 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:
Cr2O72- + 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.
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 БПКполн), 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 (ХПКн.ж.+ХПКн.т.), а содержание органических веществ в конце процесса (не окислившиеся вещества и превратившиеся в биомассу) также представить в виде необходимого на их окисление кислорода (ХПКк.ж.+ ХПКк.т. ), то разность между этими величинами покажет значение БПК за время проведения процесса:
БПК = (ХПКн.ж.+ХПКн.т ) - (ХПКк.ж.+ ХПКк.т )
Эту разность умножают на 1,12 ( коэффициент, отражающий разбавление пробы, сделанное при добавлении реактивов).