МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Київський національний університет будівництва і архітектури
ХІМІЯ ВОДИ І МІКРОБІОЛОГІЯ
Методичні вказівки до лабораторних робіт
для бакалаврів водних ресурсів 6.092601
"Водопостачання та водовідведення",
та бакалаврів-будівельників 6.092109
"Споруди та обладнання водопостачання
і водовідведення" денної форми навчання
Київ 2003
УДК 628.1
ББК 38.761+51.21
Х46
Укладачі: В.Ф. Накорчевська, канд. техн. наук, професор,
Т.В. Аргатенко, канд. техн. наук, доцент
Рецензент В.Ф.Малько, канд. техн. наук, доцент
Відповідальний за випуск А.М.Тугай, д-р техн. наук, професор
Затверджено на засіданні кафедри водопостачання, протокол №10 від 03.03.2003р.
Видається в авторській редакції.
Хімія води і мікробіологія: Методичні вказівки до лабораторних робіт.
Х46 ./ Уклад.: В.Ф. Накорчевська, Т.В. Аргатенко. – К.: КНУБА, 2003. – 40 с.
Подано методики виконання деяких видів хімічного, технологічного та санітарно-бактеріологічного аналізу природних і стічних вод.
Призначено для бакалаврів водних ресурсів ” 6.092601 “Водопостачання та водовідведенняі бакалаврів-будівельників 6.092109 “Споруди та обладнання водопостачання і водовідведення” денної форми навчання.
ЗМІСТ
Загальні положення.........................................................................
1. Види аналізів води.......................................................................................
1.1. Хімічний аналіз води......................................................................................
1.2. Бактеріологічний аналіз води........................................................................
1.3. Технологічний аналіз води............................................................................
2. Визначення фізичних показників якості води...........................................
Лабораторна робота №1. Температура води.....................................................
Лабораторна робота №2. Вміст завислих речовин............................................
Лабораторна робота №3. Забарвлення води.....................................................
Лабораторна робота №4. Запах води.................................................................
Лабораторна робота №5. Смак води..................................................................
3. Визначення хімічних показників якості води............................................
Лабораторна робота №6. Активна реакція води(рН).........................................
Лабораторна робота №7. Жорсткість води.........................................................
Лабораторна робота №8. Лужність води............................................................
Лабораторна робота №9. Окиснюваність води..................................................
Лабораторна робота №10. Залізо у природних водах.......................................
Лабораторна робота №11. Визначення силікатів..............................................
4. Технологічний аналіз води........................................................................
Лабораторна робота №12. Визначення оптимальної дози коагулянту............
Лабораторна робота №13. Порівняння ефективності коагулювання
різними коагулянтами в зимовий період......................................................
Лабораторна робота №14. Визначення оптимальної дози хлору.....................
Список літератури...........................................................................................
ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ
Студенти, які набувають спеціальностей “Водопостачання та водовід-ведення” та “Споруди та обладнання водопостачання і водовідведення”, поряд з іншими дисциплінами вивчають питання очищення природних та стічних вод. Теоретичною основою цих дисциплін є курс “Хімія води і мікробіологія”, який знайомить студентів із властивостями води як речовини і сировини, що використовується для питних, господарчих і виробничих потреб людини; розкриває фізико-хімічну і біологічну сутність процесів, що відбуваються в спорудах очищення й підготовки природної води та у спорудах, де проходить очищення стічної води і підготовка її для повторного використання.
Зіставляючи якість води джерела і вимоги споживачів до неї, встановлюють необхідність очищення природної води і розробляють технологічну схему її обробки. Аналогічно складають схему очищення й підготовки стічної води, що скидається у водойми чи повторно використовується для виробничих цілей. Якість води визначається складом, концентрацією і властивостями домішок і характеризується показниками, які встановлюються за допомогою аналізу.
Вимоги до якості питної води, сформульовані Державними санітарними правилами і нормами України (ДержСанПіН) “Вода питна. Гігієнічні вимоги до якості води централізованого господарсько-питного водопостачання”. Різні державні та галузеві стандарти, правила і керівництва регламентують якість води для виробничих цілей і вимоги до стічної води, що скидається у водойми чи повертається у виробництво.
Враховуючи особливу важливість для здоров’я населення якості питної води Всесвітня організація охорони здоров’я (ВООЗ) розробляє базові нормативи якості води, які видаються у вигляді “Керівництва по контролю якості питної води”. Останні вимоги ВООЗ наведені у [1, 2]. Ці документи включають такі нормативи ВООЗ для питної води:
- мікробіологічні показники;
- неорганічні компоненти;
- радіоактивність;
- органічні показники;
- пестициди і компоненти, які застосовуються або утворюються при дезінфекції води.
Окрім міжнародних нормативів ВООЗ існує Директива з питної води Європейського союзу і перелік забруднювачів води, що є пріоритетними для контролю [1].
З метою використання в національній практиці будь-якої країни науково-технічного і виробничого досвіду економічно розвинених країн створена Міжнародна організація з стандартизації (ІSО). У ній для розробки стандартів з якості води існує Технічний комітет ІSО/ТК 147. “Якість води”. Постійними комісіями (ПК) ІSО/ТК 147 розробляються такі міжнародні стандарти:
- термінологія (ПК 1);
- фізичні, хімічні і біологічні методи (ПК 2);
- радіологічні методи (ПК 3);
- мікробіологічні методи (ПК 4);
- біологічні методи (ПК 5);
- відбір проб (ПК 6);
- точність аналізу (ПК 7).
Крім ІSО, розробку міжнародних стандартів з контролю якості води проводить Європейський комітет з стандартизації (ECS). Для проведення робіт з стандартизації в області контролю якості води, в тому числі і з взаємодії з ІSО/ТК 147 в ECS створено Технічний комітет ECS/ТК 230 “Аналіз води”. Терміни і визначення, які зазвичай використовують при оцінці якості води, а також при відборі проб і їх аналізі, встановлює стандарт ІSО 6107.
Оскільки еквівалентність термінології сприяє розумінню і тісному співробітництву спеціалістів різних країн, ці методичні вказівки складені з урахуванням перелічених стандартів.
Методичні матеріали включають основні методики визначення показників якості природних та стічних вод, що можуть стати у нагоді спеціалістам з водопостачання та водовідведення. Більшість визначень показників якості води ґрунтується на міжнародних методиках. Деякі визначення через відсутність необхідної апаратури виконуються за національними методиками. Вони позначені знаком *.
Методичні вказівки складаються з двох розділів. Перший розділ включає лабораторні роботи, які виконуються студентами спеціальностей ВВ (ІІІ курс) і СВВ (ІІ курс) в рамках дисципліни “Хімія води і мікробіологія”. У другому розділі подані лабораторні роботи, що виконуються студентами спеціальності ВВ (IV курс) при вивченні дисципліни “Спеціальні питання хімії і мікробіології води”, а також студентами спеціальності ВВ (IV курс) і СВВ (ІІ курс) в рамках дисципліни “Практикум з аналізу якості води”.
Автори цієї методичної розробки висловлюють велику вдячність Зайцевій Валентині Михайлівні за цінні поради при підготовці роботи до видання.
1. ВИДИ АНАЛІЗІВ ВОДИ
Залежно від кількості й точності визначень аналіз може бути повним, скороченим і польовим. При повному санітарно-хімічному аналізі отримують докладну характеристику води поверхневого джерела централізованого водопостачання і артезіанських свердловин, що вводять в експлуатацію. Проводять його в стаціонарних умовах (лабораторіях) найточнішими методами. Аналіз води включає кілька десятків визначень: температура, смак, запах, забарвлення, каламутність, вміст завислих речовин, жорсткість, лужність, рН, вміст хлоридів, сульфатів, нітритів, нітратів, фосфатів, силікатів, аміаку, іонів Ca2+, Mg2+, Mn2+, Fe2+, Fe3+, Na+, K+, Al3+, Cu2+, Zn2+, F+, вуглекислоти вільної і зв’язаної, розчиненого кисню, сірководню, щільний залишок, втрата при прожарюванні, окиснюваність, біохімічне споживання кисню (БСК), загальна кількість бактерій і кількість бактерій групи кишкової палички. Крім того, не рідше одного разу на рік проводять аналіз на вміст у воді радіоактивних речовин, сполук стронцію, селену, іонів Mo2+, Be2+, Pb2+, As3+, As5+. При постійному виявленні цих компонентів їх включають у повний аналіз.
Аналіз цілого ряду компонентів води необхідно проводити на місці відбору проб у зв’язку з тим, що вони можуть суттєво змінюватись при зберіганні води. Як правило, на місці відбору проб визначають температуру води, її смак, запах, вміст розчиненого кисню і вуглекислого газу, фосфатів, жорсткість, концентрацію іонів Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+, NH4+, NO2-, NO3-. Не пізніше ніж через добу після відбору проби необхідно визначити вміст у воді завислих речовин, рН, каламутність, забарвлення, лужність, окиснюваність, БСК, щільний залишок.
Час проведення аналізів на вміст у воді іонів Na+, K+, SO42-, Cl- не лімітується.
До основних аналізів води належать хімічний, бактеріологічний і технологічний.
1.1. ХІМІЧНИЙ АНАЛІЗ ВОДИ
Хімічний аналіз води поділяється на якісний і кількісний.
Завдання якісного аналізу – встановлення якісного складу домішок. Кількісний аналіз дає можливість оцінити кількісний вміст домішок у воді.
Якісний аналіз дає відповідь типу “так-ні”. Його виконують додаванням у дослідну пробу води реактиву (реагенту), який вступає в реакцію з визначуваною домішкою води, що супроводжується характерною зміною системи (поява чи зміна забарвлення, помутніння). В ряді випадків проведення якісного аналізу буває достатнім, щоб установити придатність води для певних цілей. Наприклад, у воді, що використовується для виробництва кіноплівки, не повинно бути заліза. Якщо аналіз показує його присутність у воді, це однозначна відповідь про непридатність води для цього виробництва.
Якісний аналіз також дає можливість правильно обрати метод кількісного аналізу. Більшість методів визначення кількісного вмісту домішок призводять до помилкових результатів у присутності елементів, які мають певний вплив.
Найпоширенішими методами кількісного аналізу є гравіметричний, об’ємний (титриметричний) та фізико-хімічний.
Гравіметричний аналіз виконується додаванням у пробу надлишку реактиву (тобто із запасом), який утворює з визначуваною речовиною малорозчинну сполуку, що дає осад. Останній відфільтровують, висушують, визначають його масу.
Характерною особливістю гравіметричного аналізу є додавання до проби води надлишку реактиву для забезпечення повноти реакції його з визначуваним компонентом. Реактив повинен бути селективним, тобто реагувати тільки з визначуваною домішкою.
Гравіметричний аналіз достатньо громіздкий і вимагає значних витрат часу для отримання результату.
Принцип об’ємного аналізу полягає в тому, що визначувана речовина вступає в хімічну взаємодію з реактивом, який додають у пробу води у вигляді розчину точно відомої концентрації (титрований розчин) і в кількості, що еквівалентна кількості визначуваної речовини. Процес приливання реактиву у аналізовану воду називається титруванням. Кінець реакції між титрованим розчином реактиву і визначуваною речовиною встановлюють за зміною забарвлення індикатора, який додають у воду як допоміжний реактив.
Для обчислення результату аналізу необхідно знати точні об’єми розчинів речовин, які беруть участь у реакції (титрованого розчину і проби води). Формула для розрахунку має вигляд:
,
де х – кількість визначуваної речовини, мг/дм3; v1 – об’єм титрованого розчину, витраченого на титрування проби досліджуваної води, см3; N – молярна концентрація еквівалента реактиву (титрованого розчину), моль/дм3; е - молярна маса еквівалента визначуваного компонента, г/моль; v0 – об’єм досліджуваної води, що взяли для титрування, см3.
У тих випадках, коли визначувана речовина є у воді в дуже малій кількості, найдоцільнішими є методи фізико-хімічного аналізу. Особливо поширені методи колориметрії та нефелометрії.
Методами колориметрії концентрацію речовини, якщо вона забарвлена, можна визначити безпосередньо, порівнюючи інтенсивність забарвлення зі стандартом (тобто із розчином з відомою концентрацією речовини). В інших випадках у досліджувану воду додають реактив, який вступає в реакцію з визначуваною речовиною і утворює забарвлену сполуку. Порівнюючи забарвлення досліджуваної води із стандартом, до якого введено той самий реактив, встановлюють концентрацію визначуваної речовини.
Порівнюючи інтенсивності забарвлення, використовують головним чином такі методи: метод кольорової шкали, метод порівняння забарвлення, фотоколориметричний.
При використанні методу кольорової шкали забарвлення досліджуваної проби води порівнюється із забарвленням серії стандартних розчинів, виготовлених таким самим способом. Аналіз виконується у скляних посудинах, які заповнюються досліджуваною водою і стандартними розчинами. Концентрація визначуваної речовини у воді дорівнює концентрації стандартного розчину, з кольором якого збігається колір проби води.
При застосуванні методу порівняння забарвлення порівнюється інтенсивність забарвлення проби води і стандартного розчину, які можуть значно різнитися між собою. Порівняння проводять у спеціальних колориметричних циліндрах (циліндри Генера) із маленькими кранами, що розміщені у нижній частині циліндра. Висоту стовпа рідини в кожному циліндрі регулюють через відливання таким чином, щоб інтенсивності кольорів у обох циліндрах при розгляданні рідини зверху зрівнялись.
При досягненні однакової інтенсивності забарвлення мають місце співвідношення
Сст hст = Св hв та ,
де Сст і Св – концентрації відповідно стандартного розчину і досліджуваної води; hст і hв – висота стовпа відповідно стандартного розчину і води.
Фотоколориметричний метод визначення концентрації речовини заснований на вимірюванні інтенсивності світлового потоку (коефіцієнт пропускання), який пройшов крізь забарвлений розчин.
Для вимірювання коефіцієнта пропускання використовують фотоколориметри різних моделей (ФЕК, КФК-2, КФО та ін.).
Проведення фотоколориметричних вимірювань на колориметрі фотоелектричному однопроменевому (КФК) полягає у вимірюванні співвідношення двох потоків – повного й того, що пройшов крізь вимірюване середовище.
На фотоприймач по черзі направляються світлові потоки: повний Ф0 і пропущений крізь досліджувану пробу води Ф.
Коефіцієнт пропускання Т досліджуваної води, який показує співвідношення цих потоків, визначається як відношення відповідних фотострумів І безпосередньо за шкалою мікроамперметра, тобто
,
де І0, І – фотоструми, які відповідають відповідно повному світловому потоку Ф0 і світловому потоку Ф, що пройшов крізь досліджувану воду.
Проведенню вимірів передує підбір поглиначів (світлофільтрів) і вимірювальних кювет. Наявність комплекту поглиначів і кювет дозволяє підібрати такі умови для вимірювань, коли похибка у визначенні концентрації буде найменшою. Світлофільтр для роботи підбирається таким чином, щоб коефіцієнт світлопропускання мав найбільше значення. Вибір кювети здійснюється в залежності від інтенсивності забарвлення досліджуваних розчинів: більшій інтенсивності відповідає менша робоча довжина кювети.
Попередньо будують градуювальний графік. Для цього готують ряд розчинів визначуваної речовини з відомими концентраціями таким чином, щоб охопити діапазон можливих змін концентрацій в досліджуваному розчині. Потому додають у кожний розчин всі необхідні реактиви для аналізу визначуваної домішки і вимірюють коефіцієнти пропускання Т, за якими будують градуювальний графік, відкладаючи по осі абсцис відомі концентрації розчинів, а по осі ординат – відповідні їм значення коефіцієнтів пропускання.
Градуювальний графік використовують для визначення невідомої концентрації речовини в досліджуваній воді. Для цього досліджувану воду з доданими до неї реактивами наливають у ту саму кювету, за допомогою якої побудована градуювальна крива, і, увімкнувши той самий поглинач, вимірюють коефіцієнт пропускання. На графіку знаходять значення коефіцієнту пропускання і відповідну йому концентрацію визначуваної речовини.
Методами хімічного аналізу визначають фізичні і хімічні показники якості води.
До фізичних показників належать: температура води, вміст завислих речовин, забарвлення, запах і смак; до хімічних – активна реакція води (рН), перманганатна окислюваність, хімічне споживання кисню (ХСК), біохімічне споживання кисню (БСК), наявність азотвмісних речовин, розчинені у воді гази, щільний залишок і втрата при прожарюванні, жорсткість, лужність, вміст у воді сульфатів, хлоридів, заліза, марганцю та інших елементів.
1.2. БАКТЕРІОЛОГІЧНИЙ АНАЛІЗ
При бактеріологічному аналізі води визначають кількість сапрофітних (нехвороботворних) бактерій і бактерій групи кишкової палички Escherichia coli, які характеризують фекальне забруднення води. Розрізняють такі бактеріологічні показники якості води:
1) ЗМЧ - загальна кількість сапрофітних бактерій в 1 см3 води; цей показник називають також загальним мікробним числом;
2) БГКП (колі-індекс) - кількість бактерій групи кишкової палички, яка міститься в 1 дм3 води.
1.3. ТЕХНОЛОГІЧНИЙ АНАЛІЗ
В сучасних умовах отримання води певної якості здійснюється за складною хімічною технологію, в якій застосовується велика кількість різних реагентів, матеріалів, фізичних агентів і різноманітні споруди.
У результаті цих дій властивості води зазнають значних змін, які важко передбачити, але необхідно брати до уваги, щоб забезпечити потрібний ефект очистки. Ці так звані технологічні властивості води визначають методами технологічного аналізу. За допомогою такого аналізу серед кількох можливих методів коригування певного показника якості води вибирають найбільш ефективний та економічний, встановлюють необхідну дозу реагенту, визначають кінетику осаду зависів, швидкість протікання води в різних спорудах, динаміку збільшення втрат напору у фільтрувальних спорудах тощо. Незнання технологічних властивостей води може призвести до значних помилок при проектуванні водоочисних станцій.
При використанні найуживаніших технологічних схем очищення води необхідно мати дані про параметри, які характеризують її технологічні властивості: коагульованість, знебарвлення, осаджуваність зависі, фільтрованість, знезалізення, пом’якшення, стабільність, хлорованість. Ці дані отримують в результаті технологічного аналізу води.
2. ВИЗНАЧЕННЯ ФІЗИЧНИХ ПОКАЗНИКІВ ЯКОСТІ ВОДИ
Лабораторна робота №1
Температура води
Температура води – важливий фактор, що впливає на фізичні, хімічні, біохімічні та біологічні процеси, які відбуваються у водоймах. Від неї значною мірою залежить кисневий режим водойми, інтенсивність процесів самоочищення тощо. На температуру води зважають при розрахунках багатьох очисних споруд.
Для питних цілей оптимальною є температура 7...11 С. Цій умові найбільш відповідають підземні води. Вони, як правило, характеризуються сталістю температури, котра при глибині залягання водоносного шару більше ніж 200 м складає 6...10 С. Для поверхневих вод властиві значні сезонні перепади температури – в середньому від 0,1 до 30 С. Вимірювання температури проводять одночасно з відбором проби води з джерела. Там, де це неможливо, температуру вимірюють у бутлі вмістом не менш як 1000 см3, яку перед відбором проби витримують у досліджуваній воді для зрівняння температур.
Для вимірювання використовують калібровані ртутні термометри з ціною поділки 0,1...0,5 С. Результат виражають в градусах Цельсія, знак ставиться тільки при температурах, нижчих за нуль.
Лабораторна робота № 2
Вміст завислих речовин (каламутність води)
Природні води, особливо поверхневі, рідко бувають прозорими. Каламутність води зумовлюється наявністю в ній завислих частинок піску, глини, органічних домішок, фіто- і зоопланктону. Джерелом надходження їх у водойму є дощові і талі води, розмив річищ водотоків, скаламучення донних відкладень у вітряну погоду тощо.
Кількість завислих речовин у воді виражають у мг/дм3. Вміст їх у природних водах коливається в дуже широких межах – від кількох міліграмів до десятків грамів в 1 дм3 води. Ці коливання часто залежать від пори року: для рівнинних річок характерний максимальний вміст завислих речовин у весняну повінь і мінімальний – взимку, для гірських річок звичайним є збільшення каламутності води в період злив і танення снігу в горах.
Контроль каламутності води дуже важливий і з токсикологічної точки зору. Так у річкових водах з помірною каламутністю у завислому стані знаходиться переважна частина алюмінію, більш ніж 90% свинцю, 30-35% миш’яку і кадмію і більше 20% ртуті. Найчистішою є вода озера Байкал, яка містить свинцю 0,7, кадмію 0,02, ртуті 0,1 і миш’яку 0,3 мкг/дм3.
Нормативна каламутність питної води не повинна перевищувати 1,5 мг/дм3, або 5 ОКФ.
Міжнародний стандарт ISO 7027 встановлює такі чотири методи визначення каламутності води.
Напівкількісні методи (отримання інформації в польових умовах).
1. Метод з використанням трубки - для чистих і мало забруднених вод.
2. Метод з використанням диску - в основному для поверхневих вод.
Кількісні методи з використанням оптичних нефелометрів (рис.1).
3. Метод вимірювання послаблення потоку випромінювання - води з високою каламутністю, наприклад, стічні або забруднені поверхневі.
4. Метод визначення розсіювання випромінювання - води з малою каламутністю, наприклад, питтєві. Залежно від застосованого вимірювального приладу може бути використаний і для вод з високою каламутністю.
Рис. 1. Визначення каламутності оптичними нефелометрами:
1 – джерело світла; 2 – кювета з досліджуваним зразком води; 3 – оптичний нефелометр
1. Метод з використанням трубки
Використовується трубка для визначення прозорості – з безбарвного скла, довжиною 600 мм і внутрішнім діаметром 25 мм, градуйована поділками по 10 мм. Щільно підігнаний екран захищає трубку від бокового світла. Під трубку кладуть зразок шрифту, що являє собою чорний шрифт на білому тлі (висота 3,5 мм, ширина лінії 0,35 мм) або юстирувальну мітку (наприклад, чорний хрест на білому папері). Для освітлення зразка шрифту або юстирувальної мітки використовують постійне джерело світла – низьковольтну вольфрамову лампу потужністю 3 Вт.
Методика визначення
Пробу води ретельно перемішують і поміщають у трубку для визначення прозорості. Поступово знижують рівень води у трубці до тих пір, поки не стане видимим зразок шрифту або юстирувальна мітка. Визначають максимальну висоту стовпа аналізованої води, за якої помітна мітка, за поділками на трубці. Визначену висоту стовпа вказують з точністю до 10 мм.
2. Метод з використанням диска
Використовується диск, відлитий з бронзи, покритий білим пластиком і прикріплений до ланцюжка або стержня. Діаметр диска 200 мм, в ньому шість отворів діаметром 55 мм, розташованих по колу діаметром 120 мм.
Методика визначення
Диск на ланцюжку або стержні опускають у воду, щоб він був ледь помітним. Вимірюють максимальну довжину зануреного ланцюжка або стержня, за якої помітний диск. Вимірювання повторюють декілька разів. Для значень менших 1 м результат записують з точністю до 10 мм; для значень більших 1 м – з точністю до 0,1 м.
Можливість суб’єктивних помилок при застосуванні вищезгаданих методів є їх недоліком, якого можна уникнути, застосовуючи фотометричні методи.
Вода, яка містить завислі речовини, послаблює потік випромінювання і, крім того, ці нерозчинені речовини розсіюють випромінювання (рис.1). Встановлення кореляції між вмістом у пробі води завислих речовин (каламутністю води) і ступенем послаблення або розсіювання випромінювання, що проходить через цю пробу, дає можливість визначити каламутність води фотометричними методами.
3. Метод визначення послаблення потоку випромінювання
Для застосування методу проводять калібрування приладу. Для цього готують серію зразків води (не менше 5 проб) з відомими концентраціями завислих речовин. Використовуючи стандартні суспензії формазину, оксиду кремнію, каоліну або глини, відібраної коло водойми, будують градуювальну криву: по горизонтальній вісі відкладають величини концентрацій стандартних розчинів (К, мг/дм3 або ОКФ), а по вертикальній – відповідні їм значення коефіцієнту пропускання (Т, %). Градуювальна крива повинна охоплювати область можливих змін концентрацій завислих речовин у досліджуваній воді (рис.2).
