265

Ход работы

Цветность можно определять визуально. Для этого в колориметрический цилиндр наливают 100 cм3 профильтрованной исследуемой воды и, просматривая окраску контрольных растворов сверху вниз, находят цилиндр, окраска жидкости в котором совпадает с окраской воды в цилиндре с исследуемой водой.

Цветность можно более точно определить на фотоколориметре. Для этого строят градуированный график по хромово-кобальтовой шкале цветности. Растворы с различной цветностью фотометрируют в кювете на 5 см в синей части спектра относительно профильтрованной дистиллированной воды.

При цветности выше 35° водопотребление ограничивают.

Опыт 6. Определение вкусов и привкусов

Вкус и привкус определяются в баллах. Без привкусов называется такая вода, привкусы которой не превышают 2 баллов. Определение ведется с заведомо безопасной водой при 20 °С. Воду набирают в рот малыми порциями, не проглатывая. Отмечают наличие вкуса (соленый, горький, кислый, сладкий) или привкуса (щелочной, железистый, металлический, вяжущий и т. д.) и их интенсивность в баллах по шкале, аналогично определению интенсивности запаха.

При интенсивности запахов и привкусов выше 2 баллов ограничивается водопотребление, т.к. сильные запахи и привкусы могут быть показателями загрязнения воды загрязненными сточными водами или свидетельствуют о наличии биологически активных веществ, выделяемых сине-зелеными водорослями.

Лабораторная работа 2. Определение химического состава

Опыт 1. Определение сухого остатка

Сухой остаток - это количество растворенных солей в миллиграммах, содержащееся в 1 дм3 воды. Масса органических веществ в сухом остатке не превышает 10…15 %. Сухой остаток дает представление о степени

минерализации воды. Минеральный состав воды на 85 % и более обусловлен катионами Ca2+, Mg2+, Na+ и анионами HCO3-, Сl-, SO42-.

Остальная часть минерального состава представлена макроэлементами Na+, K+, РО43- и др. и микроэлементами Fe2+, Fe3+, I-, Cu2+ и др.

Воду с сухим остатком до 1000 мг/дм3 называют пресной, свыше 1000 мг/дм3 – минерализованной. Вода, содержащая избыточное

11

количество минеральных солей, непригодна для питья, т.к. имеет соленый или горько-соленый вкус, а ее употребление (в зависимости от состава солей) приводит к различным неблагополучным физиологическим отклонениям в организме. С другой стороны, слабо минерализованная вода с сухим остатком ниже 50…100 мг/дм3 неприятна на вкус, длительное употребление может привести к некоторым неблагоприятным физиологическим сдвигам в организме (уменьшение содержания хлоридов в тканях и др.). Такая вода, как правило, содержит мало фтора и других микроэлементов. Воду, содержащую 20…100 мг/дм3 солей, считают слабо минерализованной, 100…300 мг/дм3 – удовлетворительно минерализованной, 300…500 мг/дм3 - повышено минерализованной.

Оборудование:

1)сушильный шкаф;

2)эксикатор;

3)весы;

4)беззольный фильтр;

5)колба коническая на 250 см3;

6)чашка фарфоровая;

7)воронка для фильтрования;

8)водяная баня.

Материал - вода водоема.

Ход работы

Фарфоровую чашку 2 часа выдерживают в сушильном шкафу при температуре 110 °C, затем охлаждают в эксикаторе и взвешивают на весах. Из общего объема профильтрованной через беззольный фильтр исследуемой воды 250 см3 отливают небольшими порциями в фарфоровую чашку и выпаривают на водяной бане. После выпаривания чашку выдерживают в сушильном шкафу при температуре 110 °C до постоянной массы, охлаждают и взвешивают.

Расчет производят по формуле

х (a a1) 1000 , v

где х – масса сухого остатка в исследуемом объеме воды (мг/дм3); а – масса чашки с сухим остатком, мг; а1 – масса пустой чашки, мг;

v – объем воды, взятый для определения, см3.

12

Опыт 2. Определение поверхностно-активных веществ (ПАВ)

Под ПАВ подразумевают вещества, которые входят в состав моющих средств. Это одна или несколько групп поверхностно-активных агентов и несколько связывающих компонентов. Первые уменьшают поверхностное натяжение жидкости, в которой они растворяются и образуют стабильную эмульсию или суспензию с частицами удаляемых загрязнений. Связывающие компоненты снижают жесткость воды за счет образования с водой щелочного раствора, в котором моющие свойства поверхностно-активных групп особенно эффективны. Поверхностноактивные агенты могут быть анионоактивными, катионоактивными и неионогенными.

Гидрофильные волокна (хлопок, шерсть, шелк) очищаются анионоактивными агентами. Полиамидные и полиэфирные волокна гидрофобны, они лучше очищаются в присутствии неионогенных веществ. Анионоактивные ПАВ начали применяться раньше других и до сих пор они являются основными ПАВ. В качестве связывающих компонентов наиболее часто применяют смеси полифосфатов с триполифосфатом натрия (Na5P3O10). Активный связывающий агент ион (P3O10)5- взаимодействует с ионами Ca2+ и Mg2+ в воде и в твердых загрязнениях.

Поверхностно-активные и связывающие агенты, попадая в водоем, загрязняют воду, причем скорость их разложения в воде низкая. Поэтому снижается эффективность работы биологических фильтров и отстойников из-за стабилизации коллоидных суспензий. Сточные воды с ПАВ образуют пену, в которой концентрируются микробы, в том числе и болезнетворные. Полифосфатные связывающие агенты в воде гидролизуются, образуя монофосфаты, т.е. поставляют биогенный элемент (фосфор) в водоем, вызывая тем самым разрастание водных растений с последующим отмиранием, сопутствуя эвтрофикации водоема. Предельно допустимая концентрация большинства анионоактивных веществ в воде водоемов

0,5 мг/дм3.

Метод определения ПАВ основан на взаимодействии анионоактивных веществ с метиленовым синим с последующим образованием растворимого в хлороформе окрашенного соединения. Это соединение экстрагируют в щелочной среде, промывают кислым раствором метиленового синего, чем устраняют мешающее влияние хлоридов, нитратов, роданидов и белков. Влияние катионоактивных ПАВ, сульфидов (восстанавливающих метиленовый синий) устраняют добавлением к пробе пероксида водорода. Чувствительность экспрессметода 0,1 мг/дм3. Этот метод позволяет проводить определение в полевых условиях.

13

Оборудование, реактивы:

1)фотоколориметр;

2)пробирки на 20 см3;

3)пипетки на 1 см3, 10 см3 с делениями;

4)мерные колбы на 100 см3, 1000 см3;

5)дистиллированная вода;

6)пероксид водорода (H2O2), 3 %-ный раствор. Применяется свежеприготовленным;

7)фосфатный буферный раствор рН 10. Один грамм гидроортофосфата натрия (Na2HPO4) (безводного) растворяют в дистиллированной воде, добавлением раствора гидроксида натрия (NaOH) доводят рН до 10, разбавляют до 100 см3 дистиллированной водой и перемешивают;

8)нейтральный раствор метиленового синего. 175 мг метиленового синего растворяют в дистиллированной воде и разбавляют водой до 1000 см3;

9)серная кислота, 0,3 %-ный раствор. 3 см3 концентрированной H2SO4 разбавляют дистиллированной водой до 1000 см3;

10)хлороформ;

11)стандартные растворы ПАВ (лаурилсульфанат натрия или сульфанол):

а) для приготовления основного стандартного раствора 0,1 г чистого вещества растворяют в 1 дм3 дистиллированной воды (в 1 см3 раствора содержится 0,1 г анионоактивного вещества);

б) для приготовления рабочего стандартного раствора 10 см3 основного раствора разбавляют до 100 см3 дистиллированной водой (в 1 см3 раствора содержится 0,01 мг активного вещества). Применяют свежеприготовленным.

Материал - вода, загрязненная бытовыми стоками.

Ход работы

В пробирку объемом 20 см3 вносят 10 см3 исследуемой воды и последовательно прибавляют 1 см3 3 %-ного пероксида водорода, 1 см3 фосфатного буферного раствора, 1 см3 метиленового синего. После добавления каждого реактива раствор перемешивают. Затем добавляют 3 см3 хлороформа, осторожно перемешивают в течение 1 мин, приливают 1 см3 0,3 %-ного раствора H2SO4 и снова перемешивают 1 мин. После разделения слоев колориметрируют, сравнивая окраску нижнего хлороформного слоя с окраской соответствующего стандартного раствора на белом фоне.

Приготовление шкалы

В ряд колориметрических пробирок вносят 0 – 0,1 – 0,2 – 0,3 – 0,4 – 0,5 – 0,6 – 0,8 – 1 см3 рабочего стандартного раствора, разбавляют до 10 см3 дистиллированной водой, получают соответственно концентрации

14

вещества 0 – 0,1 – 0,2 – 0,3 – 0,4 – 0,5 – 0,6 – 0,8 – 1 мг/дм3. Добавляют все реактивы и проводят все операции как при исследовании пробы.

Опыт 3. Определение содержания хлора

Обеззараживание питьевой воды

При улучшении качества воды на водопроводных очистных сооружениях и при сбросе биологически очищенных бытовых сточных вод в водные объекты необходимо проводить обеззараживание. Методы обеззараживания воды при водоподготовке можно подразделить на четыре основных группы: термический; при помощи сильных окислителей; олигодинамия (воздействие ионов благородных металлов); физический (с помощью ультразвука, радиоактивного излучения, ультрафиолетовых лучей). Наиболее широко применяются методы второй группы. В качестве окислителей используются хлор, диоксид хлора, озон, гипохлорит натрия и кальция, йод, марганцовокислый калий, перекись водорода. На практике предпочтение отдается хлору, гипохлориту натрия, озону.

Коагуляция воды и последующее отстаивание и фильтрование снижает уровень значительной части (90...95 %) бактерий. Однако среди оставшейся части могут оказаться болезнетворные бактерии и вирусы, поэтому профильтрованную воду, если она используется для хозяйственно-питьевого водоснабжения, обязательно обеззараживают (подземную воду в большинстве случаев можно использовать без обеззараживания).

Определение свободного активного хлора в воде

При контроле обеззараживания воды хлором и озоном на водопроводах с подземными и поверхностными источниками водоснабжения концентрацию остаточного хлора (озона) определяют не реже одного раза в час по ГОСТ 18301. Содержание активного остаточного хлора в воде после резервуаров чистой воды должно быть в пределах, указанных в табл. 4.

15

Наличие хлорноватистой кислоты НОСl и гипохлорит-ионов рассматривается как присутствие в воде свободного активного хлора.

Если в хлорируемой воде содержится природный аммиак или азотсодержащие органические соединения (например, аминокислоты), то свободный активный хлор вступает с ними во взаимодействие и образует хлорамины и другие хлорпроизводные. Хлор, присутствующий в воде в виде соединений с вышеназванными веществами, рассматривается как связанный активный хлор. Окислительная способность связанного активного хлора значительно ниже, чем у свободного активного хлора.

При совместном присутствии свободного и связанного хлора, при концентрации свободного хлора более 0,3 мг/дм3 контроль осуществляется по пункту 1, при концентрации свободного хлора менее 0,3 мг/дм3 – по пункту 2 (см. табл. 4). В отдельных случаях по указанию органов санитарно-эпидемиологического надзора (СЭН) или по согласованию с ними допускается повышенная концентрация остаточного хлора в воде.

Питьевая вода проверяется и по микробиологическим показателям. Согласно ГОСТ 2874 число микроорганизмов в 1 см3 воды не должно превышать 100. Число бактерий группы кишечных палочек (БГКП) в 1 дм3 (колииндекс) не должно превышать 3 (колититр – более 300 см3, так как титр равен 1000/индекс). На водопроводах с подземным источником водоснабжения при наличии обеззараживания микробиологический анализ должен проводиться один раз в неделю – при численности населения до 20000 человек; три раза в неделю – при численности населения до 50000 человек; ежедневно – при численности населения более 50000 человек. При отсутствии обеззараживания микробиологический анализ должен проводиться не менее одного раза в месяц – при численности населения до 20000 человек; не менее двух раз в месяц – при численности населения до 50000 человек.

На водопроводах с поверхностным источником водоснабжения микробиологический анализ должен проводиться не реже одного раза в неделю. В весенний и осенний периоды при численности населения до 10000 человек – ежедневно; более 10000 человек – не реже одного раза в сутки.

При необходимости борьбы с биологическими обрастаниями в водопроводной сети места введения и дозы хлора согласовываются с органами СЭН. Под действием хлора или его производных бактерии, находящиеся в воде, погибают. Хлор действует и на органические вещества, окисляя их, поэтому хлорирование является также хорошим средством, предотвращающим размножение в воде микроорганизмов. Для эффекта хлорирования необходимо хорошее перемешивание, а затем не менее чем 30-минутный (при совместном хлорировании и аммонизации 60-минутный) контакт хлора с водой, прежде чем вода поступит к

16

потребителю. Контакт может происходить в резервуаре чистой воды или в трубопроводе, по которому вода подается потребителям, если трубопровод имеет достаточную длину.

Дозу хлора устанавливают пробным хлорированием из расчета, чтобы в 1 дм3 воды, поступившей к потребителю, оставалось 0,3...0,5 мг хлора, не вступившего в реакцию (остаточного), который является показателем достаточности принятой дозы хлора. При этом условии доза хлора при хлорировании фильтрованной воды составляет 0,5...2,0 мг/дм3 в зависимости от так называемой хлорпоглощаемости воды, а при хлорировании нефильтрованной речной воды может достигать 5...8 мг/дм3 и более.

Хлорирование дозами, согласующимися с кривой остаточного хлора, предусматривает предварительное выявление дозы хлора, которую надо вводить в воду для получения удовлетворительной величины остаточного хлора. Кривая остаточного хлора строится на основе опытного хлорирования данной воды различными дозами хлора. Величина остаточного хлора возрастает в определенной пропорции к количеству вводимого хлора. Когда это количество становится достаточным для окисления органических веществ, вызывающих привкус и запах, величина остаточного хлора падает до минимума, а привкус и запах воды исчезают. Это соответствует так называемой точке перелома кривой. За этой точкой дальнейшее увеличение дозы подаваемого хлора будет уже прогрессивно увеличивать содержание остаточного хлора.

Точка перелома (точка минимального количества остаточного хлора) зависит, прежде всего, от содержания аммиака в воде. Теоретическое количество хлора, требуемое для достижения точки перелома, в 7,5...10 раз превышает содержание в воде аммиачного азота. Практически, вследствие присутствия органических веществ, для достижения этой точки требуется примерно в 10...25 раз больше хлора. Если доза хлора лежит за точкой перелома, остаточный хлор представляет собой в основном свободный активный хлор.

При хлорировании воды, содержащей свободный аммиак, сначала образуются хлорамины. Следовательно, на первом участке кривой хлор присутствует в виде смеси моно- и дихлораминов:

Момент, когда весь аммиак, содержащийся в воде, уже израсходован на образование хлораминов, соответствует пику на участке кривой остаточного хлора до точки перелома. На этом участке остаточный хлор является связанным. Затем при наличии избытка хлора происходит взаимодействие его с хлораминами по уравнениям:

17

В результате такого взаимодействия резко падает величина остаточного хлора (точка перелома). После полного завершения реакций последующее добавление хлора ведет к повышению кривой остаточного хлора. За точкой перелома остаточный хлор - свободный активный.

Для гарантии обеззараживающего действия в воде поддерживают различные остаточные концентрации свободного или связанного активного хлора. Наличие в воде аммиака и аммонийных солей, отвечающих соотношению Сl2:NH3 < 1:1, соответствует образованию хлораминов. Когда молярное соотношение введенного в воду хлора и содержание в ней аммонийных солей будет доведено до 2 (10 мг хлора на 1 мг азота в виде NH4+), все хлорамины будут окислены и содержание остаточного хлора упадет практически до нуля. Если доза хлора будет еще увеличена, то это приведет к повышению концентрации остаточного хлора, который находится уже в виде свободного активного хлора и имеет более высокую бактерицидность. Действие его на бактерии и вирусы будет аналогичным действию активного хлора при отсутствии в воде аммиака и аммонийных солей.

Взаимосвязь концентрации хлора от начального до заданного количества и времени, необходимого для уничтожения бактерий, можно

выразить уравнением

Сn t = К,

где С – концентрация хлора, мг/дм3;

n – показатель степени (при рН, близком к 7, он равен 1,3); t – время контакта хлора с водой, мин;

К – константа резистентности микроорганизмов к действию хлора, которая зависит от вида микроорганизмов и рН среды.

Значение К определяется присутствием в воде тех или иных форм активного хлора при данном значении рН. Для воды, не содержащей солей аммония, при снижении количества бактерий коли до 95 % значение константы составляет К = 0,15 при рН = 7; К = 0,45 при рН = 8,5; К = 4 при рН = 9,8. При наличии в воде солей аммония, когда активный хлор в воде присутствует в виде моно- и дихлораминов, К изменяется от 3,5 при рН = 7

до 400 при рН = 9,5.

Бактерицидный эффект хлорирования в значительной степени зависит от начальной дозы хлора и продолжительности сохранения в воде некоторой его остаточной концентрации. Величина необходимой бактерицидной концентрации остаточного хлора зависит от свойств хлоропоглощаемости воды, т.е. неразрывно связана с общей хлоропотребностью обеззараживаемой воды.

18

Хлоропоглощаемость воды (мг/дм3) представляет собой разность между количеством введенного в обеззараживаемую воду хлора и его концентрацией в воде через некоторый промежуток времени. Обычно хлоропоглощаемость определяют через 30 минут. Хлоропотребность воды равна сумме значения хлоропоглощаемости воды и величины заданной концентрации остаточного хлора в воде, мг/дм3. Увеличение хлоропоглощаемости воды улучшает бактерицидный эффект хлорирования при равной концентрации остаточного хлора, т.к. начальная доза хлора в этом случае всегда выше.

Колититр природной воды не превышает обычно 1000...10000 см3. Остаточный хлор в концентрации 0,5 мг/дм3 при времени контакта 30 минут, как правило, обеспечивает санитарные требования, предъявляемые

кбактериологическому качеству воды.

Вслучае хлорирования с аммонизацией время контакта должно быть увеличено до 1 часа. Такое же время контакта принимают и при обработке воды хлорной известью, а совместно с аммиаком – 1,5 часа.

Для приближенной оценки количества хлора, необходимого для

обеззараживания воды поверхностных источников, дозу принимают 2...3 мг/дм3, а для воды подземных источников – 0,7...1,0 мг/дм3. При введении хлора в воду происходит окисление веществ, входящих в состав протоплазмы клеток бактерий, что вызывает их гибель. Процесс обеззараживания воды хлором протекает в 2 стадии: сначала хлор диффундирует через оболочку клетки микроорганизма, затем вступает в реакцию с энзимами – белковыми катализаторами, которые обеспечивают специфичность и высокую скорость биохимических реакций.

Скорость процесса определяется кинетикой диффузии хлора внутри клетки и кинетикой отмирания клеток вследствие нарушения метаболизма (совокупности процессов биохимического превращения веществ и энергии в живых организмах). С увеличением концентрации хлора в воде, повышением ее температуры и переводом хлора в сравнительно легко диффундирующую, недиссоциированную форму общая скорость процесса обеззараживания возрастает.

Бактерицидность хлора в воде уменьшается с повышением рН, поэтому воду следует обеззараживать хлором до введения в нее щелочных реагентов. В случае присутствия в воде органических соединений, способных окисляться, или восстановителей, а также коллоидных и взвешенных веществ, которые могут обволакивать бактерии, процесс обеззараживания воды замедляется.

Хлорирование воды является надежным средством, предотвращающим распространение эпидемий. Большинство патогенных бактерий (бациллы брюшного тифа и дизентерии, вибрионы холеры, вирусы энцефалита) весьма нестойки по отношению к хлору.

19

Спорообразующие бактерии хлор не уничтожает, что является одним из недостатков этого метода обеззараживания.

При введении хлора в воду происходит его гидролиз с образованием хлорноватистой кислоты:

Сl2 + Н2О ↔ НСlO + НСl.

Хлорноватистая кислота диссоциирует с получением

гипохлоритного иона:

НСlO ↔ СlO- + Н+.

Степень диссоциации хлорноватистой кислоты зависит от рН воды. Окислительное воздействие на микроорганизмы оказывает как сама хлорноватистая кислота, так и, главным образом, гипохлоритный ион. Хлорирование воды осуществляется жидким (газообразным) хлором. На малых водоочистных комплексах (до 3000 м3/сут.) допускается применять хлорную известь. При плюсовых температурах и нормальном атмосферном давлении хлор представляет собой газ зеленовато-желтого цвета с удушливым запахом, плотностью значительно большей, чем плотность воздуха (в 1,5...2,5 раза в зависимости от температуры). При повышении давления (при плюсовых температурах) хлор переходит в жидкое состояние. В таком виде его перевозят и хранят в специальных стальных баллонах (при давлении 0,6...1,0 МПа).

Взависимости от качества исходной воды может применяться различный режим хлорирования. Для природных вод, в которых содержится сравнительно немного органических веществ и бактерий, обычно применяют однократное хлорирование с вводом хлора в фильтрованную воду перед резервуаром чистой воды. При осветлении сильноцветных вод, а также вод с большим содержанием органических веществ и бактерий применяют двукратное хлорирование. При этом хлор

вводу дозируется сначала перед смесителем, а затем в фильтрованную воду перед резервуаром чистой воды.

Назначение предварительного (перед смесителем) хлорирования - окисление органических защитных коллоидов, препятствующих процессу коагуляции, а также окисление гуминовых веществ, обусловливающих цветность воды, проводится с целью экономии коагулянта, затрачиваемого на ее обесцвечивание. Доза хлора на предварительное хлорирование значительно выше той, которая вводится в фильтрованную

воду, и при повышенном содержании органических веществ и высокой цветности может достигать 10 мг/дм3.

Внекоторых случаях необходимо хлорирование воды повышенными дозами хлора, т.е. перехлорирование, которое гарантирует высокий эффект обеззараживания воды и позволяет устранять неприятные привкусы и

20