Розділ 1 Вміст кисню у воді і методи його визначення

1.1.   Вміст  кисню у воді Кисень є найпоширенішим елементом земної кори. В атмосфері його знаходиться близько 23%, у складі води – близько 89%, в людському організмі – близько 65%, у піску міститься 53% кисню, в глині ​​ – 56%. Якщо підрахувати його кількість в повітрі (атмосфері), воді (гідросфері) і частині твердої земної кори (літосфері), яка доступна безпосередньому хімічному дослідженню, то виявиться, що частка кисню становить приблизно 50% їх загальної маси  [1, с.55]. У 100 об’ємах води при 0 °С розчиняється близько п’яти об’ємів кисню, при 20 °С – близько трьох. Наприклад, води гідросфери містять 1,5∙10 ¹³ т розчиненого кисню. Розчинність його у воді має величезне значення для життя, тому що за рахунок розчиненого кисню здійснюється процес дихання живих організмів.

Розчинений кисень знаходиться в природній воді у вигляді молекул O₂. Його розчинність, насамперед, визначається рядом процесів, що протікають у водоймі, серед яких головними є :

1) хімічні (обмін йонів між твердою речовиною і йонним складом води,      окисно-відновні  реакції тощо);

2) фізико‑хімічні  (процеси  розчинення  твердих  речовин водою, поглинання     газу водою, виділення  газу з води);

3. біохімічні (мінералізація   органічної   речовини, фотосинтез).

На вміст кисню у воді також впливають дві групи протилежно спрямованих процесів: одні збільшують концентрацію кисню, інші зменшують її. До першої групи процесів, що збагачують воду киснем, варто віднести: процес абсорбції кисню з атмосфери; виділення кисню водяною рослинністю в процесі фотосинтезу; надходження у водойми з дощовими і сніговими водами, які зазвичай перенасичені киснем. До групи процесів, що зменшують вміст кисню у воді, відносяться реакції окиснення речовин: біологічного (дихання організмів), біохімічного (дихання бактерій, витрата кисню при   окисненні   органічних  речовин)  і   хімічного  (окиснення  Fe²⁺, Mn²⁺, NO₂^‑, NH⁴⁺, CH₄, H₂S) [2, с.5]. Розглянемо процеси, що збагачують воду киснем, зокрема фактори впливу на зазначені процеси. Швидкість абсорбції кисню з атмосфери підвищується зі зниженням температури, з підвищенням тиску і зниженням мінералізації. Аерація (збагачення глибинних шарів води киснем) відбувається в результаті перемішування водних мас, у тому числі під  дією  вітру, вертикальної  і температурної циркуляції  [2, с.36]. Фотосинтетичне виділення кисню відбуваються при асиміляції карбон діоксиду водною рослинністю (прикріпленими, плаваючими рослинами і фітопланктоном). Процес фотосинтезу протікає тим сильніше, чим вище температура води та інтенсивність сонячного освітлення, чим більше біогенних (поживних) речовин (P, N і ін.) у воді. Продукування кисню відбувається у поверхневому шарі водойми, глибина якого залежить від прозорості води. Для кожної водойми і сезону глибина цього шару може бути різною: від декількох сантиметрів до декількох десятків метрів.

Процеси, що зменшують вміст кисню у воді, визначають швидкість споживання кисню, яка збільшується з підвищенням температури, кількості бактерій, водних організмів та речовин, що піддаються хімічному і біохімічному окисненню. Крім того, зменшення вмісту кисню у воді може відбуватися внаслідок виділення його в атмосферу з  поверхневих шарів  і тільки  в тому випадку, якщо вода приданій  температурі  і  тиску виявиться перенасиченою киснем [1, с.17]. У поверхневих водах вміст розчиненого кисню варіює в широких межах (від 0 до 14 мг/дм³) і схильний до сезонних і добових коливань [3, с.95]. Добові коливання залежать від інтенсивності процесів продукування і споживання кисню та можуть досягати 2,5 мг/дм³ розчиненого кисню. У зимовий і літній періоди вміст кисню носить характер стратифікації. Пошаровий розподіл води зумовлений різними фізико-хімічними властивостями шарів (температура, густина, концентрація кисню) на різних глибинах. Дефіцит кисню частіше спостерігається      у    водних   об’єктах   з    високими   концентраціями   забруднюючих  органічних речовин і  в водоймах, що    містять   велику  кількість біогенних та  гумусових речовин. Концентрація кисню впливає на величину окисно-відновного потенціалу, який значною мірою визначає напрямок і швидкість процесів хімічного і біохімічного окиснення речовин.

Кисневий режим дуже впливає на життя водойми. Мінімальний вміст розчиненого кисню, що забезпечує нормальний розвиток риб, складає близько 5 мг/дм³. Зниження його до 2 мг/дм³ викликає масову загибель (замор) риби [3, с.135]. Несприятливо позначається на стані водного населення і пересичення води киснем у результаті процесів фотосинтезу при недостатньо  інтенсивному  перемішуванні   прошарків води [4, с.64]. Відповідно до вимог щодо складу і властивостей води пунктів питного і санітарного водокористування вміст розчиненого кисню в пробі не повинен бути нижче 4 мг/дм³ у будь-який період року. Для водойм рибогосподарського призначення концентрація розчиненого у воді кисню не повинна бути нижче 4 мг/дм³ у зимовий період (при льодоставі) і 6 мг/дм³ – у літній [3, с.98]. Визначення кисню в поверхневих водах включено в програми спостережень з метою оцінки умов проживання гідробіонтів і риб, а також є непрямою характеристикою оцінки якості поверхневих вод і регулювання процесу очищення стоків. Залежність вмісту кисню від рівня забрудненості водойм наведена у таблиці 1.1 [5, с.40].

Як видно з таблиці 1.1 усі природні води за рівнем забрудненості поділяються шість класів якості:

І клас – дуже чисті;

ІІ клас – чисті;

ІІІ клас – помірно забруднені;                                                                                                         Таблиця 1.1

Вміст кисню у водоймах з різним ступенем забрудненості

Рівень забрудненості води	Клас якості води	Розчинений кисень
		літо, мг/дм3	зима, мг/дм3	Насичення %
Дуже чисті	I	9	14 – 13	95
Чисті	II	8	12 – 11	80
Помірно забруднені	III	7 – 6	10 – 9	70
Забруднені	IV	5 – 4	5 – 4	60
Брудні	V	3 – 2	2 – 1	30
Дуже брудні	VI	0	0	0

ІV клас – забруднені;

V клас – брудні;

VI клас – дуже брудні природні води [6, с.57].

Ступінь насичення води киснем показує відносний вміст кисню у воді. Величина ступеня насичення залежить від температури води (табл. 1.2) [7, с.155], атмосферного тиску і солоності та обчислюється за формулою:

, (1.1)

де M – ступінь насичення води киснем, %; а – концентрація кисню, мг/дм³; Р – атмосферний тиск в даній місцевості, Па; N – розчинність кисню при даній температурі, мінералізації (солоності) і загальному тиску 101308 Па [7, с.135].

Таблиця 1.2

Вміст кисню у водоймах залежно від температури

Температура води, ○С	0	10	20	30	40	50	60	80	100
Розчинність, мг/дм3	14.6	11.3	9.1	7.5	6.5	5.6	4.8	2.9	0.0