ски, креветки, крабы, отдельны экземпляры рыб. Здесь встречаются хемосинтезирующие серобактерии. Жизнь зародилась в океане более 3 млрд лет назад и положила начало формированию биосферы.

4.3. Использование воды человеком

Человек активно использует водные экосистемы для удовлетворения своих потребностей. Большие объёмы воды используются в промышленности для охлаждения, промывания, в качестве реакционных вод. В сельском хозяйстве вода используется для полива, ухода за животными. Большое количество воды расходуется на бытовые нужды населения. В зависимости от назначения к воде предъявляются различные требования, а после использования сточные воды содержат большое количество загрязняющих веществ, физические параметры воды (температура, прозрачность, цвет) также могут отличаться от естественных. Для сохранения естественных водных экосистем человек должен контролировать уровень антропогенного вмешательства в природные процессы, происходящие в природных экосистемах, и ограничивать его.

4.3.1. Источники загрязнения воды

Различают химическое (минеральное и органическое), биологическое (в том числе бактериальное), физическое (тепловое, радиоактивное), механическое (твердые нерастворимые в воде частицы) виды загрязнений. Наиболее распространенные и опасные загрязняющие гидросферу вещества – это нефть и нефтепродукты, кислоты, щёлочи, соли тяжёлых металлов, сульфиды, аммиак, фенолы, поверхностноактивные вещества (детергенты), биогенные элементы (соединения азота и фосфора), болезнетворные бактерии.

Основными источниками загрязнения водоёмов являются промышленные и коммунальные сточные воды; атмосферные осадки, сельское хозяйство. Вместе с атмосферными осадками в водоёмы попадают многие загрязняющие вещества: оксиды серы, азота, сажа, пыль, аэрозоли. Оксиды серы и азота, растворяясь в воде, образуют кислоты (так называемые кислотные дожди), при попадании которых в водоём происходит его закисление. Смещение рН воды ведёт к гибели сначала фитопланктона, затем более крупных гидробионтов. При рН < 5 происходит массовая гибель рыб. Из растений в кислой

36

среде могут существовать полушник (Jsoetes), ежеголовник (Sparganium). Хорошо развиваются в кислой среде серобактерии.

Промышленные сточные воды подразделяются на реакционные, промывные и охлаждающие. Реакционные сточные воды образуются в ходе химических реакций и могут содержать примеси как исходных реагирующих веществ, так и продуктов химической реакции. В процессе переработки сырья, содержащего свободную или связанную воду, эта вода может быть выделена и также попадает в промышленные стоки. Промывные воды содержат примеси как основного продукта, так и загрязняющих его веществ. Часто вода на производстве используется для выделения из газов каких-либо компонентов (экстракция, абсорбция), в этом случае она загрязнена выделенными или поглощенными компонентами. Охлаждающие воды, не соприкасающиеся с реакционной зоной, обычно имеют температуру, отличающуюся от естественной, сброс такой воды приводит к тепловому загрязнению.

Коммунальные сточные воды загрязнены органическими веществами, бактериями, моющими средствами (детергентами). Попадание в водоём болезнетворных бактерий может вызвать вспышку инфекционных заболеваний. Поверхностно-активные вещества (ПАВ), составляющие основу современных моющих средств, плохо разлагаются в природной среде. Образуя на поверхности водоёма пену, они препятствуют нормальному газообмену, проникновению в воду солнечного света, из-за чего нарушается процесс фотосинтеза. Многие ПАВ обладают раздражающим действием и могут приводить к возникновению дерматозов и других заболеваний.

Источником загрязнения водоёмов является и сельское хозяйство. Внесение в почву минеральных удобрений и пестицидов в количествах, превышающих потребности, приводит к проникновению этих веществ в грунтовые воды, к смыву их дождевыми и талыми водами в соседние водоёмы. Большое количество азотных и фосфорных удобрений приводит к цветению (эвтрофикации) водоёмов – бурному развитию сине-зелёных водорослей, фитопланктона. Увеличивается количество питающихся фитопланктоном организмов – зоопланктона. Это приводит к снижению прозрачности воды. Глубина проникновения солнечных лучей уменьшается, что приводит к гибели донных растений. После отмирания донных водных растений наступает черед гибели прочих организмов, которым эти растения создают места обитания или для которых они являются вышерасположенным звеном пищевой цепи. Сильно разросшиеся в верхних слоях воды растения в

37

процессе дыхания поглощают почти весь растворенный в воде кислород, из-за чего его количество, особенно в предутренние часы, резко падает, начинается замор рыбы, вода приобретает гнилостный запах и темный цвет, становится непригодной для использования.

4.3.2. Нормирование качества воды

Основными документами, по которым проводят нормирование качества воды рек, озёр и водохранилищ, являются приказ Федерального агентства по рыболовству от 18 января 2010 года № 20 «Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения», СанПиН 2.1.5.980 – 00 «Гигиенические требования к охране поверхностных вод», ГН 2.1.5.1315 – 03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования».

Главный норматив качества воды – предельно допустимая концентрация (ПДК). Это такое максимально допустимое количество вредных веществ или микроорганизмов в единице объёма воды, при котором еще не наносится ни прямого, ни косвенного вреда здоровью человека и его потомству. Единицы измерения ПДК – мг/дм3.

В табл. 2 приведены количественные показатели и значения ПДК различных веществ в воде хозяйственно-питьевого и культурнобытового водопользования [ГН 2.1.5.1315 – 03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования»].

При обнаружении в воде химических веществ, обладающих эффектом суммации, то есть усиливающих вредное воздействие при совместном присутствии, безопасными считаются концентрации веществ, удовлетворяющих следующему неравенству:

Ci 1,

ПДКi

где Ci – концентрация каждого загрязняющего вещества, обладающего эффектом суммации;

ПДКi – предельно допустимая концентрация этого вещества, мг/дм3.

38

Таблица 2

Общие требования к составу и свойствам воды водных объектов питьевого, хозяйственно-бытового и рекреационного водопользования

39

Примечания:

*Содержание в воде взвешенных веществ неприродного происхождения (хлопья гидроксидов металлов, образующихся при обработке сточных вод, частички асбеста, стекловолокна, базальта, капрона, лавсана и т. д.) не допускается.

**Для централизованного водоснабжения, при нецентрализованном питьевом водоснабжении вода подлежит обеззараживанию.

***В случае превышения указанных уровней радиоактивного загрязнения контролируемой воды проводится дополнительный контроль радионуклидного загрязнения в соответствии с действующими нормами радиационной безопасности;

Ai – удельная активность i-го радионуклида в воде;

YBi – соответствующий уровень вмешательства для i-го радионуклида (приложение П-2 НРБ-99).

40

При нормировании качества воды в водоёмах питьевого водоснабжения различают общесанитарный, органолептический и сани- тарно-токсикологический лимитирующие показатели вредности.

Общесанитарный показатель – это максимальная концентрация вредных веществ, не приводящая к нарушению процессов естественного самоочищения водоёмов.

Органолептический показатель вредности – это максимальная концентрация загрязняющих веществ в воде, при которой не обнаруживаются неприемлемые для населения изменения цвета, запаха, прозрачности и вкуса воды.

Санитарно-токсикологический показатель вредности – это максимальная концентрация вредных веществ, не оказывающая неблагоприятного воздействия на состояние здоровья человека.

СанПиН 2.1.5.980 – 00 запрещает сброс в водоёмы бытовых и промышленных сточных вод, если:

-этого можно избежать;

-в них содержатся ценные отходы, которые можно утилизировать;

-в них содержатся загрязняющие вещества в количествах, превышающих установленные нормативы;

-они могут быть использованы в оборотной системе водоснаб-

жения.

К воде, предназначенной для рыбохозяйственного использования, предъявляются более жёсткие требования, так как вредные вещества, содержащиеся в воде, могут накапливаться в организмах рыб и их суммарное содержание превысит безопасные концентрации.

Лабораторная работа № 4

Определение органолептических и общесанитарных показателей воды

Опыт 1. Определение запаха воды.

В бюкс с притертой пробкой налить исследуемую воду (2/3 объёма) и сильно встряхнуть в закрытом состоянии. Затем открыть пробку и сразу же отметить характер и интенсивность запаха. Качественная оценка заключается в описании характера запаха: хлорный, землистый, болотный, лекарственный, нефтяной, гнилостный и т.п.

Количественная оценка производится в соответствии с табл. 3.

41

При определении запаха в лаборатории не должно быть ощутимых запахов, руки и одежда определяющего не должны пахнуть. Одному и тому же лицу нельзя производить определение запаха длительное время, так как наступает привыкание и утомляемость.

Опыт 2. Определение кислотности воды.

Кислотность (рН) – один из наиболее важных показателей при химическом анализе воды. В природных водах кислотность обычно зависит от соотношения концентрации различных форм угольной кислоты, от присутствия органических кислот и солей, подвергающихся гидролизу (разложению солей под действием воды).

Полоску индикаторной бумаги опустить в исследуемую воду и сразу же сравнить со шкалой бумажного универсального индикатора. Значение рН воды принимается равным тому значению шкалы, с которой совпадает цвет полоски бумажного индикатора.

Опыт 3. Определение цветности воды.

Цветность природных вод обусловлена наличием в ней солей железа. Повышенной цветностью обладает вода рек, имеющих болотный тип питания (реки северных областей). Оценивают цветность в градусах. Определение цвета производят только в прозрачной воде. Если вода непрозрачная, её фильтруют.

Исследуемую воду наливают в цилиндр такого же объёма, как и цилиндры со стандартной шкалой цветности. Цвет исследуемой воды сравнивают со стандартными растворами, рассматривая их сверху.

Шкала имеет шаг 5 о (5, 10, 15, 20, 25 и 30 о).

42

Опыт 4. Определение временной жёсткости воды.

Природная вода в своем составе содержит соли кальция и магния. Содержание солей этих металлов, выраженное в моль эквивалента на 1 дм3 воды, называется жёсткостью воды. В зависимости от содержания ионов кальция и магния различают следующие группы воды:

до 1,5 ммоль/дм3 – очень мягкая; 1,5 – 4,0 ммоль/дм3 – мягкая; 4,0 – 8,0 ммоль/дм3 – средняя; 8,0 – 12,0 ммоль/дм3 – жёсткая;

более 12,0 ммоль/дм3 – очень жёсткая.

Различают временную и постоянную жёсткость воды. Временная (карбонатная) жёсткость обусловлена присутствием в воде гидрокарбонатов кальция Ca(HCO3)2 и магния Mg(HCO3)2. Этот вид жёсткости легко устраняется кипячением воды. Постоянная жёсткость обусловлена присутствием в воде хлоридов и сульфатов кальция и магния (CaSO4, CaCl2, MgSO4, MgCl2).

Временная жёсткость определяется методом кислотноосновного титрования растворов хлороводородной кислоты. При этом в растворе происходит следующая химическая реакция:

Ca(HCO3)2 + 2HCl → CaCl2 + 2CO2 + 2H2O.

Для определения момента окончания титрования в раствор добавляют индикатор метиловый оранжевый. В воде индикатор окрашен в жёлтый цвет. Пока в воде присутствуют гидрокарбонаты, хлороводородная кислота расходуется на реакцию с ними. В тот момент, как все гидрокарбонаты вступят в реакцию, первая лишняя капля кислоты изменит окраску индикатора в оранжевый цвет. В этот момент следует прекратить добавление кислоты в воду. Если кислоты добавить слишком много (перетитровать раствор), индикатор изменит окраску в розовый цвет.

Работа выполняется следующим образом. В чистую коническую колбу объёмом 250 см3 налить с помощью мерного цилиндра 100 см3 исследуемой природной воды. К содержимому колбы добавить 3 – 5 капель индикатора метилового оранжевого. В чистую стеклянную бюретку объёмом 25 см3 налить 0,1 Н раствор хлороводородной кислоты (HCl) до нулевой отметки, при этом носик бюретки должен быть полностью заполнен раствором кислоты. По каплям добавлять кислоту в колбу с водой, постоянно перемешивая раствор. После того, как цвет раствора изменится на оранжевый, титрование прекратить. Отметить объём раствора кислоты, затраченный на титрование, с точ-

43

ностью до десятых долей миллилитра. Опыт повторить. Результаты параллельных определений не должны отличаться больше, чем на 0,2 см3. Если расхождение между результатами больше, следует повторять опыт до получения удовлетворительных результатов.

Расчет временной жёсткости, моль/дм3, проводят по формуле, подставляя в него среднее значение объемов кислоты, пошедшее на титрование в параллельных опытах:

где VHCl – средний объём кислоты, израсходованный на титрование, см3; VH2O – объём воды, взятый для анализа, см3;

– концентрация кислоты, моль/дм3.

Опыт 5. Определение общей жёсткости.

Общая жёсткость определяется суммарным содержанием гидрокарбонатов, хлоридов и сульфатов кальция и магния. Для её определения используют метод комплексонометрического титрования. Реакция проводится в щелочной среде, которая создается добавлением аммиачного буферного раствора. В колбу с водой и буферным раствором добавляют индикатор хромоген чёрный, который образует с ионами кальция и магния неустойчивый комплекс, окрашенный в си-

реневый цвет:

Ca2+ + Na2X → CaX + 2Na+,

где Na2X – хромоген чёрный;

CaX – неустойчивый комплекс индикатора с ионами кальция.

После добавления к раствору по каплям раствора трилона Б (этилендиаминтетраацетат натрия) происходит химическая реакция, в ходе которой трилон Б вытесняет индикатор, образуя с ионами кальция и магния бесцветный устойчивый комплекс:

CaX + Na2R → CaR + Na2X,

где Na2R – трилон Б;

CaR – бесцветный устойчивый комплекс трилона Б с ионами кальция. После того, как весь неустойчивый комплекс индикатора с ионами кальция и магния будет разрушен, раствор изменит окраску на светло-

синюю. Это указывает на необходимость прекратить титрование. Работу выполняют следующим образом. В чистую коническую

колбу объёмом 250 см3 с помощью мерного цилиндра наливают 100 см3 исследуемой воды, добавляют к ней 5 см3 аммиачного буферного рас-

44

твора, 7 – 9 капель индикатора хромогена чёрного. Смесь хорошо перемешивают. В чистую бюретку наливают 0,05 Н раствор трилона Б до нулевой отметки, обращая внимание на то, чтобы носик бюретки был полностью заполнен раствором. Затем по каплям прибавляют раствор трилона Б из бюретки в колбу до изменения окраски из сиреневой в синюю. После этого прекращают добавление раствора трилона Б, отмечают объём раствора, израсходованный на титрование. Опыт повторяют, при этом результаты параллельных определений не должны отличаться больше чем на 0,2 см3. Если расхождение в параллельных опытах получилось больше, выполняют еще несколько повторных опытов до тех пор, пока не получатся удовлетворительные результаты. Расчет общей жёсткости, моль/дм3, производят по формуле

Жобщ VTP CTP 1000 ,

VH2O

где VТР – средний объём раствор трилона Б, израсходованный на титрование, см3; СТР – концентрация трилона Б, моль/дм3;

VH2O – объём воды, взятый для анализа, см3.

Постоянную жёсткость вычисляют по разности между величиной общей и временной жёсткости:

Жпост =Жобщ – Жвр.

Результаты всех проведенных опытов заносят в табл. 4.

Таблица 4

Результаты определения органолептических и общесанитарных показателей качества воды

По результатам работы делают вывод о соответствии исследуемой воды нормативным показателям.

Контрольные вопросы и задания

1.Назовите классификацию водных экосистем.

2.На какие экологические группы подразделяют обитателей водоёмов?

45