Щелочность. Углекислотное равновесие воды

Процесс вступающих в реакцию с сильными кислотами, т.е. ионами водорода, веществ, находящихся в воде — щелочность. Данный критерий является одной из важнейших характеристик природной воды.

Щелочность воды сильно зависит от состояния соединений углекислоты.

Углекислота может присутствовать в воде в виде недиссоциированных молекул (небольшое количество), растворенного и гидрокарбонатов (бикарбонатов) , если воды менее 8,4 и в виде карбонатов , если более 8,4.

Количественное соотношение между различными соединениями углекислоты определяется уравнением диссоциации первой и второй ступени.

Первая ступень диссоциации:

;

.

Вторая ступень диссоциации:

;

.

Константы диссоциации первой и второй ступени и зависят от концентрации ионов водорода, поэтому существование различных форм углекислоты в растворе определяется значением среды.

Так, при углекислота в воде представленная лишь диоксидом углерода – уменьшается, а доля гидрокарбонатов, следовательно, возрастает. При практически вся углекислота находится в виде гидрокарбонатов. При значениях и выше свободного в воде нет.

Жесткость. Общая жесткость воды зависит от концентрации катионов

двухвалентных щелочноземельных металлов, главным образом кальция и магния в составе воды. Определение жесткости воды производится лишь для природных и питьевых вод. В сточных водах этот показатель значения не имеет.

Общая жесткость

,

где 20,04 и 12,16 – эквивалентные массы С𝑎 и 𝑀𝑔 соответственно.

Жесткость воды различают как карбонатную, так и некарбонатную. Количество , эквивалентное содержанию гидрокорбонатов , называется карбонатной жесткостью и обозначается . Если количество гидрокарбонатов в воде превышает содержание , то карбонатная жесткость эквивалентна суммарному содержанию . При

.

В табл. 7 приведена степень жесткости природных вод.

Таблица 7

Степень жёсткости природных вод

Характеристика воды	Жесткость, мг-экв./л	Характеристика воды	Жесткость, мг-экв./л
Мягкая Средней жесткости	< 4 4-8	Жесткая Очень жесткая	8-12 >12

Если же содержание ионов кальция и магния выше, чем количество гидрокарбонатов, то карбонатная жесткость равна концентрации При

.

Разность между общей и карбонатной жесткостью называется некарбонатной жесткостью:

Жесткость речных вод невелика (1-6 мг-экв./л). Вода подземных источников имеет более высокую жесткость, чем поверхностные воды.

Соединения азота и фосфора.

Азот в воде может находиться в виде органических соединений — белковых и небелковых, и неорганических — в виде аммонийного, нитритного и нитратного азота.

Если в природной воде обнаруживается повышенное количество азота в виде органических соединений или в аммонийной форме, то это свидетельствует о загрязнении водоисточника сточными водами. В питьевой воде не допускается наличия органического и аммонийного азота.

В речных водах содержание азота аммонийных солей колеблется от 0 до 1 мг/л в зависимости от степени ее загрязненности.

Так как азот и фосфор являются важнейшими элементами питания бактерий, определение этих элементов и их соединений в сточных водах имеет большое значение.

Одним из основных способов очистки сточных вод является биологическая очистка, которая происходит под действием активного или (совокупность различных микроорганизмов).

Достаточность элементов питания для микроорганизмов в процессе биологической очистки, определяется отношением основных показателей анализа (БПК-биологическое потребление кислорода). N-азот в аммонийной форме, а P-фосфор в виде растворенных фосфатов. Обычно считают, что для процессов аэробного окисления должно быть обеспечено соотношение В табл. 8 дана схема превращения азота.

Таблица 8

Схема превращения азота

Форма азотного соединения			Условия для превращения		Сооружения
исходная	образующая
Мочевина	Аммонийный азот	Факультативные		Канализационная сеть
Белковый азот фекалий	Аминокислоты, аммонийный азот	Факультативные		Аэротенки, биофильтры, метантенки и др.
Аммонийный азот	Белковый азот бактериальных клеток, водорослей	Факультативные		Биофильтры, метантенки, водоемы, пруды и т.д.
Белковый азот бактериальных клеток	Аминокислоты, аммонийный азот	Факультативные		То же
Аммонийный азот	Нитриты, нитраты	Анаэробные		Нитрификаторы
Нитриты, нитраты	Азот	Анаэробные		Денитрификаторы
Нитриты, нитраты	Азот клеток водорослей	Факультативные		Водоемы, пруды

Как видно из табл. 8 в водоем не должны попадать азотные соединения ни в восстановленной, ни в окисленной форме.

Переход аммонийного азота в нитриты и нитраты идет с большой затратой кислорода:

.

При денитрификации кислород выделяется

;

.

При денитрификации (сложный многостадийный процесс) конечными предметами распада могут быть молекулярный азот, аммиак, либо окислы азота. Денитрификация сточных вод, как правило, идет с образованием молекулярного азота.

Содержание фосфатов в питьевой воде нормируется по в виде гексаметофосфатов и триполифосфатов до 3,5 мг/л.

Виды окисляемости. Окисляемость — определение общего содержания в воде восстановителей — органических и неорганических. Как в природных, так и в сточных водах определяют органические восстановители, т.е. всю величину окисляемости относят к органическим примесям воды. Различают химическую и биохимическую окисляемость. Если в качестве окислителя используется химический окислитель — химическая окисляемость. Если же окисление идет с помощью аэробных бактерий — биохимическая окисляемость.

Химическая окисляемость определяется с использованием бихромата калия — «бихроматная окисляемость», или йодата калия «йодатная окисляемость». Эти два типа окисляемости называют химической потребностью в кислороде ХПК.

Биохимическая окисляемость БПК — при ее определении окислителями являются бактерии, способные существовать за счет использования загрязнений воды в качестве источника питания. Использованные органические вещества (загрязнения) расходуются на энергетические нужды бактерий, а другая часть — на синтез тела клетки. Продукты окисления выводятся из клетки во внешнюю среду. Суммарное количество кислорода, требуемое микроорганизмам на цикл реакции синтеза и получения энергии, и есть БПК.

Если все органические вещества сточной воды обозначить то суммарно реакции биологического окисления моно представить:

,

где среднее соотношение основных элементов в клеточном веществе бактерий.

Две первые реакции данной схемы показывают биохимический процесс очистки сточной воды от исходных загрязнений (состава ).

Такой процесс происходит на биофильтрах, аэротенках, биопрудах и т.п. первая реакция — окисление вещества на энергетические потребности клетки, вторая — на синтез клеточного вещества Затратой кислорода на эти две реакции является полная БПК ( ).

Величина — важнейшая технологическая характеристика процесса биологической очистки воды в любых биоокислителях.