2.2. Методика проведення дослідження по визначенні гідрохімічного стану водойм Центрального Полісся

Гідрохімічний аналіз природної води має вирішальне значення в практиці водопостачання. Результати аналізу дозволяють встановити придатність джерела для питного й технічного водопостачання, наявність у воді шкідливих для організму забруднень або сполук, які сприяють її корозійній активності, піненню, утворенню накипу та ін.

До хімічних показників відносять встановлення активної реакції води, окислюваності, азотвмістких речовин, розчинених у воді газів, жорсткості та лужності, а також хлоридів, сульфатів, заліза, марганцю та інших елементів.

До основних фізичних показників якості води відносять:

Температура води. У водних об’єктах температура є результатом одночасної дії сонячної радіації, теплообміну з атмосферою, переносу тепла течіями, змішування водних мас та надходження нагрітих вод із зовнішніх джерел. Температура впливає практично на всі процеси, від яких залежить склад та властивість води. Температура води вимірюється у градусах Цельсія (⁰С).

Температуру води визначають за допомогою термометра, який опускають на глибину взяття проби. Ні в якому разі не можна цього робити в узятій пробі, яку вийнято на поверхню. При визначенні температури поверхневих вод річок і озер користуються спеціальним поверхневим термометром в оправі з поділками на 0,2 градуси, Для визначення температури поверхневий термометр в оправі опускають у воду так, щоб кулька з ртуттю була на тій глибині, на якій беруть пробу, витримують 10 хв, виймають і відлічують кількість градусів з точністю до 0,1 градуса.

Запах. Запах води створюють специфічні речовини, які потрапляють у воду в результаті життєдіяльності гідробіонтів, розкладання органічних речовин, хімічної взаємодії компонентів, які містяться у воді. Запах води вимірюється у балах.

Для визначення запаху води в польових умовах беруть пробірку, наповнюють її на 3/4 водою, трохи нагрівають і закривають корком. Кілька разів збовтують, відкривають корок і зразу ж нюхають. Запах води характеризують як болотистий, затхлий, сірководневий, гнильний, без запаху тощо.

Прозорість. Прозорість води залежить від ступеня розсіювання сонячного проміння у воді речовинами органічного та мінерального походження. Прозорість визначає протікання біохімічних процесів, які потребують освітлення. Прозорість вимірюється у сантиметрах.

Якісну характеристику прозорості води визначають візуально (неозброєним оком або за допомогою приладів). Для цього в одно літрову посудину з прозорого скла наливають досліджувану воду і розглядають на світло.

Оцінку дають за такою шкалою:

§ дуже прозора – коли немає будь-яких найменших часточок у воді;

§ прозора – коли є невелика кількість дрібненьких часточок;

§ слабо каламутна – коли добре видно роздріблені частинки;

§ дуже каламутна – коли роздрібнених частинок так багато, що проба води майже непрозора.

Щоб виміряти прозорість річкової води, застосовують диск Секкі діаметром 30 см, який опускають на мотузці у воду, прикріпивши до нього вантаж, щоб диск йшов вертикально вниз. Замість диска Секкі можна застосовувати тарілку, кришку, миску, покладені в сітку. Диск опускається до тих пір, поки він не буде видно. Глибина, на яку ви опустили диск, і буде показником прозорості води.

Знаходять граничну висоту стовпа води, через яку проглядається малюнок чорного хреста на білому фоні з товщиною ліній рівної 1 мм, і чотирьох чорних кружків діаметром рівним 1 мм. Висота циліндра, в якому проводиться визначення, має бути не менше 350 см. На дні його розташована порцеляновий пластинка з хрестом. Нижня частина циліндра повинна бути висвітлена лампою в 300 Вт

Під циліндр висотою 60 см і діаметром 3-3,5 см підкладають стандартний шрифт на відстані 4 см від дна, досліджувану пробу наливають у циліндр, так щоб можна було прочитати шрифт, і визначають граничну висоту стовпа води.

Мутність води. Підвищену каламутність вода має за рахунок вмісту в ній грубодисперсних неорганічних і органічних домішок. Визначають каламутність води ваговим методом, і фотоелектричним колориметр. Ваговий метод полягає в тому, що 500-1000 мл каламутної води профільтровивают через щільний фільтр діаметром 9-11 см. Фільтр попередньо висушується і зважується на аналітичних вагах. Після фільтрування фільтр з осадом висушують при температурі 105 - 110 градусів у протягом 1,5 - 2 години, охолоджують і знову зважують. За різниці мас фільтра до і після фільтрування розраховують кількість зважених речовин в досліджуваній воді.

Визначення запаху води. Запахи у воді можуть бути пов'язані з життєдіяльністю водних організмів або з'являтися при їх відмирання - це природні запахи.

Запах води у водоймі може обумовлюватися також потрапляють у нього стоками каналізації, промисловими стоками - це штучні запахи.

Спочатку дають якісну оцінку запаху за відповідними ознаками: болотний, землистий, рибний, гнильний, ароматичний, нафтової і т.д. Силу запаху оцінюють за 5 бальною шкалою.

Колбу з притертою пробкою заповнюють на 2/3 водою і негайно закривають, інтенсивно струшують, відкривають і зараз відзначають інтенсивність і характер запаху.

Визначення кольоровості води. Якісну оцінку кольоровості виробляють, порівнюючи зразок з дистильованою водою. Для цього в склянки з безбарвного скла наливають досліджувану окремо і дистильовану воду, на тлі білого аркуша при денному освітленні розглядають зверху і збоку, оцінюють кольоровість як спостережуваний колір, при відсутності забарвлення вода вважається безбарвної.

Швидкість течії річки. Для визначення швидкості течії річки потрібно вибрати відносно рівну ділянку довжиною не менше 30 м і відзначити його тичками (створи). Поплавок кидають у воду вище верхнього створу. При проходження ним верхнього створу включають секундомір або засікає час за годинником. Потім засікає час при проходженні поплавцем нижнього створу, потім вираховують швидкість у м/сек. Для більш точного визначення поверхневого течії поплавці кидають на середину і ближче до берегів, обчислюючи середню швидкість течії річки.

Водневий показник (рН) – це іони водню, концентрація яких виражена через показник рН= - log [H+], визначає кислотно-лужну рівновагу водних розчинів, визначається концентрацією водневих іонів, точніше їх активністю. Від рН залежить розвиток водяних рослин, характер протікання продуктивних процесів. Активність залежить від стану, концентрації кожного компонента розчину, температури та тиску.

Перед початком вимірювання рН електрод промивають дистильованоб водою, потім досліджуваною водою і лише після цього занурюють у пробу. Перед цим пробу слід перемішати, щоб її склад безпосередньо біля поверхніі електрода відповідав її загальному складу. Разом з електродом у пробу занурюють термометр для вимірювання та внесення, за необхідностію, поправок. Величину потенціалу скляного електрода вимірюють у мілівольтах або одиницях рН.

Вміст завислих речовин. Джерелами завислих речовин можуть бути процеси ерозії ґрунту та гірських порід, продукти метаболізму та розкладання гідробіонтів, продукти хімічних реакцій та антропогенні джерела.

Пробу ретельно перемішують і швидко, не даючи осісти завислим речовинам, відбирають вимірювальним циліндром необхідну для визначення кількість води (відповідно до наведених вище даних) і фільтрують крізь підготовлені паперові фільтри. Якщо фільтрат мутніє, його необхідно профільтрувати повторно крізь той же фільтр. Завислі речовини на фільтрі промивають невеликою кількістю дистильованої води. Коли вода повністю стече, вміщують фільтр у попередньо зважений бюкс і висушують в сушильній шафі при 105 С до постійної ваги.

Після охолодження в ексикаторі бюкс з фільтром заважують.

Кількість завислих речовин (X) обчислюють за формулою:

,

де: - вага бюкса з висушеним паперовим фільтром, мг;

- вага бюкса з фільтром і завислими речовинами після висушування, мг;

- об’єм проби, взятої для аналізу, мл.

Результат округлюють до цілих міліграмів, а значення, що перевищують 1000 мг/л, - до 10 міліграмів.

Хімічні показники можуть бути загальними та специфічними. До числа загальних хімічних показників якості води відносять:

Розчинений кисень. Основними споживачами розчиненого кисню є процеси дихання гідробіонтів та окислення органічних речовин. Низький вміст розчиненого кисню відображається на всьому комплексі біохімічних та екологічних процесів у водному об’єкті.

Розчинений кисень по Вінклеру визначають з урахуванням впливу температури і тиску для того, щоб можна було зпівставити насичення ним води (тобто порівняти з нормальною кількістю кисню, що повинна бути в чистій воді за даної температури тиску).

Біохімічне споживання кисню (БСК). БСК визначається як кількість кисню, який необхідний на біохімічне окислення в одиниці об’єму води органічних речовин за визначений проміжок часу. Існує БПК за п’ять діб (БПК₅) та двадцять діб (БПК₂₀).

Для визначення води з передбаченим споживанням кисню до 6 мг/л пробу відбирають в бутель місткістю 2 л. Температура води має бути .

Якщо температура інша, то воду термостатують. Далі воду сильно струшують протягом 10 хв. для насичення киснем повітря. При місткість розчиненого у воді кисню не повинна перевищувати 9 мг /л. Якщо розчиненого кисню буде більше 9 мг/л, що спостерігається при сильному розвитку водоростей, то залишок кисню вилучають, тому що при інкубації можливе виділення газоподібного кисню і викидання пробки.

Для вилучення залишку кисню роблять:

1. відсмоктування повітря з бутелі, заповненої наполовину;

2. пропускання крізь воду стиснутого повітря.

При наявності в річній воді зависі, визначають як без відстоювання, так і в пробі, попередньо відстояній протягом 30 хв. безпосередньо на місці взяття проб.

Слід знати, що при визначенні залишкова місткість розчиненого кисню в кінці інкубації не повинна бути менше 3-4 мг/л, а зменшення кисню повинно складати не менше 4-5 мг/л.

З бутеля за допомогою сифону воду наливають в 5 каліброваних кисневих склянок з притертими пробками місткістю 200-250 мл (попередньо двічі обполоскані) водою, що досліджують. Скляну трубку сифону опускають на дно склянки і після витискання води (у потрійному об’ємі) наповнюють склянку водою доверху і негайно закривають скляною пробкою, щоб не залишилось пухирців повітря. Далі цю ж воду наливають в ковпачки від склянок, перевертають догори дном, вставляють їх у ковпачки, витискуючи з останніх воду, щоб пухирці повітря не потрапили в ковпачки.

В одній із склянок з водою, яку досліджують, одразу визначають вміст розчиненого кисню. Всі інші склянки вміщують в нормальному положенні у термостат і зберігають при протягом певного часу (2, 5, 7, 10 діб).

Через 2, 5, 7, 10 діб від початку інкубації з термостату виймають по одній склянці і визначають в них кисень, а в ковпачках реактивом Грисса – нітратний азот.

Якщо в пробі почався процес нітрифікації, то реактивом Грисса в ковпачку будуть знайдені нітрити. При вмісті нітритів, що перевищує 0,1 мг/л, подальше визначення не виконують.

Розрахунок здійснюють за формулою:

, мг /л

де: А - початкова кількість розчиненого кисню у воді, мг/л;

а - кількість розчиненого кисню у воді після певної доби інкубації, мг/л;

V - об’єм досліджуваної води, взятої для аналізу, мл.

Окислюваність води. Наявність в природних водах органічних і деяких легко окислюваних неорганічних домішок (сірководню, сульфітів, закисного заліза та ін.) зумовлює певну величину окислюваності води. У зв’язку з тим, що окислюваність поверхневих вод пояснюється головним чином наявністю органічних речовин, то визначення окислюваності, тобто кількості кисню, який необхідний для окислювання сумішей в даному об’ємі води, є одним з непрямих методів визначення органічних речовин у воді.

Найменшою величиною окислюваності (2 мгО₂/дм³) характеризуються артезіанські води. Окислюваність ґрунтових вод залежить від глибини їх залягання. Ґрунтові незабруднені води мають окислюваність, близьку до окислюваності артезіанських вод. Окислюваність чистих озерних вод в середньому становить 5-8 мг/дм³ кисню; в річковій воді вона коливається в широких межах, доходячи до 60 мг/дм³ і більш. Високою окислюваністю води відрізняються ріки, басейни яких розташовані в болотистих місцевостях. У болотяних водах в деяких випадках вона досягає 400 мг/дм³. Окислюваність природних, особливо поверхневих вод, є величиною не постійною. Зміна хімічної характеристики речовини, яка потрапляє у воду, змінює величину її окислюваності. Підвищена окислюваність води свідчить про забруднення джерела і вимагає застосування відповідних заходів щодо його охорони при використанні для водопостачання. Раптове підвищення окислюваності води служить ознакою забруднення її побутовими стоками, тому величина окислюваності важлива гігієнічна характеристика води.

Додаткові відомості про характер органічних сполук, що містяться у воді можна отримати, порівнюючи відношення кольору і окислюваності. Підвищене значення цього співвідношення свідчить про переважання у воді стійких речовин гумусу болотяного походження, знижене – про речовини гумусу планктонного походження. Середні значення характерні для грунтових речовин гумусу.

Таким чином, визначення окислюваності є не тільки способом встановлення концентрації органічних речовин, але в поєднанні з іншими показниками, наприклад з кольором, може служити і методом визначення їх походження.

Визначення перманганатної окисності води. Дане визначення використовується для оцінки вмісту органічних речовин і характеризує загальну концентрацію атомного кисню, що відповідає кількості перманганату, який витрачається при обробці цим окисником в певних умовах певної проби води. Метод рекомендується для аналізу поверхневих вод з вмістом хлорид-іонів, що не перевищує 300 мг/дм³. Пергаманатну окисність не можна розглядати як міру загального вмісту органічних речовин, оскільки багато з них у цьому випадку окислюються лише частково. Метод ґрунтується на окисненні речовин, що знаходяться в пробі води 0,002 моль/дм³ розчином перга манату калію в сірчанокислому середовищі при кип’ятіні:

Mn₄ + 8H⁺ + 5e^- → Mn²⁺ + 4H₂O

Без розбавлення можна визначити окисність до 10 мг О/дм³. Найвище допустиме розбавлення проб – десятикратне. Це означає, що метод можна використовувати лише для проб, окисність яких нижча за 100 мг О/дм³.

Хімічне споживання кисню (ХСК), або дихроманатна окисність води. ХСК визначається як кількість кисню, який необхідний для хімічного окислення в одиниці об’єму води органічних та мінеральних речовин. Величина ХСК дозволяє судити про забрудненість води окисленими речовинами, але не дає інформації про склад забруднення.

Дослідження змін значень ХСК у водних об’єктах та його порівняння з іншими інтегральними показниками надають важливу інформацію стосовно кількості органічної речовини, її походження та процесі, що відбуваються в цих об’єктах. Тому показник ХСК широко використовується в моніторингу якості води і в практиці гідрохімічних досліджень.

Значення ХСК води, визначеного дихроматним методом, можна вважати приблизною мірою теоретичного спостереження кисню. Визначення ХСК природних вод вуглець, водень, сірка, фосфор та інші елементи (крім азоту), що входять до складу органічних сполук, окислюються до CO₂, H₂O,P₂O₅,SO₃, а азот перетворюється в іони амонію (NH₄⁺). Окиснення органічних речовин дихроматом істотно прискорюється і охоплює практично всі органічні сполуки при вигортанні каталізатора Ag₂SO₄

Мінеральний склад. Мінеральний склад визначається по сумарному складу семи головних іонів: К⁺, Na⁺, Ca⁺, Mg²⁺, Cl^-, SO₄^2-, HCO₃^-. Головними джерелами збільшення мінералізації є ґрунтові та стічні води.

Гідрокарбонат-іони титриметричним або потенціометричним методом. Метод титрування ґрунтується на реакції нейтралізації

Na₂CO₃ + 2НС1 = 2NaCl + CO₂↑ + Н₂О

Сульфат – іони титриметричним або потенціометричним методом. Метод титрування ґрунтується на утворенні у кислому середовищі малорозчинного сірчанокислого барію:

ВаСl₂ + Na₂SO₄ = BaSO₄↓ + 2NaCl

хлорид – іони титриметричним або потенціометричним методом. Метод титрування ґрунтується на утворенні у нейтральному або слабо лужному середовищі малорозчинного хлориду срібла:

AgNO₃ + NaCl = AgCl↓ + KNO₃

кальцій – та магній – іони титриметричним або потенціометричним методом та атомно-абсорбційним методами;

натрій – іони гравіметричним або полуменево - фотометричним методами;

калій – іони гравіметричним або полуменево - фотометричним методами.

Азотовмісні речовини (іони амонію, нітритні та нітратні іони) утворюються у воді внаслідок розкладання білкових сполук, що потрапляють в неї майже завжди зі стічними побутовими водами. Білкові речовини під дією мікроорганізмів зазнають розпаду, кінцевий продукт якого аміак. Наявність останнього свідчить про забруднення води стічними водами.

Іноді у воді присутні іони амонію неорганічного походження, що утворюються внаслідок відновлення нітрату і нітритів гумусовими речовинами, сірководнем, закисним залізом і т. п. Наявність у воді іонів, що утворилися таким шляхом, не є небезпечним в санітарному відношенні. Якщо поява у воді азотовмісних сполук відбувається внаслідок гниття білкових речовин, то такі води непридатні для пиття. У природній воді іони амонію нестійкі і при окисленні киснем повітря під дією бактерій поступово перетворюються в нітритні та нітратні іони.

Утворення нітратів і нітритів у воді може бути не тільки результатом описаних вище процесів. Нітрат, наприклад, утворюється при розчиненні нітратних солей грунтовими водами. Відновлюючись, нітрат служить джерелом збагачення води нітритами. У поверхневих водах містяться, головним чином, нітрати (кількість їх невелика 0,001-0,003 мг/дм³). В артезіанських водах вміст нітритів може досягати десятих часток міліграма в літрі.

За наявністю тих чи інших азотовмісних сполук судять про час забруднення води стоками. Так, наявність у воді іонів амонію, і відсутність нітритів вказує на нещодавнє забруднення води. Одночасна присутність їх свідчить про те, що з моменту первинного забруднення пройшов вже якийсь проміжок часу. Відсутність іонів амонію при наявності нітритів і особливо нітратів, говорить про те, що забруднення сталося вже давно і вода за цей час самоочистилася. Підвищений вміст нітрату (більше як 50 мг/дм³) у воді, що постійно використовується для пиття, призводить до порушення окислюваної функції крові.

Нафтопродукти. До нафтопродуктів відносять палива, оливи, бітуми та деякі інші продукти, які представляють собою суміш вуглеводнів різних класів. Джерелами надходження нафтопродуктів є їх втрати при видобутку, переробці та транспортуванні, а також стічні води. Вуглеводні, які входять в склад нафтопродуктів, здійснюють токсичну, а в деяких випадках, наркотичну дію на живі організми, вражаючи серцево-судинну та нервову систему.

Пестициди. Під пестицидами розуміють велику групу штучних хлорорганічних та фосфорорганічних речовин, які використовуються у боротьбі з бур’янами, комахами та гризунами. Головним джерелом їх надходження є поверхневий та дренажний стік зі сільськогосподарський територій. Пестициди мають токсичну, мутагенну та кумулятивну дію, руйнуються повільно.

Важкі метали. До числа найбільш розповсюджених важких металів відносять свинець, мідь, марганець, цинк, залізо. Важкі метали мають мутагенну та токсичну дію, швидко знижують інтенсивність біохімічних процесів у водних об’єктах.

Залізо і марганець. Форма, в якій присутні в природних водах залізо і марганець, залежить від величини рН і вмісту кисню. Окислення двовалентного заліза у воді з максимальною швидкістю відбувається при pH ˃ 7, а двовалентного марганцю при pH ˃ 9

Гідрат оксиду заліза, що утворився в результаті гідролізу та окислення двовалентного заліза, малорозчинний і завдяки захисній дії гумусових речовин може бути присутнім в природних водах в колоїдному стані.

Зазвичай вміст заліза та марганцю не перевищує декількох десятків міліграмів в 1 л води. Хоча вода, що містить і більш високі кількості цих іонів, абсолютно нешкідлива для здоров’я, все ж для питних, промислових і господарських цілей вона непридатна, оскільки має неприємний, чорнильний або залізистий присмак.

Наявність у воді заліза та марганцю може призводити до розвитку в трубопроводах залізистих і марганцевих бактерій. Продукти життєдіяльності бактерій накопичуються в таких кількостях, що можуть значно зменшити перетин водопровідних труб, а іноді і повністю їх закупорити.

Хімічні показники вимірюються в г/м³, мг/дм³ (мг/л).