Transcript Posudin_Environmental monitoring_13

Ю. Посудін. Моніторинг довкілля з основами
метрології
Лекція 13
МОНІТОРИНГ ЯКОСТІ
ВОДИ
Yuriy Posudin
Environmental Monitoring with
Fundamentals of Metrology
Lecture 13
WATER QUALITY MONITORING
Вода
• Вода – найпростіша стійка хімічна сполука
водню і кисню, при нормальних умовах –
безбарвна рідина без запаху.
• Вода
є
найпоширенішим
компонентом
біосфери, в той же час – найважливішим,
оскільки
вона
являє
собою
основне
середовище для будь-яких метаболічних
процесів.
• З точки зору екології вода використовується
для вилучання і розчинення більшості
природних і антропогенних відходів.
Механічні властивості
• Густина води
Густина води
•
Вода є єдиною сполукою, яка під час
охолодження
розширюється;
отже
густина льоду менша, ніж густина води.
Через це лід знаходиться на поверхні
водойм, що дає можливість зберегти
життєдіяльність водних організмів в
умовах охолодження
Тверда форма води
Гідродинамічні властивості води
Вода як розчинник
• Вода являє собою чудовий розчинник,
здатний розчиняти велику кількість
сполук.
• З точки зору охорони навколишнього
середовища ця властивість води сприяє
кращому постачанню поживних речовин
в живі організми та виведенню відходів.
Когезія
Злипання
частин одного
й того самого
твердого тіла
або рідини
при їхньому
контакті
Адгезія
Злипання
поверхонь
двох
різнорідних
щільних або
рідких тіл
Рідка форма води
Текучість
• У рідкій фазі молекули води
утворюють
невеликі
групи
об’єднаних частинок.
• Саме ці утворення обумовлюють
рухливість та текучість води.
Водяна пара
Поверхневий натяг
• Вода відзначається
високим
поверхневим
натягом
(72,7510-3 Н/м при
20 0С).
Поверхневий натяг
•
•
•
•
•
•
Вода
Рицинова олія
Нафта
Спирт етиловий
Спирт метиловий
Мильний розчин
•
•
•
•
•
•
72,810-3
36,410-3
2610-3
22,810-3
22,610-3
25,010-3
Поверхневий натяг води
• Завдяки
поерхневому натягу
відбувається
капілярні явища в
порах грунту та в
стеблинах рослин,
що обумовлює
перенесення
поживних речовин з
грунту в рослину.
r
R
h

Теплофізичні
властивості води
Висока теплота випаровування
Q = 2,26·106Дж/кг
Кожен день випаровується
1230 км3 води з поверхні морів, озер,
річок і ґрунту, а також через
транспірацію
Втрати води внаслідок транспірації
однією рослиною протягом вегетаційного
періоду
• Випаровування
Рослина
Втрати води, л
Картопля (Solanum tuberosum)
Пшениця (Triticum aestivum)
Томат (Lycopersicon esculentum)125
Кукурудза (Zea mays)
Ferry, J. F.: Fundamentals of Plant Physiology,
The Macmillan Company, New Yогк, 959.
95
95
206
Теплофізичні
властивості води
Висока теплоємність води
С = 4186 Дж/кг·К
- в 3-4 рази вище теплоємності
ґрунту
Теплофізичні
властивості води
Високий коефіцієнт
теплопровідності
Вода
k = 0,599
Вт/м·К
Повітря k = 0,0257
Вт/м·К
Грунт
k = 0,209
Вт/м·К
Парниковий ефект
Електричні
властивості води
Електричні властивості
З точки зору електричних властивостей
вода як неполярна молекула являє
собою диполь – сукупність двох рівних,
але протилежних за знаком зарядів, що
находяться на певній відстані і
характеризується дипольним моментом
+
−
Оптичні властивості
•
Вода є прозорим тілом для оптичного
випромінювання видимого діапазону.
•
Коефіцієнт поглинання дистильованої
води характеризується мінімумом в
області 400–500 нм;
•
Коефіцієнт розсіювання демонструє
спад
від
короткохвильової
до
довгохвильової області спектра
Оптичні властивості води
Дистанційне зондування водойм
• Вплив присутніх у воді розчинених
речовин, забруднень та мікроорганізмів
на спектральні параметри води може
бути використаний для дистанційного
зондування водойм
Дистанційне зондування водойм
Каспійське море
Аральске море
ВОДНІ РЕСУРСИ
•
Більш ніж 70 % земної поверхні покрито
водою.
•
Оцінки свідчать про те, що гідросфера
містить близько 1,36 млрд км3 води, серед
яких 97,2 % займає океан, 2,15 % - лід, 0,65 %
- вода земної суші та атмосфери.
•
Вода є необхідним компонентом
живих організмів (50-97 % ваги тварин та
рослин, 70 % - тіла людини).
Водні ресурси України
• На території України зареєстровано
• 71 тис. річок,
• 3 тис. озер,
• 23 тис. ставків та водосховищ.
• Однак їх наявність не означає, що водні
ресурси невичерпні.
Гідрологічний цикл
СПОЖИВАННЯ ВОДИ
TABLE
WATER USE IN NORTH
AMERICAN CITIES
Average
consumption
daily
per person"
Percentage of
total use
Use
Lpcd
gpcd
Domestic
300
79
45
Commercial
Industrial
Other
100
160
100
26
44
26
15
25
15
TOTAL
660
175
100
Source: Adapted from Steel and McGhee (1991).
СПОЖИВАННЯ ВОДИ
Average daily water
consumption
per person
(Lpcd)
Region
Africa
Southeast Asia
Western Pacific
Eastern Mediterranean
Latin America and
the Caribbean
Normal range
Minimum
Maximum
15
35
30
30
40
70
95
85
70
190
35
90
Source: World Bank, Village Water Supply,
Sector Policy Paper (Washington, D.C.: World
Bank, 1976).
Проблеми з питною водою
Нестача води
• Втім, у багатьох країнах світу людство
п’є воду, забруднену патогенами та
розчиненими забруднювачами.
Гаїті – Питна вода
ЗАБРУДНЕННЯ ВОДИ
Забруднюючі речовини
• До основних забруднюючих речовин
води можна віднести біологічні, хімічні,
механічні, радіоактивні та теплові
ЕВТРОФІКАЦІЯ ВОДОЙМ
Процес підвищення рівня первинної
продукції водойм внаслідок збільшення в
них концентрацій біогенних речовин (азоту,
фосфору) називається евтрофікацією.
ЕВТРОФІКАЦІЯ
ЕВТРОФІКАЦІЯ
Каналізаційна насосна станція з вбудованим блоком
очистки стічних вод потужністю 100 – 200 м3/добу
•
Технологічна схема очищення господарсько-побутових стічних вод
ЯКІСТЬ ВОДИ
• Якість води – це
сукупність фізичних,
хімічних та
біологічних
характеристик води,
які розглядаються
порівняно із
існуючими
стандартами.
Чиста вода
Отже, чиста вода – це прозора, прохолодна,
приємна на смак, без сторонніх присмаків і
запахів, з таким хімічним складом, при якому
тривале і постійне вживання не впливає
несприятливо на здоров’я
Питна вода
• Питна вода – це
вода високої якості,
придатна для
споживання без
ризику миттєвих або
довготривалих
наслідків для
здоров’я людини.
Рotable water
• В багатьох
розвинених країнах
вода, що
постачається в
житлові будинки,
для комерційних та
промислових потреб,
є питною
Стандарти якості питної води
• Первинні стандарти
питної води діляться
на шість груп:
• неорганічні та
• органічні хімічні
сполуки,
• дезинфікуючі
речовини,
• продукти дезинфекції,
• радіонукліди та
• мікроорганізми
• Вторинні стандарти
визначають критерії,
які враховують вплив
запаху, смаку, корозії,
кольору води на
комфорт людини (але
не на здоров’я)
Первинні стандарти якості води
Первинні стандарти якості води
Вторинні стандарти якості води
МЕТОДИ ВИМІРЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ВОДИ
• Спектроскопічні
емісійна спектроскопія
атомно-абсорбційний аналіз
оптико-акустична спектроскопія
інфрачервона спектроскопія
флуоресцентна спектроскопія
спектроскопія на основі ядерно-магнітного резонансу
рентгенівська фотоелектронна спектроскопія
спектроскопія комбінаційного розсіювання
нефелометрія, турбідиметрія
поляриметрія
дисперсія оптичного обертання
• Електрохімічні
потенціометрія
вольтамперометрія або полярографія
кулонометрія
кондуктометрія
• Хроматографічні
ГХ, МС, ГХ-МС
• Радіохімічні
Якість екорегіональних вод
• Ці стандарти передбачають критерії щодо захисту водойм, таких
як озера, річки, струмки у специфічних географічних регіонах та
екорегіонах.
• Наприклад,
концентрація
азоту,
фосфору,
хлорофілу,
каламутність впливають на процеси евтрофікації та спалахи
росту водоростей.
• Дозволені концентрації поживних речовин в екорегіонах
коливаються в межах: 10-80 мкг/л для фосфору; 0,1-2 мг/л для
азоту; 1-4 мкг/л для хлорофілу; 1-18 з точки зору каламутності в
одиницях FTU.
• Токсичні субстанції та високі рівні популяцій деяких
мікроорганізмів у воді, що використовується для іригації, в
плавальних басейнах, промислових спорудах можуть являти
небезпеку для здоров’я людини.
Якість води для
сільського господарства
• Стандартів для води,
що використовується
для потреб сільського
господарства, не існує.
Враховуються
критерії, що
забезпечують захист
урожаю та ґрунту.
Розчинені тверді
речовини, які
називають
узагальненим
терміном “солі”, слід
враховувати у першу
чергу
TABLE 3 Water Quality Parameters Measured and Restrictive Use Criteria
(Artiola et al., 2004)
Typical Range in
Severe
Water Parameter
Irrigation Water (mg
Restriction
L~ )
Salinity:
Total dissolved solids (TDS)
0-2000
>2000
0-3 dS n-T1
>3
- Electrical conductivity
Sodium
0-15
Variable
(ECw) absorption ratio
рн
0-8.5
None
(SAR)
Sodium (Na+)
0-920
200
+
Potassium (K )
0-78
None
Calcium (Ca++)
0-400
None
++
Magnesium (Mg )
0-60
None
Carbonate (COJ)
0-3
None
Bicarbonate (HCO3")
0-600
>500
Chloride (СГ)
0-1070
>350
Sulfate (SOp
0-920
None
Nitrate (NOJ)
0^4
>75
Ammonium (NHЈ)
0-6
None
Phosphate (PO|)
0-7
None
Boron (B)
0-2
>3
Trace metals
'
Micronutricnts:
Co, Cr, Cu, F, Fe, Li, Mn,
Mo, Se, Zn
Toxic metals:
Al, As, Hg, Be, Ni, Pb, Sn,
W,V
Ті,
0-high ugL-1
Variable
0—low u-gL-1
Variable
СТІЧНІ ВОДИ
Стічні води
• Стічні́ во́ди – побутові, промислові, забруднені
відходами промисловості води, які відводяться з
території населених пунктів і промислових об'єктів
через каналізацію.
• Водні ресурси здатні забруднюватися через
каналізаційні або індустріальні викиди. Муніципальні
стічні води являють собою складну суміш води
(понад 99%) з органічними та неорганічними
забруднювачами, суспендованими або розчиненими
у воді.
• Основними
компонентами
стічних
вод
є
мікроорганізми,
тверді
речовини,
неорганічні
компоненти, синтетичні хімічні препарати, органічні
речовини.
Стічні води
• Склад стічних вод варіює, але основними
компонентами є:
• вода
(95%),
патогени
(бактерії,
віруси,
паразитарчні черв’яки), непатогенні бактерії (>
100,000/ml), органічні частинки (фекалії, волосся,
харчові залишки, папір, рослинні тканини, гумус),
розчинені органічні речовини (сеча, цукри, білки,
медикаменти), неорганічні речовини (пісок, метал,
кераміка), розчинені неорганічні речовини (аміак,
сіль, сульфіди водню), живі організми (найпростіші,
водорості, дрібні риби), макроскопічні тверді
предмети, гази, емульсії, токсини (пестициди,
отрути, гербіциди).
Моніторинг поверхневих
вод in situ
Параметри якості
поверхневих вод
• Серед основних параметрів
якості поверхневих
природних вод, які
визначаються in situ слід
зазначити
• рН,
• солоність,
• концентрацію розчиненого
кисню,
• окисно-відновний потенціал,
• каламутність,
• температуру,
• потік течії.
Концентрація
розчиненого кисню
• Природні води, які знаходяться у рівновазі з
атмосферою, містять розчинений кисень (РК)
в діапазоні концентрацій від 14,5 до 5 мг О2
на літр залежно від температури, солоності
та широти місцевості.
• Розчинений кисень потрапляє у воду з
атмосфери завдяки процесам дифузії, аерації
та як продукт фотосинтетичної активності
рослинного покриву.
Вимірювання розчиненого кисню
• Електрод Кларка
складається з платинового
катода у формі диска, на
якому підтримується
потенціал –0,6 В по
відношенню до
кільцеподібного срібного
аноду та тонкої (близько 20
мкм товщиною) мембрани,
виконаної з поліетилену або
тефлону. Електроди занурені
у буферний розчин
електроліту KCl, причому
проміжок між електродами
та мембраною, заповнений
цим розчином, має товщину
близько 10 мкм.
(Skoog et al., 1998)
Електрод Кларка
• Коли пристрій занурюють у воду, якість якої
аналізується, молекулярний кисень дифундує через
мембрану та плівку електроліту та під впливом
прикладеної
напруги
бере
участь
у
таких
електрохімічних реакціях:
• а) на катоді
•
4Ag  4Ag+ + 4e;
•
4Ag+ + 4Cl  4AgCl;
• б) на аноді
•
O2 + 2H2O + 2e H2O2 + 2OH;
H2O2 + 2e 2OH.
Електрод Кларка
•
Завдяки KCl складається
замкнутий електричний ланцюг, по
якому протікає електричний струм,
якщо подати на електроди напругу.
•
Цей результуючий струм
прямо пропорційний концентрації
молекулярного кисню у розчині.
Природні води
Діапазон середньої концентрації хімічних субстанцій
присутніх у поверхневих водах (Artiola et al.,2004).
Окисно-відновний потенціал
• Окисно-відновні реакції у природі – це процес
віддавання електронів окисненою речовиною
та приєднання цих електронів відновлюваною
речовиною.
• При цьому електричні потенціали обох
речовин змінюються; речовина, що віддає
електрони, набуває позитивний заряд, тоді як
та, що приєднує електрони, отримує
негативний заряд.
• Різниця електричних зарядів потенціалів між
цими двома речовинами отримала назву
окисно-відновного потенціалу (ОВП).
Нульовий потенціал
• Потенціали окисно-відновних реакцій
визначаються за припущенням, що
електрони, які беруть участь у процесах
2H+ + 2e− ↔ H2(g),
мають потенціал, рівний нулю.
• Значення всіх інших окисно-відновних
потенціалів оцінюються порівняно з цим
рівнем
Показник
Води категорії звичайної питної
якості
ОВ реакція
E°, В
Хлор (СІ2
Cl2(g) + 2 e−
Кальцій (Са2+)
Ca2+ + 2 e−
Ca(s)
−2.868
Магній (Mg2+)
Mg2+ + 2 e−
Mg(s)
−2.372
Натрій (Na+)
Na+ + e−
Калій (К+)
K+ + e−
3+
Алюміній (А1 )
2 Cl−
Na(s)
K(s)
Al3+ + 3 e−
Al(s)
Залізо (Fe3+)
Fe3+ + e−
Марганець (Mn2+)
Mn2+ + 2 e−
Мідь (Cu2+)
Cu2+ + e−
Свинець (Pb2+)
Pb2+ + 2 e−
Цинк (Zn2+)
Zn2+ + 2 e− Zn(Hg)
2H+ + 2e− H2(g)
Водень
Fe2+
Mn(s)
Cu+
Pb(s)
+1.36
−2.71
−2.931
−1.66
+0.77
−1.185
+0.159
−0.13
−0.7628
0.0000
ОВП води
Вода є складна суміш, що складається з
атомів водню, кисню та інших хімічних
елементів, що присутні у воді як домішки.
Відбування у воді різноманітних окисновідновних реакцій пояснює, чому значення
окисно-відновного потенціалу води варіює в
межах від
–400 до +700 мВ.
Значення ОВП характеризують хімічний
склад води.
Принципи дії електрохімічних
методів
Електроди
• В сучасних системах
вимірювання ОВП один
з електродів має
реагувати на зміну
концентрації речовини,
що визначається. Цей
електрод називаються
індикаторним або
робочим. Щоб він не
реагував з
компонентами речовини,
його виготовляють з
благородних металів
(Au, Pt, Hg) або інертних
матеріалів (наприклад, з
графіту).
• Другий електрод
називають електродом
порівняння; він служить
як точка відліку для
параметра, що
вимірюється
індикаторним
електродом. Зазвичай
використовують
хлоридсрібні (AgCl) або
каломельні (Hg2Cl2)
електроди.
Рівняння Нернста
Рівноважний потенціал
рівнянням Нернста:
зв’язаний
з
концентрацією
RT
C (Ox)
Ep  E 
ln
.
nF C (Re d )
0
Тут Е0 – стандартний електродний потенціал (В);
R – молярна газова стала (8,31441 ДжК-1моль-1); Т –
абсолютна температура; F – стала Фарадея (96487
Клмоль-1), n – кількість електронів, які беруть участь в
реакції; C(Ox) i C(Red) – концентрації окислювача і
відновника відповідно.
Електрод порівняння
Зовнішній вигляд
електрода порівняння:
1 – втулка;
2 – скляна трубка;
3 – електрод;
4 – стопор;
5 – бавовняний стопор;
6 – розчин електроліту;
7 – колонка хлориду срібла.
Принцип дії ОВП-метра
Процес вимірювання ОВП
полягає в тому, що в розчин,
який аналізують, занурюють
індикаторний електрод і
вимірюють його потенціал
відносно електрода
порівняння.
КАЛАМУТНІСТЬ ВОДИ
Каламутність – це відносна прозорість води,
яка в свою чергу залежить від розсіювання і
поглинання оптичного випромінювання на частинках
глини, бруду, кремнію, іржі, а також на водоростях і
бактеріях.
КАЛАМУТНІСТЬ
ВОДИ
Високий рівень каламутності
викликається ерозією ґрунту, викидами
стічних вод, спалахами росту водоростей,
активністю
риб
(карпа),
зливами,
людською активністю, яка призводить до
порушення земної поверхні (під час
будівництва).
Оцінювання каламутності
За стандартну одиницю каламутності
води
приймають
нефелометричну
одиницю
каламутності
(NTU,
Nephelometric Turbidity Units у США та
FNU, Formazin Nephelometric Unit за
міжнародними
стандартами),
яку
отримують на основі використання певної
концентрації
суспензії
полімера
формазіну.
Нефелометрічні одиниці
каламутності, NTU
Каламутність, NTU
Типові значення каламутності
• Питна вода – 0,02 – 0,5 NTU
• Джерельна вода – 0,05 – 10 NTU
• Стiчнi води – 70 – 2000 NTU
Прилади для оцінювання
каламутності
Нефелометр (або турбідиметр)
• Принцип дії нефелометра полягає у
вимірюванні розсіяного під кутом 900
світла для малих рівнів каламутності та
пропускання світла для зразків з
великими рівнями каламутності.
ТУРБІДИМЕТР
Розсіювання світла
Турбідиметр
TURB 430 PORTABLE TURBIDITY
METER
Турбідиметри
Турбідиметри
Турбідиметри
Диск Секкі (Secchi disk )
ПРИЛАД ДЛЯ ПОЛЬОВИХ
ДОСЛІДЖЕНЬ
Вимірювання потоку течії
Вимірювання потоку течії
Розрахунок потоку течії
Q = (w1D11  w2 D22  ... wn Dnn )
Визначення швидкості потоку
υ = (S1/2/n)R2/3,
де S – нахил річки;
n – параметр дна:
n = 0,02 – пісок;
n = 0,03 – гравій;
n = 0,04 – каміння;
n = 0,05 – валун;
R – середня глибина річки (R
= S/p,
де р – напівпериметр ~
ширина річки)
Вимірювання потоку течії
Індекси якості води
www.water-research.net/watrqualindex/waterqualityindex.htm
• Для кількісного оцінювання
якості водойм застосовують
індекси якості води, які
пропонують визначати такі
параметри:
• розчинений кисень,
• фекальні речовини,
• рН,
• біохімічну потребу у кисні,
• температуру,
• загальні фосфати,
• нітрати,
• каламутність,
• тверді речовини.
• Використовується така
система балів оцінювання
якості :
• 90-100 – відмінна;
• 70-90 – добра;
• 50-70 – середня;
• 25-50 – погана;
• 0-25 – дуже погана.
Сartoons
ІНДЕКСИ ЯКОСТІ ВОДИ
річки та озера
www.waterresearch.net/watrqualindex/waterqualityindex.htm
The WQI consists of nine
tests:
• 1.Dissolved Oxygen
2.Fecal Coliform
3.pH
4.BOD (Biochemical
Oxygen Demand)
5.Temperature
6.Total Phosphate
7.Nitrates
8.Turbidity
9.Total Solids
Water Quality Index Ranges
90-100 Excellent
70-90Good
50-70 Medium
25-50 Bad
0-25 Very Bad
Розрахунки індексів якості води
ІНДЕКСИ ЯКОСТІ ВОДИ
бактерії та тверді речовини
ІНДЕКСИ ЯКОСТІ ВОДИ
рН та розчинений кисень
ІНДЕКСИ ЯКОСТІ ВОДИ
БПК та каламутність
ІНДЕКСИ ЯКОСТІ ВОДИ
фосфати та нітрати
ІНДЕКСИ ЯКОСТІ ВОДИ
температура
Вода!
Ти не маєш ні смаку, ні кольору, ні
запаху, тебе не опишеш, тобою
насолоджуються, не знаючи тебе. Ти не
просто необхідна для життя: ти і є
життя. З тобою в нас розливається таке
блаженство, яке не пояснити почуттями.
Ти повертаєш нам усі сили, на які ми
вже й не сподівалися. Твоя милість
відкриває в нас пересохлі джерела серця.
Ти — найбільше в світі і найменш
тривке багатство, ти, така чиста в надрах
землі. Можна вмерти біля джерела, якщо
в ньому є домішка магнію. Можна вмерти
за два кроки від солоного озера. Можна
вмерти і від двох літрів роси, якщо в неї
попали якісь солі. Ти не приймаєш
домішок, ти не терпиш, коли тебе псують,
ти – божество, яке так легко наполохати...
Але ти даєш нам безмежно просте
щастя.
Антуан де Сент-Екзюпері, „Планета
людей”, 1957.