260

АНАЛИЗ МОДЕЛЬНОЙ СМЕСИ

СТОЧНЫХ ВОД

ПРОМЫШЛЕННОГО ТИПА

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине

«Общая экология» для специальности 280202 «Инженерная защита окружающей среды»

Омск · 2007

Федеральное агентство по образованию Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)

Кафедра инженерной экологии и химии Кафедра общеобразовательных дисциплин (НВФ СибАДИ)

АНАЛИЗ МОДЕЛЬНОЙ СМЕСИ СТОЧНЫХ ВОД ПРОМЫШЛЕННОГО ТИПА

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине

«Общая экология» для специальности 280202 «Инженерная защита окружающей среды»

Составители: И.В. Каткова, Е.В. Шаповалова.

Омск Издательство СибАДИ

2007

1

УДК 628.3 ББК 20.1 я 81

Рецензент канд. хим. наук, доцент А.М. Попов (ОмГУ)

Работа одобрена методической комиссией факультета АДМ СибАДИ в качестве методических указаний к лабораторным работам по дисциплине «Общая экология» для специальности 280202 «Инженерная защита окружающей среды».

Анализ модельной смеси сточных вод промышленного типа: Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Общая экология» для специальности 280202 «Инженерная защита окружающей среды» / Сост.: И.В. Каткова, Е.В. Шаповалова. − Омск: Изд-во СибАДИ, 2007. 28 с.

В методических указаниях дается понятие о моделировании в экологии, приведены характеристики промышленных сточных вод. Лабораторные работы, включенные в методические указания, направлены на формирование у студентов навыков расчета состава и приготовления модельной смеси сточных вод промышленного типа. Лабораторные работы также содержат методы экспресс-анализа приготовленных смесей.

Работа предназначена в первую очередь для студентов, обучающихся по специальности «Инженерная защита окружающей среды», а также для студентов других специальностей, изучающих экологию.

Табл. 13. Библиогр.: 5 назв.

Составители И.В. Каткова, Е.В. Шаповалова, 2007

2

1. Моделирование – метод изучения экологических процессов

Модель – это имитация того или иного явления реального мира, сохраняющая основные свойства реального объекта, позволяющая делать прогнозы. Под моделированием в экологии понимается изучение экологических процессов с помощью лабораторных, натурных или математических моделей. Стратегия моделирования заключается в попытке путем упрощения получить модель, свойства и поведение которой можно легко изучать. Модели подразделяются на реальные и знаковые. Наиболее сложная проблема при работе с реальными лабораторными моделями – установление адекватности модели оригиналу и, следовательно, обоснование возможности применения результатов моделирования к изучаемой природной системе. Идеальные знаковые модели богаче возможностями, чем реальные, так как почти не связаны техническими ограничениями их создания. Построение математических моделей − сложный процесс, требующий творческого, неформального начала.

Начальным этапом разработки математической модели, вне зависимости от области исследований, является определение цели моделирования. Вопросы целеполагания являются важнейшими при построении моделей. Модель, прошедшая проверку на адекватность, может служить мощным инструментом в дальнейших исследованиях и решении практических задач. Настоящая лабораторная работа – это расчет состава, приготовление и анализ модельной смеси сточных вод промышленного типа.

2. Характеристика промышленных сточных вод

Известно, что при технологических процессах имеются следующие виды сточных вод:

реакционная вода – загрязнена как исходными веществами, так и продуктами реакции;

промывная вода – вода после промывки сырья, продуктов реакции, тары, оборудования, маточные водные растворы;

водные экстрагенты и абсорбенты;

охлаждающая вода, не соприкасающаяся с технологическими продуктами и использующаяся в системах оборотного водоснабжения;

бытовая вода;

атмосферные осадки, вода стекающая с территорий предприятий. Сточные воды, содержащие органические вещества, содержат массу

биогенных элементов, в том числе азота и фосфора, что приводит к массовому размножению сине-зеленых и бурых водорослей, а также к

3

интенсивному развитию высших водных растений. Названные организмы являются аэробными, дышат кислородом, растворенным в воде и, создавая дефицит кислорода, делают воду непригодной для жизни. Анаэробные процессы – это вторичное загрязнение воды, ведущее к увеличению процессов эфтрофикации – повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления в воде биогенных элементов под действием антропогенных или природных факторов. Вода может быть трофной, т.е. содержащей биогенные вещества – продукты неполного разложения водных организмов, которые служат пищей для гидробионтов.

Трофная вода классифицируется:

дистрофная (малое содержание биогенных веществ, не обеспечивает развитие гидробионтов);

мезотрофная (среднее содержание биогенных веществ);

эфтрофная (с большим содержанием биогенных веществ, не может

быть использована не только в качестве питьевой, но и в промышленном водоснабжении).

Вода, содержащая органические вещества, называется сапробной и подразделяется на:

олигосапробную, т.е. с малым содержанием органических веществ (перманганатной окисляемостью < 10 мг О2/л);

мезосапробную, т.е. со средним содержанием органических веществ

(10-30 мг О2/л);

полисапробную, т.е. с большим содержанием органических веществ

(>30 мг О2/л).

Контроль и управление качеством воды в настоящее время рассматривается в качестве санитарной охраны водоемов вследствие исключительной значимости воды как элемента окружающей среды. С точки зрения экологии значение воды двояко: во-первых, она является главной «образующей» средой для водных обитателей, а во-вторых, играет решающую роль в жизни любых наземных биогеоценозов. Важнейшей задачей в условиях промышленного развития и временной неизбежности попадания отходов в водные биогеоценозы, является установление допустимых нагрузок на водные объекты в результате водопотребления. Водопотребление – это использование воды, связанное с изъятием её из мест локализации с частичным или полным безвозвратным расходованием

ис возвращением в источники водозабора в загрязненном состоянии. Обычно контролю подвергаются наиболее опасные вещества, способные накапливаться в донных отложениях, передаваться по трофическим цепям, в частности, тяжелых металлов, таких как железо, медь, никель, цинк, хром

идругие.

4

Железо постоянно присутствует в поверхностных и подземных водах. Высокое содержание железа в поверхностных водах указывает на загрязнение их промышленными сточными водами, особенно промстоками металлообрабатывающих производств.

Медь в поверхностных водах присутствует в результате загрязнения сточными водами предприятий химической, металлургической промышленности. Источником меди в воде может быть коррозия металлов или медьсодержащих металлических частей, соприкасающихся с водой.

Никель может присутствовать в сточных водах металлообрабатывающих и химических предприятий.

Хром присутствует в сточных водах металлообрабатывающих и химических производств, кожевенных заводов и загрязненных стоками этих производств поверхностных водах.

Для каждого предприятия должен устанавливаться предельно допустимый сброс (ПДС) вредных веществ.

Согласно ГОСТу ПДС вредного вещества – это его масса в сточных водах, максимально допустимая к отведению с установленным режимом в данном пункте водного объекта в единицу времени. С целью обеспечения норм качества воды в контрольном пункте ПДС устанавливается с учетом

предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ.

Контроль качества сточных вод предусматривает определение органолептических показателей воды (цвет, запах), химического потребления кислорода (ХПК), количества растворенного в воде кислорода, а также его биохимического потребления (БПК), рН среды, содержания взвешенных частиц и концентрации вредных веществ.

Химическим потреблением кислорода (ХПК) называется величина,

характеризующая общее содержание в воде веществ способных окисляться (продукты распада органических соединений и легко окисляющиеся неорганические соединения). Величина ХПК выражается количеством миллиграммов кислорода, необходимого для окисления веществ, содержащихся в 1 л воды. Обычно окисление пробы сточной воды производится бихроматом калия в серной кислоте. Содержание растворенного кислорода определяют в сточных водах, прошедших химическую или биохимическую очистку, перед спуском в водоемы. Содержание растворенного кислорода измеряют в мг/л и процентах по отношению к равновесной концентрации кислорода при данной температуре. Определение основано на реакции растворенного кислорода с гидроксидом марганца и определении образовавшихся высших по степени окисления соединений марганца. Используются также колориметрические методы, основанные на изменении интенсивности цвета соединений, которые образуются при реакции специальных красителей и сточной воды. Под биохимическим потреблением кисло-

5

рода (БПК) понимается количество кислорода в мг/л, необходимое для окисления органических примесей аэробными микроорганизмами. Определение БПК выполняется на основе анализа изменения содержания растворенного кислорода с течением времени. Величина рН является мерой активной кислотности воды, создающейся в результате взаимодействия растворенных электролитов и газов. Значение рН определяется электрометрическим (с использованием приборов – рНметров) или колориметрическим методом. Колориметрический метод основан на свойстве индикаторов менять свою окраску в зависимости от концентрации водородных ионов.

Содержание взвешенных веществ (мг/л) в виде осадка определяется путем фильтрования через бумажные или стеклянные фильтры или выпариванием пробы исследуемой воды.

Лабораторная работа № 1

РАСЧЕТ СОСТАВА И ПРИГОТОВЛЕНИЕ МОДЕЛЬНОЙ СМЕСИ СТОЧНЫХ ВОД ПРОМЫШЛЕННОГО ТИПА

Цель работы − рассчитать величину навесок компонентовзагрязнителей, необходимых для приготовления модельной смеси сточных вод промышленных производств.

Материалы и оборудование: кристаллические вещества, хлорная известь CaOCl2, шестиводный хлорид железа FeCl3∙6H2O, железный купорос FeSO4∙7H2O, медный купорос CuSO4∙5H2O, шестиводный хлорид никеля NiSO4∙6H2O, нитрат калия KNO3, сульфид натрия Na2S, шестиводный хлорид хрома CrCl3∙6H2O, хромат калия K2CrO4, мерные колбы емкостью 100 см3, часовые стекла, стеклянные воронки, весы аналитические ВРЛК – 200.

Ход работы

Получите у преподавателя задание: тип промышленного производства, сточные воды которого необходимо смоделировать. Предлагается приготовить модельную смесь сточных вод гальванического цеха, цеха по крашению тканей и дублению кож, а также цеха по производству дезинфицирующих средств. Пользуясь табл. 1, определите, какие загрязнители могут содержаться в стоках выбранного производства. Выпишите из табл. 1 значения предельно допустимых концентраций (ПДК) для выбранных компонентов-загрязнителей, а также из табл. 2 выберите вещества, необходимые для введения в модельную смесь нужных компонентов-загрязнителей.

6

Вычислите молярную массу вещества, которое будет использовано для приготовления модельной смеси. Рассчитайте, какое количество реагента необходимо ввести в модельную смесь для достижения величины ПДК по формуле

где mВ – масса реагента, необходимая для приготовления 1 дм3 раствора с ПДК=1; ПДК – табличное значение предельно-допустимой концентрации компонента-загрязнителя (табл. 1); МВ – молярная масса реагента, которая будет использована для приготовления модельной смеси; МК – молярная масса компонента-загрязнителя.

Для того, чтобы рассчитать количество реагента, необходимое для приготовления 100 см3 модельной смеси с значением ПДК=1, следует массу вещества, рассчитанную по формуле (1), разделить на 10:

Далее следует выбрать, во сколько раз будет превышено значение ПДК в модельной смеси для каждого компонента и умножить значение

7

массы вещества m100 на это число. Это и будет величина навески, необходимая для приготовления модельной смеси.

Такой расчет производится по каждому компоненту, выбранному для приготовления модельной смеси сточных вод. Результаты расчета представить в виде таблицы (пример оформления табл. 3).

Под руководством преподавателя взвесить необходимое количество реагентов на часовом стекле на аналитических весах, с помощью воронки количественно, то есть без потерь, перенести навеску в мерную колбу объемом 100 см3, смывая вещество с часового стекла и воронки небольшими порциями дистиллированной воды. После того как вся навеска будет перенесена в колбу, долить в колбу дистиллированную воду до метки.

Таблица 2

Вещества, необходимые для приготовления модельной смеси сточных вод промышленного типа

Приготовленную модельную смесь сдать преподавателю с указанием того, какие именно компоненты содержатся в ней.

Вопросы для самоконтроля

1.Что подразумевает понятие «моделирование»?

2.Назовите виды сточных вод.

8

3.Что представляет собой процесс эфтрофикации?

4.Перечислите опасные вещества, способные накапливаться в донных отложениях и передаваться по трофическим цепям.

5.Дайте определение ПДС.

Лабораторная работа № 2

ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗ МОДЕЛЬНОЙ СМЕСИ СТОЧНЫХ ВОД С ПОМОЩЬЮ УЧЕБНОГО КОМПЛЕКТА «ПЧЕЛКА – У»

Цель работы − определить с помощью экспресс-тестов и колориметрической шкалы содержание ионов-загрязнителей в модельной смеси.

Материалы и оборудование: экспресс-тесты для полуколичественного определения суммарного содержания 2- и 3- валентного железа, активного хлора, хромат- и нитрат-ионов. Колориметрические шкалы для полуколичественного определения содержания ионов меди, никеля и трехвалентного железа; нитрат кадмия Cd(NO3)2, перекись водорода Н2O2, гидроксид натрия NaOH, часовые стекла, пинцет, пробирки объемом 10 см3.

Ход работы

Получите у преподавателя модельную смесь сточных вод определенного типа промышленного предприятия с указанием содержащихся в ней компонентов-загрязнителей.

1.Определение суммарного содержания железа с помощью «феррум-теста».

От полоски индикаторной бумаги отрезать небольшой рабочий участок размером не менее 5х5 мм. Не снимая полимерного покрытия, опустить индикаторную полоску на 5-10 секунд в исследуемый раствор. Через 5 минут сравнить окраску индикаторной бумаги с контрольной шкалой, прилагаемой к тесту. За результат принимают значение концентрации, соответствующее ближайшему по окраске образцу шкалы. При промежуточной окраске за результат принимают соответствующий интервал концентраций.

2.Определение содержания хромат-ионов с помощью «хроматтеста».

При значениях pH от 2 до 5 от полоски индикаторной бумаги отрезают рабочий участок размером не менее 10х10 мм. На рабочий участок наносят каплю анализируемого раствора до образования

9