книги / Химия воды и основы очистки природных и сточных вод физико-химическими методами

По составу и химическим свойствам загрязняющих веществ сточные воды делят:

•на загрязнённые по преимуществу минеральными примесями;

•загрязнённые по преимуществу органическими примесями;

•загрязнённые как минеральными, так и органическими приме-

сями.

По кислотности среды:

•неагрессивные (pH 6,5–8);

•слабоагрессивные (слабощелочные – pH 8–9 и слабокислые – pH 6–6,5);

•сильноагрессивные (сильнощелочные – pH > 9 и сильнокис-

лые – pH < 6).

По токсическому действию и действию загрязнителей на водные объекты:

•содержащие вещества, влияющие на общесанитарное состояние водоёма (например, на скорость процессов самоочищения);

•содержащие вещества, изменяющие органолептические свойства (вкус, запах и др.);

•содержащие вещества, токсичные для человека и обитающих

вводоёмах животных и растений

По концентрации загрязняющих веществ:

–низкоконцентрированные, например ливневые сточные воды, промывные воды гальванических производств и др.

–концентрированные с содержанием примесей 500–5000 мг/л;

–высококонцентрированные с содержанием примесей более

30 000 мг/л.

1.2. Основные физико-химические показатели качества воды

Выбор метода очистки сточных вод определяется на основе химического состава примесей и показателей качества воды.

Интегральные показатели качества воды

Взвешенные вещества (ВВ) – грубодисперсные нерастворимые примеси, которые задерживаются на крупнопористом бумажном фильтре («белая», «розовая» лента).

11

Для оценки состава взвешенных веществ (минерального или органического происхождения) определяются потери при прокаливании (500–600 оС) из высушенной пробы ВВ. Потери при прокаливании 50 % и более, ВВ представлены в основном органической формой. Потери при прокаливании 30 % и менее, ВВ представлены минеральными примесями.

Сухой остаток (СО) характеризует общее содержание примесей в воде (взвешенные, коллоидные и растворенные малолетучие вещества) и определяется гравиметрическим методом.

Основные операции – выпаривание пробы, высушивание при 103–105 оС или 178–182 оС, взвешивание пробы.

Прокаленный остаток характеризует содержание неорганических веществ в СВ. Показатель определяют при прокаливании сухого остатка при 600оС.

ХПК – химическое потребление кислорода (мгО2/ дм3) – потребление кислорода на окисление органических соединений и части неорганических веществ, обладающих восстановительными свойствами: сульфиды, сульфиты, тиосульфаты, нитриты, железо (II), цианиды и др.

Величина ХПК характеризует общее содержание органических примесей в сточных водах.

БПК – биохимическое потребление кислорода (мгО2/ дм3). Показатель определяется количеством кислорода, потребляемым на дыхательную деятельность микроорганизмов.

БПК характеризует содержание в сточной воде биоразлагаемых органических веществ.

БПКполн – биохимическая потребность в кислороде при проведении биохимического окисления пробы воды до начала нитрификации, т.е. до полного окисления органических веществ.

На практике часто используют показатель БПК5, определяемый по потреблению кислорода микроорганизмами в пробе сточной воды в течение 5 суток инкубации пробы.

Разность между ХПК и БПКполн характеризует содержание биорезистентных примесей в сточных водах.

Отношение БПК5/ХПК характеризует долю биорезистентных примесей в сточной воде. При отношении БПК5/ХПК более 0,5– 0,7 целесообразно применение биохимических методов очистки СВ.

12

При отношении БПК5/ХПК менее 0,4 необходима предварительная очистка СВ физико-химическими методами.

Интегральные показатели, характеризующие минеральный состав сточных вод

Жесткость – суммарное содержание в воде ионов кальция и магния, мг-экв/л

Щелочность определяется суммой содержащихся в воде гидро- ксид-ионов и анионов слабых кислот – угольной, органических, а также бикарбонатных и карбонатных ионов, мг-экв/дм3. Различают бикарбонатную, карбонатную и гидратную щелочность. Щелочность определяется количеством сильной кислоты, необходимой для нейтрализации 1 дм3 воды.

Кислотность – содержание в воде соединений, способных вступать в реакцию с гидроксид-ионами, мг-экв/дм3. Определяют кислотность воды количеством щелочи, необходимой для нейтрализации 1 дм3 воды.

Индивидуальные биогенные элементы

При выборе методов очистки сточных вод (биохимические, фи- зико-химические) необходимо определять содержание в воде биогенных элементов: азота, фосфора, калия.

Наличие азотсодержащих соединений определяют по следующим показателям: органический азот, азот в нитрат-ионах ( N NO3 ), азот

в нитрит-ионах ( N NO2 ), азот в ионах аммония ( N NН4 ); определяют также фосфат-ионы ( PO34 ).

Важными показателями состава СВ являются также содержание в воде нефтепродуктов, ионов тяжелых металлов, неорганических анионов – хлорид-ионов, сульфат-ионов.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 Анализ химического состава сточных вод

Цель работы – освоение методики анализа основных компонентов природных и сточных вод по следующим показателям: ХПК, содержание взвешенных веществ, хлорид-ионов, ионов кальция и магния.

13

Опыт 1. Определение ХПК сточной воды ускоренным методом

Химическое потребление кислорода (ХПК) – количество кислорода, расходуемого на окисление содержащихся в воде органических и неорганических веществ в кипящем растворе дихромата калия, содержащем катализатор. Если устранить влияние неорганических веществ или внести поправку на их содержание, то величина ХПК характеризует суммарную концентрацию в воде органических веществ, поскольку степень окисления последних в указанных условиях близка к 100 %. Количество кислорода в мгО2/дм3, эквивалентное расходу дихромата, называют также бихроматной окисляемостью.

Приборы и оборудование:

1.Колбы конические объемом 250 мл.

2.Цилиндры.

3.Капельница.

4.Пипетки градуированные.

5.Бюретки.

Реактивы:

1.Дихромат калия, 0,25 н раствор.

2.Сульфат серебра по ТУ 6-09-3703, ч. д. а.

3.Оксид ртути (II) по ГОСТ 5558, ч. д. а.

4.Соль Мора (NH4)2Fe(SO4)2.6H2O, 0,25 н раствор.

5.Серная кислота по ГОСТ 4204, х. ч.

6.Ферроин.

Порядок выполнения измерений

Для проведения анализа пипеткой отбирают 5 см3 пробы сточной воды в коническую термостойкую колбу, добавляют 5 см3 раствора дихромата калия с концентрацией 0,25 моль/дм3 эквивалента, сульфат серебра 0,1 г, оксид ртути 1 г, осторожно добавляют 30 мл концентрированной серной кислоты. При этом температура раствора поднимается выше 100 оС. Через 5 мин охлаждают раствор до комнатной температуры, приливают 95 мл дистиллированной воды, добавляют 3–4 капли раствора ферроина и титруют избыток непрореагировавшего дихромата калия раствором соли Мора до перехода окраски индикатора из синевато-зеленой в красно-коричневую.

14

Аналогичным образом проводят холостой опыт с 5 см3 дистиллированной воды.

Величину ХПК (дихроматная окисляемость), мг/дм3 О2, находят по формуле

где VМ.х – oбъём раствора соли Мора, израсходованный на титрование в холостом опыте, см3; VМ – объём раствора соли Мора, израсходованный на титрование пробы воды, см3; СМ – концентрация раствора соли Мора, моль/дм3 эквивалента; V – объём пробы воды, взятый для определения, см3; 8 – молярная масса эквивалента кислорода, г.

Результат измерения ХПК представляют в виде ХПК ± , мг/дм3 (Р = 0,95),

где – характеристика погрешности измерения для данной величины ХПК, = 0,3ХПК.

Численные значения результата измерения должны оканчиваться цифрой того же разряда, что и значения характеристики погрешности.

Опыт 2. Определение содержания взвешенных веществ в сточной воде

Определение взвешенных веществ основано на фильтровании пробы воды через мембранный фильтр с диаметром пор 0,45 мкм или бумажный фильтр «синяя лента» и взвешивании полученного осадка после высушивания его до постоянной массы.

Приборы и оборудование:

1.Весы аналитические 2-го класса точности по ГОСТ 24104.

2.Шкаф сушильный общелабораторного назначения по ГОСТ

13474.

3.ЦилиндрымерныепоГОСТ1770 вместимостью500 см3 – 1 дм3.

4.Колбы конические объемом 250 мл.

5.Стаканчики для взвешивания (бюксы) низкие диаметром не более 6 см.

15

6.Эксикатор.

7.Воронки.

Реактивы и материалы:

1.Фильтры бумажные обеззоленные «синяя лента» диаметром не более 11 см по ТУ 6-09-1678.

2.Вода дистиллированная по ГОСТ 6709.

3.Бумага фильтровальная.

Порядок выполнения измерений

Используют высушенные чистые бумажные обеззоленные фильтры «синяялента».

Перед использованием фильтр маркируют карандашом, с помощью пинцета помещают в маркированный бюкс и взвешивают закрытый бюкс с фильтром на аналитических весах.

Взвешенный бумажный фильтр помещают в воронку, смачивают небольшим количеством дистиллированной воды для хорошего прилипания и фильтруют отмеренный объем (100 мл) тщательно перемешанной анализируемой воды.

По окончании фильтрования дают воде полностью стечь, затем фильтр с осадком трижды промывают дистиллированной водой порциями по 10 см3, осторожно вынимают пинцетом и помещают в тот же бюкс, в котором его взвешивали до фильтрования. Фильтр высушивают 1 ч при 105 ˚С, охлаждают в эксикаторе и, закрыв бюкс крышкой, взвешивают. Повторяют процедуру сушки, пока разница между взвешиваниями будет не более 0,5 мг при массе осадка менее 50 мг и 1 мг при массе более 50 мг.

Массовую концентрацию взвешенных веществ в воде Св.в, мг/дм3, рассчитывают по формуле

где mф.о – масса бюкса с бумажным фильтром с осадком взвешенных веществ, г; mф – масса бюкса с бумажным фильтром без осадка, г; V – объём профильтрованной пробы воды, дм3.

16

Результат измерения взвешенных веществ представляют в виде

Сх ± , мг/дм3 (Р = 0,95),

где – характеристика погрешности измерения взвешенных веществ или общего содержания примесей.

Численные значения результата измерения должны оканчиваться цифрой того же разряда, что и значения характеристикипогрешности.

Опыт 3. Определение хлорид-ионов в сточной воде

Приборы и оборудование:

1.Колбы конические объемом 250 мл.

2.Капельница.

3.Пипетки градуированные.

4.Бюретки.

Реактивы и материалы:

1.Хромат натрия, 10%-й раствор.

2.Нитрат серебра, 0,05 н раствор.

3.Фильтры.

Порядок выполнения измерений

В коническую колбу вместимостью 250 см3 помещают 10–50 см3 анализируемой воды и разбавляют до 100 см3 дистиллированной водой. Проба должна иметь величину рН 7–10, в противном случае доводят рН до этих значений с помощью раствора азотной кислоты, 0,1 моль/дм3 или 0,4 % раствором гидроксида натрия по универсальной индикаторной бумаге. Добавляют 1 см3 раствора хромата калия и при непрерывном перемешивании медленно титруют из бюретки рабочим раствором нитрата серебра 0,05 моль/дм3 эквивалента.

При титровании вначале появляется белый осадок AgCl. При приближении к концу титрования возникает оранжевая окраска, скорость исчезновения которой замедляется по мере титрования. Конец титрования определяют по неисчезающей при перемешивании оранжевой окраске, появляющейся от одной капли раствора AgNO3. Повторяют титрование и, если расхождение между параллельными титрованиями не более 0,05 см3 при объеме нитрата се-

17

ребра до 5 см3 и не более 0,1 см3 при объеме нитрата серебра более 5 см3, за результат принимают среднее значение объёма раствора нитрата серебра.

Одновременно с титрованием анализируемых проб выполняют титрование холостой пробы – 100 см3 дистиллированной воды.

Массовую концентрацию хлоридов в анализируемой воде находят по формуле

где Cx – массовая концентрация хлоридов в воде, мг/дм3 соответственно; V – объём раствора нитрата серебра, израсходованного на титрование анализируемой пробы, см3; Vхол – объём раствора нитрата серебра, израсходованного на титрование холостой пробы, см3; С – концентрация раствора нитрата серебра, моль/дм3 эквивалента; V1 – объем пробы воды, взятый для титрования, см3.

Результат измерения представляют в виде

где – характеристика погрешности измерения для данной массовой концентрации хлоридов.

Численные значения результата измерения должны оканчиваться цифрой того же разряда, что и значения характеристики погрешности.

Опыт 4. Определение жесткости воды

Приборы и оборудование:

1.Колбы конические объемом 250 мл.

2.Капельница.

3.Пипетки градуированные.

4.Бюретки.

Реактивы и материалы:

1.Трилон Б 0,1н, 0,01 н.

2.Аммиачный буферный раствор (pH = 11).

3.Индикатор – эриохром черный Т.

18

Порядок выполнения измерений

В коническую колбу вместимостью 250 см3 отмеривают пипеткой 10–50 см3 анализируемой воды, доводят, если необходимо, до 100 см3 дистиллированной водой, добавляют 5 см3 буферного раствора и 10–15 мг порошка индикатора. Пробу перемешивают.

Вприсутствии ионов кальция и магния индикатор окрашивает раствор в винно-красный цвет. Полученный раствор титруют 0,1н раствором трилона Б до перехода окраски в голубую.

Повторяют титрование и, если расхождение между параллельными титрованиями не превышает 0,05 см3 при объеме раствора трилона Б 5 см3 или менее и 0,1 см3 при объеме более 5 см3, за результат принимают среднее значение объёма раствора трилона Б.

Впротивном случае повторяют титрование до получения допустимого расхождения результатов.

Суммарную концентрацию ионов кальция и магния (ммоль (экв)/л) рассчитывают по формуле

где Сн – нормальность раствора трилона Б, мг-экв/л; V1 – объем пробы (мл); V2 – объем раствора трилона Б, пошедшегонатитрование(мл).

Результат измерения представляют в виде

С ± , мг/дм3 (Р = 0,95),

где – характеристика погрешности измерения для данной массовой суммарнойконцентрацииионовкальцияимагния, = 0,02 + 0,027 С.

Численные значения результата измерения должны оканчиваться цифрой того же разряда, что и значения характеристикипогрешности.

Опыт 5. Определение железа в сточной воде

Приборы и оборудование:

1.Колбы конические объемом 250 мл.

2.Капельница.

3.Пипетки градуированные.

4.Бюретки.

19

Реактивы и материалы:

1.Трилон Б 0,1н, 0,01 н.

2.Соляная кислота 1:3.

3.Сульфосалициловая кислота.

Порядок выполнения измерений

В коническую колбу вместимостью 250 см3 отбирают пипеткой 10–50 см3 анализируемой воды, добавляют 5 см3 раствора соляной кислоты (1:3) до рН = 2…3, определенной по универсальной индикаторной бумаге, добавляют 70–80 мл дистиллированной воды, нагревают полученный раствор до 70–80 оС, к горячему раствору добавляют 10–15 мг сульфосалициловой кислоты. Пробу перемешивают. В присутствии ионов железа раствор окрашивается в виннокрасный цвет. Полученный раствор титруют 0,1н раствором трилона Б до перехода окраски в желтую.

Повторяют титрование и, если расхождение между параллельными титрованиями не превышает 0,05 см3 при объеме раствора трилона Б 5 см3 или менее и 0,1 см3 при объеме более 5 см3, за результат принимают среднее значение объёма раствора трилона Б. В противном случае повторяют титрование до получения допустимого расхождения результатов.

Содержание ионов железа в сточной воде воды (мг/л) рассчитывают по формуле

где Сн – нормальность раствора трилона Б, мг-экв/л; V1 – объем пробы (мл); V2 – объем раствора трилона Б, пошедшего на титрование (мл); 27 – молярная масса эквивалента ионов железа.

Результат измерения представляют в виде

где – характеристика погрешности измерения для данной массовой суммарной концентрации ионов кальция и магния, = 0,02 + + 0,027 С.

20