Материал: Физико-химические методы исследования природных вод

Жесткость воды обусловливается присутствием в воде ионов кальция (Са2+) и магния (Мд2+). В бутылку с образцом воды добавляют немного мыльного раствора и взбалтывают ее. Если вода жесткая, то пена почти не образуется, а в мягкой воде ее будет много. Можно опросным методом выяснить много ли накипи образуется в чайниках, что свидетельствует о повышенной жесткости воды. Принято различать воду по жесткости на очень мягкую, мягкую, умеренно жесткую, жесткую и очень жесткую.

Присутствие железа можно определить в камеральных условиях по потемнению настоя чая или листьев брусники, по окрашиванию в синий цвет раствора желтой кровяной соли, по почернению раствора танина.

Присутствие нефтепродуктов в воде обнаруживается в полевых условиях визуально по радужным пятнам и серым пленкам на поверхности воды, по вымазанным нефтью берегам водоемов, по пленкам нефти на прибрежных растениях. Для определения присутствия продуктов нефти в камеральных условиях пробу воды наносят на фильтровальную бумагу или подкисляют ее слабым раствором перманганата калия. Если в образце присутствуют нефтепродукты, то после высыхания нанесенной пробы на фильтровальной бумаге остаются масляные пятна, а розовый раствор «марганцовки» обесцвечивается.

1.2.3 Химические показатели воды

Водородный показатель ( рН).

Питьевая вода должна иметь нейтральную реакцию (рН около 7). Величина рН воды водоемов хозяйственного, питьевого, культурно-бытового назначения регламентируется в пределах 6,5 - 8,5. В большинстве природных вод водородный показатель соответствует этому значению и зависит от соотношения концентраций свободного диоксида углерода и гидрокарбонат-иона. Более низкие значения рН могут наблюдаться в кислых болотных водах за счет повышенного содержания гуминовых и фульвокислот. Летом при интенсивном фотосинтезе рН может повышаться до 9. На величину рН влияет содержание карбонатов, гидроксидов, солей, подверженных гидролизу, гуминовых веществ и др. В результате происходящих в воде химических и биологических процессов и потерь углекислоты рН воды может быстро изменяться, поэтому его следует определять сразу же после отбора пробы, желательно на водоеме.

Оценивать величину рН можно разными способами.

.Приближенное значение рН. В пробирку наливают 5 мл исследуемой воды, 0,1 мл универсального индикатора, перемешивают и по окраске раствора оценивают величину рН:

розово-оранжевая - рН около 5,

светло-желтая - 6,

светло-зеленая - 7,

зеленовато-голубая - 8.

.рН можно определить с помощью универсальной индикаторной бумаги, сравнивая ее окраску со шкалой.

. Наиболее точно значение рН можно определить на рН-метре или по шкале набора Алямовского.

Сухой остаток.

Сухим остатком называют остаток, полученный после выпаривания отфильтрованной пробы воды и высушенный до постоянной массы при ПО- 120 "С. Сухой остаток характеризует содержание минеральных и частично органических примесей, образующих с водой истинные и коллоидные растворы.

Жесткость воды. Различают общую, временную и постоянную жесткость воды. Общая жесткость обусловлена, главным образом, присутствием растворенных соединений кальция и магния в воде. Временная жесткость иначе называется устранимой или карбонатной. Она обусловлена наличием гидрокарбонатов кальция и магния. Постоянная (некарбонатная) жесткость вызвана присутствием других растворимых солей кальция и магния. Общая жесткость варьирует в широких пределах в зависимости от типа пород и почв, слагающих бассейн водосбора, а также от сезона года. Величина общей жесткости в источниках централизованного водоснабжения допускается до 7 ммоль экв/л, в отдельных случаях по согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы - до 10 ммоль экв/л.

При жесткости до 4 ммоль экв/л вода считается мягкой;

- 8 ммоль экв/л- средней жесткости;

-12 ммоль экв/л - жесткой;

более 12 ммоль экв/л - очень жесткой.

Методами химического анализа обычно определяют общую жесткость () и карбонатную (), а некарбонатная (Жн) рассчитывается как разность  - .

Окисляемость - общее количество содержащихся в воде восстановителей (неорганических и органических) , реагирующих с сильными окислителями (например, дихроматом, перманганатом и др.). Результаты определения окисляемости одной и той же воды с помощью различных окислителей обычно неоднозначны из-за неодинаковой степени окисления веществ, присутствующих в воде. Это зависит от свойств окислителя, его концентрации, температуры, рН воды и т. п. Вместо термина «окисляемость» часто используется термин «потребление кислорода». Все методы определения окисляемости условны, а получаемые результаты сравнимы только в том случае, когда точно соблюдаются все условия проведения анализа. Результаты определения окисляемости приводят в миллиграммах кислорода на 1 л воды (мг кислорода/л). Наиболее полное окисление достигается дихроматом калия, поэтому дихроматную окисляемость нередко называют «химическим потреблением кислорода» (ХПК). Это основной способ определения окисляемости. Большинство соединений окисляется при этом на 95 - 100%. Нормативы ХПК воды водоемов хозяйственно-питьевого водопользования- 15 мг кислорода/л, культурно-бытового - 30 мг кислорода /л. Дихроматный метод недоступен для школ из-за отсутствия соответствующих реактивов. Более доступным является перманганатный метод (метод Кубеля). Перманганат как окислитель может окислять как в кислой, так и в щелочной средах. При малом содержании хлоридов окисление ведут в кислой среде, при повышенном (более 300 мг/л хлорид-ионов) - в щелочной.

Биохимическое потребление кислорода (БПК) - это количество кислорода (мг), требуемое для окисления находящихся в 1 л воды органических веществ в аэробных условиях при 20 "С в результате протекающих в воде биохимических процессов за определенный период времени (ВПК за 3, 5, 10, 20 суток и т. д.). В аналитической практике чаще всего определяют 5-суточное БПК5 (установлено, что БПК5 составляет 70% БПК полного). Величина полного ВПК регламентируется в зависимости от категории водоема: не более 3 мг кислорода/л для водоемов хозяйственно-питьевого водопользования и не более 6 мг кислорода/л для водоемов хозяйственно-бытового и культурного водопользования. Среди различных методов установления БПК наиболее распространено определение по разности содержания растворенного кислорода до и после инкубации при стандартных условиях (20 °С, аэробные условия без дополнительного доступа воздуха и света). В величину ВПК не входит расход кислорода на нитрификацию. Для подавления этого процесса в пробу воды можно ввести вещества, ингибирующие нитрифицирующие микроорганизмы и не влияющие на микроорганизмы, осуществляющие основные биохимические процессы (например, этилентиокарбомид), из расчета 1 мл 0,05 % раствора на 1 л исследуемой воды.[ 1 ]

физический химический природный вода

. Объект исследования

.1 Озеро «Яльчик»

Озеро «Яльчик» расположено на территории национального природного парка «Марий Чодра», на территории Волжского района.

Климат территории парка умеренно континентальный. Он характеризуется сравнительно жарким летом и морозной зимой с устойчивым снежным покровом. Средняя температура самого теплого месяца июля составляет 18,6°C. Абсолютный минимум температуры воздуха зимой достигает -52 C. Средняя продолжительность теплого периода года с температурой выше 0°C составляет около 200 дней.

Территория парка относится к зоне неустойчивого увлажнения: отмечаются годы с достаточным, иногда избыточным увлажнением, но бывают и засушливые годы. В течение года осадки выпадают неравномерно: наибольшее их количество отмечается летом, наименьшее - зимой. За год выпадает в среднем около 500 мм осадков. Самое большое месячное количество осадков отмечается в июле - 60-70 мм. Вторжение холодных воздушных масс из полярного бассейна с северными, северо-западными и северо-восточными ветрами вызывает резкое падение температуры зимой, а весной и осенью - заморозки. Нередко на территорию парка вторгаются континентальные воздушные массы с юго-востока. Весной или летом они обусловливают засушливые условия, зимой - ясную, морозную погоду.

Рельеф из-за развития современного карста представляет собой слабоволнистую равнину с возвышенностями и впадинами. Само озеро, соответственно, является озером провального типа с максимальной глубиной 35 метров. Озеро состоит из двух озёр: «Большой Яльчик» и «Малый Яльчик». Площадь «Большого Яльчика» составляет - 1,285 , «Малый Яльчик» по площади занимает - 0,536 . Процесс карста до сих пор продолжает увеличивать озеро.

Озеро расположено внутри массивного участка леса. Преобладающей породой является сосна. На северо-восточном берегу располагаются базы отдыха, детские лагеря, пансионаты: «Чайка», «Олимпиец», Пансионат «Яльчик» , «Политехник», «Рубин» и др. На северо-западном берегу располагается «дикий» пляж, оборудованный лишь контейнером для мусора.

Флора озера разнообразна. Береговая растительность представлена в виде, кубышка жёлтая, стрелолист обыкновенный, сальвиния плавающая, можно встретить кувшинку белую.[ 12 ]

Таблица - 3 Химический состав воды озера Яльчик за 1995 и 1998 годы [ 2 ]

По данным таблицы можно наблюдать, что за трехлетний период большая часть химических элементов увеличила свою концентрацию в воде. Некоторые элементы такие как: Mg; Cl; HCl; ионы аммония - увеличили концентрацию в достаточно большом количестве. Можно предположить, что в этот период начала возрастать антропогенная нагрузка на озеро. Или снизилось качество обслуживания озера.

3. Методики исследования

Отбор проб воды для гидрохимических исследований в озерах производится с помощью батометра Молчанова ГР-18, с поверхностного и придонного (при глубине 5 м) горизонтов в стеклянные банки, заполняя их до краев и закрыв без пузырьков. При невозможности проведения анализа в указанный срок пробы воды охлаждают до +2 - +4 °С. Пробы хранят не более 24 часов после отбора [ 2 ].

В отобранных пробах определялись рН, общее Fe, жесткость, хлориды, нитраты, нитриты, нефтепродукты, взвешенные вещества, фосфаты и Ca, концентрация ТМ (Fe, Cu, Zn, Cd, Pb, Mg).

Отбор проб донных отложений (ДО) для гидрохимических исследований и растительного материала для биоиндикационных исследований. Отбор проб донных отложений в озерах осуществлялся в придонном (при глубине 5 м) слое специальным дночерпателем и помещали в широкогорлые стеклянные или пластиковые емкости с крышками, этикетировали, и доставляли в лабораторию, где их хранили в холодильнике. Отобранные пробы хранят до анализа в охлажденном (от 0 до -3°С) или в замороженном состоянии (до -20°С). Сосуды для хранения проб должны быть из химически стойкого стекла или полиэтилена, полученного при высоком давлении, с герметично закрывающимися крышками [ 3, 4, 5 ]. Отбор проб растений осуществлялся вручную с лодки или вдоль кромки водоема.

Все аналитические методики определения основных гидрохимических параметров допущены для целей государственного экологического контроля и утверждены метеорологической службой Росстандарт [ 6 ].

При определении физико-химических показателей использовались стандартные методы и методики, для определения рН - потенциометрический метод.

Определение концентраций тяжелых металлов в воде и донных отложениях

Химические исследования (атомно-абсорбционный метод) проводились согласно стандарту ИСО 11047 и методики ФГУ «ФЦАО», на атомно - абсорбционном спектрометре «AAnalit-400» [7, 8 ].

Математическая обработка данных проводилась с помощью методов математической статистики: рассчитывались основные статистические показатели выборок. Расчеты проведены с применением пакета «Statistica».

4. Исследовательская часть

Одним из наиболее объективных и надежных показателей загрязнения водоема и общей антропогенной нагрузки на него - содержание тяжелых металлов (ТМ) донных отложениях (ДО) и биоте. В отличии от органических веществ ТМ практически не подвержены деградации и могут лишь мигрировать и накапливаться в различных компонентах природной экосистемы. Накопление ТМ в ДО до значений, превышающих допустимые нормативы и фоновые представляют опасность для качества вод из - за возможного вторичного загрязнения. Высокие содержания ТМ в ДО неблагоприятно отражаются на биологических компонентах. Поскольку гидробионты активно аккумулируют из воды химические соединения, в частности ТМ, информация о содержании последних в природных водах важна для понимания влияния соединения металлов на водные организмы. Реальная картина качества воды и экологического состояния природного водоема и водотока должна включать в себя комплексную оценку содержания различных химических веществ в компонентах экосистемы водоема. [ 9 ]

Предельно допустимая концентрация вещества в воде водоема хозяйственно-питьевого и культурно-бытового использования (ПДК_в, мг/л) - это концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать прямого или косвенного влияния на организм человека в течение всей его жизни и на здоровье последующих поколений, и не должна ухудшать гигиенические условия водопользования.

Нормативы ПДК для культурно-бытового водопользования использовали в соответствии с СанПиН 2.1.4.1074-01.

.1 Содержание тяжелых металлов в воде и донных отложениях озера «Яльчик»

Для оценки экологического состояния водоема исследовали следующие физико-химические параметры воды и донных отложений: содержание ТМ в воде и донных отложениях. Кислотность водной среды, ее жесткость и общая минерализация.

Результаты анализа на наличие тяжелых металлов проведенного по воде показали, что содержание в воде свинца превышает ПДК в 1,01 раза. Кадмий - отсутствует, также отсутствуют хром, кобальт, никель и марганец. Концентрация меди не превышает допустимую концентрацию, также цинк и железо превышения по концентрации не дают. Концентрация кальция в воде сравнительно близка к предельно допустимой ( табл. 4).

Таблица - 4 Содержание тяжелых металлов в воде озера Яльчик

Таким образом, качество воды на объекте исследований по содержанию тяжелых металлов можно считать удовлетворительным: превышение ПДК наблюдается только в отношении свинца.

Анализ донных отложений на содержание ТМ показал, что стронций имеет превышение предельно допустимой концентрации в 1,8 раз. Концентрация хрома, марганца, железа, меди, кадмия и цинка в донных отложениях не имеет превышения по предельно допустимым концентрациям. Концентрация никеля в донных отложениях имеет превышение предельно допустимой концентрации в 1,144 раз. ПДК(табл.5).