Исследование качества воды

Содержание: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Введение

      В связи с постоянно растущими  потребностями промышленности и сельского хозяйства в пресной воде со всей остротой встает проблема сохранения существующих водных ресурсов. Ведь пригодной для нужд человека воды, как показывают статистические данные, не так уж много на Земном шаре. Известно, что более 70 % поверхности Земли покрыто водой. Около 95 % ее приходится на моря и океаны, 4 % — на льды Арктики и Антарктики, и лишь 1 % составляет пресная вода рек и озер. Значительные источники воды находятся под землей, иногда на большой глубине.

      Потребители, используя воды, загрязняют ее, это  постепенно приводит к истощению чистых пресных вод и к необходимости принятия мер по их охране. Такое водоиспользование, не влияя на количество воды, существенно сказывается на ее качестве. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Глава 1. Источники загрязнения  водоемов

      Основная  причина загрязнения водоисточников сброс в водоемы неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод промышленными предприятиями, а также предприятиями коммунального и сельского хозяйства. Загрязнению водных источников также способствует нерациональное ведение сельского хозяйства: остатки удобрений и ядохимикатов, вымываемые из почвы, попадают в водоемы и загрязняют их.

      Хотя  потери воды во многих производственных процессах (из-за испарения и утечки) невелики, но суммарно промышленные предприятия расходуют огромное количество воды, причем часть ее теряется безвозвратно или не подвергается никакой очистке.

      Свойство  рек самоочищаться благодаря  происходящим в них биологическим процессам позволило справляться с отходами.

      То, что большинство городов, а с  ними и крупных предприятий было построено на водоразделах и в  верховьях рек, раньше воспринималось лишь как историческая достопримечательность. Города растут, как люди, разве только медленнее. И человек за свою жизнь не всегда успевает оценить, как изменились потребности города в воде. А изменения есть, и порой весьма значительные. Ведь водоемы в теперешних условиях являются местом не только водозабора (изъятия воды для промышленных, питьевых и других потребностей), но и приема сточных вод.

      Современное сельскохозяйственное производство, как  и промышленность, может быть источником загрязнения. Вымываемые с орошаемых земель минеральные соли загрязняют водоемы, зачастую бесконтрольно применяются ядохимикаты, фосфорные и азотные удобрения. Излишки химикатов отравляют животный и растительный мир водоемов. К тому же химические вещества способны накапливаться в продукции, представляя тем самым немалую угрозу здоровью человека.

      К источникам загрязнения водоемов в  сельской местности относятся также  крупные животноводческие комплексы.

        Источником загрязнения водоемов вредными веществами являются сточные воды судов.

      В последние годы водохранилища и  реки приняли многие тысячи единиц так называемого маломерного флота: катера, различные лодки с подвесными моторами. Известно, что 1 г нефтепродуктов портит 100 л воды.

      Существует еще весьма значительный источник загрязнения воды, который практически не поддается контролю. Это ливневые и снеговые стоки с территории леса, сельскохозяйственных угодий и т. д. По загрязненности такие воды, стекающие с огромных территорий, нередко сопоставимы с городскими канализационными водами. 

      Глава 2. Критерии качества воды

      Для оценки качества воды в реках и  водоёмах их разделяют по загрязнённости на несколько классов. Классы основаны на интервалах индекса загрязнённости воды (ИЗВ), представляющий собой агрегированный показатель, основанный на нескольких факторах, таких как концентрация загрязняющих веществ (нитратов, нитритов, аммонийного азота, тяжёлых металлов, нефтепродуктов и др.), характеристики гидробионтов, трофность и сапробность водоёмов.

      Классы загрязнённости (в скобках — интервал ИЗВ)

• очень чистые (< 0,25)
• чистые (0,25 .. 0,75)
• умеренно-загрязнённые (0,75 .. 1,25)
• загрязнённые (1,25 .. 1,75)
• грязные (1,75 .. 3,00)
• очень грязные (3,0 .. 5,0)
• чрезвычайно грязные (> 5,0)

     Минерализация:

      Общая минерализация - показатель количества содержащихся в воде растворенных веществ (неорганические соли, органические вещества). Так же этот показатель называют содержанием  твердых веществ или общим  солесодержанием. Растворенные газы при  вычислении общей минерализации не учитываются.

      За  рубежом минерализацию так же называют «общим количеством растворенных частиц» - Total Dissolved Solids (TDS).

      Наибольший  вклад в общую минерализацию  воды вносят распространенные неорганические соли (бикарбонаты, хлориды и сульфаты кальция, магния, калия и натрия), а также небольшое количество органических веществ.

      Обычно  минерализацию подсчитывают в миллиграммах на литр (мг/л), но, учитывая, что единица  измерения "литр" не является системной, правильнее минерализацию выражать в мг/куб.дм, при больших концентрациях - в граммах на литр (г/л, г/куб.дм). Также уровень минерализации может выражаться в частицах на миллион частиц воды - parts per million (ppm). Соотношение между единицами измерения в мг/л и ppm почти равное и для простоты можно принять, что 1 мг/л = 1 ppm.

      В зависимости от общей минерализации  воды делятся на следующие виды:

• слабоминерализованные (1-2 г/л),
• малой минерализации (2-5 г/л),
• средней минерализации (5-15 г/л),
• высокой минерализации (15-30 г/л) ,
• рассольные минеральные воды (35-150 г/л)
• крепкорассольные воды (150 г/л и выше).

      Показатели  качества воды:

1. Органолептические – определяются с помощью органов чувств человека (запах, вкус, цветность, мутность).
2. Физические (температура, вязкость, плотность, электрическая проводимость).
3. Химические (ph, окисляемость, растворимость газов, сухой остаток, жесткость, концентрация химических веществ, ХПК, БПК).
4. Бактериологические (колииндекс – количество кишечных палочек в литре воды, колититр – количество миллилитров воды, в которых обнаружена кишечная палочка).

      Глава 3. Методы оценки экологического состояния водоемов

      3.1 Гидрологические методы

      - Прозрачность воды

      В речной воде находятся взвешенные вещества, которые уменьшают ее прозрачность. Существуют несколько методов определения прозрачности воды:

      1. По диску Секки. Чтобы измерить  прозрачность речной воды, применяют  диск Секки диаметром 30 см, который  опускают на веревке в воду, прикрепив к нему груз, чтобы  диск уходил вертикально вниз. Вместо диска Секки можно применять тарелку, крышку, миску, положенные в сетку. Диск опускается до тех пор, пока он не будет виден. Глубина, на которую вы опустили диск, и будет показателем прозрачности воды.

      2. По кресту. Находят предельную  высоту столба воды, через которую просматривается рисунок черного креста на белом фоне с толщиной линий равной 1 мм, и четырех черных кружочков диаметром равным 1 мм. Высота цилиндра, в котором проводится определение, должно быть не менее 350 см. На дне его расположена фарфоровая пластинка с крестом. Нижняя часть цилиндра должна быть освещена лампой в 300 Вт.

      3. По шрифту. Под цилиндр высотой  60 см и диаметром 3-3,5 см подкладывают  стандартный шрифт на расстоянии 4 см от дна, исследуемую пробу  наливают в цилиндр, так чтобы  можно было прочитать шрифт, и определяют предельную высоту столба воды.

      - Мутность воды

      Повышенную  мутность вода имеет за счет содержания в ней грубодисперсных неорганических и органических примесей. Определяют мутность воды весовым методом, и  фотоэлектрическим колориметром. Весовой метод заключается в том, что 500-1000 мл мутной воды профильтровывают через плотный фильтр диаметром 9-11 см. Фильтр предварительно высушивается и взвешивается на аналитических весах. После фильтрования фильтр с осадком высушивают при температуре 105- 110 градусов в течение 1,5 - 2 часов, охлаждают и вновь взвешивают. По разности масс фильтра до и после фильтрования рассчитывают количество взвешенных веществ в исследуемой воде.

      - Определение запаха воды

      Запахи  в воде могут быть связаны с  жизнедеятельностью водных организмов или появляться при их отмирании - это естественные запахи.

      Запах воды в водоеме может обуславливаться  также попадающими в него стоками  канализации, промышленными стоками - это искусственные запахи.

      Сначала дают качественную оценку запаха по соответствующим признакам: болотный, землистый, рыбный, гнилостный, ароматический, нефтяной и т.д. Силу запаха оценивают по 5 балльной шкале.

      Колбу с притертой пробкой заполняют  на 2/3 водой и тотчас закрывают, интенсивно встряхивают, открывают и тотчас отмечают интенсивность и характер запаха.

      - Определение цветности воды

      Качественную  оценку цветности производят, сравнивая  образец с дистиллированной водой. Для этого в стаканы из бесцветного  стекла наливают отдельно исследуемую  и дистиллированную воду, на фоне белого листа при дневном освещении рассматривают сверху и сбоку, оценивают цветность как наблюдаемый цвет, при отсутствии окраски вода считается бесцветной.

      - Скорость течения реки

      Для определения скорости течения реки нужно выбрать относительно ровный участок длиной не менее 30 м и отметить его вешками (створы). Поплавок бросают в воду выше верхнего створа. При прохождении им верхнего створа включают секундомер или засекают время по часам. Затем засекают время при прохождении поплавком нижнего створа, затем высчитывают скорость в м/сек. Для более точного определения поверхностного течения поплавки бросают на середину и ближе к берегам, вычисляя среднюю скорость течения реки. 

      3.2 Гидрохимические методы

      1. Гидрохимический индекс загрязнения воды (ИЗВ).

        ИЗВ установлен Госкомгидрометом  СССР и относится к категории  показателей, наиболее часто используемых  для оценки качества водных  объектов. Этот индекс является типичным аддитивным коэффициентом и представляет собой среднюю долю превышения ПДК по строго лимитированному числу индивидуальных ингредиентов

      ИЗВ рассчитывают строго по шести показателям, имеющим наибольшие значения приведенных  концентраций, независимо от того превышают  они концентрации или нет.

      В зависимости от величины ИЗВ участки водных объектов подразделяются на классы:

        Воды                            Значения ИЗВ                            Классы качества вод

     Очень чистые                                до 0,2                                                    I

     Чистые                                          0,2 – 1,0                                                 II

     Умеренно загрязненные             1,0 – 2,0                                                 III

      Загрязненные                               2,0 – 4,0                                                 IV

      Грязные                                        4,0 – 6,0                                                  V

      Очень грязные                             6,0 – 10,0                                               VI

      Чрезвычайно грязные                  >10,0                                                     VII

      2. Показатель химического загрязнения  воды ( ПЗХ-10).

      Суммарный показатель химического загрязнения  вод, названный авторами «формализованным», рассчитывается по десяти соединениям, максимально превышающим ПДК.

      ПЗХ-10 рассчитывается только при выявлении  зон чрезвычайной экологической  ситуации и зон экологического бедствия.

      3. Комбинаторный индекс загрязненности.

      В гидрохимической практике используется несколько измененный, по сравнению с ИЗВ, метод интегральной оценки качества воды, по совокупности находящихся в ней загрязняющих веществ и частоты их обнаружения. В этом методе для каждого ингредиента на основе фактических концентраций рассчитываются баллы кратности превышения ПДК, повторяемости случаев превышения, общий оценочный балл.

      Ингредиенты, для которых величина общего оценочного балла больше или равна единице, выделяют как лимитирующие показатели загрязненности ( ЛПЗ). Комбинаторный индекс загрязненности рассчитывается как сумма общих оценочных баллов всех учитываемых ингредиентов. По величине комбинаторного индекса загрязненности устанавливается класс загрязненности воды.

      4. Методика НИИ гигиены им. Ф.Ф.  Эрисмана.

      Для определения степени загрязнения используется четыре критерия вредности, по каждому из которых сформирована определенная группа веществ и специфических показателей качества воды:

      - критерии санитарного режима, где  учитывается растворенный кислород, БПК5, ХПК и специфические загрязнения, нормируемые по влиянию на санитарный режим;

      - критерии органолептических свойств,  где учитывается запах, взвешенные  вещества, ХПК и специфические  загрязнения, нормируемые по органолептическому  признаку вредности;

      - критерий, учитывающий опасность санитарно-токсикологического загрязнения, шде учитывается ХПК и специфические загрязнения, нормируемые по санитарно-токсикологическому признаку;

      - эпидемиологический критерий, учитывающий  опасность микробного загрязнения.

      Степень загрязнения водоемов в зависимости от значений комплексных показателей, рассчитанных по лимитирующим признакам вредности:

      - допустимый (органолептический критерий- 1, критерий санитарного режима  – 1, санитарно-токсикологический  критерий – 1, эпидемиологический  критерий – 1);

      - умеренный (органолептический критерий- 1,0 – 1,5, критерий санитарного  режима – 1,0 – 3,0, санитарно-токсикологический  критерий – 1,0-3,0, эпидемиологический  критерий – 1,0-10,0);

      - высокий (органолептический критерий- 1,5 – 2,0, критерий санитарного режима – 3,0 – 6,0, санитарно-токсикологический критерий – 3,0-10,0, эпидемиологический критерий – 10,0-100,0);

      - чрезвычайно высокий (органолептический  критерий- >2, критерий санитарного  режима – >6, санитарно-токсикологический  критерий – >10, эпидемиологический критерий – >100);

      Существует  множество других методик оценки качества водоемов по комплексу гидрохимических  показателей ( метод классификации качества вод по В.П. Емельяновой, экотоксикологический критерий по Т.И. Моисеенко, комплексная оценка загрязненности вод по Г.Т. Фрумину и Л.В. Баркану и т.д.) 

      3.3 Гидробиологические методы

      Многообразие  реакций водных организмов на воздействие  загрязняющих веществ послужило  основой создания множества различных  вариантов гидробиологических методов  оценки качества природных вод. В настоящее время в России и за рубежом используются различные системы оценок, основанные на выделении показательных индикаторных организмов, определении микробиологических показателей качества воды, продукционных характеристик сообщества, а также анализа комплекса структурных и функциональных показателей состояния биоты.

      Широкое распространение получила классификация  степени загрязненности водоемов по содержащимся в них видам растений и животных, разработанная Колквитцем и Марсоном. Эта классификация, получившая название системы сапробности в  дальнейшем была усовершенствована и дополнена Никитинским и Долговым. По определению этих авторов сапробностью называется комплекс физиологических свойств данного организма, обуславливающий его способность развиваться в воде с тем или иным содержанием органических веществ, с той или иной степенью загрязнения.

      В зависимости от степени загрязнения  водя водоемов и их отдельных участков выделяют зоны сапробности:

      - полисапробная – IV класс чистоты

      - альфа-мезосапробная – III класс чистоты

      - бета-мезосапробная – II класс чистоты

      - олигосапробная  - I класс чистоты

      Полисапробная зона характеризуется большим содержанием  нестойких органических веществ  и продуктов их анаэробного распада. Альфа-мезосапробная зона характеризуется  началом анаэробного распада  органического вещества. Бета-мезосапробная присуща водоемам почти свободным от нестойких органических веществ. Олигосапробная зона характеризует практически чистые водоемы с небольшим содержанием нестойких органических веществ и продуктов их минерализации.

     Метод вычисления средней  сапробности биоценоза по Кнеппу (1995):

     Для применения этого метода нужны результаты качественной и количественной обработки  различных сообществ гидробионтов. Заполняют список видов с указанием  их обилия по семибалльной шкале.

     Затем суммируют баллы олигосапробной и в-мезосапробной зон и баллы а-мезосапробной и полисапробной зон, строят график, отражающий соотношение сумм баллов всех зон сапробности по перечному сечению реки.

     В результате соединения соответствующих  точек прямыми линиями получается фигура, состоящая из 4-х частей, которая показывает на каждой станции соотношение видов-индикаторов сапробности.

     Кроме визуальной оценки с присвоением  баллов обилия в качестве значений применяют конкретные величины численности  и биомассы индикаторных видов в  пробе. Индекс сапробности в ксеносапробной зоне равен 0-0,5; в олигосапробной зоне 0,5-1,5 (чистые воды); в в-мезосапробной - 1,51-2,50 (воды умеренного загрязнения);а-мезосапробной - 2,51-3,50 (тяжело загрязненные), полисапробной зоне 3,51-4,50 (очень тяжело загрязненные). Заключение об уровне загрязнения воды на створе делается по шестибалльной шкале.

     Из  биологических способов наибольшее распространение получила система  оценки состояния вод по индексу  токсобности (трофо-сапробности). Токсобность  указывает на приспособленность гидробионтов к различным воздействиям, благодаря существованию физиолого-биологических механизмов, выработанных в филогенезе.

     Степень загрязненности вод, адекватную токсобности  соответственно существующих гидрбионтов-индикаторов, определяется на основании экспериментальных и полевых исследований.

     Перспективной системой контроля за состоянием водных экосистем является оценка уровня накопления различных веществ в организмах гидробионтов.

     Наиболее  перспективным объектов для оценки состояния вод и экосистем, по нашему мнению, являются водоросли - первичное и очень информативное звено трофической цепи. Кроме того, в отличие от других групп гидробионтов, водоросли встречаются практически везде, где есть вода.

     При изменении содержания органических веществ в воде изменяется видовой состав водорослей и, как правило, их обилие, то есть виды которые, определенно реагируют на изменение условий окружающей среды, являются видами - индикаторами. 

      3.4 Микробиологические  методы

      Микроорганизмы, обитающие в водной толще, осуществляют процессы минерализации органических веществ, а также взаимопревращения соединений азота, фосфора, железа, марганца и др.

      Пробы для микробиологических анализов берут  в тех точках и в те же сроки, которые намечены для гидробиологических исследований. Обязательным условием микробиологических анализов является соблюдение стерильности. Поэтому пробу воды отбирают в стерильные бутылки, предварительно вымытые хромовой смесью. Отобранная проба закрывается ватной пробкой с марлевой салфеткой, поверх накладывается салфетка из жесткой бумаги и завязывается ниткой.

      Проба воды зачерпывается бутылкой, погружаемой  на глубину 5-10 см.

      - Прямые методы учета микроорганизмов

      При прямом микроскопировании воды количество обнаруживаемых микроорганизмов оказывается  небольшим. Поэтому для изучения морфологического разнообразия и оценок их общего числа в единице объема можно провести концентрацию пробы. Для этого используют мембранные фильтры с размерами пор 0,35;0,5;0,23;0,3;0,40 мкм. Перед использованием их кипятят в течение 20-30 минут в дистиллированной воде в закрытом сосуде, в котором их и сохраняют.

      Для фильтрации воды используют фильтры  Зейтца или иной конструкции. Фильтрацию осуществляют под вакуумом. Перед  фильтрацией в воду добавляют  акридин-оранж (0,4%) из расчета 0,01% в 0,02 м трисбуфере и выдерживают 3 минуты до полного окрашивания. Объем фильтруемой воды может быть от 10 до 20 мл в зависимости от типа водоема. Мембранный фильтр извлекают из фильтрующего аппарата и подсушивают на фильтровальной бумаге под стеклянным колпаком. После этого помещают на каплю иммерсионного масла на предметном стекле. Вторую каплю масла наносят сверху и прикрывают покровным стеклом. Препарат рассматривают в люминесцентном микроскопе.

      При использовании МБР или других люминесцентных микроскопов процедура подготовки пробы для счета иная. После отфильтровывания неокрашенной пробы фильтр подсушивают на фильтровальной бумаге на воздухе. Высушенные фильтры окрашивают карболовым эритрозином (5% эритрозин в 5% карболовой кислоты в 100 г воды) в течение 4-24 часов. Для этого в чашку Петри помещают кружок фильтровальной бумаги и увлажняют краской. На нее нижней строной кладут фильтры и закрывают крышкой. После окрашивания фильтры отмывают, перекладывая их на влажную фильтровальную бумагу до тех пор, пока фильтр будет оставлять на бумаге лишь розового цвета. При этом площадь фильтра должна быть розовой, а края бесцветными. Затем фильтр высушивают при комнатной температуре.

      Для подсчета численности микроорганизмов  фильтр переносят на предметное стекло в каплю иммерсионного масла (можно использовать 1/4 или 1/2 фильтра). Сверху наносят еще каплю масла и микроскопируют с перемещением сетчатого микрометра. Подсчет ведут в 20 полях зрения. Следует избегать подсчитывать микроорганизмы в близко расположенных полях зрения. В каждом поле зрения должно быть не менее 50 микробов, иначе число полей зрения необходимо увеличить.

      Расчет  численности бактерий проводится по формуле:

      N=Kn/V,

      где S - число бактерий в 1 мл воды;

      K=S/S1,

      где S - площадь фильтра, мкм2, S1 - площадь, на которой просчитываются клетки, мкм2; n - среднее число бактерий в одном поле зрения; V - объем профильтрованной воды, мл.

      Для определения биомассы бактерий необходимо провести измерение размеров клеток. Промеры используются для расчетов объемов клеток, которые приравниваются к подобным геометрическим фигурам (шар, цилиндр, эллипсоид). Для определения  среднего размера клеток делают примеры 10 клеток каждой размерной группы (крупные, средние, мелкие). Для поправки на "усыхание" полученный объем умножают на 1,6.

      - Учет микроорганизмов с применением питательных сред

      Выделение микроорганизмов и их учет производится высевом проб в жидкие и агаризированные питательные среды. Посевы способом вливания или рассевом на поверхности. В первом случае в чашку вносят 0,1 см3 пробы воды и заливают теплым агаром круговыми вращениями чашки по столу. При рассеве по поверхности агара шпателем, равномерно распределяя ее. Высевы дублируют 2-3 раза. Засеянные чашки выдерживают в термостате при температуре 30-35 С. После прорастания колоний производят их подсчет. Время инкубации для учета разных групп микроорганизмов оказывается разным.

      - Учет сапрофитных бактерий

      Для учета используют питательный агар (МПА). Готовят его на мясном бульоне, добавляя на 1 л 10 г пептана, 5г NaCl и 20г агар-агара. Посевы делаются таким образом, чтобы на чашке росло не меньше 40 и не больше 100 колоний бактерий.

      - Учет олиготрофных бактерий

      В качестве питательной среды используется агаризированная вода из водоема. В  среду вносят агар для получения 1,5-2% раствора. Учет производится после 1-10 дней инкубации заселенных чашек  при температуре 30 С.