Определение биохимического потребления кислорода

фГОУ СПО Екатеринбургский химико-механический техникум

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

по специальности 280201

Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

 

 

 

 

Тема: «Определение биохимического потребления кислорода, концентрации водного показателя и гидрокарбонатов »

 

 

09-ОС-87ДУ

 

 

Студентка                                                                                   Ибакаева О. В                                                      

 

Руководитель                                                                            Погуляева Е. А

 

 

 

 

 

2011 г.

СОДЕРЖАНИЕ

КР.08.ОС.79.Д.04

Изм.

Лист.

№ докум.

Подп.

Дата.

Студент

Ибакаева

Определение БПК, концентрации водного  показателя и гидрокарбонатов

Лит.

Лист

Листов

Руковод.

Погуляева

у

2

34

Консульт.

ЕХМТ

Консульт.

Н./ контр.

Погуляева

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Вода  – самое распространенное неорганическое соединение на нашей планете. Вода –  основа всех жизненных процессов, единственный источник кислорода в главном  движущем процессе на Земле – фотосинтезе. Вода присутствует во всей биосфере: не только в водоёмах, но и в воздухе, и в почве, и во всех живых существах. Последние содержат 80 – 90 % воды в своей биомассе. Вода обогащает клетки организма питательными веществами (витамины и минеральные соли) и выводит отходы жизнедеятельности (шлаки). Помимо этого вода задействована в процессе терморегуляции и в процессе дыхания. Для нормальной работоспособности всех систем человеку требуется пить как минимум 1/5 литров воды в сутки. Потери 10 - 20 % воды живыми организмами приводит к их гибели. В естественном состоянии вода никогда не свободна от примесей. В ней растворены различные газы и соли, находятся взвешенные твердые частички.

В природной  воде водоёмов всегда присутствуют органические вещества. Их концентрации могут быть иногда очень малы (например, в родниковых и талых водах). Природными источниками  органических веществ являются разрушающиеся  останки организмов растительного  и животного происхождения, как  живых в воде, так и попавших в водоём с листвы, по воздуху, с  берегов. Кроме природных, существуют также техногенные источники  органических веществ: транспортные предприятия (нефтепродукты), целлюлозно-бумажные и лесоперерабатывающие комбинаты (лигнины), мясокомбинаты (белковые соединения), сельскохозяйственные и фекальные стоки. Органические загрязнения попадают в водоём различными путями, главным образом со сточными водами и дождевыми поверхностными смывами с почвы.

 

 

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

 

1. Источники загрязнения внутренних водоёмов

 

Под загрязнением водных ресурсов понимают любые изменения  физических, химических и биологических  свойств воды в водоёмах в связи  со сбрасыванием в них жидких, твердых  и газообразных веществ, которые  причиняют или могут создать  неудобства, делая воду данных водоёмов опасной для использования, нанося ущерб народному хозяйству, здоровью и безопасности населения, окружающей животной и растительной экосистеме.

Загрязнение вод можно разделить на следующие  типы: механическое – повышение  содержания механических примесей, свойственная в основном поверхностным видам  загрязнений;

химическое – наличие в воде органических и неорганических веществ токсического и нетоксического действия;

бактериальное и биологическое – наличие  в воде разнообразных патогенных микроорганизмов, грибов и мелких водорослей;

радиоактивное – присутствие радиоактивных  веществ в поверхностных или  подземных водах;

тепловое  – выпуск в водоёмы подогретых вод, тепловых и атомных электростанций.

Основными источниками загрязнения и засорения  водоёмов является недостаточно очищенные сточные воды промышленных и коммунальных предприятий, крупных животноводческих комплексов, отходы производства при разработке рудных ископаемых;

воды  шахт, рудников, обработке и сплаве лесоматериалов;

сбросы  водного и железнодорожного транспорта;

отходы  первичной обработки льна, пестициды. Загрязняющие вещества, попадая в природные водоёмы, приводят к качественным изменениям воды, которые в основном проявляются в изменении физических свойств воды, в частности, появление неприятных запахов, привкусов и т. д. в изменении химического состава воды, в частности, появление в ней вредных веществ, в наличии плавающих веществ на поверхности воды и откладывании их на дне водоёмов.

Сточные воды разделяют на три группы:

фановые, или фекальные;

хозяйственно-бытовые, включающие стоки от камбуза, душей, прачечных;

подсланевые, или нефтесодержащие. Для фановых сточных вод характерно высокое бактериальное загрязнение, а также органическое загрязнение (химическое потребление кислорода достигает 1500 – 2000 мг/л.) Объём этих вод сравнительно невелик. Хозяйственно-бытовые сточные воды характеризуются невысоким органическим загрязнением. Эти сточные воды обычно сбрасываются за борт судна по мере образования. Сброс их запрещен только в зоне санитарной охраны. Подсланевые воды образуются в машинных отделениях судов. Они отличаются высоким содержанием нефтепродуктов.

Производственные  сточные воды загрязнены в основном отходами и выбросами производства. Количественный и качественный состав их разнообразен и зависит от отрасли промышленности, её технологических процессов; их делят на две основные группы: содержащие неорганические примеси, в том числе и токсические, и содержащие яды.

К первой группе относятся сточные воды содовых, обогатительных фабрик свинцовых, цинковых, никелевых руд и т.д., в которых  содержатся кислоты, щелочи, ионы тяжёлых металлов и другие. Сточные воды этой группы в основном изменяют физические свойства воды.

Сточные воды второй группы сбрасывают нефтеперерабатывающие, нефтехимические заводы, предприятия  органического синтеза, коксохимические  и другие. В стоках содержатся разные нефтепродукты, аммиак, альдегиды, смолы, фенолы и другие вредные вещества. Вредоносное действие сточных вод этой группы заключается главным образом в окислительных процессах, вследствие которых уменьшается содержание в воде кислорода, увеличивается биохимическая потребность в нём, ухудшаются органолептические показатели воды.

Нефть и  нефтепродукты на современном этапе  являются основными загрязнителями внутренних водоёмов, вод и морей, Мирового океана. Попадая в водоёмы, они создают разные формы загрязнения: плавающую на воде нефтяную плёнку, растворённые или эмульгированные  в воде нефтепродукты, осевшие на дно тяжёлые фракции и т.д. При  этом изменяется запах, вкус, окраска, поверхностное натяжение, вязкость воды, уменьшается количество кислорода, появляются вредные органические вещества, вода приобретает токсические свойства и представляет угрозу не только для человека. 12 грамм нефти делают непригодной для употребления 1 тонну воды.

Довольно  вредным загрязнителем промышленных вод является фенол. Он содержится в  сточных водах многих нефтехимических  предприятий. При этом резко снижаются  биологические процессы водоёмов, процесс  их самоочищения, вода приобретает  специфический запах карболки.

На жизнь  населения водоёмов пагубно влияют сточные воды целлюлозно-бумажной промышленности. Окисление древесной массы сопровождается поглощением значительного количества кислорода, что приводит к гибели икры, мальков и взрослых рыб. Волокна  и другие нерастворимые вещества засоряют воду и ухудшают её физические свойства. На рыбах и на их корме – беспозвоночных – неблагоприятно отражаются молевые сплавы. Из гниющей древесины и коры выделяются в воду различные дубильные вещества. Смола и другие экстрактивные продукты разлагаются и поглощают много кислорода, вызывая гибель рыбы, особенно молоди и икры. Кроме того, молевые сплавы сильно засоряют реки, а топляк нередко полностью забивает их дно, лишая рыб нерестилищ и кормовых мест.

Атомные электростанции радиоактивными отходами загрязняют реки. Радиоактивные вещества концентрируются мельчащими планктонными микроорганизмами и рыбой, затем  по цепи питания передаются другим животным. Установлено, что радиоактивность  планктонных обитателей в тысячи раз выше, чем воды, в которой  они живут.

Сточные воды, имеющие повышенную радиоактивность  (100 кюри на 1 литр и более), подлежат захоронению в подземные бессточные бассейны и специальные резервуары.

Рост  населения, расширение старых и возникновение  новых городов значительно увеличили  поступление бытовых стоков во внутренние водоёмы. Эти стоки стали источником загрязнения рек и озёр болезнетворными  бактериями и гельминтами. В ещё  большей степени загрязняют водоёмы  моющие синтетические средства, широко используемые в быту. Они находят широкое применение так же в промышленности и сельском хозяйстве. Содержащиеся в них химические вещества, поступают со сточными водами в реки и озёра, оказывают значительное влияние на биологический и физический режим водоёмов. В результате снижается способность вод к насыщению кислородом, парализуется деятельность бактерий, минерализующих органические вещества.

Вызывает  серьёзное беспокойство загрязнение  водоёмов пестицидами и минеральными удобрениями, которые попадают с  полей вместе со струями дождевой и талой воды. В результате исследований, например, доказано, что инсектициды, содержащиеся в воде в виде суспензий, растворяются в нефтепродуктах, которыми загрязнены реки и озёра. Это взаимодействие приводит к значительному ослаблению окислительных функций водных растений. Попадая в водоёмы, пестициды накапливаются в планктоне, рыбе, а по цепочке питания попадают в организм человека, действуя отрицательно как на отдельные органы, так и на организм в целом.

В связи  с интенсификацией животноводства всё более дают о себе знать  стоки предприятий данной отрасли  сельского хозяйства.

Сточные воды, содержащие растительные волокна, животные и растительные жиры, фекальная  масса, остатки плодов и овощей, отходы кожевенной и целлюлозно-бумажной промышленности, сахарных и пивоваренных заводов, предприятий  мясомолочной, консервной и кондитерской промышленности, являются причиной органических загрязнений водоёмов.

В сточных  водах обычно около 60% веществ органического  происхождения, к этой же категории  органических относятся биологические (бактерии, вирусы, грибы, водоросли) загрязнения в коммунально-бытовых, медико-санитарных водах и отходах кожевенных и шерстомойных предприятий.

Нагретые  сточные воды тепловых электростанций и других производств причиняют  «тепловое загрязнение», которое  угрожает довольно серьёзными последствиями: в нагретой воде меньше кислорода, резко  изменяется термический режим, что  отрицательно влияет на флору и фауну  водоёмов, при этом возникают благотворные условия для массового развития в водохранилищах сине-зелёных водорослей – так называемого «цветения воды». Загрязняются реки и во время сплава, при гидроэнергетическом строительстве, а с началом навигационного периода увеличивается загрязнение судами речного флота.

 

2. Загрязнение поверхностных вод

 

Качество  воды большинства водных объектов не отвечает нормативным требованиям. Многолетние наблюдения за динамикой качества поверхностных вод обнаруживают тенденцию увеличения числа створов с высоким уровнем загрязненности(Свыше 10 ПДК) и числа случаев экстремально высокого содержания(Свыше 100 ПДК) загрязняющих веществ в водных объектах.

Состояние водных источников и систем централизованного  водоснабжения не может гарантировать  требуемого качества питьевой воды, это состояние достигло опасного уровня для здоровья человека. Служба санитарно-эпидемиологического надзора постоянно отмечает высокое загрязнение поверхностных вод.

Около 1/3 всей массы загрязняющих веществ  вносится в водоисточники с поверхностным и ливневым стоком с территорий санитарно неблагоустроенных мест, сельскохозяйственных объектов и угодий, что влияет на сезонное, в период весеннего паводка, ухудшение качества питьевой воды, ежегодно отмечаемое в крупных городах . В связи с этим проводится гиперхлорирование воды, что, однако небезопасно для здоровья населения в связи с образованием хлорорганических соединений.

Одним из основных загрязнителей поверхностных  вод является нефть и нефтепродукт. Нефть может попадать в воду в  результате естественных выходов в  районах залеганий. Но основные источники  загрязнения связанны с человеческой деятельностью: нефтедобычей, транспортировкой, переработкой и использованием нефти в качестве топлива и промышленного сырья.

Среди продуктов  промышленного производства особое место по своему отрицательному воздействию  на водную среду и живые организмы  занимают токсичные синтетические  вещества. Они находят все более  широкое применение в промышленности, на транспорте, в коммунально-бытовом  хозяйстве. Концентрация этих соединений в сточных водах, как правило, составляет 5 – 15 мг/л при ПДК – 0,1 мг/л. Эти вещества могут образовывать в водоёмах слой пены, особенно хорошо заметны на порогах, перекатах, шлюзах. Способность к пенообразованию  у этих веществ появляется уже  при концентрации 1 – 2 мг/л.

Наиболее  распространёнными загрязняющими  веществами в поверхностных водах  являются фенолы, легко окисляемые органические вещества, соединения меди, цинка, а в отдельных регионах страны – аммонийный и нитритный азот, лигнин, формальдегид и другие. Огромное количество загрязняющих веществ вносится в поверхностные воды со сточными водами предприятий чёрной и цветной металлургии, химической, нефтехимической, нефтяной, газовой, угольной, лесной, целлюлозно-бумажной промышленности, предприятий сельского и коммунального хозяйства, поверхностным стоком с прилегающих территорий.

Небольшую опасность для водной среды из металлов представляют ртуть, свинец и  их соединения. Расширенное производство (без очистных сооружений) и применение ядохимикатов на полях приводят к  сильному загрязнению водоёмов вредными соединениями. Загрязнение водной среды происходит в результате прямого внесения ядохимикатов при обработке водоёмов для борьбы с вредителями, поступления в водоёмы воды, стекающей с поверхности обработанных сельскохозяйственных угодий, при сбросе в водоёмы отходов предприятий-производителей, а также в результате потерь при транспортировке, хранении и частично атмосферными осадками.

Наряду  с ядохимикатами сельскохозяйственные стоки содержат значительное количество остатков удобрений (азота, фосфора, калия), вносимых на поля. Кроме того, большие  количества органических соединений азота  и фосфора попадают со стоками  от животноводческих ферм, а также  с канализационными стоками. Повышение концентрации питательных веществ в почве приводит к нарушению биологического равновесия в водоёме.

Вначале в таком водоёме резко увеличивается  количество микроскопических водорослей. С увеличением кормовой базы возрастает количество ракообразных, рыб и других водных организмов. Затем происходит отмирание огромного количества организмов. Оно приводит к расходованию всех запасов кислорода, содержащегося  в воде, и накоплению сероводорода. Обстановка в водоёме меняется настолько, что он становится непригодным для  существования любых форм организмов. Водоём постепенно «умирает».

Во многих водных объектах концентрации загрязняющих веществ превышают ПДК, установленные  санитарными и рыбоохранными  правилами.

 

3. Система наблюдений за качеством поверхностных вод

 

В рамках Общегосударственных наблюдений проводят:

- наблюдения  за уровнем загрязнённости поверхностных  вод по физическим, химическим, гидрологическим  и гидробиологическим показателям  в режимных пунктах;

- наблюдения, предназначенные для решения  специальных задач.

Каждый  из этих видов наблюдений осуществляется в результате:

- предварительных  (рекогносцировочных) наблюдений и  исследований на водных объектах  или их участках;

- систематических  наблюдений на водных объектах  в выбранных пунктах.

 

4. Основные задачи наблюдений за качеством поверхностных вод

 

Основные  задачи систематических наблюдений за качеством поверхностных вод  можно сформулировать следующим  образом:

-систематическое  получение как отдельно, как и  осредненных во времени и пространстве  данных о качестве воды;

-обеспечение   хозяйственных органов, а так  же заинтересованных организаций  систематической информацией и  прогнозами изменения гидрохимического  режима и качества воды водоемов  и водотоков и экстренной информацией  о резких изменениях загрязнённости  воды 

 

5. Загрязнение подземных вод

 

Загрязнению подвергаются не только поверхностные, но и подземные воды. В целом состояние подземных вод оценивается как критическое и имеет опасную тенденцию дальнейшего ухудшения.

Подземные воды(особенно верхних, не глубоко залегающих, водоносных горизонтов) вслед за другими  элементами окружающей среды испытывают загрязняющее влияние хозяйственной  деятельности человека. Подземные воды страдают от загрязнений нефтяных промыслов, предприятий горнодобывающей промышленности, полей фильтрации, шлаконакопителей и обвалов металлургических заводов, хранилищ химических отходов удобрений, свалок животноводческих комплексов, не канализированных населенных пунктов. Происходит ухудшение качества воды в результате подтягивания некондиционных природных вод при нарушении режима эксплуатации водозаборов. Площади очагов загрязнения подземных вод достигают сотен квадратных километров.

Из загрязняющих подземные воды веществ преобладают: нефтепродукты, фенолы, тяжелые металлы (медь, цинк, свинец, кадмий, никель, ртуть), сульфаты, хлориды, соединение азота.

Перечень  веществ контролируемых в подземных  водах не регламентирован, поэтому  нельзя составить точную картину  о загрязнении подземных вод.

  

6. Программы наблюдений за качеством воды

 

Все пункты наблюдений за качеством воды водоёмов и водотоков делят на 4 категории, определяемые частотой и детальностью программ наблюдений. Назначение и  расположение пунктов контроля определяются правилами наблюдений за качеством воды водоёмов и водотоков.

Пункты первой категории располагают на средних  и больших водоёмах и водотоков, имеющих важное народнохозяйственное значение:

- в районах  городов с населением свыше  1 млн. жителей;

- в местах  нереста и зимовья особо ценных  видов промысловых рыб;

- в районах  повторяющихся аварийных сбросов  загрязняющих веществ;

- в районах  организованного сброса сточных  вод, в результате которых наблюдается  высокая загрязнённость воды.

Пункты второй категории устанавливают на водоёмах и водотоках в пределах следующих  участков:

- в районах  городов с населением от 0,5 до 1 млн. жителей;

- в местах  нереста и зимовья ценных видов  промысловых рыб (организмов);

- на важных  для рыбного хозяйства предплотинных  участках рек;

- в местах организованного сброса дренажных сточных вод с орошаемых территорий и промышленных сточных вод;

- при пересечении  реками Государственной границы;

- в районах  со средней загрязнённостью воды.

Пункты третьей  категории располагают на водоёмах и водотоках:

- в районах  городов с населением менее  0,5 млн. жителей;

- на замыкающих  участках больших и средних  рек;

- в устьях  загрязнённых притоков больших  рек и водоёмов;

- в районах  организованного сброса сточных  вод, в результате чего наблюдается  низкая загрязнённость воды.

Пункты четвёртой  категории устанавливают:

- на незагрязнённых  участках водоёмов и водотоков;

- на водоёмах  и водотоках, расположенных на  территориях государственных заповедников  и национальных парков.

Наблюдение  за качеством воды ведут по определённым видам программ, которые выбирают в зависимости от категории пункта контроля. Периодичность проведения контроля по гидробиологическим и гидрохимическим  показателям устанавливают в  соответствии с категорией пункта наблюдений. При выборе программы контроля учитывают  целевое использование водоёма  или водотока, состав сбрасываемых сточных вод, требования потребителей информации.

 

 

 

 

7. Лаборатория мониторинга загрязнения поверхностных вод суши

 

Лаборатория мониторинга загрязнения поверхностных  вод суши (ЛМПВ) осуществляет контроль загрязнения вод суши по 40 ингредиентам в 97 пунктах территории Свердловской и Курганской областей. Ежемесячно проводятся наблюдения и анализ физических свойств воды, кислорода, взвешенных частиц, кислотности, химического и биохимического потребления кислорода, главных ионов, биогенных веществ, нефтепродуктов, поверхностно-активных веществ, фенолов, соединений тяжёлых металлов, донных отложений на наличие нефтепродуктов. ЛМПВ аккредитована Госстандартом России на техническую компетенцию и независимость.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

 

1. Определение биохимического показателя кислорода

 

Находящиеся в воде микроорганизмы в процессе своей жизнедеятельности используют растворённый в воде кислород для  биохимического окисления органических соединений, в том числе загрязняющих веществ. Количество кислорода, израсходованное  в определённый промежуток времени  в процессе биохимического окисления  органических веществ, содержащихся в  анализируемой воде, называется биохимическим  потреблением кислорода (далее - БПК). Этот показатель является некоторой условной мерой загрязнения вод органическими  соединениями, в особенности достаточно легко подвергающимся биохимической  деградации.

Скорость  биодеградации органических загрязняющих веществ зависит от множества  факторов. В среднем можно полагать, что при 20˚С за сутки окисляется около 70% соединений, за 10 и 20 суток –  соответственно 90% и 99%. Однако для практических целей полное окисление слишком длительно и его, как правило, не используют. При неполном окислении органических веществ, для сопоставимости  величин БПК его определение должно проводиться  в некоторых стандартных условиях. В качестве таковых приняты следующие: продолжительность инкубации 5 суток, температура 20 (+/- 1) ˚С, отсутствие доступа света и воздуха. Потребление кислорода, определённое при этих условиях, называется пятисуточным биохимическим потреблением кислорода (БПК₅). Его находят как разность между содержанием кислорода в анализируемой пробе воды до и после инкубации.

При определении  БПК₅ необходимо также соблюдать условия, при которых количество кислорода в пробе в течение инкубации соответствовало бы его потреблению. Это зависит от таких факторов, как степень разбавления проб с большим биохимическим потреблением кислорода, применение одной и той же разбавляющей воды и способ обработки проб воды. Содержание кислорода в анализируемой исходной или разбавленной пробе должно оставаться  в течении всего времени инкубации таким, чтобы были обеспечены хорошие условия для протекания аэробных биохимических процессов. Это будет соблюдено, если анализируемая проба или смесь пробы с разбавляющей водой перед определением будут содержать равновесную с воздухом концентрацию кислорода (около 9 мг/дм³ при 20˚С), если минимальное потребление кислорода будет не менее 2 мг/дм³, а оставшаяся спустя 5 суток концентрация кислорода – не менее 3 мг/дм³.

 

1. Метод измерений

 

Определение основано на измерении массовой концентрации растворённого кислорода скляночным методом путём одометрического  титрования в первоначальной или  разбавленной пробе воды до и после  её инкубации в течение 5 суток при стандартных условиях (20˚С, отсутствие доступа воздуха и света).

 

2. Требования безопасности, охраны окружающей среды

 

1. При выполнении измерений БПК₅ в пробах поверхностных вод суши и очищенных сточных вод соблюдают требования безопасности, установленные в национальных стандартах и соответствующих нормативных документах.
2. По степени воздействия на организм вредные вещества, используемые при выполнении измерений, относятся ко 2, 3 классам опасности по ГОСТ 12.1.007-76.
3. Содержание  используемых вредных веществ в воздухе рабочей зоны не должно превышать установленных предельно допустимых концентраций в соответствии ГОСТ 12.1.005-88.
4. Дополнительных требований пот экологической безопасности не предъявляется.

 

3. Требования к квалификации операторов

 

К выполнению измерений и обработке их результатов  допускаются лица со средним профессиональным образованием или без профессионального  образования, но имеющие стаж работы в лаборатории не менее года и  освоившие методику.

 

4. Условия выполнения измерений