Влияние города Калининграда на качество воды в реке Преголе

Распределение частиц по размерам в  различных образцах воды может  различаться в очень широких пределах. Поэтому не существует корреляции между результатами, полученными на фильтрах с различным диаметром пор и коэффициентов перевода результатов, полученных на одном фильтре другой, не существует.

Сущность метода состоит в фильтровании образца через стекловолокнистый фильтр под вакуумом или под давлением. Затем фильтр высушивают при 105°С и определяют взвешиванием массу остатка на фильтре.

4.2.5. Растворенный кислород

 

Содержание растворенного кислорода (РК) в воде характеризует кислородный режим водоема и имеет важнейшее значение для оценки его экологического и санитарного состояния. Кислород должен содержаться в воде в достаточном количестве, обеспечивая условия для дыхания гидробионтов. Он также необходим для самоочищения водоемов, т.к. участвует в процессах окисления органических и других примесей, разложения отмерших организмов. Снижение концентрации РК свидетельствует об изменении биологических процессов в водоеме, о загрязнении водоема биохимически интенсивно окисляющимися веществами (в первую очередь органическими). Потребление кислорода обусловлено также химическими процессами окисления содержащихся в воде примесей, а также дыханием водных организмов.   

 Поступление кислорода в  водоем происходит путем растворения  его при контакте с воздухом (абсорбции), а также в результате фотосинтеза водными растениями, т.е. в результате физико-химических и биохимических процессов. Кислород также поступает в водные объекты с дождевыми и снеговыми водами.

Содержание РК зависит от температуры, атмосферного давления, степени турбулизации воды, количества осадков, минерализации воды др. Растворимость кислорода возрастает с уменьшением температуры и минерализации и с увеличением атмосферного давления.    

 В поверхностных водах содержание  растворенного кислорода может колебаться от 0 до 14 мг/л и подвержено значительным сезонным и суточным колебаниям.    В воде водоемов в любой период года до 12 часов дня концентрация РК должна быть не менее 4 мг/л. ПДК растворенного в воде кислорода для рыбохозяйственных водоемов установлена 6 мг/л (для ценных пород рыбы) либо 4 мг/л (для остальных пород).

Определение концентрации РК в воде проводится методом йодометрического титрования – методом Винклера, широко используемым и общепринятым при санитарно-химическом и экологическом контроле. Метод определения концентрации РК основан на способности гидроксида марганца (II) окисляться в щелочной среде до гидроксида марганца (IV), количественно связывая при этом кислород. В кислой среде гидроксид марганца (IV) снова переходит в двухвалентное состояние, окисляя при этом эквивалентное связанному кислороду количество йода. Выделившийся йод оттитровывают раствором тиосульфата натрия в присутствии крахмала в качестве индикатора.

Реакции описываются уравнениями:       

J₂ + крахмал --» синее окрашивание

О завершении титрования судят по исчезновению синей окраски (обесцвечиванию) раствора в точке эквивалентности. Количество раствора тиосульфата натрия, израсходованное на титрование, пропорционально концентрации растворенного кислорода.

4.2.6. Биохимическое потребление  кислорода (БПК)

 

 

    В природной  воде водоемов всегда присутствуют  органические вещества. Природными  источниками органических веществ  являются разрушающиеся останки  организмов растительного и животного происхождения, как живших в воде, так и попавших в водоем с листвы, по воздуху, с берегов и т.п. Техногенные источники органических веществ: транспортные предприятия (нефтепродукты), целлюлозно-бумажные и лесоперерабатывающие комбинаты (лигнины), мясокомбинаты, сельскохозяйственные и фекальные стоки и т.д.   

В естественных условиях находящиеся  в воде органические вещества разрушаются  бактериями, претерпевая аэробное биохимическое  окисление с образованием двуокиси углерода. В процессе биохимического окисления органических веществ в воде происходит уменьшение концентрации РК, и эта убыль косвенно является мерой содержания в воде органических веществ. Соответствующий показатель качества воды, характеризующий суммарное содержание в воде органических веществ, называется биохимическим потреблением кислорода (БПК).   

 Определение БПК основано  на измерении концентрации РК  в пробе воды непосредственно  после отбора, а также после  инкубации пробы. Инкубацию пробы  проводят без доступа воздуха в кислородной склянке (т.е. в той же посуде, где определяется значение РК) в течение времени, необходимого для протекания реакции биохимического окисления. Так как скорость биохимической реакции зависит от температуры, инкубацию проводят в режиме постоянной температуры (20±1)°С. Обычно определяют БПК за 5 суток инкубации (БПК₅), однако содержание некоторых соединений более информативно характеризуется величиной БПК за 10 суток или за период полного окисления (БПК₁₀ или БПК_полн соответственно). Инкубацию пробы проводят без доступа света (в темном месте) во избежание фотохимического окисления.

Величина БПК увеличивается  со временем, достигая некоторого максимального  значения – БПКполн, причем загрязнители различной природы могут повышать (понижать) значение БПК. Динамика биохимического потребления кислорода при окислении органических веществ в воде приведена на рис. 2.

а – легкоокисляющиеся («биологически мягкие») вещества – сахара, формальдегид, спирты, фенолы и т.п.;

в – нормально окисляющиеся вещества – нафтолы, крезолы, анионогенные ПАВ, сульфанол и т.п.;

с – тяжело окисляющиеся («биологически жесткие») вещества – неионогенные ПАВ, гидрохинон и т.п.

Рис. 2. Динамика биохимического потребления кислорода.

 

Таким образом, БПК – количество кислорода в миллиграммах, требуемое для окисления находящихся в 1 л воды органических веществ в аэробных условиях, без доступа света, при 20°С, за определенный период в результате протекающих в воде биохимических процессов. Ориентировочно принимают, что БПК₅ составляет около 70% БПК_полн, но может составлять от 10 до 90% в зависимости от окисляющегося вещества.    

 Особенностью биохимического  окисления органических веществ  в воде является сопутствующий  ему процесс нитрификации, искажающий  характер потребления кислорода (рис. 3).

 
Рис. 3. Изменение характера потребления кислорода при нитрификации.   

 

Нитрификация протекает под  воздействием особых нитрифицирующих бактерий – Nitrozomonas, Nitrobacter и др. Эти бактерии обеспечивают окисление азотсодержащих соединений, которые обычно присутствуют в загрязненных природных и некоторых сточных водах, и тем самым способствуют превращению азота сначала из аммонийной в нитритную, а затем и нитратную формы. Соответствующие процессы описываются уравнениями:

 
где: Q – энергия, высвобождающаяся при реакциях.

Процесс нитрификации происходит и при инкубации пробы в кислородных склянках. Количество кислорода, пошедшее на нитрификацию, может в несколько раз превышать количество кислорода, требуемое для биохимического окисления органических углеродсодержащих соединений. Начало нитрификации можно зафиксировать по минимуму на графике суточных приращений БПК за период инкубации. Нитрификация начинается приблизительно на 7-е сутки инкубации (см. рис. 3), поэтому при определении БПК за 10 и более суток необходимо вводить в пробу специальные вещества – ингибиторы (тиомочевину или  тиокарбамид в концентрации 0,5 мг/мл.),подавляющие жизнедеятельность нитрифицирующих бактерий, но не влияющие на обычную микрофлору.

В поверхностных водах величина БПК₅ колеблется в пределах от 0,5 до 5,0 мг/л; она подвержена сезонным и суточным изменениям, которые, в основном, зависят от изменения температуры и от физиологической и биохимической активности микроорганизмов.

Наиболее распространен для  определения РК при анализе БПК  метод йодометрического титрования – метод Винклера (подробно описан в разделе 4.2.5. Растворенный кислород).

Мешающее влияние на определение  БПК оказывают процессы, происходящие в пробе в промежуток времени  между отбором пробы и ее обработкой в лаборатории. Для исключения этого  влияния начинать определение необходимо сразу же на месте отбора пробы. При этом следует соблюдать те же условия, что и при работе в лаборатории (хранение пробы в темноте, без доступа воздуха, при температуре 20°С). Полевой вариант метода является адаптированным вариантом метода, приведенного в РД 52.24.420-95 и ИСО 5815.

4.2.7. Окисляемость, или химическое  потребление кислорода (ХПК)

 

 

   Показатель, характеризующий  суммарное содержание в воде органических веществ по количеству израсходованного на окисление химически связанного кислорода, называется химическим потреблением кислорода (ХПК). Являясь интегральным (суммарным) показателем, ХПК в настоящее время считается одним из наиболее информативных показателей антропогенного загрязнения вод. Этот показатель, в том или ином варианте, используется повсеместно при контроле качества природных вод, исследовании сточных вод и др. 

Однако не все органические вещества в равной степени участвуют в  реакции химического окисления. Так же, как и при биохимическом  окислении, при химическом окислении можно выделить группы легко, нормально и тяжело окисляющихся органических веществ. Поэтому всегда существует разница между теоретически возможным и практически достигаемым значениями ХПК.   

 Теоретическим значением ХПК  (ХПК_теор) называют количество кислорода (или окислителя в пересчете на кислород) в мг/л, необходимое для полного окисления содержащихся в пробе органических веществ, т.е. всех способных окисляться элементов из состава органического соединения. В качестве окислителей обычно используют бихромат- и перманганат-анионы, и соответственно называются основные методы определения ХПК – бихроматный и перманганатный.   

 Практически используемые методы  определения ХПК дают результаты, близкие к ХПК_теор, но всегда отклоняющиеся в ту или иную сторону.  

Бихроматная окисляемость позволяет получить значение ХПК, наиболее приближенное к ХПК_теор, т.е. наиболее полное окисление достигается бихроматом калия. Поэтому определение бихроматной окисляемости является основным методом определения ХПК. Именно бихроматную окисляемость часто называют «химическим потреблением кислорода». В условиях этого метода большинство органических соединений окисляется на 95% и более, однако окисляются не все соединения (толуол, бензол, пиридин, парафин и др. практически не окисляются). Катализатором окисления является сульфат серебра, который добавляется в аналитическую рецептуру для ускорения реакции и повышения полноты окисления органических веществ. Избыток бихромата оттитровывается раствором соли Мора. Реакцию проводят в жестких условиях – в 50%-ной серной кислоте при кипячении. Содержание неорганических восстановителей в пробе определяют отдельно специальными методами и вычитают из ХПК пробы. 

Бихромат при этом восстанавливается согласно уравнению:

    

 В таких условиях получаемый  результат обычно составляет 95–98% от ХПК_теор.

Бихроматная окисляемость определяется методом титрования. Соответствующие  методики регламентированы как отечественными руководящими документами, так и международным стандартом ИСО 6060.

Мешающее влияние при  определении ХПК оказывают, в первую очередь, хлорид-анионы. Хлориды окисляются в условиях анализа до элементарного хлора, поэтому при содержании в пробе в концентрации свыше 300 мг/л их влияние устраняется (или минимизируется) путем добавления сульфата ртути (II) в количестве 22,2 мг HgSO₄ на 1 мг Cl^–.Определению также мешают нитриты, часто присутствующие в водах, прошедших биохимическую очистку. Для их устранения в пробу вводят по 10 мг сульфаминовой кислоты на 3 мг NO^2–. При кипячении раствора нитрит-анионы удаляются в виде азота, а избыток сульфаминовой кислоты переходит в сульфат аммония.

Помимо хлоридов и нитритов, определению  мешают сульфиды, сероводород и железо (II).

В зависимости от целей анализа, определение ХПК можно проводить  в нефильтрованной или фильтрованной  пробе. В последнем случае пробу  фильтруют через мембранный или бумажный фильтр.

 

5. результаты исследования воды

 

Исследования проводились в  середине марта. Для снижения погрешности  результатов было произведено по три отбора проб воды в каждой из намеченных точек водозабора (район  Берлинского моста и район Двухъярусного моста). Вода анализировалась по выбранным ранее параметрам.

Результаты исследований представлены в таблицах 4,5.

Сравнительная характеристика по исследуемым  показателям представления на диаграммах 1 – 4.

Таблица 4. Отчет по аналитическому контролю качества природных вод.

Точка водозабора: река Преголя в  районе Берлинского моста
№ п/п	Наименование  показателя	Ед. изм.	Дата отбора проб			Среднее значение	max знач.	min знач.
			09.05.	13.05.	19.05
1.	Температура	°С	13,5	17,2	14,5	15,07	17,2	13,5
2.	Водородный  показатель	рН-ед	7,8	7,8	7,9	7,8	7,8	7,9
3.	Запах	балл	3	2	2	2	2	3
4.	Цветность	град.	35	35	30	33	35	30
5.	Прозрачность	см	35	40	37	37	40	35
6.	Минерализация по сухому остатку	мг/дм3	334	512	409	418	512	334
7.	Взвешенные вещества	мг/дм3	8,8	9,4	10,6	9,6	10,6	8,8
8.	Растворенный  кислород	мг/дм3	8,62	7,44	9,20	8,42	9,20	7,44
9.	БПК5	мг/дм3	3,52	4,55	4,23	4,10	4,55	3,52
10.	ХПК	мг/дм3	142	154	142	146	154	142