Анализ воды в источниках водоснабжения

Надежность и стабильность работы рыбоводных хозяйств в большой степени зависит от качества воды в источнике водоснабжения. Растворенные в воде вещества могут в сильной степени влиять на продуктивность водоемов и оказывают действие на физиологическое состояние рыб, особенно при увеличении плотности посадки и температуры воды.

Для поддержания необходимого уровня осмотически активных веществ в своем теле рыбы расходуют значительную энергию. Изменения солевого состава воды вынуждают рыб тратить дополнительную энергию на адаптацию и поддержание осмотического равновесия, что отрицательно сказывается на росте и оплате корма.

Рыбы способны усваивать из воды ионы натрия, калия, кальция, железа, серы, фосфора, двуокись углерода и многие другие элементы и соединения, необходимые для нормальной жизнедеятельности. Основное количество кальция проникает в организм рыб из воды через жабры, при этом до 94 % Ca может быть получено из воды (Сорвачев, 1982). Полагают, что для смешанных популяций рыб оптимальная жесткость воды — около 2 мг⋅экв/л (Ведемейер, Мейер, Смит, 1981)

При анализе показателей качества воды необходимо знать не только общую жесткость, но и соотношение ионов кальция и магния. Например, при содержании в воде кальция 30, 50 и 150 мг/л и постоянном уровне магния (13,5 мг/л) максимальный темп роста молоди осетра отмечался при концентрации кальция 50 мг/л (соотношение Ca:Mg=3,7:1). Изменение данного соотношения в любую сторону замедляло рост рыб (Богоявленская, 1959).

Определенный интерес представляют также данные о содержании в воде калия и натрия. Известно, что у животных деятельность нервной системы зависит от изменения проницаемости мембран нервных клеток для калия и натрия. От концентрации последних внутри и снаружи клетки зависит величина мембранного потенциала покоя и действия. Если калий рыба обычно в достаточном количестве получает с пищей, то содержание натрия в плазме крови у пресноводных видов рыб в значительной степени связано его концентрацией в источнике водоснабжения (Иванова, Лавриненко, 1981).

Ясно, что приведенные примеры далеко не исчерпывают всего многообразия связей физиологических процессов, протекающих в организме рыб, с солевым составом воды.

Анализ показателей качества воды источника водоснабжения с учетом современных данных по физиологии рыб — непременное условие при проектировании рыбоводных хозяйств и их эксплуатации. Вместе с тем даже в передовых хозяйствах нередко ограничиваются определением содержания растворенного в воде кислорода, pH, CO₂ и гораздо реже исследуют ее солевой состав.

Оценивать качество воды должны на основании достоверных данных, объективно характеризующих гидрохимический режим. Обычно при выборе источника водоснабжения приходится использовать результаты анализов, выполненных разными организациями в разное время, а зачастую и различными химическими методами. При этом необходимо учитывать, что качество воды как поверхностных, так и подземных источников не остается постоянным. Например, в артезианских скважинах нередко по нескольку раз в году меняется содержание железа и сероводорода.

Следует отметить, что при пуске насоса артезианской скважины в работу железо, ранее отложившееся в призабойной зоне этой скважины, может перейти в воду.

Для того чтобы результаты анализа воды не носили случайный характер, необходимо перед отбором проб откачивать воду из артезианских скважин в течение более чем 24 ч.

Показатели качества воды поверхностных водоисточников зависят от количества выпавших осадков, режима водопользования, от естественных гидробиологических и физико-химических процессов. С учетом временной изменчивости (суточная, сезонная, межгодовая) гидрохимические показатели источника водоснабжения не должны выходить за допустимые пределы с вероятностью, например, 95 % для карповых и 99 % для форелевых хозяйств.

Концентрации веществ при гидрохимическом анализе обычно выражают в миллиграммах на литр (мг/л) или в миллимолях на литр (ммоль/л). Для проверки результатов химических анализов их приходится пересчитывать в концентрацию, выраженную в миллиграмм-эквивалентах (мг⋅экв/л), используя для этого коэффициенты пересчета, имеющиеся, например, в таких руководствах, как «Практическое руководство по гидрохимии» Н.С. Строганова и Н.С. Бузиновой, (М., 1980).

Проверять результаты анализа начинают с того, что подсчитывают сумму катионов и сумму анионов, которые должны быть равны между собой. Однако в виду того, что содержание в воде Na⁺ и K⁺ из-за относительно сложной техники анализа обычно не определяется, их концентрацию находят то разности сумм анионов и катионов. Следовательно, проверка равенства сумм анионов и катионов является недостаточной.

Общая жесткость воды (Ж^общ мг⋅экв/л), определяемая аналитически, должна равняться сумме аналитически определяемого содержания кальция и магния:

Ж^общмг⋅экв/л=Ca^общмг⋅экв/л + Mg^общмг⋅экв/л

Если Ж^общ больше щелочности (Щ  мг⋅экв/л), то

[HCO₄⁺] = Ж^к = Щ,

где
Ж^к — карбонатная жесткость.

В том случае, когда Ж^общ меньше или равна Щ, то

Ж^к = Ж^общ и Ж^нк = О,

где Ж^нк — некарбонатная жесткость анализируемой воды.

Проверить результаты анализа можно сравнением экспериментально определенной и рассчитанной по формуле величине сухого остатка.

Экспериментально определенный сухой остаток получается при выпаривании определенного объема воды, предварительно профильтрованной через бумажный фильтр, с последующим высушиванием осадка до постоянного веса при температуре 105 °C.

При выпаривании сухого остатка бикарбонатный ион разлагается согласно следующей реакции:

2 HCO₃^– = CO₃^2– + H₂O + CO₂

В соответствии с этой реакцией величина сухого остатка (СО) должна вычисляться по формуле:

где
C_ме — концентрация каждого из катионов (за исключением Fe), мг/л;
C_ан — концентрация каждого из анионов (за исключением SiO₂, HCO₃^–);
C_Fe — общее содержание железа (Fe²⁺ + Fe³⁺). Если концентрация железа в результатах анализа дана в виде Fe₂О₃, то этой величиной в мг/л заменяют слагаемое 1,43 C_Fe;
C_SiO2 — концентрация кремнекислоты , мг/л
C_HCO3 — концентрация ионов HCO₃^–, мг/л.

Величина определенного экспериментально сухого остатка должна приблизительно равняться вычисленной по формуле и превышать величину прокаленного осадка. Этот показатель (масса вещества, оставшаяся после прокаливания сухого остатка при температуре 600 °C) показывает содержание в воде минеральных веществ. При прокаливании происходит сгорание органических веществ, удаляются кристаллизованная года и двуокись углерода согласно реакциям

2 HCO₃^– → CO₂^– + 2 CO₂^↑ + H₂O
CaCO₃ → CO₂ + CaO

В прокаленном остатке содержатся также и недиссоциированные неорганические вещества SiO₂, Fe₂O₃, обычно присутствующие в природных водах.

Величина прокаленного осадка (ПО) может быть вычислена с учетом изложенного по следующей формуле:

Величина экспериментально определенного прокаленного остатка должна приближенно равняться вычисленной по формуле.

Разница между сухим и прокаленным остатком характеризует содержание в воде органических веществ и в определенной степени коррелирует с окисляемостью и биохимическим потреблением кислорода (БПК).

Как уже отмечалось ранее, содержание K⁺ Na⁺ плюс в природных водах может представлять определенный интерес как для рыбоводов, так и для физиологов. Определение концентрации в воде калия и натрия может быть приближенно рассчитано с помощью следующего уравнения:

где
СО — сухой остаток, мг/л;
Σ_кат — концентрация катионов (за исключением K+, Na+ и Fe), мг/л;
Σ_ан — концентрация анионов (за исключением SiO₂, HCO₃^–)
C_Fe — общее содержание железа, мг/л. Если концентрация окисного железа в результатах анализа дана в виде Fe₂O₃, то этой величиной заменяют слагаемое 1,43 C_Fe;
C_SiO2 — концентрация кремнекислоты, мг/л;
C_HCO3^– — концентрация бикарбонатов, мг/л;
ПП — потери при прокаливании сухого остатка, мг/л;
0,508 — доля снижения веса бикарбонатов при определении сухого остатка;
0,361 — доля снижения веса при прокаливании сухого остатка;
23 и 39,1 — эквивалентные веса соответственно натрия и калия;
ПП – 0,361 C_HCO3^– — органические примеси в сухом остатке, мг/л;
Na+K — суммарное содержание в воде калия и натрия, определенное по разности мг⋅экв/л.

Из предыдущего уравнения можно получить:

Далее определяется содержание калия:

K мг⋅экв/л = [Na+K]/Na

Для определения содержания свободного диоксида углерода по значению pH и щелочности воды можно воспользоваться номограммой.

Номограмма для определения содержания в воде свободного диоксида углерода [CO₂]_св или pH: pH — водородный показатель; P — общее солесодержание, г/л; Щ — общая щелочность, мг⋅экв/л; t — температура, °С; [CO₂]_св — содержание свободного диоксида углерода, мг/л. При определении [CO₂]_св отрезок между значениями pH и солесодержанием воды [l₁] складывают с отрезком между значениями щелочности и температуры [l₂]. Вправо от стрелки на нижней шкале отклладывают сумму [l₁ + l₂] и читают значение [CO₂]_св. При определении pH по известному [CO₂]_св из отрезка [l₁ + l₂] вычитают l₁, полученный отрезок [l₁] откладывают на верхней шкале влево от значения солесодержания и читают значение pH. Номограмма составлена А. А. Говертом по методу, разработанному Г. С. Хованским.

Оригинал статьи полностью в формате PDF:
Н. Белковский, ЦЛИС, Г. Асс, А. Говерт, ВНИИ ВОДГЕО, Н. Барановский, МГМИ. Анализ воды в источниках водоснабжения. — Рыбоводство, № 4, 1985, стр. 9-10.